La técnica de la imagen sin lentes es una prometedora herramienta que permite realizar microscopías de bajo coste, alta resolución y gran campo de visión sin la necesidad de componentes ópticos voluminosos y costosos como objetivos y lentes. Esta técnica ha sido ampliamente usada en la imagen de difracción coherente, la pictografía y la tomografía de fase.
Un equipo de investigadores de la Alianza para la Investigación y la Tecnología de Singapur-MIT (SMART) ha desarrollado el LED (diodo emisor de luz) más pequeño del mundo, que permite convertir las cámaras de los teléfonos móviles existentes en microscopios de alta resolución.
Este LED, más pequeño que la longitud de onda de la luz, se ha usado para construir el microscopio holográfico más pequeño del mundo. Este avance abre la puerta a la conversión de las cámaras existentes en dispositivos cotidianos, como los teléfonos móviles, en microscopios, mediante únicamente modificaciones en el chip de silicio y el software. Esta tecnología también representa un avance significativo en la miniaturización de los diagnósticos para la agricultura sostenible.
Además, esta investigación allana el camino para un avance importante en la fotónica: la construcción de un potente emisor en chip de tamaño inferior a un micrómetro, lo cual ha sido un desafío en este campo durante mucho tiempo.
La luz en la mayoría de los chips fotónicos proviene de fuentes fuera del chip, lo que conlleva una baja eficiencia energética general y limita fundamentalmente la escalabilidad de estos chips. Para solucionar este problema, los investigadores han desarrollado emisores en chip utilizando diversos materiales como el vidrio dopado con tierras raras, Ge-on-Si, y materiales III-V integrados de forma heterogénea.
El novedoso LED desarrollado por los investigadores de SMART es un LED de escala sublongitudinal integrado en CMOS a temperatura ambiente que exhibe una alta intensidad espacial y posee el área de emisión más pequeña entre todos los emisores Si conocidos en la literatura científica. Para demostrar una posible aplicación práctica, los investigadores integraron este LED en un microscopio holográfico totalmente de silicio, de escala centimétrica, en línea, que no requiere lentes ni orificios de alfiler, esencial en un campo conocido como holografía sin lentes.
El equipo de investigación también desarrolló una arquitectura de red neuronal profunda para mejorar la calidad de la reconstrucción de la imagen. Esta novedosa red neuronal profunda no entrenada incorpora la regularización de la variación total para aumentar el contraste y tiene en cuenta el amplio ancho de banda espectral de la fuente.
La red neuronal no entrenada demostrada en este estudio permite a los investigadores utilizar nuevas fuentes de luz sin conocimiento previo del espectro de la fuente o del perfil del haz, como el novedoso y más pequeño conocido Si LED descrito anteriormente, fabricado mediante microelectrónica CMOS en masa totalmente comercial y sin modificaciones.
El algoritmo de red neuronal puede reconstruir objetos medidos por el microscopio holográfico. Esto permite una mejorada inspección de objetos microscópicos, como células y bacterias, sin la necesidad de microscopios convencionales voluminosos o ópticas adicionales.
Los investigadores prevén que esta combinación sinérgica de micro-LEDs CMOS y la red neuronal puede ser utilizada en otras aplicaciones de imagen computacional, como un microscopio compacto para el seguimiento de células vivas o la imagen espectroscópica de tejidos biológicos como plantas vivas.
Además de su inmenso potencial en la holografía sin lentes, nuestro nuevo LED tiene una amplia gama de otras posibles aplicaciones. Debido a que su longitud de onda está dentro de la ventana de absorción mínima de los tejidos biológicos, junto con su alta intensidad y área de emisión a escala nanométrica, nuestro LED podría ser ideal para aplicaciones de bio-imagen y bio-sensorización, incluyendo la microscopía de campo cercano y dispositivos CMOS implantables. Además, es posible integrar este LED con fotodetectores en chip, y podría encontrar más aplicaciones en la comunicación en chip, la detección de proximidad NIR y las pruebas en oblea de fotónica.
Rajeev Ram, Investigador Principal en SMART CAMP y DiSTAP, y coautor de los artículos.
Vía mit.edu
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