日前，新加坡研究人員開發出世界上最小的LED（發光二極管），可以將現有手機攝像頭轉換為高分辨率顯微鏡。新LED小于光的波長，用于制造世界上最小的全息顯微鏡，為手機等日常設備中的現有相機僅通過修改硅芯片和軟件即可轉換為顯微鏡鋪平了道路。這項技術也代表了室內農業診斷小型化和可持續農業發展的重要一步。 這一突破得到了研究人員開發革命性神經網絡算法的補充，該算法能夠重建全息顯微鏡測量的物體，從而能夠增強對細胞和細菌等微觀物體的檢查，而無需笨重的傳統顯微鏡或額外的光學器件。構建小于微米的強大片上發射器，這一直是該領域的一個挑戰，這項研究還為光子學的重大進步鋪平了道路。

a）?完全制造的300毫米晶圓的照片。（b）?芯片模塊特寫。（c） LED亮起的紅外顯微照片。（d）?全息顯微鏡裝置。（e）?重建的全息圖像與（f）實際實況的比較。 大多數光子芯片中的光來自片外光源，這導致整體能效低，從根本上限制了這些芯片的可擴展性。為了解決這個問題，研究人員開發了使用各種材料的片上發射器，如稀土摻雜玻璃、硅基和異質集成的III-V族材料。雖然基于這些材料的發射器顯示出有前途的器件性能，但將其制造工藝集成到標準的互補金屬氧化物半導體（CMOS）平臺中仍然具有挑戰性。 ?

雖然硅（Si）已顯示出作為納米級和可單獨控制發射器的候選材料的潛力，但由于間接帶隙，Si發射器的量子效率較低，并且這一基本缺點加上可用材料和制造工具的限制阻礙了CMOS中小型原生硅發射器的實現。

在最近發表的一篇名為“集成在CMOS平臺中的亞波長Si LED”的《自然·通信》（Nature Communications）論文中，SMART研究人員描述了他們開發的最小硅發射器，其光強度與發射面積更大的最先進的硅發射器相當。在一項相關的突破中，SMART研究人員還公布了他們構建的一種新的，未經訓練的深度神經網絡架構，該架構能夠重建來自全息顯微鏡的圖像，題為“同時光譜恢復和CMOS micro-LED全息與未經訓練的深度神經網絡”最近發表在Optica雜志上。 由SMART研究人員開發的新型LED是一種CMOS集成的室溫亞波長尺度LED，具有高空間強度（102±48 mW/cm2）并具有最小的發射面積（0.09±0.04μm2）在科學文獻中所有已知的硅發射器中。為了展示潛在的實際應用，研究人員隨后將這種LED集成到一個在線的厘米級全息顯微鏡中，不需要透鏡或針孔，這是無透鏡全息領域不可或缺的一部分。

使用LED、全息顯微鏡和神經網絡進行圖像重建的過程圖示 無透鏡全息術中常見的障礙是成像對象的計算重建。傳統的重建方法需要詳細了解實驗設置才能進行精確重建，并且對難以控制的變量（如光學像差、噪聲的存在和孿生圖像問題）敏感。 研究團隊還開發了一種深度神經網絡架構，以提高圖像重建的質量。這種新穎的、未經訓練的深度神經網絡結合了全變異正則化以增加對比度，并考慮了源的寬頻譜帶寬。 與需要訓練數據的傳統計算重建方法不同，該神經網絡通過在算法中嵌入物理模型來消除訓練的需要。除了全息圖像重建外，中性網絡還提供從單個衍射強度模式中恢復的盲源光譜，這標志著與以前所有監督學習技術的突破性背離。

本研究中展示的未經訓練的神經網絡允許研究人員使用新型光源，而無需事先了解光源光譜或光束輪廓，例如上面描述的新穎和最小的已知硅LED，通過完全商業化，未經修改的批量CMOS微電子制造。

研究人員設想，CMOS微型LED和神經網絡的這種協同組合可用于其他計算成像應用，例如用于活細胞跟蹤的緊湊型顯微鏡或生物組織（如活植物）的光譜成像。這項工作還證明了下一代片上成像系統的可行性。在線全息顯微鏡已被用于各種應用，包括顆粒跟蹤、環境監測、生物樣品成像和計量學。進一步的應用包括在CMOS中排列這些LED，以便將來為更復雜的系統生成可編程相干照明。 Optica論文的主要作者兼麻省理工學院的研究助理Iksung Kang說：“我們的突破代表了概念驗證，可能對需要使用micro-LED的眾多應用產生巨大影響。例如，該LED可以組合成一個陣列，以獲得更大規模應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展性，可以在不增加系統復雜性、成本或外形尺寸的情況下完成此操作。這使我們能夠相對輕松地將手機相機轉換為這種類型的全息顯微鏡。此外，控制電子設備甚至成像儀都可以通過利用過程中可用的電子設備集成到同一個芯片中，從而創建一個一體化的微型LED，可能對該領域產生變革。 麻省理工學院電氣工程教授，兩篇論文的共同作者，SMART CAMP和DiSTAP首席研究員Rajeev Ram補充道：“除了在無透鏡全息技術方面的巨大潛力之外，我們的新型LED還具有廣泛的其他可能應用。由于其波長在生物組織的最小吸收窗口內，加上其高強度和納米級發射區域，我們的LED可能是生物成像和生物傳感應用的理想選擇，包括近場顯微鏡和植入式CMOS設備。此外，可以將這種LED與片上光電探測器集成，然后它可以在片上通信，NIR接近傳感和光子學的晶圓測試中找到進一步的應用。”

編輯：黃飛

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