美国加州大学洛杉矶分校(UCLA)的研究人员在光学成像技术领域取得了重大进展，研制出了一种新型全光学复合场成像仪，无需数字处理，即可同时捕获光场的振幅和相位信息。
这项创新有望彻底改变生物医学成像、安全、传感和材料科学等多个领域。该研究成果发表在《光：科学与应用》杂志上。
成像领域的范式转变
传统的光学成像技术依赖于基于强度的传感器，这种传感器只能捕捉光的振幅，而忽略了关键的相位信息。相位信息可以洞悉吸收率和折射率分布等结构特性，而这些特性对于详细的样品分析至关重要。
当前捕获相位信息的方法涉及复杂的干涉或全息系统，并辅以迭代相位检索算法，从而增加了硬件复杂性和计算需求。
加州大学洛杉矶分校的 Aydogan Ozcan 教授领导的团队开发了一种新型复杂场成像仪，可以克服这些限制。这款创新设备使用一系列深度学习优化的衍射表面来调制传入的复杂场。这些表面创建了两个独立的成像通道，将输入场的振幅和相位转换为传感器平面上的强度分布。这种方法无需任何数字重建算法，从而大大简化了成像过程。
新型复杂场成像仪由空间设计的衍射表面组成，这些表面排列起来可执行振幅到振幅和相位到强度的转换。这些转换使该设备能够直接测量输入复杂场的振幅和相位分布。该成像仪的紧凑光学设计轴向跨越约 100 个波长，使其高度可集成到现有光学系统中。
研究人员通过在太赫兹频谱中运行的 3D 打印原型验证了他们的设计。实验结果显示出很高的准确性，输出振幅和相位通道图像与数值模拟非常吻合。这一概念验证演示凸显了复杂场成像仪在实际应用中的潜力。
应用和未来前景
复杂场成像技术的这一突破开辟了广泛的应用领域。在生物医学领域，该成像仪可用于实时、非侵入性地对组织和细胞进行成像，在医疗过程中提供关键见解。其紧凑高效的设计使其适合集成到内窥镜设备和微型显微镜中，有望推动即时诊断和术中成像的发展。
在环境监测方面，该成像仪可促进便携式实验室传感器的开发，用于快速检测微生物和污染物。其便携性和易用性使其成为现场定量分析的理想工具，简化了环境评估流程。
复杂场成像仪还具有工业应用前景，可用于快速检测材料。它无需笨重的设备或大量的计算资源即可捕获详细的结构信息，使其成为质量控制和材料分析的宝贵资产。
全光学复场成像仪的研发代表了光学成像领域的重大进步。该技术无需数字处理即可直接捕获振幅和相位信息，简化了成像过程并拓宽了潜在应用范围。随着研究团队不断完善和扩展其设计，预计这项创新的影响将不断扩大，为各个领域的科学研究和实际应用提供新的机会。