一种新型全光学复合场成像仪

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一个重要的里程碑。他们开发出了一种新型全光学复合场成像仪，无需数字处理就能捕捉光场的振幅和相位信息。

这项创新有望给生物医学成像、安全、传感和材料科学等多个领域带来革命性的变化。这项研究成果发表在《光：科学与应用》杂志上。

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成像模式的转变

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，而忽略了至关重要的相位信息。相位信息有助于深入了解吸收和折射率分布等结构特性，这对详细的样品分析至关重要。

目前捕捉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，导致硬件复杂性和计算需求增加。

由 Aydogan Ozcan 教授领导的加州大学洛杉矶分校团队开发出一种新型复杂场成像仪，克服了这些限制。这种创新设备使用一系列经过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，可将输入场的振幅和相位转化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，大大简化了成像过程。

新型复场成像仪由空间工程衍射表面组成，可进行振幅到振幅和相位到强度的变换。通过这些变换，该设备可以直接测量输入复场的振幅和相位轮廓。成像仪的紧凑型光学设计轴向跨度约为 100 个波长，因此可高度集成到现有的光学系统中。

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。实验结果显示了很高的精确度，输出振幅和相位通道图像与数值模拟结果非常吻合。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。

应用和未来展望

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，该成像仪可用于对组织和细胞进行实时、无创成像，从而在医疗过程中提供重要的洞察力。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，从而有可能推动护理点诊断和术中成像的发展。

在环境监测方面，该成像仪有助于开发便携式片上实验室传感器，以快速检测微生物和污染物。它的便携性和易用性使其成为现场定量分析的理想工具，简化了环境评估过程。

复杂现场成像仪在工业应用方面也大有可为，可用于材料的快速检测。它能够捕捉到详细的结构信息，而不需要笨重的设备或大量的计算资源，这使它成为质量控制和材料分析的宝贵资产。

全光学复合场成像仪的开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捉振幅和相位信息，从而简化了成像过程，扩大了潜在的应用范围。随着研究团队不断完善和扩展他们的设计，这项创新的影响有望扩大，为各领域的科学研究和实际应用提供新的机遇。

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论文链接：https://dx.doi.org/10.1038/s41377-024-01482-6