Artystyczne przedstawienie dyfrakcyjnego procesora optycznego o multipleksowanej długości fali do ilościowego obrazowania fazowego 3D. Źródło: Ozcan Lab @ UCLA
Całkowicie optyczny, wielopłaszczyznowy projekt ilościowego obrazowania fazowego eliminuje potrzebę stosowania cyfrowych algorytmów odzyskiwania fazy.
Uniwersytet Kalifornijski badacze wprowadzili przełom w ilościowym obrazowaniu fazowym 3D, który wykorzystuje dyfrakcyjny procesor optyczny o multipleksowanej długości fali w celu zwiększenia wydajności i szybkości obrazowania. Metoda ta umożliwia obrazowanie bez etykiet o wysokiej rozdzielczości w wielu płaszczyznach i ma znaczący potencjał zastosowań w diagnostyce biomedycznej, charakterystyce materiałów i analizie środowiskowej.
Wprowadzenie do ilościowego obrazowania fazowego
Fale świetlne rozchodzące się w ośrodku doświadczają czasowego opóźnienia. Opóźnienie to może ujawnić kluczowe informacje na temat podstawowych cech strukturalnych i składu. Ilościowe obrazowanie fazowe (QPI) to najnowocześniejsza technika optyczna, która ujawnia zmiany w długości ścieżki optycznej w miarę przemieszczania się światła przez próbki biologiczne, materiały i inne przezroczyste struktury. W przeciwieństwie do tradycyjnych metod obrazowania, które opierają się na barwieniu lub znakowaniu, QPI umożliwia naukowcom wizualizację i ilościową ocenę zmian fazowych poprzez generowanie obrazów o wysokim kontraście, które umożliwiają nieinwazyjne badania kluczowe w takich dziedzinach, jak biologia, inżynieria materiałowa i inżynieria.
Z ostatniego badania opublikowanego 25 lipca br Zaawansowana fotonika wprowadza najnowocześniejsze podejście do 3D QPI przy użyciu dyfrakcyjnego procesora optycznego o multipleksowanej długości fali. Innowacyjne podejście, opracowane przez naukowców z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Los Angeles (UCLA), oferuje skuteczne rozwiązanie wąskiego gardła stwarzanego przez tradycyjne metody 3D QPI, które mogą być czasochłonne i wymagające obliczeniowo.
Badacze z UCLA zgłaszają nową metodę ilościowego obrazowania fazowego trójwymiarowego obiektu zawierającego tylko fazę przy użyciu dyfrakcyjnego procesora optycznego ze multipleksacją długości fali. Wykorzystując wiele warstw dyfrakcyjnych zaprojektowanych przestrzennie, wyszkolonych w procesie głębokiego uczenia, ten procesor dyfrakcyjny może optycznie przekształcać rozkłady fazowe wielu obiektów 2D w różnych pozycjach osiowych we wzorce intensywności, każdy zakodowany na unikalnym kanale długości fali. Te multipleksowane wzory o długości fali są rzutowane na pojedyncze pole widzenia (FOV) w płaszczyźnie wyjściowej procesora dyfrakcyjnego, umożliwiając przechwytywanie ilościowych rozkładów fazowych obiektów wejściowych znajdujących się w różnych płaszczyznach osiowych za pomocą czujnika obrazu obsługującego tylko intensywność – eliminując potrzebę stosowania cyfrowych algorytmów odzyskiwania fazy. Źródło: C. Shen i in., doi 10.1117/1.AP.6.5.056003.
Innowacja UCLA w przetwarzaniu optycznym
Zespół z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Los Angeles opracował dyfrakcyjny procesor optyczny ze zwielokrotnionymi długościami fal, zdolny do całkowicie optycznego przekształcania rozkładów fazowych wielu obiektów 2D w różnych pozycjach osiowych we wzorce intensywności, każdy zakodowany przy użyciu unikalnego kanału długości fali. Konstrukcja umożliwia przechwytywanie ilościowych obrazów fazowych obiektów wejściowych znajdujących się w różnych płaszczyznach osiowych przy użyciu czujnika obrazu obsługującego wyłącznie intensywność, eliminując potrzebę stosowania cyfrowych algorytmów odzyskiwania fazy.
„Jesteśmy podekscytowani potencjałem tego nowego podejścia do obrazowania i wykrywania biomedycznego” – powiedział Aydogan Ozcan, główny badacz i profesor rektora na UCLA. „Nasz dyfrakcyjny procesor optyczny o multipleksowanej długości fali oferuje nowatorskie rozwiązanie do obrazowania przezroczystych próbek w wysokiej rozdzielczości bez etykiet, co może znacznie przynieść korzyści w zastosowaniach mikroskopii biomedycznej, wykrywaniu i diagnostyce”.
Obrazowanie wielopłaszczyznowe i jego zastosowania
Innowacyjna wielopłaszczyznowa konstrukcja QPI obejmuje multipleksowanie długości fali i pasywne dyfrakcyjne elementy optyczne, które są wspólnie optymalizowane przy użyciu głębokiego uczenia się. Wykonując transformacje fazowe do intensywności, które są multipleksowane widmowo, projekt ten umożliwia szybkie ilościowe obrazowanie fazowe próbek w wielu płaszczyznach osiowych. Kompaktowość tego systemu i możliwość całkowicie optycznego odzyskiwania fazy czynią go konkurencyjną analogową alternatywą dla tradycyjnych cyfrowych metod QPI.
Eksperyment weryfikujący koncepcję potwierdził skuteczność tego podejścia, wykazując udane obrazowanie odrębnych obiektów fazowych w różnych pozycjach osiowych terahercowy widmo. Skalowalny charakter projektu pozwala również na adaptację do różnych części widma elektromagnetycznego, w tym pasm widzialnych i IR, przy użyciu odpowiednich metod nanoprodukcji, torując drogę nowym rozwiązaniom obrazowania fazowego zintegrowanym z matrycami płaszczyzn ogniskowych lub matrycami czujników obrazu w celu zapewnienia wydajnego urządzenia do obrazowania i wykrywania na chipie.
Implikacje dla nauki i technologii
Badania te mają znaczące implikacje dla różnych dziedzin, w tym obrazowania biomedycznego, wykrywania, materiałoznawstwa i analizy środowiska. Zapewniając szybszą i bardziej wydajną metodę 3D QPI, technologia ta może między innymi usprawnić diagnostykę i badanie chorób, charakteryzację materiałów i monitorowanie próbek środowiskowych.
Odniesienie: „Wielopłaszczyznowe ilościowe obrazowanie fazowe przy użyciu multipleksowanego dyfrakcyjnego procesora optycznego o multipleksowanej długości fali” autorstwa Che-Yung Shena, Jingxi Li, Yuhang Li, Tianyi Gan, Langxing Bai, Mona Jarrahi i Aydogan Ozcan, 25 lipca 2024 r., Zaawansowana fotonika.
DOI: 10.1117/1.AP.6.5.056003
