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

這項創(chuàng)新有望給生物醫(yī)學成像、安全、傳感和材料科學等多個領域帶來革命性的變化。這項研究成果發(fā)表在《光：科學與應用》雜志上。

圖片:new-imager-acquires-am.jpg

成像模式的轉變

傳統(tǒng)的光學成像技術依賴于基于強度的傳感器，這種傳感器只能捕捉光的振幅，而忽略了至關重要的相位信息。相位信息有助于深入了解吸收和折射率分布等結構特性，這對詳細的樣品分析至關重要。

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

由 Aydogan Ozcan 教授領導的加州大學洛杉磯分校團隊開發(fā)出一種新型復雜場成像儀，克服了這些限制。這種創(chuàng)新設備使用一系列經(jīng)過深度學習優(yōu)化的衍射表面來調(diào)制傳入的復雜場。這些表面創(chuàng)建了兩個獨立的成像通道，可將輸入場的振幅和相位轉化為傳感器平面上的強度分布。這種方法無需任何數(shù)字重建算法，大大簡化了成像過程。

新型復場成像儀由空間工程衍射表面組成，可進行振幅到振幅和相位到強度的變換。通過這些變換，該設備可以直接測量輸入復場的振幅和相位輪廓。成像儀的緊湊型光學設計軸向跨度約為 100 個波長，因此可高度集成到現(xiàn)有的光學系統(tǒng)中。

研究人員通過在太赫茲頻譜中運行的 3D 打印原型驗證了他們的設計。實驗結果顯示了很高的精確度，輸出振幅和相位通道圖像與數(shù)值模擬結果非常吻合。這一概念驗證演示凸顯了復雜場成像儀在實際應用中的潛力。

應用和未來展望

復雜場成像技術的這一突破開辟了廣泛的應用領域。在生物醫(yī)學領域，該成像儀可用于對組織和細胞進行實時、無創(chuàng)成像，從而在醫(yī)療過程中提供重要的洞察力。其緊湊高效的設計使其適合集成到內(nèi)窺鏡設備和微型顯微鏡中，從而有可能推動護理點診斷和術中成像的發(fā)展。

在環(huán)境監(jiān)測方面，該成像儀有助于開發(fā)便攜式片上實驗室傳感器，以快速檢測微生物和污染物。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)境評估過程。

復雜現(xiàn)場成像儀在工業(yè)應用方面也大有可為，可用于材料的快速檢測。它能夠捕捉到詳細的結構信息，而不需要笨重的設備或大量的計算資源，這使它成為質量控制和材料分析的寶貴資產(chǎn)。

全光學復合場成像儀的開發(fā)代表了光學成像領域的重大進步。該技術無需數(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，擴大了潛在的應用范圍。隨著研究團隊不斷完善和擴展他們的設計，這項創(chuàng)新的影響有望擴大，為各領域的科學研究和實際應用提供新的機遇。

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論文鏈接：https://dx.doi.org/10.1038/s41377-024-01482-6