این فناوری امکان تبدیل دوربین تلفن همراه به میکروسکوپ با وضوح بالا را فراهم می کند

خلاصه: محققان یک LED بر مبنای سیلیکون با ابعاد بسیار کوچک ساخته‌اند که امکان یکپارچه‌سازی آن با ادوات الکترونیکی، می‌تواند کاربردهای زیادی برای آن ایجاد کند. آن‌ها همچنین از یک الگوریتم شبکه عصبی برای بهبود پردازش تصاویر دریافتی استفاده کرده‌اند که باعث می‌شود تصاویر هولوگرافیک با کیفیت بالا تولید کنند.

محققان سنگاپور کوچکترین LED (دیود گسیلنده نور؛ به انگلیسی: Light emitting diode) جهان را ساخته‌اند که امکان تبدیل دوربین‌های تلفن همراه موجود به میکروسکوپ‌های با وضوح بالا را فراهم می‌کند. LED جدید که کوچک‌تر از طول موج نور است، برای ساخت کوچکترین میکروسکوپ هولوگرافیک جهان مورد استفاده قرار گرفت و راه را برای تبدیل دوربین‌های موجود در دستگاه‌های روزمره مانند تلفن‌های همراه به میکروسکوپ، هموار کرد. این کار تنها با ایجاد تغییراتی در تراشه سیلیکونی و نرم افزار مربوطه انجام شده است. این فناوری همچنین نشان‌دهنده یک گام به جلو در کوچک‌سازی روش‌های تشخیص برای کشاورزی در گلخانه و کشاورزی پایدار است.

شکل 1: (a) تصویری از یک ویفر 300nm، (b) تصویر نزدیک از یک تراشه، (c) میکروگراف با LED روشن، (d) چیدمان میکروسکوپ هلوگرافی، (e) تصویر نزدیک از یک تصویر هلوگرافی بازسازی شده با پس‌زمینه (f).

در این کار همچنین از یک الگوریتم شبکه عصبی (به انگلیسی: neural networking algorithm) استفاده شد که قادر به بازسازی اجسامی است که توسط میکروسکوپ هولوگرافیک تصویربرداری شده‌اند. به این ترتیب، امکان بررسی پیشرفته اشیاء میکروسکوپی مانند سلول‌ها و باکتری‌ها بدون نیاز به میکروسکوپ‌های معمولی حجیم یا ادوات اپتیکی اضافی فراهم شده است. این تحقیق همچنین راه را برای یک پیشرفت بزرگ در فوتونیک هموار می‌کند – ساخت یک تابشگر قدرتمند روی تراشه که کوچک‌تر از یک میکرومتر است، که مدت‌ها به‌صورت یک چالش بود.

در اکثر تراشه‌های فوتونی، نور از منابع خارج از تراشه تأمین می‌شود که باعث شده است بازده کلی انرژی پایین باشد و اساساً مقیاس‌پذیری این تراشه‌ها را محدود می‌کند. برای حل این مشکل، محققان با استفاده از مواد مختلفی مانند شیشه‌های خاکی کمیاب، Ge-on-Si و مواد یکپارچه ناهمگن گروه III-V ، گسیلنده‌های روی تراشه را توسعه داده‌اند. در حالی که گسیلنده‌های مبتنی بر این مواد عملکرد امیدوارکننده‌ای داشتند، ادغام فرآیندهای ساخت آنها در بسترهای نیمه‌هادی اکسید فلزی استاندارد (CMOS) همچنان چالش برانگیز بود.

سیلیکون (Si) کاندیدای مناسبی برای گسیلنده‌های نانومقیاس است، اما گسیلنده‌های Si به دلیل گاف انرژی غیرمستقیم،  بازده کوانتومی پایینی دارند. این مشکل اساسی همراه با محدودیت‌های ناشی از مواد موجود و ابزار ساخت، مانع از تحقق ساخت یک گسیلنده کوچک Si در CMOS شده است.

محققان SMART در مقاله‌ای که اخیراً در Nature Communications با عنوان “یک LED از جنس Si با ابعاد کمتر از طول‌موج ادغام شده در یک پلت فرم CMOS” منتشر شد، پیشرفت خود در ساخت کوچک‌ترین گسیلنده Si با شدت نور قابل مقایسه با گسیلنده‌های Si بزرگ‌تر، را گزارش کردند. محققان SMART همچنین اخیراً در مجله Optica مقاله‌ای با عنوان “بازیابی همزمان طیفی و هولوگرافی LEDمیکرو-مقیاسِ CMOS با یک شبکه عصبی عمیق تعلیم‌ندیده” منتشر کردند که در آن معماری شبکه عصبی عمیق تعلیم‌ندیده را معرفی کردند که قادر به بازسازی تصاویر دریافتی از یک میکروسکوپ هولوگرافیک است.

 LED ساخته شده توسط محققان SMART، ابعادی کمتر از طول‌موج دارد که به‌صورت یکپارچه CMOS ساخته شده و در دمای اتاق کار می‌کند. این LED شدت فضایی بالا () و کمترین سطح انتشار () در بین تمام گسیلنده‌های Si شناخته شده در ادبیات علمی را دارد. محققان سپس این LED را در یک میکروسکوپ هولوگرافیک تمام سیلیکونی در مقیاس سانتی‌متری ادغام کردند که نیازی به لنز یا روزنه ندارد و بخش مهمی برای هولوگرافی بدون عدسی است.

یک مانع رایج در هولوگرافی بدون عدسی، بازسازی محاسباتی جسم تصویر شده است. روش‌های بازسازی سنتی برای بازسازی دقیق نیاز به دانستن جزئیات چیدمان آزمایشگاهی دارند و نسبت به متغیرهایی که کنترل آن‌ها دشوار است مثل ابیراهی نوری، وجود نویز و مسأله تصویر دوتایی، حساس هستند.

شکل 2: نمایش فرآیند بازسازی تصویر با استفاده از LED، میکروسکوپ هلوگرافی و شبکه عصبی.

برخلاف روش‌های سنتی بازسازی محاسباتی که به داده‌های آموزش نیاز دارند، این شبکه عصبی با استفاده از یک مدل فیزیکی در الگوریتم، نیاز به آموزش را از بین می‌برد. شبکه عصبی معرفی شده علاوه بر بازسازی تصویر هولوگرافیک، بازیابی کور طیف منبع با استفاده از یک الگوی پراش شدت را امکان‌پذیر می‌کند، و عملکرد آن در این زمینه از تمام تکنیک‌های یادگیری نظارت شده قبلی بهتر است.

این شبکه عصبی تعلیم‌ندیده به محققان اجازه می‌دهد تا از منابع نوری جدید بدون دانش قبلی درمورد طیف منبع یا مشخصات پرتو استفاده کنند، مانند جدیدترین و کوچک‌ترین Si LED شناخته‌شده که در بالا توضیح داده شد، و با استفاده از میکروالکترونیک CMOS کاملاً تجاری و اصلاح نشده ساخته شده است.

محققان معتقدند که این ترکیبِ هم افزا از میکرو LEDهای CMOS و شبکه عصبی می‌تواند در سایر برنامه‌های تصویربرداری محاسباتی مانند میکروسکوپ‌هایی که برای ردیابی سلول‌های زنده به کار می‌روند یا طیف‌سنجی بافت‌های بیولوژیکی مانند گیاهان زنده، استفاده شود. این کار همچنین امکان‌ پیاده‌سازی نسل بعدی سیستم‌های تصویربرداری روی تراشه را فراهم می‌کند. در حال حاضر، میکروسکوپ‌های هولوگرافی کاربردهای مختلفی دارند، از جمله ردیابی ذرات، پایش محیطی، تصویربرداری نمونه بیولوژیکی، و مترولوژی. با آرایه‌بندی این LEDها در CMOS کاربردهای بیشتری برای آن‌ها ایجاد می‌شود مانند تولید روشنایی همدوس قابل برنامه‌ریزی برای سیستم‌های پیچیده‌تر.

ایکسانگ کانگ (به انگلیسی: Iksung Kang)، نویسنده اصلی مقاله Optica و دستیار تحقیقاتی در MIT در زمان این تحقیق، گفت: “پیشرفت ما در کاربردهای متعددی که نیاز به استفاده از میکرو LEDها دارند، بسیار تاثیرگذار است. به عنوان مثال، برای دستیابی به شدت تابش بالا که برای کاربردهای ابعاد بزرگ‌تر لازم است می‌توان این LEDها را به‌صورت یک آرایه ترکیب کرد. علاوه‌براین، به دلیل هزینه کم و مقیاس‌پذیری فرآیندهای میکروالکترونیک CMOS، این کار را می‌توان بدون افزایش پیچیدگی و هزینه سیستم انجام داد. این کار ما را قادر می‌سازد تا با سهولت نسبی دوربین تلفن همراه را به یک میکروسکوپ هولوگرافیک تبدیل کنیم. همچنین، با استفاده از وسایل الکترونیکی موجود می‌توان بخش کنترل الکترونیکی و حتی بخش تصویربرداری را در یک تراشه ادغام و یک میکرو-LED چندکاره تولید کرد که می تواند این حوزه را متحول کند.”

راجیو رام (به انگلیسی: Rajeev Ram) محقق اصلی در SMART CAMP و DiSTAP، پروفسور مهندسی برق در MIT و یکی از نویسندگان هر دو مقاله می‌گوید: ” LED جدید ما علاوه بر پتانسیل بالا در هولوگرافی بدون عدسی، طیف گسترده‌ای از کاربردهای احتمالی دیگر نیز دارد. از آنجا که LED ما شدت بالایی دارد، ابعاد ناحیه گسیل آن در حد نانومتر است و طول‌موج آن در پنجره حداقل جذب بافت‌های بیولوژیکی قرار دارد. برای تصویربرداری زیستی، از جمله میکروسکوپ میدان نزدیک و ادوات CMOS قابل کاشت مناسب است.” وی افزود: “امکان ادغام این LED با آشکارسازهای نوری روی تراشه وجود دارد که باعث می‌شود کاربردهای بیشتری در ارتباطات روی تراشه، سنجش NIR و تست ویفرهای فوتونیک برای آن ایجاد شود.”