3D定量相位成像的创新方法

发布时间：2024-10-21 10:15:41 栏目：生活

导读 光波在介质中传播时会经历时间延迟。这种延迟可以揭示有关底层结构和成分特征的重要信息。定量相位成像 (QPI) 是一种尖端光学技术，可揭...

光波在介质中传播时会经历时间延迟。这种延迟可以揭示有关底层结构和成分特征的重要信息。定量相位成像 (QPI) 是一种尖端光学技术，可揭示光穿过生物样本、材料和其他透明结构时光路长度的变化。与依赖染色或标记的传统成像方法不同，QPI 允许研究人员通过生成高对比度图像来可视化和量化相位变化，从而实现对生物学、材料科学和工程学等领域至关重要的非侵入性研究。



《先进光子学》杂志最近发表的 一项研究 介绍了一种利用波长复用衍射光学处理器实现 3D QPI 的前沿方法。这种创新方法由加州大学洛杉矶分校 (UCLA) 的研究人员开发，为传统 3D QPI 方法带来的瓶颈提供了一种有效的解决方案，因为传统 3D QPI 方法耗时长、计算量大。

加州大学洛杉矶分校的研究团队开发了一种波长复用衍射光学处理器，能够将多个二维物体在不同轴向位置的相位分布全光学转换为强度模式，每个模式都编码在独特的波长通道上。该设计允许使用仅强度图像传感器捕获位于不同轴向平面的输入物体的定量相位图像，从而无需数字相位恢复算法。

“我们对这种新方法在生物医学成像和传感方面的潜力感到兴奋，”首席研究员、加州大学洛杉矶分校校长教授 Aydogan Ozcan 表示。“我们的波长多路复用衍射光学处理器为透明样本的高分辨率、无标记成像提供了一种新颖的解决方案，这将极大地有利于生物医学显微镜、传感和诊断应用。”

创新的多平面 QPI 设计结合了波长复用和无源衍射光学元件，这些元件通过深度学习进行了集体优化。通过执行光谱复用的相位到强度转换，该设计能够跨多个轴向平面对样本进行快速定量相位成像。该系统的紧凑性和全光学相位恢复能力使其成为传统数字 QPI 方法的有竞争力的模拟替代方案。

概念验证实验验证了该方法，展示了在太赫兹光谱中不同轴向位置上成功成像不同相位物体。该设计的可扩展性还允许使用适当的纳米制造方法适应电磁波谱的不同部分，包括可见光和红外波段，为集成焦平面阵列或图像传感器阵列的新型相位成像解决方案铺平了道路，以实现高效的片上成像和传感设备。

这项研究对生物医学成像、传感、材料科学和环境分析等多个领域都具有重要意义。通过为 3D QPI 提供更快、更高效的方法，该技术可以增强疾病的诊断和研究、材料表征以及环境样本的监测等应用。