LED más pequeño del mundo convierte la cámara de un teléfono móvil en un microscopio de alta resolución

Un equipo de investigadores de la Alianza Singapur-MIT para la Investigación y la Tecnología (SMART, Singapur) ha creado con éxito el LED más pequeño del mundo. Este LED miniaturizado es más pequeño que la longitud de onda de la luz, pero con una intensidad de luz equivalente a los LED de Si de última generación mucho más grandes y tiene la capacidad de transformar las cámaras de teléfonos móviles existentes en microscopios de alta resolución. Esto se logró simplemente haciendo cambios en el chip de silicio y el software. Los investigadores también desarrollaron un innovador algoritmo de redes neuronales que puede reconstruir objetos medidos por el microscopio holográfico. Esta innovación permite un examen detallado de organismos microscópicos tales como células y bacterias sin necesidad de microscopios convencionales grandes u óptica adicional.

El LED desarrollado por el equipo de SMART es un LED de escala de sublongitud de onda integrado en CMOS a temperatura ambiente que demuestra una alta intensidad espacial (102 ± 48 mW/cm2) y tiene el área de emisión más pequeña (0,09 ± 0,04 μm2) entre todos los emisores de Si conocidos en literatura cientifica. Los investigadores ilustraron una aplicación práctica de este LED integrándolo en un microscopio holográfico en línea, de escala centimétrica, totalmente de silicio que no requiere lentes ni orificios, integral a un campo conocido como holografía sin lentes. El equipo de investigación también desarrolló una arquitectura de red neuronal profunda sin entrenar para mejorar la calidad de la reconstrucción de imágenes al incorporar la regularización de variación total para contraste aumentado y tener en cuenta el amplio ancho de banda espectral de la fuente.

A diferencia de los métodos de reconstrucción computacional convencionales que requieren datos de entrenamiento, esta red neuronal elimina la necesidad de entrenamiento al incorporar un modelo físico en el algoritmo. Junto con la reconstrucción de imágenes holográficas, la red neuronal también permite la recuperación del espectro de fuente ciega a partir de un único patrón de intensidad difractado. Esto representa una desviación significativa de todas las técnicas anteriores de aprendizaje supervisado. Los investigadores prevén que la potente combinación de micro-LED CMOS y la red neuronal podría ser beneficiosa en otras aplicaciones de imágenes computacionales. Por ejemplo, podrían usarse en un microscopio compacto para el seguimiento de células vivas o la obtención de imágenes espectroscópicas de tejidos biológicos, como plantas vivas.

“Nuestro avance representa una prueba de concepto que podría tener un gran impacto para numerosas aplicaciones que requieren el uso de micro-LED”, dijo Iksung Kang, autor principal y asistente de investigación del MIT. “Por ejemplo, este LED podría combinarse en una matriz para obtener niveles más altos de iluminación necesarios para aplicaciones a mayor escala. Además, debido al bajo costo y la escalabilidad de los procesos CMOS de microelectrónica, esto se puede hacer sin aumentar la complejidad, el costo o el factor de forma del sistema. Esto nos permite convertir, con relativa facilidad, la cámara de un teléfono móvil en un microscopio holográfico de este tipo. Además, la electrónica de control e incluso el generador de imágenes podrían integrarse en el mismo chip al explotar la electrónica disponible en el proceso, creando así un micro-LED 'todo en uno' que podría ser transformador para el campo".

“Además de su inmenso potencial en holografía sin lentes, nuestro nuevo LED tiene una amplia gama de otras posibles aplicaciones”, agregó Rajeev Ram, investigador principal de SMART CAMP y DiSTAP, profesor de ingeniería eléctrica en el MIT. “Debido a que su longitud de onda está dentro de la ventana de absorción mínima de los tejidos biológicos, junto con su área de emisión de nanoescala y alta intensidad, nuestro LED podría ser ideal para aplicaciones de bioimagen y biodetección, incluida la microscopía de campo cercano y dispositivos CMOS implantables”.

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