תיאור אומנותי של מעבד אופטי דיפרקטיבי משולב באורך גל להדמיית פאזה כמותית תלת מימדית. קרדיט: Ozcan Lab @ UCLA
עיצוב הדמיית פאזות כמותי מרובה-אופטי מבטל את הצורך באלגוריתמים דיגיטליים לשחזור פאזה.
UCLA חוקרים הציגו פריצת דרך בהדמיית פאזה כמותית תלת-ממדית המשתמשת במעבד אופטי דיפרקטיבי משולב באורך גל כדי לשפר את יעילות ומהירות ההדמיה. שיטה זו מאפשרת הדמיה נטולת תוויות ברזולוציה גבוהה על פני מספר מישורים ויש לה יישומים פוטנציאליים משמעותיים באבחון ביו-רפואי, אפיון חומרים וניתוח סביבתי.
מבוא להדמיית שלב כמותית
גלי אור, כשהם מתפשטים דרך מדיום, חווים עיכוב זמני. עיכוב זה יכול לחשוף מידע חיוני על המאפיינים המבניים והקומפוזיציוניים הבסיסיים. הדמיית שלב כמותית (QPI) היא טכניקה אופטית חדשנית שחושפת שינויים באורך הנתיב האופטי כאשר האור עובר דרך דגימות ביולוגיות, חומרים ומבנים שקופים אחרים. בניגוד לשיטות הדמיה מסורתיות המסתמכות על צביעה או תיוג, QPI מאפשרת לחוקרים לדמיין ולכמת וריאציות פאזה על ידי יצירת תמונות עם ניגודיות גבוהה המאפשרות חקירות לא פולשניות חיוניות לתחומים כמו ביולוגיה, מדעי החומרים והנדסה.
מחקר עדכני שדווח ב-25 ביולי ב פוטוניקה מתקדמת מציגה גישה חדשנית ל- 3D QPI באמצעות מעבד אופטי דיפרקטיבי משולב באורך גל. הגישה החדשנית, שפותחה על ידי חוקרים מאוניברסיטת קליפורניה, לוס אנג'לס (UCLA), מציעה פתרון יעיל לצוואר בקבוק שנוצר על ידי שיטות 3D QPI מסורתיות, שיכולות להיות גוזלות זמן ועתירות חישוב.
חוקרי UCLA מדווחים על שיטה חדשה להדמיית פאזה כמותית של אובייקט תלת-ממדי בלבד באמצעות מעבד אופטי דיפרקטיבי בעל אורך גל. תוך שימוש במספר רב של שכבות דיפראקטיביות מהונדסות מרחבית שהוכשרו באמצעות למידה עמוקה, מעבד עקיף זה יכול להפוך באופן אופטי את התפלגות הפאזות של אובייקטים דו-ממדיים מרובים במיקומים צירים שונים לתבניות עוצמה, שכל אחת מהן מקודדת בערוץ אורך גל ייחודי. תבניות מרובבות אורכי גל אלו מוקרנות על שדה ראייה יחיד (FOV) במישור המוצא של המעבד הדיפרקטיבי, מה שמאפשר ללכוד התפלגות פאזה כמותית של עצמים קלט הממוקמים במישורים צירים שונים באמצעות חיישן תמונה בעוצמה בלבד – ביטול הצורך באלגוריתמים דיגיטליים לשחזור פאזה. קרדיט: סי שן ואח', דו"י 10.1117/1.AP.6.5.056003.
החדשנות של UCLA בעיבוד אופטי
צוות ה-UCLA פיתח מעבד אופטי דיפרקטיבי משולב באורך גל המסוגל להפוך באופן אופטי התפלגות פאזה של מספר אובייקטים דו-ממדיים במיקומים צירים שונים לתבניות עוצמה, שכל אחת מהן מקודדת בערוץ אורך גל ייחודי. העיצוב מאפשר ללכוד תמונות פאזה כמותיות של אובייקטים קלט הממוקמים במישורים צירים שונים באמצעות חיישן תמונה בעוצמה בלבד, ומבטל את הצורך באלגוריתמים דיגיטליים לשחזור פאזה.
"אנו נרגשים לגבי הפוטנציאל של גישה חדשה זו להדמיה וחישה ביו-רפואית", אמר אידוגן אוזקאן, חוקר ראשי ופרופסור קנצלר ב-UCLA. "המעבד האופטי הדיפראקטיבי המשולב באורך גל שלנו מציע פתרון חדש להדמיה ברזולוציה גבוהה וללא תוויות של דגימות שקופות, שיכול להועיל רבות ליישומי מיקרוסקופיה, חישה ואבחון ביו-רפואיים."
הדמיה מרובה מטוסים ויישומיה
עיצוב ה-QPI הרב-פלבי החדשני משלב ריבוי אורך גל ואלמנטים אופטיים דיפראקטיביים פסיביים אשר עוברים אופטימיזציה קולקטיבית באמצעות למידה עמוקה. על ידי ביצוע טרנספורמציות פאזה לעוצמה המוכפלות ספקטרלית, עיצוב זה מאפשר הדמיית פאזה כמותית מהירה של דגימות על פני מישורים צירים מרובים. הקומפקטיות של מערכת זו ויכולת שחזור השלב האופטי לחלוטין הופכים אותה לחלופה אנלוגית תחרותית לשיטות QPI דיגיטליות מסורתיות.
ניסוי הוכחת מושג אימת את הגישה, והציג הדמיה מוצלחת של אובייקטי פאזה נפרדים במיקומים צירים שונים ב- terahertz ספֵּקטרוּם. האופי הניתן להרחבה של העיצוב מאפשר גם התאמה לחלקים שונים של הספקטרום האלקטרומגנטי, לרבות פסים גלויים ו-IR, תוך שימוש בשיטות ננו מתאימות, וסוללים את הדרך לפתרונות הדמיית פאזה חדשים המשולבים עם מערכי מישור מוקד או מערכי חיישני תמונה ליעילות. מכשירי הדמיה וחישה על-שבב.
השלכות על מדע וטכנולוגיה
למחקר זה יש השלכות משמעותיות על תחומים שונים, כולל הדמיה ביו-רפואית, חישה, מדעי החומרים וניתוח סביבתי. על ידי מתן שיטה מהירה ויעילה יותר עבור 3D QPI, טכנולוגיה זו יכולה לשפר את האבחון והמחקר של מחלות, אפיון חומרים וניטור של דגימות סביבתיות, בין היתר.
