ابتكار جديدة يحول كاميرا الهواتف الذكية إلى مجهر محمول عالي الدقة

ابتكر باحثون أصغر مجهر LED من السيليكون وميكروسكوب ثلاثي الأبعاد في العالم، مما يفتح مجموعة واسعة من التطبيقات المحتملة، والتي من شأنها تحويل كاميرا الهواتف الذكية إلى مجهر محمول عالي الدقة ، بحسب ما نشره موقع نيو أطلس نقلًا عن دورية نيتشر كومينكيشن.

وعلم الفوتونات هو مجال التكنولوجيا المعنية بنقل وخصائص الفوتونات، والتي أدت تحقيق تطورات في مجال الضوئيات وبالتالي التوصل إلى ابتكارات عبر مجموعة واسعة من المجالات، بما يشمل اتصالات البيانات الضوئية والتصوير وعلوم الحياة والرعاية الصحية والإضاءة والشاشات.

وفي حين أن الرقائق الضوئية، وهي الرقائق الدقيقة التي تحتوي على مكونين فوتونيين أو أكثر يشكلان دائرة عاملة، قد قطعت شوطًا طويلاً في مجال الإضاءة، إلا أن دمج باعث ضوئي صغير ومشرق على الرقاقة ظل بعيد المنال، ويلجأ المصنعون عادة إلى استخدام مصدر ضوء خارج الرقاقة، والذي يتميز بكفاءة منخفضة للطاقة ويحد من قابلية التوسع في الرقائق الضوئية.

صمام ثنائي باعث للضوء

الآن وبفضل باحثين من سنغافورة، بالتعاون مع معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا للأبحاث والتكنولوجيا، تم تطوير أصغر صمام ثنائي باعث للضوء “ليد” من السيليكون في العالم بأقل من ميكرومتر على نطاق واسع، بكثافة مماثلة لمصابيح الليد السيليكونية الأكبر حجمًا.

وكان من الصعب دمج البواعث السابقة على الرقاقة في المنصات القياسية التكميلية لأشباه الموصلات المعدنية CMOS، وهي عبارة عن دائرة متكاملة مبنية على لوحة دوائر مطبوعة، وهي تقنية أشباه الموصلات المستخدمة في معظم رقائق اليوم. في الهواتف المحمولة، يتم استخدام CMOS كـ “عين” الكاميرا.

ولتحقيق الابتكار الثوري، وضع الباحثون LED باعث ضوء ليد السيليكون الصغير في عقدة CMOS 55 نانومتر، جنبًا إلى جنب مع المكونات الضوئية والإلكترونية الأخرى، على شريحة واحدة.

ولاختبار كيف يمكن استخدام باعث الضوء المتناهي الصغر في مواقف العالم الحقيقي، قام الباحثون بوضعه في مجهر ثلاثي الأبعاد عديم العدسة.

وتعتبر المجاهر الخالية من العدسات أصغر من المجاهر العادية وأقل تكلفة لأنها لا تتطلب أنظمة عدسات معقدة ودقيقة.

استخدم الباحثون مصدر ضوء لإلقاء الضوء على عينة؛ ثم تم تشتيت الضوء على مستشعر الصورة الرقمية CMOS، مما أدى إلى إنشاء صورة ثلاثية الأبعاد رقمية يقوم الكمبيوتر بمعالجتها لإنتاج صورة.

ويمكن أن تكون هناك صعوبات مع المجهر المجسم عديم العدسة في إعادة بناء الصورة. وتتطلب عملية إعادة البناء الدقيقة عادة معرفة تفصيلية بفتحة العدسة وطول موجة ضوء المصدر ومسافة العينة إلى المستشعر.

ولمواجهة هذه الصعوبة، استخدم الباحثون خوارزمية الشبكات العصبية لإعادة بناء الأشياء التي يراها المجهر الهولوغرافي.

إن الشبكات العصبية هي أنظمة كمبيوتر تحاكي شبكات الدماغ البشري، وتعتمد على 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.