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May 23, 2024

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SMART の研究者が、既存の携帯電話カメラを高解像度の顕微鏡に変換できる世界最小の LED およびホログラフィック顕微鏡を開発

SMARTの研究者が、既存の携帯電話カメラを高解像度顕微鏡に変換できる世界最小のLEDおよびホログラフィック顕微鏡を開発

シンガポールのMITの研究企業であるシンガポール-MIT研究技術連合（SMART）のDisruptive & Sustainable Technologies for Agriculture Precision（DiSTAP）とCritical Analytics for Manufacturing Personalized-Medicine（CAMP）の学際研究グループ（IRG）の研究者は、は、既存の携帯電話のカメラを高解像度の顕微鏡に変換できる世界最小の LED (発光ダイオード) を開発しました。

光の波長よりも小さい新しい LED は、世界最小のホログラフィック顕微鏡の構築に使用され、シリコン チップとソフトウェアを変更するだけで、携帯電話などの日常機器に搭載されている既存のカメラを顕微鏡に変換できる道が開かれました。 この技術は、屋内農家と持続可能な農業のための診断の小型化においても重要な前進を表します。

この画期的な進歩は、ホログラフィック顕微鏡で測定された物体を再構築できる革新的なニューラル ネットワーキング アルゴリズムの研究者らの開発によって補完され、これにより、かさばる従来の顕微鏡や追加の光学機器を必要とせずに、細胞や細菌などの微小な物体の検査を強化できるようになりました。 この研究はまた、フォトニクスにおける大きな進歩、つまりこの分野で長年の課題であった、マイクロメートルより小さい強力なオンチップエミッターの構築への道を切り開きます。

ほとんどのフォトニック チップの光はチップ外の光源から発生するため、全体的なエネルギー効率が低くなり、これらのチップの拡張性が根本的に制限されます。 この問題に対処するために、研究者らは、希土類ドープガラス、Ge-on-Si、異種集積III-V材料などのさまざまな材料を使用したオンチップエミッタを開発してきました。 これらの材料をベースにしたエミッターは有望なデバイス性能を示していますが、その製造プロセスを標準の相補型金属酸化膜半導体 (CMOS) プラットフォームに統合することは依然として困難です。 シリコン (Si) は、ナノスケールで個別に制御可能なエミッターの候補材料としての可能性を示していますが、Si エミッターは間接バンドギャップのため量子効率が低いという欠点があり、この根本的な欠点と利用可能な材料や製造ツールによって設定された制限が組み合わされて、実用化が妨げられてきました。 CMOSにおける小さなネイティブSiエミッタの実現。

最近発行された Nature Communications の論文「CMOS プラットフォームに統合されたサブ波長 Si LED」の中で、SMART の研究者は、最先端の Si に匹敵する光強度を備えた、報告されている最小の Si エミッタの開発について説明しました。はるかに大きな発光面積を持つエミッター。 関連する画期的な進歩として、SMART の研究者らは、「未訓練のディープ ニューラル ネットワークによるスペクトル回復と CMOS マイクロ LED ホログラフィーの同時実行」というタイトルの論文で、ホログラフィック顕微鏡からの画像を再構成できる新しい未訓練のディープ ニューラル ネットワーク アーキテクチャの構築も発表しました。最近オプティカ誌に掲載されました。

SMART 研究者によって開発された新しい LED は、室温で高い空間強度 (102 ± 48 mW/cm2) を示し、既知のすべての Si エミッタの中で最小の発光面積 (0.09 ± 0.04 μm2) を有する CMOS 統合サブ波長スケール LED です。科学文献。 実用化の可能性を実証するために、研究者らはこの LED を、レンズレス ホログラフィーとして知られる分野に不可欠な、レンズやピンホールを必要としないインラインのセンチメートルスケールのオールシリコン ホログラフィック顕微鏡に統合しました。

レンズレス ホログラフィーでよく直面する障害は、画像化されたオブジェクトの計算による再構成です。 従来の再構成手法では、正確な再構成のために実験設定に関する詳細な知識が必要であり、光学収差、ノイズの存在、ツインイメージ問題などの制御が難しい変数の影響を受けやすくなります。