新技术让手机摄像头成为高分辨率显微镜

日前，新加坡研究人员开发出世界上最小的LED（发光二极管），可以将现有手机摄像头转换为高分辨率显微镜。新LED小于光的波长，用于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仅通过修改硅芯片和软件即可转换为显微镜铺平了道路。这项技术也代表了室内农业诊断小型化和可持续农业的重要一步。

这一突破得到了研究人员开发革命性神经网络算法的补充，该算法能够重建全息显微镜测量的物体，从而能够增强对细胞和细菌等微观物体的检查，而无需笨重的传统显微镜或额外的光学器件。 构建小于微米的强大片上发射器，这一直是该领域的一个挑战，这项研究还为光子学的重大进步铺平了道路。

大多数光子芯片中的光来自片外光源，这导致整体能效低，从根本上限制了这些芯片的可扩展性。为了解决这个问题，研究人员开发了使用各种材料的片上发射器，如稀土掺杂玻璃、硅基和异质集成的III-V族材料。虽然基于这些材料的发射器显示出有前途的器件性能，但将其制造工艺集成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。

a） 完全制造的300毫米晶圆的照片。（b） 芯片模块特写。（c） LED亮起的红外显微照片。（d） 全息显微镜装置。（e） 重建的全息图像与（f）实际实况的比较。

虽然硅（Si）已显示出作为纳米级和可单独控制发射器的候选材料的潜力，但由于间接带隙，Si发射器的量子效率较低，并且这一基本缺点加上可用材料和制造工具的限制阻碍了CMOS中小型原生硅发射器的实现。

在最近发表的一篇名为“集成在CMOS平台中的亚波长Si LED”的Nature Communications论文中，SMART研究人员描述了他们开发的最小硅发射器，其光强度与发射面积更大的最先进的硅发射器相当。在一项相关的突破中，SMART研究人员还公布了他们构建的一种新的，未经训练的深度神经网络架构，该架构能够重建来自全息显微镜的图像，题为“同时光谱恢复和CMOS micro-LED全息与未经训练的深度神经网络”最近发表在Optica杂志上。

由SMART研究人员开发的新型LED是一种CMOS集成的室温亚波长尺度LED，具有高空间强度（102±48 mW/cm²）并具有最小的发射面积（0.09±0.04μm²）在科学文献中所有已知的硅发射器中。为了展示潜在的实际应用，研究人员随后将这种LED集成到一个在线的厘米级全息显微镜中，不需要透镜或针孔，这是无透镜全息领域不可或缺的一部分。

使用LED、全息显微镜和神经网络进行图像重建的过程图示