Représentation artistique d'un processeur optique diffractif multiplexé en longueur d'onde pour l'imagerie de phase quantitative 3D. Crédit : Ozcan Lab @ UCLA
La conception d'imagerie de phase quantitative multiplan entièrement optique élimine le besoin d'algorithmes de récupération de phase numérique.
UCLA Des chercheurs ont introduit une avancée dans l'imagerie de phase quantitative 3D qui utilise un processeur optique diffractif multiplexé en longueur d'onde pour améliorer l'efficacité et la vitesse d'imagerie. Cette méthode permet une imagerie haute résolution sans marquage sur plusieurs plans et présente des applications potentielles importantes dans les diagnostics biomédicaux, la caractérisation des matériaux et l'analyse environnementale.
Introduction à l'imagerie de phase quantitative
Les ondes lumineuses, lorsqu'elles se propagent dans un milieu, subissent un retard temporel. Ce retard peut révéler des informations cruciales sur les caractéristiques structurelles et compositionnelles sous-jacentes. L'imagerie de phase quantitative (QPI) est une technique optique de pointe qui révèle les variations de la longueur du trajet optique lorsque la lumière se déplace à travers des échantillons biologiques, des matériaux et d'autres structures transparentes. Contrairement aux méthodes d'imagerie traditionnelles qui reposent sur la coloration ou l'étiquetage, la QPI permet aux chercheurs de visualiser et de quantifier les variations de phase en générant des images à contraste élevé qui permettent des investigations non invasives essentielles dans des domaines tels que la biologie, la science des matériaux et l'ingénierie.
Une étude récente publiée le 25 juillet dans Photonique avancée présente une approche de pointe du QPI 3D à l'aide d'un processeur optique diffractif multiplexé en longueur d'onde. L'approche innovante, développée par des chercheurs de l'Université de Californie à Los Angeles (UCLA), offre une solution efficace au goulot d'étranglement posé par les méthodes QPI 3D traditionnelles, qui peuvent être chronophages et gourmandes en calculs.
Des chercheurs de l'UCLA présentent une nouvelle méthode d'imagerie de phase quantitative d'un objet 3D en phase uniquement à l'aide d'un processeur optique diffractif multiplexé en longueur d'onde. En utilisant plusieurs couches diffractives conçues spatialement et formées par apprentissage profond, ce processeur diffractif peut transformer optiquement les distributions de phase de plusieurs objets 2D à différentes positions axiales en motifs d'intensité, chacun codé sur un canal de longueur d'onde unique. Ces motifs multiplexés en longueur d'onde sont projetés sur un seul champ de vision (FOV) au niveau du plan de sortie du processeur diffractif, ce qui permet la capture de distributions de phase quantitatives d'objets d'entrée situés sur différents plans axiaux à l'aide d'un capteur d'image en intensité uniquement – éliminant ainsi le besoin d'algorithmes de récupération de phase numérique. Crédit : C. Shen et al., doi 10.1117/1.AP.6.5.056003.
L'innovation de l'UCLA dans le traitement optique
L'équipe de l'UCLA a développé un processeur optique diffractif multiplexé en longueur d'onde capable de transformer de manière entièrement optique les distributions de phase de plusieurs objets 2D à différentes positions axiales en modèles d'intensité, chacun codé sur un canal de longueur d'onde unique. La conception permet la capture d'images de phase quantitatives d'objets d'entrée situés sur différents plans axiaux à l'aide d'un capteur d'image d'intensité uniquement, éliminant ainsi le besoin d'algorithmes de récupération de phase numérique.
« Nous sommes enthousiasmés par le potentiel de cette nouvelle approche en matière d'imagerie et de détection biomédicales », a déclaré Aydogan Ozcan, chercheur principal et professeur à l'UCLA. « Notre processeur optique diffractif multiplexé en longueur d'onde offre une solution innovante pour l'imagerie haute résolution et sans marquage d'échantillons transparents, ce qui pourrait grandement bénéficier aux applications de microscopie biomédicale, de détection et de diagnostic. »
Imagerie multiplan et ses applications
La conception innovante du QPI multiplan intègre un multiplexage de longueur d'onde et des éléments optiques diffractifs passifs qui sont collectivement optimisés à l'aide de l'apprentissage profond. En effectuant des transformations de phase en intensité qui sont multiplexées spectralement, cette conception permet une imagerie de phase quantitative rapide des échantillons sur plusieurs plans axiaux. La compacité de ce système et sa capacité de récupération de phase entièrement optique en font une alternative analogique compétitive aux méthodes QPI numériques traditionnelles.
Une expérience de preuve de concept a validé l'approche, mettant en évidence l'imagerie réussie d'objets de phase distincts à différentes positions axiales dans le térahertz spectre. La nature évolutive de la conception permet également une adaptation à différentes parties du spectre électromagnétique, y compris les bandes visibles et IR, en utilisant des méthodes de nanofabrication appropriées, ouvrant la voie à de nouvelles solutions d'imagerie de phase intégrées à des réseaux de plans focaux ou à des réseaux de capteurs d'images pour des dispositifs d'imagerie et de détection sur puce efficaces.
Conséquences pour la science et la technologie
Cette recherche a des implications importantes pour divers domaines, notamment l'imagerie biomédicale, la détection, la science des matériaux et l'analyse environnementale. En fournissant une méthode plus rapide et plus efficace pour l'imagerie quantique quantitative en 3D, cette technologie peut améliorer le diagnostic et l'étude des maladies, la caractérisation des matériaux et la surveillance des échantillons environnementaux, entre autres applications.
