(عکس) کوچک‌ترین ال‌ئی‌دی جهان و تبدیل دوربین تلفن همراه به یک میکروسکوپ!

پژوهشگران کوچک‌ترین ال‌ئی‌دی سیلیکونی و میکروسکوپ هولوگرافیک جهان را ساخته اند که طیف گسترده‌ای از کاربرد‌های بالقوه را ارائه می‌کند. از آن جمله می‌توان تبدیل گوشی هوشمند به یک میکروسکوپ قابل حمل با وضوح بالا را نام برد.

به گزارش عصر ایران، فوتونیک حوزه‌ای از فناوری است که به نحوه انتقال و خواص فوتون‌ها می‌پردازد. پیشرفت‌های صورت گرفته در این حوزه به ارائه نوآوری در طیف گسترده‌ای از زمینه‌ها از جمله ارتباطات داده‌های نوری، تصویربرداری، علوم زیستی و مراقبت‌های بهداشتی، و روشنایی و نمایشگر‌ها منتج شده است.

در شرایطی که تراشه‌های فوتونیک – ریزتراشه‌های حاوی دو یا چند جزء فوتونیک که یک مدار عملکردی را تشکیل می‌دهند – راهی طولانی را در زمینه روشنایی پیموده اند، اما یکپارچه‌سازی یک ساطع کننده نور کوچک و درخشان روی تراشه همچنان دشوار باقی مانده است. به طور معمول، تولیدکنندگان به استفاده از منبع نور خارج از تراشه متوسل می‌شوند که بازده انرژی پایینی دارد و مقایس‌پذیری تراشه‌های فوتونی را محدود می‌کند.

اما به لطف فعالیت پژوهشگران اتحاد سنگاپور-ام‌آی‌تی برای پژوهش و فناوری (Singapore-MIT Alliance for Research and Technology) یا به اختصار اسمارت (SMART) که کوچک‌ترین دیود ساطع کننده نور (ال‌ئی‌دی) سیلیکونی جهان را ساخته اند، ساطع کننده‌های خارج از تراشه ممکن است به یک فناوری مربوط به گذشته تبدیل شوند. با پهنای کمتر از یک میکرومتر، قدرت این ال‌ئی‌دی با نمونه‌های بزرگ‌تر قابل مقایسه است.

تا پیش از این، ادغام ساطع کننده‌های روی تراشه در پلتفرم‌های استاندارد نیمه هادی فلز اکسید مکمل (Complementary metal-oxide-semiconductor) یا سی‌ماس (CMOS) دشوار بوده است. سی‌ماس یک مدار مجمتع است که روی یک برد مدار چاپی ساخته می‌شود و در بیشتر تراشه‌های امروزی بکار گرفته می‌شود. به عنوان نمونه، سی‌ماس در تلفن‌های همراه به عنوان چشم دوربین استفاده می‌شود.

در این پروژه، پژوهشگران ال‌ئی‌دی سیلیکونی کوچک خود را در یک گره سی‌ماس ۵۵ نانومتری در کنار دیگر اجزای فوتونی و الکترونیکی – همگی روی یک تراشه – قرار دادند.

برای آزمایش چگونگی استفاده از این ال‌ئی‌دی در یک موقعیت واقعی، پژوهشگران آن را در یک میکروسکوپ هولوگرافیک بدون عدسی قرار دادند. میکروسکوپ‌های بدون عدسی، کوچک‌تر و ارزان‌تر از میکروسکوپ‌های عادی هستند، زیرا به سامانه‌های عدسی پیچیده و دقیق نیاز ندارند.

پژوهشگران از یک منبع نور برای روشن کردن نمونه استفاده می‌کنند. سپس نور روی یک حسگر تصویر دیجیتال سی‌ماس پراکنده شده و یک هولوگرام دیجیتالی ایجاد می‌کند که توسط کامپیوتر برای تولید تصویر پردازش می‌شود.

میکروسکوپ هولوگرافیک بدون عدسی ممکن است در بازسازی تصویر دشواری‌هایی داشته باشد. به طور معمول، یک بازسازی دقیق نیازمند دانش دقیق از دریچه دیافراگم و طول موج منبع نور و فاصله نمونه تا حسگر است. برای مقابله با این دشواری، پژوهشگران از یک الگوریتم شبکه عصبی برای بازسازی اشیاء مشاهده شده توسط میکروسکوپ هولوگرافیک استفاده کردند. شبکه‌های عصبی سامانه‌های کامپیوتری هستند که شبکه‌های مغز انسان را تقلید می‌کنند و بر داده‌های آموزشی برای یادگیری و بهبود دقت خود در طول زمان متکی هستند.

پژوهشگران دریافتند که عدسی هولوگرافیک آن‌ها نسبت به یک میکروسکوپ اپتیکال معمولی، تصاویر دقیق‌تری با وضوح بالا ارائه می‌کند. آن‌ها وضوح عدسی هولوگرافیک خود را تقریبا ۲۰ میکرومتر (میکرون) محاسبه کردند. برای درک بهتر، یک سلول پوست انسان ۲۰ تا ۴۰ میکرون و یک یک گلبول سفید خون حدود ۳۰ میکرون پهنا دارد.

پژوهشگران کاربرد‌های زیادی برای نسل بعدی میکرو-ال‌ئی‌دی و شبکه عصبی یکپارچه با سی‌ماس خود می‌بینند که از آن جمله می‌توان به بازسازی موارد میکروسکوپی مانند نمونه‌های بافت انسانی و دانه‌های گیاهی اشاره کرد. به گفته پژوهشگران، می‌توان این فناوری را در دوربین‌های گوشی‌های هوشمند موجود به سادگی و با اصلاح تراشه سیلیکونی و نرم افزار دستگاه استفاده کرد تا گوشی هوشمند به یک میکروسکوپ با وضوح بالا تبدیل شود.

به گفته راجیو رام، نویسنده ارشد این مطالعه، از دیگر کاربرد‌های این فناوری ال‌ئی‌دی جدید می‌توان به تصویربرداری زیستی و سنجش زیستی، از جمله میکروسکوپ میدان نزدیک و دستگاه‌های قابل کاشت سی‌ماس اشاره کرد.

این مطالعه در نشریه Nature Communications منتشر شده است.