基于衍射光学网络的多光谱定量相位成像

作为一种无标记成像技术，定量相位成像（QPI）为生物学、材料科学及工程学中的各类应用提供透明标本的光程长度信息。多光谱 QPI 在多个光谱带测量定量相位信息，从而允许考察样品的波长特异性相位与色散特性。在此，我们提出一种衍射处理器的设计，该处理器可全光学会对透明纯相位物体进行快照式多光谱定量相位成像。我们的设计利用经深度学习优化的空间工程化衍射层，将输入物体在一组预定波长下的相位分布编码为输出平面的空间强度变化，从而使用单色焦平面阵列实现多光谱 QPI。通过数值模拟，我们展示了可同时在可见光光谱的 9 个和 16 个目标光谱带进行定量相位成像的衍射多光谱处理器。这些衍射多光谱处理器在所有波长通道上保持均匀性能，在每个目标波长处均展现出良好的 QPI 性能。这些衍射处理器设计的泛化能力通过对未见物体（包括薄层巴氏涂片图像）的数值测试得到验证。凭借其使用无源介电衍射材料的全光学处理能力，该衍射多光谱 QPI 处理器为高吞吐定量相位显微与光谱分析提供了一种紧凑且节能的解决方案。该框架可在电磁谱的不同波段工作，并可用于广泛的相位成像与传感应用。