技术实现了将手机摄像头转化为高分辨率的显微镜

a）完全制造的300毫米晶圆的照片。(b) 一个芯片的特写。(c) 打开LED时的红外显微照片。(d) 全息显微镜设置。(e) 重建的全息图像与(f)地面实况的对比特写。资料来源：新加坡-麻省理工学院研究与技术联盟（SMART）。

新加坡的研究人员开发了世界上最小的LED（发光二极管），能够将现有的手机摄像头转换为高分辨率的显微镜。这种新的LED比光的波长还小，被用来制造世界上最小的全息显微镜，为手机等日常设备中的现有相机只通过修改硅芯片和软件就能转化为显微镜铺平了道路。这项技术也代表着在室内农民和可持续农业的诊断方法小型化方面迈出了重要一步。

除了这一突破，研究人员还开发了一种革命性的神经网络算法，该算法能够重建全息显微镜测量的物体，从而能够加强对细胞和细菌等微观物体的检查，而不需要笨重的传统显微镜或额外的光学仪器。这项研究还为光子学的一项重大进展铺平了道路--建造一个小于一微米的强大的片上发射器，这一直是该领域的一个挑战。

大多数光子芯片中的光线都来自于片外光源，这导致整体能源效率低，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，研究人员利用各种材料开发了片上发射器，如掺稀土的玻璃、硅基锗和异质集成的III-V材料。虽然基于这些材料的发射器已显示出良好的器件性能，但将其制造工艺整合到标准的互补金属氧化物半导体（CMOS）平台中仍然具有挑战性。

虽然硅（Si）已经显示出作为纳米级和可单独控制的发射器候选材料的潜力，但由于间接带隙，硅发射器的量子效率很低，这一基本缺点加上现有材料和制造工具的限制，阻碍了在CMOS中实现小型本地硅发射器。

在最近发表的一篇题为 "集成在CMOS平台上的亚波长Si LED "的自然通讯论文中，SMART研究人员描述了他们开发的最小的Si发射器，其光强度可与具有更大发射面积的最先进的Si发射器相媲美。在一个相关的突破中，SMART研究人员还在最近发表在《Optica》杂志上的一篇题为 "Simultaneous spectral recovery and CMOS micro-LED holography with an untrained deep neural network "的论文中公布了他们构建的新型、未经训练的深度神经网络架构，能够从全息显微镜中重建图像。

由SMART研究人员开发的新型LED是一个CMOS集成的亚波长尺度的LED，在室温下表现出高空间强度（102±48 mW/cm2），并拥有科学文献中所有已知Si发射器中最小的发射面积（0.09±0.04 μm2）。为了证明潜在的实际应用，研究人员随后将这种LED集成到一个在线的、厘米级的全硅全息显微镜中，不需要透镜或针孔，是一个被称为无透镜全息技术领域的组成部分。

使用LED、全息显微镜和神经网络进行图像重建的过程图解。资料来源：新加坡-麻省理工学院研究与技术联盟（SMART）。

无透镜全息术中普遍面临的一个障碍是对成像物体的计算重建。传统的重建方法需要对实验装置有详细的了解才能进行准确的重建，并且对难以控制的变量很敏感，如光学像差、噪音的存在以及双胞胎图像问题。

该研究小组还开发了一个深度神经网络架构，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总变异正则化以提高对比度，并考虑到了光源的宽光谱带宽。

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，消除了训练的需要。除了全息图像重建，该中性网络还提供了从单一衍射强度模式中的盲源频谱恢复，这标志着与以前所有监督学习技术的突破性区别。

本研究中展示的未经训练的神经网络允许研究人员在不事先了解源光谱或光束轮廓的情况下使用新的光源，例如上文所述的新颖和最小的已知硅LED，通过完全商业化的、未经修改的散装CMOS微电子制造。

研究人员设想，这种CMOS微型LED和神经网络的协同组合可用于其他计算成像应用，如用于活细胞跟踪的紧凑型显微镜或生物组织（如活体植物）的光谱成像。这项工作还证明了下一代片上成像系统的可行性。目前，在线全息显微镜已经被用于各种应用，包括粒子跟踪、环境监测、生物样本成像和计量学。进一步的应用包括在CMOS中排列这些LED，为未来更复杂的系统产生可编程的相干照明。

Optica论文的主要作者、这项研究时麻省理工学院的研究助理Iksung Kang说："我们的突破代表了一个概念的证明，它可能对需要使用微型LED的众多应用有巨大的影响。例如，这种LED可以被组合成一个阵列，以获得更大规模的应用所需的更高水平的照明。此外，由于微电子CMOS工艺的低成本和可扩展性，这可以在不增加系统的复杂性、成本或外形尺寸的情况下完成。这使我们能够相对容易地将一个手机摄像头转换成这种类型的全息显微镜。此外，控制电子元件甚至成像器都可以通过利用该过程中可用的电子元件集成到同一个芯片中，从而创造出一个多合一的微型LED，这可能会对该领域产生变革。"

"除了在无透镜全息技术方面的巨大潜力之外，我们的新LED还有其他广泛的可能应用。因为它的波长在生物组织的最小吸收窗口内，再加上它的高强度和纳米级的发射区域，我们的LED可能是生物成像和生物感应应用的理想选择，包括近场显微镜和植入式CMOS设备，"SMART CAMP和DiSTAP的主要研究人员、麻省理工学院电气工程教授、两篇论文的共同作者Rajeev Ram补充说。"而且，有可能将这种LED与片上光电探测器集成，然后它可以在片上通信、近红外感应和光子学的晶圆测试中找到进一步的应用。"

参考资料：Zheng Li et al, A sub-wavelength Si LED integrated in a CMOS platform, Nature Communications (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-36639-1

Iksung Kang et al, Simultaneous spectral recovery and CMOS micro-LED holography with an untrained deep neural network, Optica (2022). DOI: 10.1364/OPTICA.470712

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