Исследователи из UCLA представляют мультиспектральную Систему QPI, разработанную на основе широкополосной дифракционной оптической нейронной сети

Researchers from UCLA present the QPI Multispectral System, developed based on a broadband diffraction optical neural network.

Квантовая фазовая исследовательская техника (QPI) – это передовой метод изображения во многих научных и микроскопических областях. Он позволяет количественно определять и видеть самые малые различия в оптической длине пути света при его прохождении через прозрачные или полупрозрачные материалы. Распределение показателя преломления и изменения толщины внутри образца можно узнать гораздо больше с помощью этой неинвазивной, безметкийной техники.

Мультиспектральные системы квантовой фазовой исследовательской техники (QPI) основаны на этом основном принципе, путем получения нескольких фазовых изображений в спектре волн или полос спектра интересующих длин волн. QPI получает информацию о показателе преломления и толщине образца, оценивая фазовые сдвиги, которые происходят при взаимодействии света с образцом.

QPI – гибкая техника, используемая вне традиционных биомедицинских дисциплин, таких как клеточная биология, патология и биофизика. Она полезна в нескольких научных областях, включая поверхностную науку для оценки биологических интерфейсов и науку о материалах для характеризации оптических компонентов, тонких пленок и наночастиц. Ее возможности включают исследование субклеточных структур и процессов, мониторинг роста и поведения клеток в реальном времени, обнаружение рака, обнаружение патогенов, измерение толщины тонких пленок, оценку качества оптики и анализ шероховатости поверхности.

Таким образом, проведены тщательные исследования исследователями по QPI и исследователи из отдела электротехники и компьютерной техники Университета Калифорнии в Лос-Анджелесе (UCLA) представили новый дизайн мультиспектральной QPI.

В этом подходе используется глубокое обучение для создания широкополосной дифракционной оптической сети, позволяющей получать квантовые фазовые изображения в различных спектральных полосах в одном снимке. Оптическая сеть использует несколько пространственно структурированных дифракционных диэлектрических слоев, каждый из которых содержит сотни тысяч прозрачных дифракционных элементов, оптимизированных для глубокого обучения.

Оптическая сеть действует как оптический преобразователь фазы в интенсивность после изготовления полученных дифракционных слоев. Она делает это путем оптической маршрутизации мультиспектральных сигналов QPI на определенные пространственные позиции на выходной плоскости, где монохромный матричный фокусный массив измеряет полученные распределения интенсивности и извлекает фазовые профили входных объектов при заданных длинах волн.

Эта оптическая сеть оптимизирует мультиспектральную фазовую информацию входных объектов с помощью глубокого обучения, превращая ее в отдельное распределение интенсивности на поле зрения выхода, которое пространственно кодирует фазовую информацию объекта, соответствующую каждой целевой спектральной полосе отдельно.

QPI состоит из двух основных компонентов. Один компонент – это фронтальное изображение, которое отвечает за выполнение оптической интерферометрии для преобразования необходимой фазовой информации в уровни интенсивности, которые могут быть записаны с использованием цифрового изображения, и второй – это задача цифровой обработки, которая выполняет необходимую обработку изображений и восстановление количественных фазовых изображений на основе этих сигналов.

Для проверки точности системы исследователи подтвердили способность изображать новые типы ранее не виденных объектов. Исследование показало, что это универсальный мультиспектральный квантовый фазовый измеритель, подходящий для различных приложений.