亚光波长片上硅LED可使智能手机摄像头变为高分辨率显微镜

据麦姆斯咨询报道，新加坡-麻省理工学院科技合作联盟（SMART）的研究人员开发出全球最小的LED（发光二极管），可以将现有智能手机的摄像头转变为高分辨率显微镜。这种亚光波长新型LED可用于实现全球最小的全息显微镜，有望使智能手机等日常设备中的现有摄像头，仅通过修改硅芯片和软件即可转换为显微镜。这项技术也代表着室内农业和可持续农业诊断的微型化向前迈出了重要一步。

（a）完整制作的12英寸晶圆，（b）芯片特写，（c）LED开启时的红外显微照片，（d）全息显微镜设置，（e）重建全息图像特写与（f）实际图像对比。

研究人员还开发了革命性的神经网络算法，在该算法的支持下，上述突破能够重建全息显微镜测量的物体，从而增强对细胞和细菌等微观物体的观测能力，不再需要笨重的传统显微镜或额外的光学器件。这项研究还为光子学的重大进步铺平了道路。在此之前，构建小于微米级的片上光源，一直是该领域的长期挑战。

这款新型LED的特性表征

大多数光子芯片中的光来源于芯片外光源，这导致整体能效较低，并从根本上限制了这些芯片的可扩展性。为了解决这个问题，研究人员已经采用各种材料（例如稀土掺杂玻璃、Ge-on-Si和异质集成III-V族材料）开发了片上光源。尽管基于这些材料的光源在性能方面已经显示出发展前景，但其制造工艺在标准互补金属氧化物半导体（CMOS）平台中的集成仍然具有挑战性。

作为纳米级、独立可控光源的候选材料，硅已经显示出潜力，但是由于间接带隙，硅基光源的量子效率较低，这种缺陷加上可用材料和制造工具的限制，阻碍了其在CMOS中实现小型原生硅基光源。

在最近发表在Nature Communications期刊上的一篇题为“A sub-wavelength Si LED integrated in a CMOS platform”的论文中，SMART研究人员介绍了他们开发的已有报道最小型化的硅LED光源，其光强可比肩发射面积大得多的最先进硅基光源。SMART研究人员还取得了另一项相关突破，他们在刊登于Optica期刊上的一篇题为“Simultaneous spectral recovery and CMOS micro-LED holography with an untrained deep neural network”的论文中，展示了他们构建的一种新的、未经训练的深度神经网架构，能够从全息显微镜重建图像。

数字同轴全息术的设置及成像结果

SMART研究人员开发的新型LED是一种CMOS集成亚光波长级LED，在室温下表现了出高空间强度（102 ± 48 mW/cm²），在已有文献报道的所有硅基光源中具有最小的发射面积（0.09 ± 0.04 μm²）。为了展示其潜在的实际应用，研究人员将这种LED集成到了一种无需透镜或针孔的同轴厘米级全硅全息显微镜中（所谓的无透镜全息技术）。

利用该新型LED的全息显微镜和神经网络进行图像重建的过程示意图

无透镜全息技术中的一个常见障碍是成像物体的计算重建。传统的重建方法需要详细了解实验装置才能进行精确的重建，并且对难以控制的变量（如光学像差、噪声和孪生图像问题等）很敏感。

对此，研究团队开发了一种深度神经网络架构以提高图像重建的质量。这种新颖的、未经训练的深度神经网络结合了全变正则化以提高对比度，并考虑了光源的宽频谱带宽。

与需要训练数据的传统计算重建方法不同，这种神经网络通过在算法中嵌入物理模型来消除训练需求。除了全息图像重建，该神经网络还提供了从单一衍射强度模式中恢复盲源光谱，这标志着对过去所有监督学习技术的重大突破。

本研究中展示的未经训练的神经网络使研究人员能够在不事先了解光源光谱或光束轮廓的情况下使用新型光源，例如上述最小的新型硅LED，该LED由完全商业化的、未经修改的体CMOS微电子技术制造。

研究人员设想这种基于CMOS的微型LED和神经网络的协同组合，可以用于其他计算成像应用，例如用于活细胞跟踪的小型显微镜，或活体植物等生物组织的光谱成像。这项工作也证明了下一代片上成像系统的可行性。同轴全息显微镜已经被用于各种应用，包括粒子跟踪、环境监测、生物样品成像和计量等。进一步的应用包括在CMOS中排布这些LED，以为未来更复杂的系统生成可编程的相干照明。

在Optica期刊上发表的那篇论文的主要作者、麻省理工学院研究助理Iksung Kang表示，“我们的研究突破代表了一种概念验证，它有望对很多需要微型LED的应用带来巨大影响。例如，这种LED可以组合成一个阵列，以获得更大规模应用所需要的高水平照明。此外，由于微电子CMOS工艺的低成本和可扩展性，可以在不增加系统复杂性、成本或形状尺寸的情况下实现应用。这使我们能够相对轻松地将手机摄像头转换为这种类型的全息显微镜。此外，还可以将控制电子元件甚至成像器集成到同一芯片中，从而打造一种一体式微型LED，有望对该领域带来变革性影响。”

“除了在无透镜全息领域的巨大潜力，我们开发的新型LED还有广泛的其它潜在应用。由于其波长在生物组织的最小吸收窗口内，加上其高强度以及纳米级发射区域，这种LED有望成为生物成像和生物传感应用的理想选择，例如近场显微镜和植入式CMOS器件。”SMART CAMP和DiSTAP首席研究员、麻省理工学院电气工程教授、这两篇论文的合著者Rajeev Ram补充称，“此外，可以将这种LED与片上光电探测器集成，进而在片上通信、近红外接近传感和光子学晶圆测试中找到更多应用。”

审核编辑：刘清