Novo método para imagens quantitativas de fase 3D elimina a necessidade de algoritmos de recuperação de fase digital

Um estudo da Universidade da Califórnia, em Los Angeles, publicado em Fotônica Avançada apresenta uma abordagem de ponta para imagens quantitativas de fase 3D (QPI) usando um processador óptico difrativo multiplexado por comprimento de onda.

QPI é uma técnica poderosa que revela variações no comprimento do caminho óptico causadas por amostras de dispersão fraca, permitindo a geração de imagens de alto contraste de espécimes transparentes. Os métodos QPI 3D tradicionais, embora eficazes, são limitados pela necessidade de múltiplos ângulos de iluminação e extenso pós-processamento digital para reconstrução de imagem 3D, o que pode ser demorado e computacionalmente intensivo.

Neste estudo inovador, a equipe de pesquisa desenvolveu um processador óptico difrativo multiplexado por comprimento de onda capaz de transformar totalmente opticamente distribuições de fase de vários objetos 2D em várias posições axiais em padrões de intensidade, cada um codificado em um canal de comprimento de onda exclusivo.

Este design permite a captura de imagens de fase quantitativas de objetos de entrada localizados em diferentes planos axiais usando um sensor de imagem somente de intensidade, eliminando a necessidade de algoritmos de recuperação de fase digital.

“Estamos entusiasmados com o potencial desta nova abordagem para imagens e sensores biomédicos”, disse Aydogan Ozcan, pesquisador principal e professor titular da UCLA.

“Nosso processador óptico difrativo multiplexado por comprimento de onda oferece uma solução inovadora para imagens de alta resolução e sem rótulos de espécimes transparentes, o que pode beneficiar muito aplicações de microscopia biomédica, detecção e diagnóstico.”

O inovador design multiplano QPI incorpora multiplexação de comprimento de onda e elementos ópticos difrativos passivos que são otimizados coletivamente usando aprendizado profundo.

Ao executar transformações de fase para intensidade que são multiplexadas espectralmente, este design permite imagens de fase quantitativas rápidas de espécimes em vários planos axiais. A compactação deste sistema e a capacidade de recuperação de fase totalmente óptica o tornam uma alternativa analógica competitiva aos métodos QPI digitais tradicionais.

Um experimento de prova de conceito validou a abordagem, mostrando imagens bem-sucedidas de objetos de fase distintos em diferentes posições axiais no espectro de terahertz.

A natureza escalável do design também permite a adaptação a diferentes partes do espectro eletromagnético, incluindo as bandas visível e infravermelha, usando métodos apropriados de nanofabricação, abrindo caminho para novas soluções de imagens de fase integradas com matrizes de plano focal ou matrizes de sensores de imagem para dispositivos de detecção e geração de imagens eficientes no chip.

Esta pesquisa tem implicações significativas para vários campos, incluindo imagens biomédicas, sensoriamento, ciência de materiais e análise ambiental. Ao fornecer um método mais rápido e eficiente para 3D QPI, esta tecnologia pode aprimorar o diagnóstico e o estudo de doenças, a caracterização de materiais e o monitoramento de amostras ambientais, entre outras aplicações.