Вчені UCLA створили універсальну систему для 3D оптичної обробки

Інженери Школи інженерії Самуелі Каліфорнійського університету в Лос-Анджелесі представили універсальну систему для інженерії функції розсіювання точки, що дозволяє синтезувати довільні, просторово змінні тривимірні функції розсіювання точки за допомогою дифракційних оптичних процесорів. Дослідження опубліковано в журналі Light: Science & Applications.

Ця система забезпечує розширені можливості зображення, такі як миттєва тривимірна мультиспектральна візуалізація, без потреби у спектральних фільтрах, осьовому скануванні або цифровій реконструкції. Інженерія функції розсіювання точки відіграє значну роль у сучасній мікроскопії, спектроскопії та обчислювальній візуалізації.

Традиційні методи зазвичай використовують фазові маски в площині зіниці, що обмежує складність та математичне представлення досяжних структур функції розсіювання точки. Підхід, розроблений в UCLA, дозволяє довільну, просторово змінну тривимірну інженерію функції розсіювання точки через серію пасивних поверхонь, оптимізованих за допомогою алгоритмів глибокого навчання, формуючи фізичний дифракційний оптичний процесор.

Через всебічні аналізи дослідники показали, що ці дифракційні процесори можуть апроксимувати будь-яке лінійне перетворення між тривимірними розподілами оптичної інтенсивності у вхідних та вихідних об'ємах. Це забезпечує точний, обмежений дифракцією контроль світла у трьох вимірах, прокладаючи шлях для високо налаштованих та складних оптичних функцій для тривимірної оптичної обробки інформації.

Спільно інженеруючи просторові та спектральні властивості тривимірних функцій розсіювання точки, система підтримує потужні режими візуалізації, такі як миттєва тривимірна мультиспектральна візуалізація, досягнута без механічного сканування, спектральних фільтрів або обчислювального постпроцесингу. Цей повністю оптичний підхід пропонує неперевершену універсальність для високошвидкісних, високопродуктивних оптичних систем.

Технологія базується на використанні дифракційних оптичних процесорів, які являють собою серію пасивних поверхонь, оптимізованих за допомогою алгоритмів машинного навчання. Ці процесори здатні виконувати складні оптичні перетворення без потреби в активних компонентах або зовнішньому живленні.

Особливістю розробки є можливість створення просторово змінних функцій розсіювання точки, що означає, що різні частини оптичної системи можуть мати різні характеристики розсіювання. Це відкриває нові можливості для створення складних оптичних систем з налаштованими властивостями в різних областях поля зору.

Дослідники продемонстрували, що їхня система може точно контролювати розподіл світла у тривимірному просторі з дифракційно обмеженою точністю. Це означає, що система досягає теоретично максимальної роздільної здатності, обмеженої лише фундаментальними законами оптики.

Ця робота знаменує значний крок вперед для майбутніх досягнень в обчислювальній візуалізації, оптичному зондуванні та спектроскопії, а також тривимірній оптичній обробці інформації. Потенційні застосування включають компактні мультиспектральні візуалізатори, високопродуктивні платформи тривимірної мікроскопії та нові системи оптичного кодування та передачі даних.

Дослідження проводили доктор Мд Садман Сакіб Рахман та доктор Айдоган Озджан з відділу електротехніки та комп'ютерної інженерії UCLA та Каліфорнійського інституту наносистем. Їхня робота відкриває нові горизонти для розвитку оптичних технологій та може мати широке застосування в різних галузях науки та техніки.