Tricorder Tech: スマートフォンを高解像度ハンドヘルド ホログラフィック顕微鏡として使用するキース・ カウイング 2023 年 5 月 7 日

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作成

シンガポールにある MIT の研究企業であるシンガポール MIT 研究技術同盟 (SMART) の農業精密化のための破壊的かつ持続可能な技術 (DiSTAP) および個別化医療製造のための重要な分析 (CAMP) 学際的研究グループ (IRG) の研究者は、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を構築するために使用され、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的なデバイスに搭載されている既存のカメラを顕微鏡に変換する道を開きました。この技術はまた、屋内農家と持続可能な農業のための診断の小型化における重要な前進を表しています。

このブレークスルーは、ホログラフィック顕微鏡によって測定されたオブジェクト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の開発によって補完され、かさばる従来の顕微鏡や追加の光学系を必要とせずに、細胞やバクテリアなどの顕微鏡オブジェクトの強化された検査を可能にします。この研究はまた、フォトニクスの大きな進歩への道を開きます。これは、この分野で長い間挑戦されてきた、マイクロメートルよりも小さい強力なオンチップ エミッターの構築です。

ほとんどのフォトニック チップの光はオフチップ ソースから発生するため、全体的なエネルギー効率が低下し、これらのチップのスケーラビリティ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て、オンチップエミッターを開発しました。これらの材料に基づく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物半導体 (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に量子効率が低いという欠点があります。

モノリシック エレクトロニクスとフォトニクスを備えた完全に製造された 300 mm ウェーハの写真、ダイシングされパッケージされていないさまざまなアクティブおよびパッシブ フォトニック コンポーネントと混合信号回路が並んで統合されたチップの光学顕微鏡写真、および LED の拡大図そして、このチップの基準エミッタ。b LED と基準エミッターの上面図。ここでは、バックエンドオブライン (BEOL) 誘電体とゲート酸化物は示されていません。STI: 浅いトレンチ絶縁体。c bの白い破線上のLEDと対応するキャリアトランスポートの拡大側面図。黒丸は電子、白丸は正孔を表す。黒と白の破線の矢印は、それぞれ電子と正孔の輸送を示しています。d 6 mA でバイアスをかけたときの LED の顕微鏡写真。広視野照明光は、1100 nm を中心とした商用 LED からのものです。e LED と基準エミッターのスペクトルは、シングルモード ファイバーを介して発光を InGaAs カメラに基づく分光計にルーティングすることによって測定されました。（補足セクション1。）中空の円は生データであり、実線は多項式次数3およびフレーム長21のSavitzky-Golayフィルターからのものです。LEDのスペクトル半値全幅（FWHM）が示されています挿入図で。- 頭いい LED のスペクトルの半値全幅 (FWHM) が挿入図に示されています。- 頭いい LED のスペクトルの半値全幅 (FWHM) が挿入図に示されています。- 頭いい

最近発表された 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」で、SMART 研究者は、最先端の Si に匹敵する光強度を持つ、報告されている最小の Si エミッターの開発について説明しました。はるかに大きな放射領域を持つエミッタ。関連するブレークスルーとして、SMART の研究者は、「訓練されていないディープ ニューラル ネットワークを使用した同時スペクトル回復と CMOS マイクロ LED ホログラフィー」というタイトルの論文で、ホログラフィック顕微鏡から画像を再構築できる、新しい訓練されていないディープ ニューラル ネットワーク アーキテクチャの構築も明らかにしました。最近 Optica 誌に掲載されました。

SMART の研究者によって開発された新しい LED は、室温で高空間強度 (102 ± 48 mW/cm2) を示し、すべての既知の Si エミッター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、研究者はこの LED を、レンズやピンホールを必要としない、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、インラインのセンチメートル スケールの全シリコン ホログラフィック顕微鏡に統合しました。

レンズレス ホログラフィーで一般的に直面する障害は、画像化されたオブジェクトの計算による再構成です。従来の再構成方法では、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 イメージの問題などの制御が難しい変数に敏感です。

研究チームはまた、画像再構成の品質を向上させるディープ ニューラル ネットワーク アーキテクチャも開発しました。この斬新で訓練されていないディープ ニューラル ネットワークには、コントラストを高めるために総変動正則化が組み込まれており、ソースの広いスペクトル帯域幅が考慮されています。トレーニング データを必要とする計算による再構成の従来の方法とは異なり、このニューラル ネットワークでは、アルゴリズム内に物理モデルを埋め込むことにより、トレーニングの必要がなくなります。ニュートラル ネットワークは、ホログラフィック画像の再構成に加えて、単一の回折強度パターンからのブラインド ソース スペクトルの回復も提供します。

この研究で実証された訓練されていないニューラル ネットワークにより、研究者は、ソース スペクトルやビーム プロファイルの事前知識がなくても、完全に商用化された未修正のバルク CMOS マイクロエレクトロニクスを介して製造された、上記の新規かつ最小の既知の Si LED などの新規光源を使用できます。

研究者は、CMOS マイクロ LED とニューラル ネットワークのこの相乗的な組み合わせが、生細胞追跡用の小型顕微鏡や、生きている植物などの生物学的組織の分光イメージングなど、他の計算イメージング アプリケーションで使用できることを想定しています。この作業は、次世代のオンチップ イメージング システムの実現可能性も示しています。インライン ホログラフィー顕微鏡は、粒子追跡、環境モニタリング、生体サンプル イメージング、計測学など、さまざまな用途にすでに採用されています。さらなるアプリケーションには、これらの LED を CMOS に配列して、将来のより複雑なシステム用にプログラム可能なコヒーレント照明を生成することが含まれます。

Optica 論文の筆頭著者であり、この研究の時点で MIT の研究助手である Iksung Kang 氏は、次のように述べています。たとえば、この LED をアレイに組み合わせて、大規模なアプリケーションに必要な高レベルの照明を実現できます。さらに、マイクロエレクトロニクスCMOSプロセスの低コストとスケーラビリティにより、システムの複雑さ、コスト、またはフォームファクタを増加させることなく、これを行うことができます。これにより、携帯電話のカメラをこのタイプのホログラフィック顕微鏡に比較的簡単に変換できます。さらに、プロセスで利用可能な電子機器を活用することで、制御電子機器とイメージャーでさえも同じチップに統合できます。

「レンズレス ホログラフィーにおける計り知れない可能性に加えて、当社の新しい LED には、他にもさまざまな用途が考えられます。その波長は生体組織の最小吸収ウィンドウ内にあり、高強度でナノスケールの発光領域があるため、当社の LED は、近接場顕微鏡や埋め込み型 CMOS デバイスを含むバイオ イメージングおよびバイオセンシング アプリケーションに最適です。」 SMART CAMP および DiSTAP の主任研究者であり、MIT の電気工学教授であり、両方の論文の共著者である Rajeev Ram 氏。「また、この LED をオンチップ光検出器と統合することも可能であり、オンチップ通信、NIR 近接センシング、およびフォトニクスのオンウェーハ テストでさらなるアプリケーションを見つけることができます。」

この研究は SMART によって実施され、国立研究財団 (NRF) シンガポールの研究卓越性および技術企業 (CREATE) プログラムの下で支援されました。

（リンク：https://astrobiology.com/2023/05/tricorder-tech-using-your-smartphone-as-a-high-resolution-handheld-holographic-microscope.html）