超小硅LED可實(shí)現(xiàn)高分辨率集成成像

新加坡，2023年5月22日 - 新加坡-麻省理工學(xué)院研究與技術(shù)聯(lián)盟（SMART）的研究人員開(kāi)發(fā)了一種基于CMOS的硅LED，雖然比一個(gè)波長(zhǎng)小，但其發(fā)光強(qiáng)度可與大得多的硅LED媲美。在一項(xiàng)單獨(dú)的研究中，研究人員將他們的LED作為一個(gè)在線的、無(wú)視線的、厘米級(jí)的、全硅的全息顯微鏡的照明源。

他們還開(kāi)發(fā)了一個(gè)未經(jīng)訓(xùn)練的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)進(jìn)行全息圖像重建。然后，他們使用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法來(lái)重建由顯微鏡測(cè)量的物體，包括植物種子和組織樣本。

通過(guò)在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法中嵌入一個(gè)物理模型，研究人員消除了對(duì)訓(xùn)練數(shù)據(jù)的需求，未經(jīng)訓(xùn)練的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)納入了總變異正則化以提高對(duì)比度，并考慮了圖像源的寬光譜帶寬。此外，它允許使用光源--如LED--而無(wú)需事先了解光源光譜或光束輪廓。

研究人員設(shè)想將CMOS微型LED與機(jī)器學(xué)習(xí)框架一起用于計(jì)算成像應(yīng)用，如活細(xì)胞跟蹤或生物材料的光譜成像。他們說(shuō)，物體可以通過(guò)一個(gè)緊湊的顯微鏡進(jìn)行檢查，而不需要笨重的額外光學(xué)器件。

盡管人們已經(jīng)知道，像所開(kāi)發(fā)的硅LED這樣具有高強(qiáng)度的小光源對(duì)于集成光子學(xué)應(yīng)用來(lái)說(shuō)是可取的，但到目前為止，開(kāi)發(fā)一種與集成電路技術(shù)兼容的發(fā)射器一直是一個(gè)挑戰(zhàn)。

(左圖）：完全制造好的300毫米晶圓的照片。(頂部中間)：一個(gè)芯片模具的特寫(xiě)。(右上圖）：LED開(kāi)啟后的紅外顯微照片。(左下）：全息顯微鏡的設(shè)置。(底部中間)： 重建的全息圖像與地面真實(shí)情況（右下）的特寫(xiě)對(duì)比。由新加坡-麻省理工學(xué)院研究與技術(shù)聯(lián)盟（SMART）提供。

新開(kāi)發(fā)的LED的發(fā)射光譜以1100納米為中心。其發(fā)射區(qū)域小于0.14μm2。在室溫下，該LED具有大于50 mW/cm2的高空間強(qiáng)度。由于亞波長(zhǎng)的限制，發(fā)射表現(xiàn)出高度的空間一致性。研究人員在將LED集成到全息顯微鏡中時(shí)證明了這一特性。該顯微鏡僅使用一個(gè)發(fā)射器同時(shí)照亮CMOS成像器的約950萬(wàn)個(gè)像素。

硅LED的小發(fā)射面積確保了顯微鏡具有高的空間相干性，而不需要針孔，這導(dǎo)致了大數(shù)值孔徑的設(shè)置，規(guī)避了傳統(tǒng)無(wú)透鏡全息設(shè)備中發(fā)現(xiàn)的源到樣品距離的限制。

接下來(lái)，場(chǎng)景由未經(jīng)訓(xùn)練的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)重建，它同時(shí)通過(guò)從給定的單一實(shí)驗(yàn)衍射強(qiáng)度中學(xué)習(xí)來(lái)進(jìn)行光譜恢復(fù)。該團(tuán)隊(duì)說(shuō)，從單一的衍射強(qiáng)度模式中進(jìn)行盲目的源光譜恢復(fù)是與以前的監(jiān)督學(xué)習(xí)技術(shù)不同。

這項(xiàng)研究還可以為開(kāi)發(fā)小于1微米的強(qiáng)大片上發(fā)射器鋪平道路--這是一個(gè)長(zhǎng)期的挑戰(zhàn)。大多數(shù)光子芯片中的光來(lái)自于片外源，這降低了能源效率并限制了可擴(kuò)展性。SMART團(tuán)隊(duì)的工作展示了下一代片上成像系統(tǒng)的可行性，例如，通過(guò)修改硅芯片和設(shè)備的軟件，可以將移動(dòng)設(shè)備中的相機(jī)轉(zhuǎn)換為高分辨率的顯微鏡。

在線全息顯微鏡已經(jīng)被用于粒子跟蹤、環(huán)境監(jiān)測(cè)、生物樣本成像和計(jì)量。進(jìn)一步的應(yīng)用可能包括在CMOS中創(chuàng)建一個(gè)硅微LED陣列，以產(chǎn)生可編程的相干照明。該技術(shù)還可用于推進(jìn)室內(nèi)農(nóng)業(yè)和可持續(xù)農(nóng)業(yè)的診斷技術(shù)的小型化。

使用LED全息顯微鏡和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行圖像重建的過(guò)程圖解。由新加坡-麻省理工學(xué)院研究與技術(shù)聯(lián)盟（SMART）提供。

研究時(shí)麻省理工學(xué)院的研究助理Iksung Kang說(shuō)，開(kāi)發(fā)的LED可以組合成一個(gè)陣列，以獲得更大規(guī)模應(yīng)用所需的更高水平的照明。"此外，由于微電子CMOS工藝的低成本和可擴(kuò)展性，這可以在不增加系統(tǒng)的復(fù)雜性、成本或外形尺寸的情況下完成，"Kang說(shuō)。

Kang還說(shuō)，基于CMOS的LED可以用來(lái)將手機(jī)攝像頭轉(zhuǎn)換成全息顯微鏡。"此外，控制電子元件甚至成像器都可以通過(guò)利用過(guò)程中可用的電子元件集成到同一個(gè)芯片中，從而創(chuàng)造出一個(gè)'多合一'的微型LED，這可能是該領(lǐng)域的變革，"康說(shuō)。

拉吉夫-拉姆教授說(shuō)，這種LED在無(wú)透鏡全息技術(shù)之外還有一系列可能的應(yīng)用。"他說(shuō)："因?yàn)樗牟ㄩL(zhǎng)在生物組織的最小吸收窗口內(nèi)，再加上它的高強(qiáng)度和納米級(jí)的發(fā)射區(qū)域，我們的LED可能是生物成像和生物感應(yīng)應(yīng)用的理想選擇，包括近場(chǎng)顯微鏡和植入式CMOS設(shè)備。"而且，有可能將這種LED與片上光電探測(cè)器集成在一起，然后它可以在片上通信、近紅外接近感應(yīng)和光子學(xué)的晶圓測(cè)試中找到進(jìn)一步的應(yīng)用。"

關(guān)于集成在CMOS平臺(tái)上的亞波長(zhǎng)Si LED的研究發(fā)表在《自然通訊》（）上。關(guān)于CMOS微型LED全息技術(shù)與未經(jīng)訓(xùn)練的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究發(fā)表在Optica（）上。