کوچک ترین ال ئی دی دنیا و تبدیل دوربین تلفن همراه به یک میکروسکوپ واقعی! - پزشکی مدرن

خبرنگاران - پژوهشگران کوچک ترین ال ئی دی سیلیکونی و میکروسکوپ هولوگرافیک دنیا را ساخته اند که طیف گسترده ای از کاربردهای بالقوه را ارائه می نماید. از آن جمله می توان تبدیل گوشی هوشمند به یک میکروسکوپ قابل حمل با وضوح بالا را نام برد.

فوتونیک حوزه ای از فناوری است که به نحوه انتقال و خواص فوتون ها می پردازد. پیشرفت های انجام شده در این حوزه به ارائه نوآوری در طیف گسترده ای از زمینه ها از جمله ارتباطات داده های نوری، تصویربرداری، علوم زیستی و مراقبت های بهداشتی، و روشنایی و نمایشگرها منتج شده است.

در شرایطی که تراشه های فوتونیک - ریزتراشه های حاوی دو یا چند جزء فوتونیک که یک مدار عملکردی را تشکیل می دهند - راهی طولانی را در زمینه روشنایی پیموده اند، اما یکپارچه سازی یک ساطع نماینده نور کوچک و درخشان روی تراشه همچنان سخت به جای مانده است. به طور معمول، فراورینمایندگان به استفاده از منبع نور خارج از تراشه متوسل می شوند که بازده انرژی پایینی دارد و مقایس پذیری تراشه های فوتونی را محدود می نماید.

اما به لطف فعالیت پژوهشگران اتحاد سنگاپور-ام آی تی برای پژوهش و فناوری (Singapore-MIT Alliance for Research and Technology) یا به اختصار اسمارت (SMART) که کوچک ترین دیود ساطع نماینده نور (ال ئی دی) سیلیکونی دنیا را ساخته اند، ساطع نماینده های خارج از تراشه ممکن است به یک فناوری مربوط به گذشته تبدیل شوند. با پهنای کمتر از یک میکرومتر، قدرت این ال ئی دی با نمونه های بزرگ تر قابل مقایسه است.

تبدیل دوربین تلفن همراه به یک میکروسکوپ

تا پیش از این، ادغام ساطع نماینده های روی تراشه در پلتفرم های استاندارد نیمه هادی فلز اکسید مکمل (Complementary metal-oxide-semiconductor) یا سی ماس (CMOS) سخت بوده است. سی ماس یک مدار مجمتع است که روی یک برد مدار چاپی ساخته می گردد و در بیشتر تراشه های امروزی بکار گرفته می گردد. به عنوان نمونه، سی ماس در تلفن های همراه به عنوان چشم دوربین استفاده می گردد.

در این پروژه، پژوهشگران ال ئی دی سیلیکونی کوچک خود را در یک گره سی ماس 55 نانومتری در کنار دیگر اجزای فوتونی و الکترونیکی - همگی روی یک تراشه - قرار دادند.

برای آزمایش چگونگی استفاده از این ال ئی دی در یک موقعیت واقعی، پژوهشگران آن را در یک میکروسکوپ هولوگرافیک بدون عدسی قرار دادند. میکروسکوپ های بدون عدسی، کوچک تر و مقرون به صرفه تر از میکروسکوپ های عادی هستند زیرا به سامانه های عدسی پیچیده و دقیق احتیاج ندارند.

پژوهشگران از یک منبع نور برای روشن کردن نمونه استفاده می نمایند. سپس نور روی یک حسگر تصویر دیجیتال سی ماس پراکنده شده و یک هولوگرام دیجیتالی ایجاد می نماید که به وسیله کامپیوتر برای فراوری تصویر پردازش می گردد.

میکروسکوپ هولوگرافیک بدون عدسی ممکن است در بازسازی تصویر سختی هایی داشته باشد. به طور معمول، یک بازسازی دقیق احتیاجمند دانش دقیق از دریچه دیافراگم و طول موج منبع نور و فاصله نمونه تا حسگر است. برای مقابله با این سختی، پژوهشگران از یک الگوریتم شبکه عصبی برای بازسازی اشیاء مشاهده شده به وسیله میکروسکوپ هولوگرافیک استفاده کردند. شبکه های عصبی سامانه های کامپیوتری هستند که شبکه های مغز انسان را تقلید می نمایند و بر داده های 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 دقیق تری با وضوح بالا ارائه می نماید. آنها وضوح عدسی هولوگرافیک خود را تقریبا 20 میکرومتر (میکرون) محاسبه کردند. برای درک بهتر، یک سلول پوست انسان 20 تا 40 میکرون و یک یک گلبول سفید خون حدود 30 میکرون پهنا دارد.

پژوهشگران کاربردهای زیادی برای نسل بعدی میکرو-ال ئی دی و شبکه عصبی یکپارچه با سی ماس خود می بینند که از آن جمله می توان به بازسازی موارد میکروسکوپی مانند نمونه های بافت انسانی و دانه های گیاهی اشاره نمود. به گفته پژوهشگران، می توان این فناوری را در دوربین های گوشی های 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 گردد.

به گفته راجیو رام، نویسنده ارشد این مطالعه، از دیگر کاربردهای این فناوری ال ئی دی تازه می توان به تصویربرداری زیستی و سنجش زیستی، از جمله میکروسکوپ میدان نزدیک و دستگاه های قابل کاشت سی ماس اشاره نمود.

این مطالعه در نشریه Nature Communications منتشر شده است.