加州大學洛杉磯分校(UCLA)的研究人員在光學成像技術領域取得了一個重要的里程碑。他們開發出了一種新型全光學復合場成像儀，無需數字處理就能捕捉光場的振幅和相位信息。

這項創新有望給生物醫學成像、安全、傳感和材料科學等多個領域帶來革命性的變化。這項研究成果發表在《光：科學與應用》雜志上。

成像模式的轉變

傳統的光學成像技術依賴于基于強度的傳感器，這種傳感器只能捕捉光的振幅，而忽略了至關重要的相位信息。相位信息有助于深入了解吸收和折射率分布等結構特性，這對詳細的樣品分析至關重要。

目前捕捉相位信息的方法涉及復雜的干涉或全息系統，并輔以迭代相位檢索算法，導致硬件復雜性和計算需求增加。

由 Aydogan Ozcan 教授領導的加州大學洛杉磯分校團隊開發出一種新型復雜場成像儀，克服了這些限制。這種創新設備使用一系列經過深度學習優化的衍射表面來調制傳入的復雜場。這些表面創建了兩個獨立的成像通道，可將輸入場的振幅和相位轉化為傳感器平面上的強度分布。這種方法無需任何數字重建算法，大大簡化了成像過程。

新型復場成像儀由空間工程衍射表面組成，可進行振幅到振幅和相位到強度的變換。通過這些變換，該設備可以直接測量輸入復場的振幅和相位輪廓。成像儀的緊湊型光學設計軸向跨度約為 100 個波長，因此可高度集成到現有的光學系統中。

研究人員通過在太赫茲頻譜中運行的 3D 打印原型驗證了他們的設計。實驗結果顯示了很高的精確度，輸出振幅和相位通道圖像與數值模擬結果非常吻合。這一概念驗證演示凸顯了復雜場成像儀在實際應用中的潛力。

應用和未來展望

復雜場成像技術的這一突破開辟了廣泛的應用領域。在生物醫學領域，該成像儀可用于對組織和細胞進行實時、無創成像，從而在醫療過程中提供重要的洞察力。其緊湊高效的設計使其適合集成到內窺鏡設備和微型顯微鏡中，從而有可能推動護理點診斷和術中成像的發展。

在環境監測方面，該成像儀有助于開發便攜式片上實驗室傳感器，以快速檢測微生物和污染物。它的便攜性和易用性使其成為現場定量分析的理想工具，簡化了環境評估過程。

復雜現場成像儀在工業應用方面也大有可為，可用于材料的快速檢測。它能夠捕捉到詳細的結構信息，而不需要笨重的設備或大量的計算資源，這使它成為質量控制和材料分析的寶貴資產。

全光學復合場成像儀的開發代表了光學成像領域的重大進步。該技術無需數字處理即可直接捕捉振幅和相位信息，從而簡化了成像過程，擴大了潛在的應用范圍。隨著研究團隊不斷完善和擴展他們的設計，這項創新的影響有望擴大，為各領域的科學研究和實際應用提供新的機遇。

審核編輯 黃宇