Vollständig optische Phasenwiederherstellung und quantitative Phasenbildgebung, die sofort ohne Computer durchgeführt werden

Die optische Bildgebung und Charakterisierung schwach streuender Phasenobjekte wie isolierter Zellen, Bakterien und dünner Gewebeschnitte, die häufig in der biologischen Forschung und medizinischen Anwendungen verwendet werden, sind seit Jahrzehnten von großem Interesse. Wenn diese „Phasenobjekte“ mit einer Lichtquelle beleuchtet werden, ist die Menge an gestreutem Licht aufgrund ihrer optischen Eigenschaften normalerweise viel geringer als das Licht, das direkt durch die Probe geht, was bei herkömmlichen Bildgebungsverfahren zu einem schlechten Bildkontrast führt. Dieser geringe Bildkontrast kann zum Beispiel mit chemischen Farbstoffen oder fluoreszierenden Tags überwunden werden. Diese externen Markierungs- oder Färbemethoden sind jedoch oft langwierig, kostspielig und beinhalten giftige Chemikalien.

Quantitative Phase Imaging (QPI) hat sich als leistungsstarker markierungsfreier Ansatz für die optische Untersuchung und Erfassung verschiedener schwach streuender, transparenter Phasenobjekte herausgestellt. In den letzten Jahrzehnten wurden zahlreiche digitale Methoden zur quantitativen Phasenbildgebung entwickelt, die auf Bildrekonstruktionsalgorithmen basieren, die auf Computern ausgeführt werden, um das Phasenbild des Objekts aus verschiedenen interferometrischen Messungen wiederherzustellen. Diese digitalen QPI-Techniken, die von Grafikprozessoren (GPUs) angetrieben werden, wurden in verschiedenen Anwendungen eingesetzt, darunter unter anderem in der Pathologie, Zellbiologie, Immunologie und Krebsforschung.

In einer neuen Forschungsarbeit, veröffentlicht in Fortschrittliche optische Materialien, ein Team von optischen Ingenieuren unter der Leitung von Professor Aydogan Ozcan vom Electrical and Computer Engineering Department und dem California NanoSystems Institute (CNSI) an der University of California, Los Angeles (UCLA), entwickelte ein diffraktives optisches Netzwerk, um die verwendeten digitalen Bildrekonstruktionsalgorithmen zu ersetzen in QPI-Systemen mit einer Reihe passiver optischer Oberflächen, die mithilfe von Deep Learning räumlich konstruiert werden. Im Gegensatz zu herkömmlichen QPI-Systemen, bei denen der Phasenwiederherstellungsschritt auf einem digitalen Computer unter Verwendung einer Intensitätsmessung oder eines Hologramms durchgeführt wird, verarbeitet ein diffraktives QPI-Netzwerk direkt die vom Objekt selbst erzeugten optischen Wellen, um die Phaseninformationen der Probe als Licht abzurufen breitet sich durch das diffraktive Netzwerk aus. Daher werden die gesamten Phasenwiederherstellungs- und quantitativen Phasenbildgebungsprozesse mit Lichtgeschwindigkeit und ohne die Notwendigkeit einer externen Stromquelle, mit Ausnahme des Beleuchtungslichts, abgeschlossen. Nachdem das Licht mit dem interessierenden Objekt interagiert und sich durch die räumlich konstruierten passiven Schichten ausbreitet, erscheint das wiedergewonnene Phasenbild der Probe am Ausgang des diffraktiven Netzwerks als Intensitätsbild, wodurch die Phasenmerkmale des Objekts am Eingang erfolgreich umgewandelt werden ein Intensitätsbild am Ausgang.

Diese Ergebnisse stellen die erste vollständig optische Phasenwiedergewinnung und Phase-zu-Intensitäts-Transformation dar, die durch Beugung erreicht wird. Nach den vom UCLA-Team präsentierten Ergebnissen können die mit Deep Learning trainierten diffraktiven QPI-Netzwerke nicht nur auf unsichtbare, neue Phasenobjekte verallgemeinern, die den Trainingsbildern statistisch ähneln, sondern auch auf völlig neue Arten von Objekten mit unterschiedlichen räumlichen Merkmalen verallgemeinern. Außerdem sind diese diffraktiven QPI-Netzwerke so ausgelegt, dass die Quantifizierung der Eingangsphase unabhängig von möglichen Änderungen der Beleuchtungslichtintensität oder der Detektionseffizienz des Bildsensors ist. Das Team zeigte auch, dass die diffraktiven QPI-Netzwerke optimiert werden können, um ihre quantitative Phasenbildqualität auch bei mechanischen Fehlausrichtungen ihrer diffraktiven Schichten beizubehalten.

Die vom UCLA-Team berichteten diffraktiven QPI-Netzwerke stellen ein neues Phasenbildgebungskonzept dar, das zusätzlich zu seiner überlegenen Rechengeschwindigkeit den Phasenwiederherstellungsprozess vervollständigt, wenn das Licht durch dünne, passive diffraktive Oberflächen fällt, und daher den Stromverbrauch und die Speichernutzung eliminiert die in digitalen QPI-Systemen benötigt werden und möglicherweise den Weg für verschiedene neue Anwendungen in der Mikroskopie und Sensorik ebnen.