Исследователи из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA) достигли важной вехи в технологии оптической визуализации. Был разработан новый полностью оптический комплексный полевой формирователь, способный захватывать как амплитудную, так и фазовую информацию оптических полей без необходимости цифровой обработки.

Это нововведение обещает произвести революцию в различных областях, включая биомедицинскую визуализацию, безопасность, зондирование и материаловедение. Работа опубликована в журнале Light: Science & Applications.

Смена парадигмы в визуализации

Традиционные технологии оптического изображения полагаются на датчики, основанные на интенсивности, которые могут фиксировать только амплитуду света, упуская при этом важную информацию о фазе. Информация о фазе дает представление о структурных свойствах, таких как распределение показателей поглощения и преломления, которые необходимы для детального анализа образцов.

Современные методы сбора информации о фазе включают сложные интерферометрические или голографические системы, дополненные итерационными алгоритмами поиска фазы, что приводит к увеличению сложности аппаратного обеспечения и вычислительных затрат.

Команда Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе под руководством профессора Айдогана Озджана разработала новый комплексный полевой сканер, который преодолевает эти ограничения. Это инновационное устройство использует серию дифракционных поверхностей, оптимизированных для глубокого обучения, для модуляции входящих сложных полей. Эти поверхности создают два независимых канала визуализации, которые преобразуют амплитуду и фазу входных полей в распределения интенсивности на плоскости датчика. Этот подход устраняет необходимость в каких-либо алгоритмах цифровой реконструкции, значительно упрощая процесс визуализации.

Новый комплексный полевой имидж-сканер состоит из пространственно спроектированных дифракционных поверхностей, предназначенных для преобразования амплитуды в амплитуду и фазы в интенсивность. Эти преобразования позволяют устройству напрямую измерять профили амплитуды и фазы входных комплексных полей. Компактная оптическая конструкция тепловизора охватывает около 100 длин волн в осевом направлении, что делает его легко интегрируемым в существующие оптические системы.

Исследователи проверили свои разработки с помощью 3D-печатных прототипов, работающих в терагерцовом спектре. Экспериментальные результаты показали высокую степень точности: изображения выходной амплитуды и фазового канала близко соответствовали численному моделированию. Эта демонстрация, подтверждающая концепцию, подчеркивает потенциал сложного полевого имидж-сканера для реальных приложений.

Применение и перспективы на будущее

Этот прорыв в технологии комплексной полевой визуализации открывает широкий спектр приложений. В биомедицинской области имидж-сканер можно использовать для неинвазивной визуализации тканей и клеток в режиме реального времени, обеспечивая критически важную информацию во время медицинских процедур. Его компактный и эффективный дизайн делает его пригодным для интеграции в эндоскопические устройства и миниатюрные микроскопы, что потенциально улучшает диагностику на месте и интраоперационную визуализацию.

При мониторинге окружающей среды имидж-сканер может способствовать разработке портативных лабораторных датчиков на чипе для быстрого обнаружения микроорганизмов и загрязняющих веществ. Его портативность и простота использования делают его идеальным инструментом для количественного анализа на месте , оптимизируя процесс экологической оценки.

Комплексный полевой имидж-сканер также перспективен для промышленного применения, где его можно использовать для быстрого контроля материалов. Его способность собирать подробную структурную информацию без необходимости использования громоздкого оборудования или обширных вычислительных ресурсов делает его ценным инструментом для контроля качества и анализа материалов.

Разработка цельнооптического комплексного полевого формирователя представляет собой значительный прогресс в области оптической визуализации. Обеспечивая прямой сбор информации об амплитуде и фазе без цифровой обработки, эта технология упрощает процесс визуализации и расширяет сферу потенциальных применений. Поскольку исследовательская группа продолжает совершенствовать и расширять свои разработки, ожидается, что влияние этой инновации будет расти, открывая новые возможности для научных исследований и практического применения в различных областях.