5月8日消息，近日，新加坡與麻省理工學(xué)院研究與技術(shù)聯(lián)盟（SMART）研究人員宣布開發(fā)出了世界上Z小的基于CMOS工藝的硅基LED，其發(fā)射光譜以1100nm為中心，發(fā)射面積小于0.14 μm。這種LED具有 >50 mW/cm 的高空間強(qiáng)度，單個LED就可以同時照亮硅基CMOS圖像傳感器的約950萬像素（> 1 cm 面積），可與具有更大發(fā)射面積的Z先進(jìn)的硅基發(fā)射器相媲美，并且全息圖的信噪比（SNR）足以重建隨機(jī)分布的20?μm直徑的乳膠珠（latex beads）。其有望讓智能手機(jī)的相機(jī)應(yīng)用再提升，成為容易攜帶的高解析度顯微鏡。
光子學(xué)是一個與光子的傳輸和性質(zhì)有關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域。光子學(xué)的發(fā)展帶來了廣泛領(lǐng)域的創(chuàng)新，包括光學(xué)數(shù)據(jù)通信、成像、生命科學(xué)和醫(yī)療保健以及照明和顯示器。盡管光子芯片——包含兩個或兩個以上光子組件的微芯片，形成一個正常工作的電路——在照明領(lǐng)域取得了長足的進(jìn)步，但集成一個小型、明亮的片上（on-chip）發(fā)射器仍然難以搞定。通常，制造商會使用片外（off-chip）光源，這種光源的能效較低，限制了光子芯片的可擴(kuò)展性。
以前的片上發(fā)射器很難集成到標(biāo)準(zhǔn)互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）平臺中。CMOS是一種建立在印刷電路板上的集成電路，這是當(dāng)今大多數(shù)芯片中使用的半導(dǎo)體技術(shù)。在手機(jī)的攝像頭當(dāng)中，CMOS被用作攝像頭的“眼睛”。
SMART研究人員宣布開發(fā)出的世界上Z小的硅基LED，使 off-chip 發(fā)射器可能成為過去的產(chǎn)物。研究人員將他們的微型硅基LED與其他光子和電子元件一起放置在一個55 nm的CMOS節(jié)點(diǎn)中——所有這些都在一個芯片上。
為了測試他們的硅基LED如何在現(xiàn)實(shí)世界中使用，他們將其放置在無透鏡全息顯微鏡中。無透鏡顯微鏡比普通顯微鏡更小，也更便宜，因?yàn)樗鼈儾恍枰獜?fù)雜、精確的透鏡系統(tǒng)。他們使用光源照射樣本；然后，光被散射到CMOS數(shù)字圖像傳感器上，產(chǎn)生一個數(shù)字全息圖，由計(jì)算機(jī)處理產(chǎn)生圖像。
無透鏡全息顯微鏡在重建圖像時可能會遇到困難。通常，準(zhǔn)確的重建需要對光源的孔徑和波長以及樣本到傳感器的距離有詳細(xì)的了解。為了克服這一困難，研究人員使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法重建全息顯微鏡觀察到的物體。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是模仿人腦網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，依靠訓(xùn)練數(shù)據(jù)來學(xué)習(xí)并隨著時間的推移提高其準(zhǔn)確性。
研究人員發(fā)現(xiàn)，他們的全息透鏡比普通光學(xué)顯微鏡提供了更準(zhǔn)確的高分辨率圖像。他們計(jì)算出它的分辨率大約為20微米。而人類皮膚細(xì)胞的直徑為20至40微米；白細(xì)胞約為30微米。
研究人員看到了下一代CMOS集成微型LED和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的許多應(yīng)用，包括重建人體組織樣本和植物種子等微觀物體。研究人員表示，只需修改手機(jī)的硅基芯片和軟件，就可以將手機(jī)轉(zhuǎn)換為高分辨率顯微鏡，就可以將其用于現(xiàn)有的智能手機(jī)攝像頭。
該研究的通訊作者Rajeev Ram說：“除了在無透鏡全息術(shù)方面的巨大潛力外，我們的新型LED還有廣泛的其他可能應(yīng)用。”“由于其波長在生物組織的Z小吸收窗口內(nèi)，加上其高強(qiáng)度和納米級發(fā)射面積，我們的LED可能是生物成像和生物傳感應(yīng)用的理想選擇，包括近場顯微鏡和植入式CMOS器件。”
編輯：芯智訊-浪客劍
