Изцяло оптично фазово възстановяване и количествено фазово изобразяване се извършват незабавно без компютър


Изцяло оптично възстановяване на фазите и количествено изобразяване на фазите, извършвани мигновено без компютър

Изцяло оптично фазово възстановяване: дифракционно изчисление за количествено фазово изобразяване. Инженерите от UCLA докладват за първи път за проектиране на дифракционни мрежи, които могат изцяло оптично да възстановяват количествената фазова информация на обектите, използвайки единствено дифракцията на светлината през пасивно проектирани повърхности. Кредит: Ozcan Lab, UCLA.

Оптичното изобразяване и характеризиране на слабо разсейващи се фазови обекти, като изолирани клетки, бактерии и тънки тъканни срезове, често използвани в биологични изследвания и медицински приложения, представляват значителен интерес от десетилетия. Поради техните оптични свойства, когато тези „фазови обекти“ са осветени със светлинен източник, количеството разсеяна светлина обикновено е много по-малко от светлината, преминаваща директно през образеца, което води до лош контраст на изображението, използвайки традиционните методи за изобразяване. Този нисък контраст на изображението може да бъде преодолян с помощта на например химически петна или флуоресцентни етикети. Въпреки това, тези външни методи за етикетиране или оцветяване често са досадни, скъпи и включват токсични химикали.

Количествена фаза изображенията (QPI) се очертава като мощен подход без етикети за оптично изследване и засичане на различни слабо разсейващи се, прозрачни фазови обекти. През последните няколко десетилетия станахме свидетели на разработването на множество цифрови методи за количествено фазово изобразяване, базирано на алгоритми за реконструкция на изображения, работещи на компютри за възстановяване на фазовото изображение на обекта от различни интерферометрични измервания. Тези цифрови QPI техники, захранвани от графични процесори (GPU), са били използвани в различни приложения, включително патология, клетъчна биология, имунология и изследване на ракамежду другото.

В нова изследователска статия, публикувана в Усъвършенствани оптични материалиекип от оптични инженери, ръководен от професор Айдоган Йозджан от катедрата по електротехника и компютърно инженерство и Калифорнийския институт за наносистеми (CNSI) в Калифорнийския университет, Лос Анджелис (UCLA), разработиха дифракционна оптична мрежа за замяна на използваните алгоритми за реконструкция на цифрово изображение в QPI системи със серия от пасивни оптични повърхности, които са пространствено проектирани с помощта на дълбоко учене. За разлика от конвенционалните QPI системи, където етапът на възстановяване на фазата се извършва на цифров компютър с помощта на измерване на интензитета или холограма, дифракционната QPI мрежа директно обработва оптичните вълни, генерирани от самия обект, за да извлече фазовата информация на образеца като светлина разпространява се през дифракционната мрежа. Следователно, цялото фазово възстановяване и процесите на количествено фазово изобразяване се извършват със скоростта на светлината и без нужда от външен източник на захранване, с изключение на осветителната светлина. След като светлината взаимодейства с обекта от интерес и се разпространява през пространствено проектираните пасивни слоеве, възстановеното фазово изображение на пробата се появява на изхода на дифракционната мрежа като изображение на интензитета, успешно преобразувайки фазовите характеристики на обекта на входа в изображение с интензитет на изхода.

Тези резултати представляват първото изцяло оптично извличане на фаза и трансформация от фаза към интензитет, постигната чрез дифракция. Според резултатите, представени от екипа на UCLA, дифракционните QPI мрежи, обучени с помощта на дълбоко обучение, могат не само да се обобщят до невидими, нови фазови обекти, които статистически наподобяват обучаващите изображения, но също така да се обобщят до изцяло нови типове обекти с различни пространствени характеристики. В допълнение, тези дифракционни QPI мрежи са проектирани така, че количественото определяне на входната фаза да е инвариантно спрямо възможните промени в интензитета на светлината на осветяване или ефективността на откриване на сензора за изображение. Екипът също така показа, че дифракционните QPI мрежи могат да бъдат оптимизирани, за да поддържат тяхното количествено качество на фазовото изображение дори при механични несъответствия на дифракционните му слоеве.

Дифракционните QPI мрежи, докладвани от екипа на UCLA, представляват нова концепция за фазово изображение, която в допълнение към превъзходната си изчислителна скорост завършва процеса на възстановяване на фазите като светлина преминава през тънки, пасивни дифракционни повърхности и следователно елиминира консумацията на енергия и използването на паметта, необходими в цифровите QPI системи, потенциално проправяйки пътя за различни нови приложения в микроскопията и сензорите.


Дифракционните оптични мрежи възстановяват холограми мигновено без цифров компютър


Повече информация:
Deniz Mengu et al, All-Optical Phase Recovery: Diffractive Computing за количествено изобразяване на фазите, Усъвършенствани оптични материали (2022 г.). DOI: 10.1002 / adom.202200281 arxiv.org/abs/2201.08964

Цитат: Изцяло оптично фазово възстановяване и количествено фазово изобразяване, извършено незабавно без компютър (2022 г., 20 май), извлечено на 21 май 2022 г. от https://phys.org/news/2022-05-all-optical-phase-recovery-quantitative- imageing.html

Този документ е обект на авторско право. Освен всяка честна сделка с цел частно проучване или изследване, никоя част не може да бъде възпроизвеждана без писменото разрешение. Съдържанието е предоставено само за информационни цели.