研究人员开发出全球最小硅基LED，可将手机摄像头变成高分辨率显微镜？

5月8日消息，近日，新加坡与麻省理工学院研究与技术联盟（SMART）研究人员宣布开发出了世界上最小的基于CMOS工艺的硅基LED，其发射光谱以1100nm为中心，发射面积小于0.14 μm²。这种LED具有 >50 mW/cm ²的高空间强度，单个LED就可以同时照亮硅基CMOS图像传感器的约950万像素（> 1 cm ²面积），可与具有更大发射面积的最先进的硅基发射器相媲美，并且全息图的信噪比（SNR）足以重建随机分布的20 μm直径的乳胶珠（latex beads）。其有望让智能手机的相机应用再提升，成为容易携带的高解析度显微镜。

光子学是一个与光子的传输和性质有关的技术领域。光子学的发展带来了广泛领域的创新，包括光学数据通信、成像、生命科学和医疗保健以及照明和显示器。尽管光子芯片——包含两个或两个以上光子组件的微芯片，形成一个正常工作的电路——在照明领域取得了长足的进步，但集成一个小型、明亮的片上（on-chip）发射器仍然难以搞定。通常，制造商会使用片外（off-chip）光源，这种光源的能效较低，限制了光子芯片的可扩展性。

以前的片上发射器很难集成到标准互补金属氧化物半导体（CMOS）平台中。CMOS是一种建立在印刷电路板上的集成电路，这是当今大多数芯片中使用的半导体技术。在手机的摄像头当中，CMOS被用作摄像头的“眼睛”。

SMART研究人员宣布开发出的世界上最小的硅基LED，使 off-chip 发射器可能成为过去的产物。研究人员将他们的微型硅基LED与其他光子和电子元件一起放置在一个55 nm的CMOS节点中——所有这些都在一个芯片上。

为了测试他们的硅基LED如何在现实世界中使用，他们将其放置在无透镜全息显微镜中。无透镜显微镜比普通显微镜更小，也更便宜，因为它们不需要复杂、精确的透镜系统。他们使用光源照射样本；然后，光被散射到CMOS数字图像传感器上，产生一个数字全息图，由计算机处理产生图像。

无透镜全息显微镜在重建图像时可能会遇到困难。通常，准确的重建需要对光源的孔径和波长以及样本到传感器的距离有详细的了解。为了克服这一困难，研究人员使用神经网络算法重建全息显微镜观察到的物体。神经网络是模仿人脑网络的计算机系统，依靠训练数据来学习并随着时间的推移提高其准确性。

研究人员发现，他们的全息透镜比普通光学显微镜提供了更准确的高分辨率图像。他们计算出它的分辨率大约为20微米。而人类皮肤细胞的直径为20至40微米；白细胞约为30微米。

研究人员看到了下一代CMOS集成微型LED和神经网络的许多应用，包括重建人体组织样本和植物种子等微观物体。研究人员表示，只需修改手机的硅基芯片和软件，就可以将手机转换为高分辨率显微镜，就可以将其用于现有的智能手机摄像头。

该研究的通讯作者Rajeev Ram说：“除了在无透镜全息术方面的巨大潜力外，我们的新型LED还有广泛的其他可能应用。”“由于其波长在生物组织的最小吸收窗口内，加上其高强度和纳米级发射面积，我们的LED可能是生物成像和生物传感应用的理想选择，包括近场显微镜和植入式CMOS器件。”

编辑：芯智讯-浪客剑