تبدیل دوربین گوشی به یک میکروسکوپ با وضوح بالا با تولید کوچترین ال ای دی جهان!

محققان موفق به تولید کوچکترین ال ای دی (LED) سیلیکونی و میکروسکوپ هولوگرافیک جهان شدند که طیف گسترده ای از کاربردهای بالقوه، از جمله تبدیل دوربین گوشی های هوشمند به یک میکروسکوپ قابل حمل و با وضوح بالا را باز می کند. برای آشنایی بیشتر با این ال ای دی جدید با اِروتِک همراه باشید.

فوتونیک حوزه ای از فناوری است که به انتقال و خواص فوتون ها مربوط می شود. پیشرفت‌های فوتونیک منجر به نوآوری‌ها در طیف گسترده‌ای از زمینه‌ها از جمله ارتباطات داده‌های نوری، تصویربرداری، علوم زیستی و مراقبت‌های بهداشتی، نور و نمایشگرها شده است.

در حالی که تراشه‌های فوتونیک (ریزتراشه‌های حاوی دو یا چند جزء فوتونیک که یک مدار عملکردی را تشکیل می‌دهند) راه طولانی را در زمینه روشنایی پیموده‌اند، اما ادغام یک ساطع‌کننده نور کوچک و روشن روی تراشه، همچنان دور از دسترس مانده بود. به طور معمول، تولیدکنندگان به استفاده از منبع نور خارج از تراشه متوسل می شوند که بازده انرژی پایینی دارد و مقیاس پذیری تراشه های فوتونی را محدود می کند.

اما اکنون به لطف همکاری محققان مرکز تحقیقات و فناوری سنگاپور و دانشگاه ماساچوست (SMART)، کوچکترین دیود ساطع کننده نور سیلیکونی (LED) جهان با اندازه کمتر از یک میکرومتر تولید شده است. این ال ای دی با اندازه ای کمتر از یک میکرومتر و شدت نور بسیار بالاتر ال ای دی های سیلیکونی بسیار بزرگتر، ممکن است ساطع‌کننده‌های بدون تراشه قبلی را برای همیشه از بازارها حذف کند.

ادغام ساطع کننده های روی تراشه قبلی در پلتفرم های استاندارد مکمل اکسید فلز-نیمه هادی (CMOS) همواره دشوار بوده است. CMOS یک مدار مجتمع است که بر روی یک برد مدار چاپی ( فناوری نیمه هادی که در بیشتر تراشه های امروزی استفاده می شود) ساخته شده است. در گوشی های همراه، CMOS به عنوان “چشم” دوربین نیز شناخته می شود.

در این فرآیند، محققان ال ای دی سیلیکونی کوچک خود را در یک گره 55 نانومتری CMOS در کنار سایر اجزای فوتونی و الکترونیکی (همه روی یک تراشه) جایگذاری کردند.

برای آزمایش نحوه استفاده از ال ای دی موردنظر در یک موقعیت واقعی، آنها آن را در یک میکروسکوپ هولوگرافیک بدون عدسی قرار دادند. میکروسکوپ‌های بدون لنز، ارزان تر و کوچک‌تر از میکروسکوپ‌های معمولی هستند زیرا به سیستم‌های لنز پیچیده و دقیق نیاز ندارند. آنها از یک منبع نور برای روشن کردن نمونه استفاده می کنند. سپس نور بر روی یک سنسور تصویر دیجیتال CMOS پراکنده می شود و یک هولوگرام دیجیتالی ایجاد کرده که کامپیوتر برای تولید تصویر، آن را پردازش می کند.

میکروسکوپ هولوگرافیک بدون عدسی، ممکن است در بازسازی تصویر مشکلاتی داشته باشد. معمولاً یک بازسازی دقیق، نیاز به دانش دقیق از دیافراگم و طول موج نور منبع و فاصله نمونه تا سنسور دارد. برای مقابله با این مشکل، محققان از یک الگوریتم شبکه عصبی برای بازسازی اشیاء مشاهده شده توسط میکروسکوپ هولوگرافیک استفاده کردند. شبکه‌های عصبی، سیستم‌های رایانه‌ای هستند که شبکه‌های مغز انسان را تقلید می‌کنند و از داده‌های آموزشی برای یادگیری و بهبود دقت آنها در طول زمان استفاده می‌شود.

محققان دریافتند که لنز هولوگرافیک آنها، تصاویر دقیق تر و با وضوح بالاتری را نسبت به میکروسکوپ نوری معمولی ارائه می دهد. آنها محاسبه کردند که وضوح آن تقریباً 20 میکرومتر (میکرون) است. برای آشنایی، یک سلول پوست انسان 20 تا 40 میکرون و یک گلبول سفید حدود 30 میکرون عرض است.

محققان کاربردهای زیادی را برای نسل بعدی میکرو ال ای دی و شبکه عصبی یکپارچه CMOS خود بیان کردند، از جمله بازسازی اشیاء میکروسکوپی مانند نمونه‌های بافت انسانی و دانه‌های گیاهی. این محققان می‌گویند که به سادگی می‌توان از آن نیز در دوربین‌های گوشی‌های هوشمند موجود با اصلاح تراشه سیلیکونی و نرم‌افزار گوشی برای تبدیل گوشی به یک میکروسکوپ با وضوح بالا استفاده کرد.

راجیو رام، نویسنده مسئول این مطالعه، گفت:

علاوه بر پتانسیل فوق‌العاده آن در هولوگرافی بدون لنز، ال ای دی جدید ما طیف گسترده‌ای از کاربردهای احتمالی دیگر را نیز به همراه دارد زیرا طول موج آن در حداقل پنجره جذب بافت‌های بیولوژیکی است. این ال ای دی با شدت بالا و ناحیه انتشار در مقیاس نانو می‌تواند برای کاربردهای تصویربرداری زیستی و سنجش زیستی، از جمله میکروسکوپ میدان نزدیک و دستگاه‌های CMOS قابل کاشت، ایده‌آل باشد.

این مطالعه در مجله Nature Communications منتشر شده است.

منبع: Newatlas