کوچک‌ترین ال ئی دی جهان و تبدیل دوربین تلفن همراه به یک میکروسکوپ واقعی!/ عکس

پژوهشگران کوچک‌ترین  ال‌ئی‌دی  سیلیکونی و  میکروسکوپ  هولوگرافیک جهان را ساخته اند که طیف گسترده ای از کاربردهای بالقوه را ارائه می کند. از آن جمله می توان تبدیل گوشی هوشمند به یک میکروسکوپ قابل حمل با وضوح بالا را نام برد.

فوتونیک حوزه ای از فناوری است که به نحوه انتقال و خواص فوتون ها می پردازد. پیشرفت های صورت گرفته در این حوزه به ارائه نوآوری در طیف گسترده ای از زمینه ها از جمله ارتباطات داده های نوری، تصویربرداری، علوم زیستی و مراقبت های بهداشتی، و روشنایی و نمایشگرها منتج شده است.

در شرایطی که تراشه های فوتونیک – ریزتراشه های حاوی دو یا چند جزء فوتونیک که یک مدار عملکردی را تشکیل می دهند – راهی طولانی را در زمینه روشنایی پیموده اند، اما یکپارچه‌سازی یک ساطع کننده نور کوچک و درخشان روی  تراشه  همچنان دشوار باقی مانده است. به طور معمول، تولیدکنندگان به استفاده از منبع نور خارج از تراشه متوسل می شوند که بازده انرژی پایینی دارد و مقایس‌پذیری تراشه های فوتونی را محدود می کند.

اما به لطف فعالیت پژوهشگران اتحاد سنگاپور-ام‌آی‌تی برای پژوهش و فناوری (Singapore-MIT Alliance for Research and Technology) یا به اختصار اسمارت (SMART) که کوچک‌ترین  دیود ساطع کننده نور (ال‌ئی‌دی)  سیلیکونی جهان را ساخته اند، ساطع کننده های خارج از تراشه ممکن است به یک فناوری مربوط به گذشته تبدیل شوند. با پهنای کمتر از یک میکرومتر، قدرت این ال‌ئی‌دی با نمونه های بزرگ‌تر قابل مقایسه است.

تبدیل دوربین تلفن همراه به یک میکروسکوپ

تا پیش از این، ادغام ساطع کننده های روی تراشه در پلتفرم های استاندارد نیمه هادی فلز اکسید مکمل (Complementary metal-oxide-semiconductor) یا سی‌ماس (CMOS) دشوار بوده است. سی‌ماس یک مدار مجمتع است که روی یک برد مدار چاپی ساخته می شود و در بیشتر تراشه های امروزی بکار گرفته می شود. به عنوان نمونه، سی‌ماس در تلفن های همراه به عنوان چشم دوربین استفاده می شود.

در این پروژه، پژوهشگران ال‌ئی‌دی سیلیکونی کوچک خود را در یک گره سی‌ماس 55 نانومتری در کنار دیگر اجزای فوتونی و الکترونیکی – همگی روی یک تراشه – قرار دادند.

برای آزمایش چگونگی استفاده از این ال‌ئی‌دی در یک موقعیت واقعی، پژوهشگران آن را در یک میکروسکوپ هولوگرافیک بدون عدسی قرار دادند. میکروسکوپ های بدون عدسی، کوچک‌تر و ارزان‌تر از میکروسکوپ های عادی هستند زیرا به سامانه های عدسی پیچیده و دقیق نیاز ندارند.

پژوهشگران از یک منبع نور برای روشن کردن نمونه استفاده می کنند. سپس نور روی یک حسگر تصویر دیجیتال سی‌ماس پراکنده شده و یک هولوگرام دیجیتالی ایجاد می کند که توسط کامپیوتر برای تولید تصویر پردازش می شود.

میکروسکوپ هولوگرافیک بدون عدسی ممکن است در بازسازی تصویر دشواری هایی داشته باشد. به طور معمول، یک بازسازی دقیق نیازمند دانش دقیق از دریچه دیافراگم و طول موج منبع نور و فاصله نمونه تا حسگر است. برای مقابله با این دشواری، پژوهشگران از یک الگوریتم شبکه عصبی برای بازسازی اشیاء مشاهده شده توسط میکروسکوپ هولوگرافیک استفاده کردند. شبکه های عصبی سامانه های کامپیوتری هستند که شبکه های مغز انسان را تقلید می کنند و بر داده های آموزشی برای یادگیری و بهبود دقت خود در طول زمان متکی هستند.

پژوهشگران دریافتند که عدسی هولوگرافیک آنها نسبت به یک میکروسکوپ اپتیکال معمولی، تصاویر دقیق‌تری با وضوح بالا ارائه می کند. آنها وضوح عدسی هولوگرافیک خود را تقریبا 20 میکرومتر (میکرون) محاسبه کردند. برای درک بهتر، یک سلول پوست انسان 20 تا 40 میکرون و یک یک گلبول سفید خون حدود 30 میکرون پهنا دارد.

پژوهشگران کاربردهای زیادی برای نسل بعدی میکرو-ال‌ئی‌دی و شبکه عصبی یکپارچه با سی‌ماس خود می بینند که از آن جمله می توان به بازسازی موارد میکروسکوپی مانند نمونه های بافت انسانی و دانه های گیاهی اشاره کرد. به گفته پژوهشگران، می توان این فناوری را در دوربین های گوشی های هوشمند موجود به سادگی و با اصلاح تراشه سیلیکونی و نرم افزار دستگاه استفاده کرد تا  گوشی هوشمند  به یک میکروسکوپ با وضوح بالا تبدیل شود.

به گفته راجیو رام، نویسنده ارشد این مطالعه، از دیگر کاربردهای این فناوری ال‌ئی‌دی جدید می توان به تصویربرداری زیستی و سنجش زیستی، از جمله میکروسکوپ میدان نزدیک و دستگاه های قابل کاشت سی‌ماس اشاره کرد.

این مطالعه در نشریه  Nature Communications  منتشر شده است.