Самый маленький в мире светодиод превращает обычную мобильную камеру в микроскоп

Безлинзовая визуализация — это перспективный метод создания недорогих микроскопов с высоким разрешением и большим полем зрения (FoV), не требующий громоздких и дорогих оптических компонентов, таких как объективы и линзы. Он широко используется в когерентной дифракционной визуализации, птихографии и фазовой томографии.

Наноразмерный встроенный в кристалл источник света с высокой интенсивностью необходим для самых разных целей в интегрированных фотонных системах. Однако реализовать такой излучатель с использованием материалов и процессов изготовления, совместимых со стандартной технологией интегральных схем, сложно.

Теперь группа исследователей из Альянса исследований и технологий Сингапура и Массачусетского технологического института (SMART) смогла использовать новый светодиод размером меньше длины волны света, чтобы создать самый миниатюрный в мире голографический микроскоп. А это уже — прямой путь для преобразования существующих камер в смартфонах в микроскопы, причем это можно осуществить всего лишь при помощи модификации кремниевого чипа и программного обеспечения.

Свет в большинстве фотонных чипов исходит от внешних источников. Из-за этого чипы имеют невысокую энергоэффективность и ограничены в масштабируемости. Для решения этой проблемы авторы исследования, вышедшего в журнале Optica, разработали эмиттеры с использованием легированного редкоземельными элементами стекла, кремниево-германиевых материалов и полупроводников типа AIIIBV.

Новый светодиод представляет собой интегрированный с CMOS-технологиями светодиод субволнового диапазона. Спектр излучения светодиода колеблется около 1100 нм, а площадь излучения меньше 0,14 мкм2 (~∅400нм). Он способен работать при комнатной температуре и демонстрирует высокое пространственное распределение интенсивности более 50 мВт/см2 , что сравнимо с современными излучателями на основе кремния, у которых площадь излучения гораздо больше.

Чтобы продемонстрировать возможности светодиода, исследователи интегрировали его в линейный голографический микроскоп. Благодаря большой числовой апертуре и высокой пространственной когерентности светодиода они получили полностью кремниевый голографический микроскоп сантиметрового масштаба, которому не нужны ни линзы, ни отверстия. Эти светодиоды также могут быть собраны в CMOS для создания программируемого когерентного освещения для более сложных систем в будущем.

Эти же ученые разработали архитектуру глубокой нейросети, чтобы повысить качество реконструкции изображений. Это позволило использовать новые источники света без предварительного знания их спектра или профиля луча, в том числе и новое изобретение — описанный выше светодиод.

Алгоритм нейросети способен реконструировать объекты, измеренные с помощью голографического микроскопа. Благодаря этому получится лучше исследовать микроскопические объекты без громоздких обычных микроскопов или дополнительной оптики.

Авторы разработки предполагают, что комбинация таких микросветодиодов и нейронной сети может использоваться для обработки изображений в других сценариях, например, для спектроскопической визуализации биологических тканей. Кроме того, технология позволит сделать шаг вперед в миниатюризации диагностики для фермерских хозяйств, и не только. Исследование также может запустить серьезный прогресс в фотонике. а именно способствовать созданию мощного встроенного излучателя размером меньше микрометра, что долгое время было проблемой.