新しい3D QPIデザインがデジタル位相復元アルゴリズムの必要性を排除。
光が媒体を通過する際、時間的な遅延が発生します。この遅延は、基礎的な構造や組成に関する重要な情報を明らかにすることができます。定量位相イメージング（QPI）は、光が生体試料や材料、その他の透明な構造を通過する際の光路長の変動を可視化する先端的な光学技術です。従来の染色やラベリングを必要とするイメージング方法とは異なり、QPIは位相変動を高コントラストで視覚化・定量化できるため、生物学、材料科学、工学などの分野で非侵襲的な調査が可能です。
カリフォルニア大学ロサンゼルス校（UCLA）の研究チームは、波長多重化回折光学プロセッサを用いた3D QPIの新たなアプローチを開発しました。この革新的な手法は、従来の3D QPI手法が直面していた時間と計算リソースのボトルネックを解決します。この研究は、2024年7月25日にAdvanced Photonicsで公開されたオープンアクセス論文「Multiplane Quantitative Phase Imaging Using a Wavelength-Multiplexed Diffractive Optical Processor（波長多重化回折光学プロセッサを用いた多平面定量位相イメージング）」として報告されています。
UCLAの研究者らは、異なる軸方向の複数の2Dオブジェクトの位相分布を、各波長チャンネルでエンコードされた強度パターンに全光学的に変換することが可能な波長多重化回折光学プロセッサを開発しました。このデザインにより、デジタル位相復元アルゴリズムを必要とせず、強度のみを検出するイメージセンサーで異なる軸方向にある入力オブジェクトの定量位相イメージを取得できます。
リード研究者であるアイドガン・オズカン博士（Aydogan Ozcan, PhD）は、「この新しいアプローチが生体医学のイメージングやセンシングにおいて大きな可能性を秘めていることに興奮しています」と述べています。「我々の波長多重化回折光学プロセッサは、透明な試料の高解像度かつラベルフリーのイメージングを可能にする新しいソリューションを提供し、生体医学顕微鏡、センシング、診断アプリケーションに大いに貢献するでしょう。」
技術の特長と応用
この多平面QPIデザインは、波長多重化と受動的回折光学素子を組み合わせ、ディープラーニングを用いて最適化されています。位相から強度への変換をスペクトル的に多重化することで、複数の軸方向にわたる試料の迅速な定量位相イメージングが可能です。このシステムはコンパクトで、全光学的な位相復元機能を備えているため、従来のデジタルQPI手法に対する競争力のあるアナログ代替となります。
実証実験では、異なる軸位置にある位相オブジェクトのテラヘルツスペクトルでのイメージングに成功し、このアプローチの有効性が確認されました。デザインのスケーラビリティにより、可視光や赤外線帯など電磁スペクトルの異なる部分にも適応可能であり、適切なナノファブリケーション手法を用いることで、焦点面アレイやイメージセンサーアレイと統合した新しい位相イメージングソリューションを提供する可能性があります。
研究の意義
この研究は、生体医学イメージング、センシング、材料科学、環境分析など、さまざまな分野に大きな影響を与えます。従来よりも迅速で効率的な3D QPI法を提供することで、疾患の診断や研究、材料の特性評価、環境サンプルのモニタリングなど、多くの応用が期待されます。
画像：3D定量位相イメージングのための波長多重回折光学プロセッサ。
