科學(xué)家造出史上最小發(fā)光二極管，可將手機(jī)攝像頭變成全息顯微鏡

(相關(guān)資料圖)

新加坡—麻省理工學(xué)院研究與技術(shù)聯(lián)盟的科學(xué)家開發(fā)了世界上最小的LED(發(fā)光二極管)。這種新型LED可用于構(gòu)建迄今最小的全息顯微鏡，讓現(xiàn)有手機(jī)上的攝像頭僅通過修改硅芯片和軟件即可轉(zhuǎn)換為顯微鏡。相關(guān)研究發(fā)表在最近的《光學(xué)》雜志上。

(A)完全制造的300毫米晶圓。(B)芯片的特寫。(C)LED打開時的紅外顯微照片。(D)全息顯微鏡裝置。(E)與(F)與 GROUND TRUTH相比，重建的全息圖像的特寫。

圖源：新加坡—麻省理工學(xué)院研究與技術(shù)聯(lián)盟

這一突破得到了革命性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的支持，該算法能夠重建全息顯微鏡觀察的物體，增強(qiáng)對細(xì)胞和細(xì)菌等微觀物體的檢查，而無需笨重的傳統(tǒng)顯微鏡或額外的光學(xué)器件。

大多數(shù)光子芯片中的光都來自芯片外，這導(dǎo)致整體能源效率低下，從根本上限制了芯片的可擴(kuò)展性。雖然硅已顯示出作為納米級和獨立可控發(fā)射器候選材料的潛力，但由于間接帶隙，硅發(fā)射器的量子效率較低。

團(tuán)隊此次開發(fā)的最小硅發(fā)射器，其光強(qiáng)度可與目前最先進(jìn)的大面積硅發(fā)射器相媲美。新型LED在室溫下表現(xiàn)出高空間強(qiáng)度(102±48毫瓦/平方厘米)，并且在所有已知的硅發(fā)射器中具有最小的發(fā)射面積(0.09±0.04平方微米)。為了展示潛在的實際應(yīng)用，研究人員隨后將這種LED集成到一個不需要透鏡或針孔的在線、厘米級全硅全息顯微鏡中。

他們還構(gòu)建了一種新穎的、未經(jīng)訓(xùn)練的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，該架構(gòu)能使全息顯微鏡重建圖像并提高圖像質(zhì)量。與需要訓(xùn)練的傳統(tǒng)方法不同，新的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)通過在算法中嵌入物理模型來消除訓(xùn)練的需要，允許研究人員在事先不了解光源光譜或光束輪廓的情況下使用新型光源。

這種微型LED和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同組合，可用于其他計算成像，例如用于活細(xì)胞跟蹤的緊湊型顯微鏡或活植物等生物組織的光譜成像。該研究還為光子學(xué)的重大進(jìn)步鋪平了道路。

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