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May 23, 2024

Tricorder Tech: Verwenden Sie Ihr Smartphone als High

SMART-Forscher entwickeln das kleinste LED- und holografische Mikroskop der Welt, das die Umwandlung vorhandener Mobiltelefonkameras in hochauflösende Mikroskope ermöglicht. Forscher der Disruptive &

SMART-Forscher entwickeln das kleinste LED- und holografische Mikroskop der Welt, das die Umwandlung vorhandener Mobiltelefonkameras in hochauflösende Mikroskope ermöglicht

Forscher der Disruptive & Sustainable Technologies for Agricultural Precision (DiSTAP) und der Critical Analytics for Manufacturing Personalized-Medicine (CAMP) Interdisciplinary Research Groups (IRG) der Singapore-MIT Alliance for Research and Technology (SMART), dem Forschungsunternehmen des MIT in Singapur, haben dies getan entwickelte die weltweit kleinste LED (Licht emittierende Diode), die die Umwandlung bestehender Handykameras in hochauflösende Mikroskope ermöglicht.

Die neue LED ist kleiner als die Wellenlänge des Lichts und wurde zum Bau des kleinsten holographischen Mikroskops der Welt verwendet. Damit wurde der Weg dafür geebnet, dass vorhandene Kameras in Alltagsgeräten wie Mobiltelefonen nur durch Modifikationen am Siliziumchip und an der Software in Mikroskope umgewandelt werden können. Diese Technologie stellt auch einen bedeutenden Fortschritt bei der Miniaturisierung der Diagnostik für Indoor-Landwirte und eine nachhaltige Landwirtschaft dar.

Ergänzt wurde dieser Durchbruch durch die Entwicklung eines revolutionären neuronalen Netzwerkalgorithmus durch die Forscher, der in der Lage ist, mit dem holographischen Mikroskop gemessene Objekte zu rekonstruieren und so eine verbesserte Untersuchung mikroskopischer Objekte wie Zellen und Bakterien ermöglicht, ohne dass sperrige herkömmliche Mikroskope oder zusätzliche Optiken erforderlich sind. Die Forschung ebnet auch den Weg für einen großen Fortschritt in der Photonik – den Bau eines leistungsstarken On-Chip-Emitters, der kleiner als ein Mikrometer ist, was auf diesem Gebiet seit langem eine Herausforderung darstellt.

Das Licht in den meisten photonischen Chips stammt von Quellen außerhalb des Chips, was zu einer geringen Gesamtenergieeffizienz führt und die Skalierbarkeit dieser Chips grundlegend einschränkt. Um dieses Problem anzugehen, haben Forscher On-Chip-Emitter entwickelt, die verschiedene Materialien wie seltenerddotiertes Glas, Ge-auf-Si und heterogen integrierte III-V-Materialien verwenden. Während auf diesen Materialien basierende Emitter eine vielversprechende Geräteleistung gezeigt haben, bleibt die Integration ihrer Herstellungsprozesse in standardmäßige CMOS-Plattformen (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) eine Herausforderung. Während Silizium (Si) Potenzial als Kandidatenmaterial für nanoskalige und individuell steuerbare Emitter gezeigt hat, leiden Si-Emitter aufgrund der indirekten Bandlücke unter einer geringen Quanteneffizienz, und dieser grundlegende Nachteil in Kombination mit den Einschränkungen, die durch die verfügbaren Materialien und Herstellungswerkzeuge entstehen, hat dies behindert die Realisierung eines kleinen nativen Si-Emitters im CMOS.

In einem kürzlich von Nature Communications veröffentlichten Artikel mit dem Titel „Eine in eine CMOS-Plattform integrierte Si-LED mit Subwellenlänge“ beschrieben SMART-Forscher ihre Entwicklung des kleinsten bekannten Si-Emitters mit einer Lichtintensität, die mit der von hochmodernem Si vergleichbar ist Emittenten mit viel größeren Emissionsflächen. In einem ähnlichen Durchbruch präsentierten SMART-Forscher in einem Artikel mit dem Titel „Simultaneous Spectral Recovery and CMOS Micro-LED Holography with an Untrained Deep Neural Network“ auch die Konstruktion einer neuartigen, untrainierten tiefen neuronalen Netzwerkarchitektur, die Bilder von einem holographischen Mikroskop rekonstruieren kann. kürzlich in der Zeitschrift Optica veröffentlicht.

Die von SMART-Forschern entwickelte neuartige LED ist eine CMOS-integrierte LED im Subwellenlängenbereich bei Raumtemperatur, die eine hohe räumliche Intensität (102 ± 48 mW/cm2) aufweist und die kleinste Emissionsfläche (0,09 ± 0,04 μm2) unter allen bekannten Si-Emittern besitzt Wissenschaftliche Literatur. Um eine mögliche praktische Anwendung zu demonstrieren, integrierten die Forscher diese LED dann in ein zentimetergroßes Inline-Holographiemikroskop aus Silizium, das keine Linse oder Lochblende benötigt und in ein Feld integriert ist, das als linsenlose Holographie bekannt ist.

Ein häufiges Hindernis bei der linsenlosen Holographie ist die rechnerische Rekonstruktion des abgebildeten Objekts. Herkömmliche Rekonstruktionsmethoden erfordern detaillierte Kenntnisse des Versuchsaufbaus für eine genaue Rekonstruktion und reagieren empfindlich auf schwer kontrollierbare Variablen wie optische Aberrationen, das Vorhandensein von Rauschen und das Doppelbildproblem.

Das Forschungsteam entwickelte außerdem eine tiefe neuronale Netzwerkarchitektur, um die Qualität der Bildrekonstruktion zu verbessern. Dieses neuartige, untrainierte tiefe neuronale Netzwerk beinhaltet eine Total-Variation-Regularisierung für einen erhöhten Kontrast und berücksichtigt die große spektrale Bandbreite der Quelle. Im Gegensatz zu herkömmlichen Methoden der rechnerischen Rekonstruktion, die Trainingsdaten erfordern, macht dieses neuronale Netzwerk das Training überflüssig, indem es ein physikalisches Modell in den Algorithmus einbettet. Zusätzlich zur holographischen Bildrekonstruktion bietet das neutrale Netzwerk auch die Wiederherstellung des Blindquellenspektrums aus einem einzelnen gebeugten Intensitätsmuster, was eine bahnbrechende Abkehr von allen bisherigen überwachten Lerntechniken darstellt.

Das in dieser Studie demonstrierte untrainierte neuronale Netzwerk ermöglicht es Forschern, neuartige Lichtquellen ohne vorherige Kenntnis des Quellenspektrums oder Strahlprofils zu verwenden, wie beispielsweise die oben beschriebene neuartige und kleinste bekannte Si-LED, die über eine vollständig kommerzielle, unmodifizierte Massen-CMOS-Mikroelektronik hergestellt wird.

Die Forscher gehen davon aus, dass diese synergetische Kombination aus CMOS-Mikro-LEDs und dem neuronalen Netzwerk in anderen rechnergestützten Bildgebungsanwendungen eingesetzt werden kann, beispielsweise in einem kompakten Mikroskop zur Verfolgung lebender Zellen oder in der spektroskopischen Abbildung biologischer Gewebe wie lebender Pflanzen. Diese Arbeit demonstriert auch die Machbarkeit von On-Chip-Bildgebungssystemen der nächsten Generation. Inline-Holographiemikroskope werden bereits für eine Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, darunter Partikelverfolgung, Umweltüberwachung, Bildgebung biologischer Proben und Messtechnik. Weitere Anwendungen umfassen die Anordnung dieser LEDs in CMOS, um in Zukunft eine programmierbare kohärente Beleuchtung für komplexere Systeme zu erzeugen.

Iksung Kang, Hauptautor des Optica-Artikels und wissenschaftlicher Mitarbeiter am MIT zum Zeitpunkt dieser Forschung, sagte: „Unser Durchbruch stellt einen Machbarkeitsnachweis dar, der für zahlreiche Anwendungen, die den Einsatz von Mikro-LEDs erfordern, enorme Auswirkungen haben könnte.“ Diese LED könnte beispielsweise zu einem Array kombiniert werden, um höhere Beleuchtungsstärken zu erreichen, die für Anwendungen in größerem Maßstab erforderlich sind. Darüber hinaus kann dies aufgrund der geringen Kosten und Skalierbarkeit mikroelektronischer CMOS-Prozesse erfolgen, ohne dass die Komplexität, die Kosten oder der Formfaktor des Systems steigen. Dadurch können wir relativ einfach eine Handykamera in ein holographisches Mikroskop dieser Art umbauen. Darüber hinaus könnten die Steuerelektronik und sogar der Bildgeber in denselben Chip integriert werden, indem die verfügbare Elektronik im Prozess ausgenutzt wird, wodurch eine „All-in-one“-Mikro-LED entsteht, die für das Feld transformativ sein könnte.“

„Zusätzlich zu ihrem immensen Potenzial in der linsenlosen Holographie bietet unsere neue LED eine Vielzahl weiterer Anwendungsmöglichkeiten. Da ihre Wellenlänge innerhalb des minimalen Absorptionsfensters biologischer Gewebe liegt, könnte sich unsere LED zusammen mit ihrer hohen Intensität und ihrem nanoskaligen Emissionsbereich ideal für Bio-Imaging- und Biosensoranwendungen eignen, einschließlich Nahfeldmikroskopie und implantierbaren CMOS-Geräten“, fügte er hinzu Rajeev Ram, Hauptforscher bei SMART CAMP und DiSTAP, Professor für Elektrotechnik am MIT und Co-Autor beider Artikel. „Außerdem ist es möglich, diese LED in On-Chip-Fotodetektoren zu integrieren, und sie könnte dann weitere Anwendungen in der On-Chip-Kommunikation, NIR-Näherungserkennung und On-Wafer-Tests der Photonik finden.“

Diese Forschung wurde von SMART durchgeführt und von der National Research Foundation (NRF) Singapur im Rahmen ihres Programms Campus for Research Excellence and Technological Enterprise (CREATE) unterstützt.

Eine in eine CMOS-Plattform integrierte Subwellenlängen-Si-LED, Nature Communications (Open Access)

Astrobiologie, Tricorder,

SpaceRef-Mitbegründer, Explorers Club Fellow, Ex-NASA, Auswärtsteams, Journalist, Weltraum- und Astrobiologie, ehemaliger Bergsteiger.