Forscher an der University of California, Los Angeles (UCLA) haben einen bedeutenden Meilenstein in der optischen Bildgebungstechnologie erreicht. Sie haben einen neuen, rein optischen Bildwandler für komplexe Felder entwickelt, der sowohl Amplituden- als auch Phaseninformationen optischer Felder erfassen kann, ohne dass eine digitale Verarbeitung erforderlich ist.
Diese Innovation verspricht, verschiedene Bereiche zu revolutionieren, darunter biomedizinische Bildgebung, Sicherheit, Sensorik und Materialwissenschaft. Die Arbeit ist veröffentlicht im Journal Licht: Wissenschaft und Anwendungen.
Ein Paradigmenwechsel in der Bildgebung
Herkömmliche optische Bildgebungstechnologien basieren auf intensitätsbasierten Sensoren, die nur die Lichtamplitude erfassen können, die entscheidenden Phaseninformationen jedoch auslassen. Phaseninformationen geben Aufschluss über strukturelle Eigenschaften wie Absorption und Brechungsindexverteilungen, die für eine detaillierte Probenanalyse unverzichtbar sind.
Aktuelle Methoden zum Erfassen von Phaseninformationen umfassen komplexe interferometrische oder holografische Systeme, die durch iterative Phasenabrufalgorithmen ergänzt werden, was zu einer erhöhten Hardwarekomplexität und einem höheren Rechenaufwand führt.
Ein Team an der UCLA unter der Leitung von Professor Aydogan Ozcan hat einen neuartigen Bildgeber für komplexe Felder entwickelt, der diese Einschränkungen überwindet. Dieses innovative Gerät verwendet eine Reihe von für Deep Learning optimierten diffraktiven Oberflächen, um eingehende komplexe Felder zu modulieren. Diese Oberflächen erzeugen zwei unabhängige Bildgebungskanäle, die die Amplitude und Phase der Eingangsfelder in Intensitätsverteilungen auf der Sensorebene umwandeln. Dieser Ansatz macht digitale Rekonstruktionsalgorithmen überflüssig und vereinfacht den Bildgebungsprozess erheblich.
Der neue Bildgeber für komplexe Felder besteht aus räumlich konstruierten diffraktiven Oberflächen, die so angeordnet sind, dass sie Amplitude-zu-Amplitude- und Phase-zu-Intensität-Transformationen durchführen. Diese Transformationen ermöglichen es dem Gerät, die Amplituden- und Phasenprofile komplexer Eingangsfelder direkt zu messen. Das kompakte optische Design des Bildgebers erstreckt sich axial über ungefähr 100 Wellenlängen und lässt sich daher problemlos in bestehende optische Systeme integrieren.
Die Forscher validierten ihre Entwürfe durch 3D-gedruckte Prototypen, die im Terahertz-Spektrum betrieben wurden. Die experimentellen Ergebnisse zeigten ein hohes Maß an Genauigkeit, wobei die ausgegebenen Amplituden- und Phasenkanalbilder eng mit den numerischen Simulationen übereinstimmten. Diese Proof-of-Concept-Demonstration unterstreicht das Potenzial des komplexen Feldbildgebers für reale Anwendungen.
Anwendungen und Zukunftsaussichten
Dieser Durchbruch in der komplexen Feldbildgebungstechnologie eröffnet ein breites Anwendungsspektrum. Im biomedizinischen Bereich kann der Imager zur nichtinvasiven Echtzeitbildgebung von Geweben und Zellen eingesetzt werden und liefert so bei medizinischen Eingriffen wichtige Erkenntnisse. Aufgrund seines kompakten und effizienten Designs eignet er sich für die Integration in endoskopische Geräte und Miniaturmikroskope und könnte so die Point-of-Care-Diagnostik und die intraoperative Bildgebung voranbringen.
Bei der Umweltüberwachung kann der Imager die Entwicklung tragbarer Lab-on-a-Chip-Sensoren zur schnellen Erkennung von Mikroorganismen und Schadstoffen erleichtern. Seine Tragbarkeit und Benutzerfreundlichkeit machen ihn zu einem idealen Werkzeug für die quantitative Analyse vor Ort und rationalisieren den Prozess der Umweltbewertung.
Der Complex Field Imager ist auch für industrielle Anwendungen vielversprechend, wo er zur schnellen Materialprüfung eingesetzt werden kann. Seine Fähigkeit, detaillierte Strukturinformationen zu erfassen, ohne dass dafür sperrige Geräte oder umfangreiche Rechenressourcen erforderlich sind, macht ihn zu einem wertvollen Hilfsmittel in der Qualitätskontrolle und Materialanalyse.
Die Entwicklung des volloptischen Complex Field Imager stellt einen bedeutenden Fortschritt auf dem Gebiet der optischen Bildgebung dar. Indem diese Technologie die direkte Erfassung von Amplituden- und Phaseninformationen ohne digitale Verarbeitung ermöglicht, vereinfacht sie den Bildgebungsprozess und erweitert den Anwendungsbereich. Da das Forschungsteam seine Entwürfe weiter verfeinert und erweitert, wird die Wirkung dieser Innovation voraussichtlich zunehmen und neue Möglichkeiten für wissenschaftliche Forschung und praktische Anwendungen in verschiedenen Bereichen bieten.
Mehr Informationen:
Jingxi Li et al., Volloptische komplexe Feldabbildung mit diffraktiven Prozessoren, Licht: Wissenschaft und Anwendungen (2024). DOI: 10.1038/s41377-024-01482-6