Исследователи создали самый маленький в мире кремниевый светодиодный и голографический микроскоп, который обладает массой потенциальных применений. Например, он может превратить камеру смартфона в портативный микроскоп высокого разрешения.
Прорыв в фотонике
Фотоника - область технологий, связанная с передачей и свойствами фотонов. Разработки в области фотоники привели к инновациям в широком спектре областей, включая оптическую передачу данных, визуализацию, естественные науки и здравоохранение, а также освещение и дисплеи.
В то время как фотонные чипы - микросхемы, содержащие два или более фотонных компонента, образующих функциональную схему, - прошли большой путь, в них пока не удавалось интегрировать небольшой и яркий источник света. Потому до сих пор производители прибегали к использованию источников света вне чипа. Увы, такой подход имеет низкую энергоэффективность и ограничивает масштабируемость фотонных чипов.
Теперь все может измениться благодаря исследователям из Сингапурско-Массачусетского альянса исследований и технологий (SMART). Они разработали самый маленький в мире кремниевый светодиод (LED). Этот светодиод имеет ширину менее микрометра, а его яркость сравнима с яркостью гораздо больших кремниевых светодиодов.
Уникальный цифровой микроскоп
Предыдущие внутрикристальные эмиттеры трудно интегрировать в стандартные комплементарные платформы металл-оксид-полупроводник (КМОП). КМОП (англ. CMOS, complementary metal-oxide-semiconductor) - интегральная схема, построенная на печатной плате, используемая в большинстве современных микросхем. Рядовому пользователю эта технология хорошо знакома, поскольку КМОП является сердцем любой цифровой камеры.
Исследователи разместили свой новый крошечный кремниевый светодиодный индикатор в 55-нм КМОП-узел рядом с другими фотонными и электронными компонентами. Все удалось разместить на одном чипе.
Чтобы проверить, как это можно использовать в реальной ситуации, исследователи поместили этот чип в безлинзовый голографический микроскоп. Безлинзовые микроскопы меньше и дешевле обычных микроскопов, поскольку они не требуют сложных и точных линзовых систем. Они используют источник света для освещения образца; затем свет отражается на КМОП - цифровой датчик изображения, - создавая цифровую голограмму, которую компьютер обрабатывает для получения изображения. При этом могут возникать трудности с реконструкцией изображения. Точная реконструкция требует точного знания ряда параметров - апертуры, длины волны света от источника, расстояния между образцом и сенсором.
Чтобы решить эту проблему, исследователи использовали алгоритм нейронных сетей для реконструкции объектов, которые находятся под голографическим микроскопом.
Оказалось, что новая голографическая линза обеспечивает более точные изображения с высоким разрешением, чем обычный оптический микроскоп. Разрешение составляет приблизительно 20 микрометров (микрон). Для сравнения, клетка кожи человека имеет от 20 до 40 микрон в поперечнике, а размер лейкоцита - около 30 микрон.
Что все это значит?
Это значит, что изучение микромира станет намного проще и доступнее. Например, новая технология позволит выпускать смартфоны с функцией микроскопа. Более того, систему можно использовать в существующих камерах смартфонов, достаточно лишь модифицировать кремниевый чип и программное обеспечение устройства. Любой смартфон, который пройдет такую модификацию, сможет работать как микроскоп высокого разрешения. Система, несомненно, окажет влияние на образование, медицину и многие другие сферы жизни.
Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.
