Newswise — Комплексная полевая визуализация обеспечивает детальный структурный анализ образцов, фиксируя как амплитудную, так и фазовую информацию об объектах, предлагая понимание таких свойств, как распределение показателей поглощения и преломления, которые раскрывают морфологию и состав образца. Однако обычные датчики обычно фиксируют только информацию об амплитуде образца, что приводит к потере важной информации о фазе, если не используются сложные интерферометрические или голографические методы.

Команда исследователей Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе представила полностью оптический метод комплексной визуализации поля, который напрямую фиксирует информацию об амплитуде и фазе оптических полей с помощью матрицы датчиков на основе интенсивности. Этот инновационный подход подробно описан в публикации (https://doi.org/10.1038/s41377-024-01482-6) в Свет: наука и приложения знаменует собой значительный отход от традиционных методов, которые часто требуют сложного оборудования и высокой вычислительной нагрузки, часто с использованием итеративных алгоритмов.

Этот прорыв основан на разработке сложного устройства формирования изображения поля, способного напрямую фиксировать как амплитудное, так и фазовое распределение падающего света с использованием массива детекторов, измеряющих только интенсивность. Как подробно описано в их исследовании, устройство включает в себя несколько дифракционных поверхностей, каждая из которых спроектирована и оптимизирована с помощью контролируемых алгоритмов глубокого обучения, чтобы облегчить точную пространственную модуляцию входящих сложных полей. Эта дифракционная архитектура, также известная как дифракционная глубокая нейронная сеть (D²NN), ранее продемонстрировал свою полезность в различных задачах полностью оптической обработки информации, включая, среди прочего, классификацию изображений, шифрование, спектральное кодирование и визуальные вычисления.

Эта технология дифракционной визуализации сложного поля эффективно отображает амплитуду падающего света на конкретное выходное поле, предназначенное для визуализации амплитуды, одновременно преобразуя информацию о фазе волны в диаграмму интенсивности, используемую для количественной визуализации фазы. Для любого произвольного сложного объекта или поля на входе устройства результирующие распределения интенсивности напрямую раскрывают информацию об амплитуде и фазе образца за один шаг захвата изображения.

«Используя дифракционные поверхности, оптимизированные для глубокого обучения, мы создали физическую систему, которая напрямую захватывает сложное поле входного объекта, устраняя необходимость в традиционных алгоритмах цифровой реконструкции», — объяснил доктор Айдоган Озджан, главный исследователь проекта и профессор Канцлера. в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе. «Это делает процесс создания изображений намного проще и быстрее, значительно уменьшая занимаемую аппаратную площадь и потребление энергии».

Кроме того, команда исследовала различные другие конструкции, которые включают мультиплексирование по длине волны для сбора информации об амплитуде и фазе образцов на разных длинах волн. Такая конструкция была подтверждена с помощью 3D-печатных прототипов, работающих в терагерцовом диапазоне. Результаты экспериментов этих прототипов тесно совпадают с результатами численного моделирования, подтверждая их потенциал для практического применения.

«Мы предполагаем, что эта технология будет иметь широкое применение в нескольких областях, включая безопасность, биомедицинскую визуализацию и материаловедение. Его способность выполнять быструю и точную визуализацию без алгоритмов цифровой реконструкции изображений может переопределить стандартную практику в этих областях», — добавил доктор Озкан.

Исследователи Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе подчеркивают, что эта технология не только демонстрирует возможность полностью оптической комплексной полевой визуализации, но также подчеркивает ее потенциал адаптации к различным длинам волн электромагнитного спектра, включая видимый и инфракрасный спектры, без необходимости переобучения или перепроектирования оптимизированного дифракционные слои.

К доктору Озджану в этой новаторской работе присоединились аспиранты Цзинси Ли, Юхан Ли, Тяньи Ган, Че-Юнг Шен, а также профессор Мона Джаррахи, все из факультета электротехники и вычислительной техники Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. Доктор Озджан занимает должности преподавателей на факультете биоинженерии и является заместителем директора Калифорнийского института наносистем (CNSI).

###

Рекомендации

DOI

10.1038/с41377-024-01482-6

Исходный URL-адрес источника

https://doi.org/10.1038/s41377-024-01482-6

Информация о финансировании

Управление военно-морских исследований США (ONR). Благотворительный фонд Берроуза.

О Свет: наука и приложения

Свет: наука и приложения в первую очередь будет публиковать новые результаты исследований по новейшим и новым темам оптики и фотоники, а также освещать традиционные темы оптической техники. В журнале будут публиковаться оригинальные статьи и обзоры, отличающиеся высоким качеством, высоким интересом и далеко идущими последствиями.