تمكَّن العلماء من إبداع أصغر مجهر LED مصنوع من مادة السيليكون، وأول ميكروسكوب ثلاثي الأبعاد في العالم، فاتحين بذلك الأبواب أمام مجموعة واسعة من التطبيقات المحتملة. ووفقًا لتقرير نُشِرَ في موقع "New Atlas"، الذي استند في نشره إلى دورية "Nature Communications"، يمكن لهذه التقنية تحويل كاميرات الهواتف الذكية إلى مجاهر محمولة عالية الدقة.
علوم الفوتونات
مجال الفوتونات هو تخصص تكنولوجي يدرس نقل الفوتونات وخصائصها، وقد أسهم بشكل كبير في تطورات ميدان الضوئيات، مما أدى إلى ظهور ابتكارات في عدة مجالات متنوعة. يتضمن ذلك استخدام الاتصالات البيانية الضوئية، وتطبيقات التصوير، وعلوم الحياة والرعاية الصحية، وتكنولوجيا الإضاءة والشاشات.
في المقابل، على الرغم من أن الرقائق الضوئية التي تحتوي على مكونات فوتونية دقيقة وتعمل بشكل مستقل قد أحدثت تقدمًا كبيرًا في مجال الإضاءة، إلا أن دمج مصدر ضوء مشرق وصغير مباشرةً على الرقاقة لا يزال تحديًا. وعادةً ما يعتمد المُصنِعون على مصادر ضوء خارجية للرقائق الضوئية، والتي تكون طاقتها ضعيفة وتقيّد قابلية التوسع في هذه الرقائق.
تمكن الباحثون في سنغافورة بالتعاون مع معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا من تطوير أصغر صمام ثنائي باعث للضوء (LED) من السيليكون في العالم، بأبعاد تقل عن الميكرومتر وبكثافة مشابهة لمصابيح LED السيليكونية ذات الحجم الأكبر.
كان من التحديات الكبيرة دمج البواعث السابقة على الرقاقة في منصات CMOS القياسية، والتي تعد دوائر متكاملة مبنية على لوحة دوائر مطبوعة، وهي التقنية الشائعة في مجال أشباه الموصلات وتستخدم في معظم رقائق اليوم. في الهواتف المحمولة، يتم استخدام CMOS كجزء من "عين" الكاميرا.
ومن أجل تحقيق هذا الابتكار الثوري، وضع الباحثون صمام ثنائي باعث للضوء السيليكوني الصغير LED في عقدة CMOS بحجم 55 نانومتر، بجانب المكونات الضوئية والإلكترونية الأخرى، على شريحة واحدة.
اختبار واقعي
للاختبار وتقييم كيفية استخدام الباعث الضوء المتناهي الصغر في سيناريوهات الحياة الواقعية، قام الباحثون بتضمينه في مجهر ثلاثي الأبعاد خالٍ من العدسات. تُعَد المجاهر الخالية من العدسات أصغر حجمًا وأقل تكلفة، نظرًا لعدم الحاجة إلى أنظمة عدسات معقدة ودقيقة. استخدم الباحثون مصدرًا للضوء لإضاءة العينة، ثم تم تشتيت الضوء على مستشعر الصورة الرقمي CMOS، مما أدى إلى إنشاء صورة ثلاثية الأبعاد رقمية تتم معالجتها بواسطة الكمبيوتر لتوليد الصورة النهائية.
التغلب على الصعوبات
قد تواجه بعض التحديات في عملية إعادة بناء الصورة مع المجهر المجسم عديم العدسة. ولإجراء عملية إعادة البناء بدقة، غالبًا ما يتطلب الأمر معرفة مفصلة بفتحة العدسة وطول موجة ضوء المصدر ومسافة العينة إلى المستشعر. وللتغلب على هذه التحديات، استخدم الباحثون خوارزميات الشبكات العصبية لإعادة بناء الأشياء التي يُراها المجهر الهولوغرافي. تُعتبر الشبكات العصبية نظمًا حاسوبيًا تقلد شبكات الدماغ البشري، وتستند إلى بيانات التدريب للتعلم وتحسين دقتها بمرور الوقت.
دقة متناهية
اكتشف الباحثون أن العدسة الثلاثية الأبعاد الخاصة بهم قدمت صورًا عالية الدقة أكثر دقة من المجهر الضوئي العادي. وقام الباحثون بحساب وقياس مدى دقتها، وتبين أنها وصلت إلى حوالي 20 ميكرومتر (ميكرون). بالنسبة للسياق، يبلغ قطر خلية جلد الإنسان 20 إلى 40 ميكرون؛ وتصل خلية الدم البيضاء حوالي 30 ميكرون.
تطبيقات واسعة النطاق
يتوقع الباحثون ظهور العديد من التطبيقات للجيل التالي من مصابيح ليد الدقيقة والشبكة العصبية المدمجة مع CMOS، بما يشمل إعادة بناء الكائنات المجهرية مثل عينات الأنسجة البشرية وبذور النباتات والتصوير الحيوي وتطبيقات الاستشعار الحيوي، مثل الفحص المجهري للمجال القريب وأجهزة CMOS القابلة للزرع. ويقول الباحثون إنه يمكن استخدامه في كاميرات الهواتف الذكية الموجودة ببساطة عن طريق تعديل شريحة السيليكون والبرمجيات في الهاتف، وتحويل الهاتف إلى مجهر عالي الدقة.
____
المصدر بتصرف : اخبار تقنية
