加州大學(xué)洛杉磯分校(UCLA)的研究人員在光學(xué)成像技術(shù)領(lǐng)域取得了一個(gè)重要的里程碑。他們開發(fā)出了一種新型全光學(xué)復(fù)合場成像儀，無需數(shù)字處理就能捕捉光場的振幅和相位信息。

這項(xiàng)創(chuàng)新有望給生物醫(yī)學(xué)成像、安全、傳感和材料科學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域帶來革命性的變化。這項(xiàng)研究成果發(fā)表在《光：科學(xué)與應(yīng)用》雜志上。

成像模式的轉(zhuǎn)變

傳統(tǒng)的光學(xué)成像技術(shù)依賴于基于強(qiáng)度的傳感器，這種傳感器只能捕捉光的振幅，而忽略了至關(guān)重要的相位信息。相位信息有助于深入了解吸收和折射率分布等結(jié)構(gòu)特性，這對(duì)詳細(xì)的樣品分析至關(guān)重要。

目前捕捉相位信息的方法涉及復(fù)雜的干涉或全息系統(tǒng)，并輔以迭代相位檢索算法，導(dǎo)致硬件復(fù)雜性和計(jì)算需求增加。

由 Aydogan Ozcan 教授領(lǐng)導(dǎo)的加州大學(xué)洛杉磯分校團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一種新型復(fù)雜場成像儀，克服了這些限制。這種創(chuàng)新設(shè)備使用一系列經(jīng)過深度學(xué)習(xí)優(yōu)化的衍射表面來調(diào)制傳入的復(fù)雜場。這些表面創(chuàng)建了兩個(gè)獨(dú)立的成像通道，可將輸入場的振幅和相位轉(zhuǎn)化為傳感器平面上的強(qiáng)度分布。這種方法無需任何數(shù)字重建算法，大大簡化了成像過程。

新型復(fù)場成像儀由空間工程衍射表面組成，可進(jìn)行振幅到振幅和相位到強(qiáng)度的變換。通過這些變換，該設(shè)備可以直接測(cè)量輸入復(fù)場的振幅和相位輪廓。成像儀的緊湊型光學(xué)設(shè)計(jì)軸向跨度約為 100 個(gè)波長，因此可高度集成到現(xiàn)有的光學(xué)系統(tǒng)中。

研究人員通過在太赫茲頻譜中運(yùn)行的 3D 打印原型驗(yàn)證了他們的設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示了很高的精確度，輸出振幅和相位通道圖像與數(shù)值模擬結(jié)果非常吻合。這一概念驗(yàn)證演示凸顯了復(fù)雜場成像儀在實(shí)際應(yīng)用中的潛力。

應(yīng)用和未來展望

復(fù)雜場成像技術(shù)的這一突破開辟了廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，該成像儀可用于對(duì)組織和細(xì)胞進(jìn)行實(shí)時(shí)、無創(chuàng)成像，從而在醫(yī)療過程中提供重要的洞察力。其緊湊高效的設(shè)計(jì)使其適合集成到內(nèi)窺鏡設(shè)備和微型顯微鏡中，從而有可能推動(dòng)護(hù)理點(diǎn)診斷和術(shù)中成像的發(fā)展。

在環(huán)境監(jiān)測(cè)方面，該成像儀有助于開發(fā)便攜式片上實(shí)驗(yàn)室傳感器，以快速檢測(cè)微生物和污染物。它的便攜性和易用性使其成為現(xiàn)場定量分析的理想工具，簡化了環(huán)境評(píng)估過程。

復(fù)雜現(xiàn)場成像儀在工業(yè)應(yīng)用方面也大有可為，可用于材料的快速檢測(cè)。它能夠捕捉到詳細(xì)的結(jié)構(gòu)信息，而不需要笨重的設(shè)備或大量的計(jì)算資源，這使它成為質(zhì)量控制和材料分析的寶貴資產(chǎn)。

全光學(xué)復(fù)合場成像儀的開發(fā)代表了光學(xué)成像領(lǐng)域的重大進(jìn)步。該技術(shù)無需數(shù)字處理即可直接捕捉振幅和相位信息，從而簡化了成像過程，擴(kuò)大了潛在的應(yīng)用范圍。隨著研究團(tuán)隊(duì)不斷完善和擴(kuò)展他們的設(shè)計(jì)，這項(xiàng)創(chuàng)新的影響有望擴(kuò)大，為各領(lǐng)域的科學(xué)研究和實(shí)際應(yīng)用提供新的機(jī)遇。

審核編輯 黃宇