衍射光学网络可在快照中实现多光谱定量相位成像

定量相位成像(QPI)是一种无标记成像技术，利用透明样品中的光程长度信息来评估其折射率分布和厚度变化。多光谱QPI系统扩展了这一原理，捕获跨不同感兴趣光谱带的多相位图像。该功能可以研究细胞等透明样品的空间折射率变化和色散特性。

在《高级智能系统》杂志上发表的一项研究中，由加州大学洛杉矶分校(UCLA)电气与计算机工程系AydoganOzcan教授领导的研究小组介绍了一种多光谱QPI的新设计。

该设计利用深度学习来设计宽带衍射光学网络，从而能够在单个快照内采集跨不同光谱带的定量相位图像。该光学网络利用多个空间结构的介电衍射层，每个层都包含数十万个深度学习优化的透射衍射特征。

在制造出衍射层后，光网络充当全光相位到强度转换器，通过将多光谱QPI信号光学路由到指定的空间位置来提取预定波长的输入物体的相位分布。输出平面，其中单色焦平面阵列测量所得的强度分布。在此焦平面阵列上，信号区域的像素以交错方式分组，每组测量与特定目标光谱带相对应的QPI信号。

基于这一创新设计，加州大学洛杉矶分校团队进行了数值模拟，以展示其衍射多光谱定量相位成像仪的功效。他们展示了该系统能够在可见光谱中的16个不同光谱带上同时执行QPI，同时在所有波长上保持一致的性能。

此外，他们通过成功地对以前从未见过的新型物体(包括人体细胞的图像)进行成像，验证了衍射相位成像仪设计的泛化能力。这些数值分析强调了该系统作为适用于各种应用的多功能、通用多光谱定量相位成像仪的潜力。

这些衍射多光谱QPI处理器有望与覆盖不同光谱区域的单色光电传感器阵列集成。这样的集成系统可以创建紧凑的高性能多光谱相位成像系统，这可能对许多应用有用，包括生物医学成像、材料科学和环境监测。

这项研究由加州大学洛杉矶分校校长教授兼Volgenau工程创新、霍华德休斯医学研究所HHMI教授AydoganOzcan博士领导。其他作者包括Che-YungShen、JingxiLi和DenizMengu，他们都来自加州大学洛杉矶分校电气与计算机工程系。

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