光学自旋轨道耦合的宽带色差空间微分成像

2024-07-24 Wed
光学自旋轨道耦合的宽带色差空间微分成像背景介绍在图像处理中，传统的空间微分通常是通过数字电子计算来完成的。然而，许多大数据应用需要实时和高通量的图像处理，这对数字计算来说是一个巨大的挑战。光学模拟空间微分有可能克服这一挑战，因为它能够以低能耗对整个图像进行大规模并行处理。此外，光学空间微分还可以对纯相位物体（如透明的生物细胞）进行成像，这是数字电子计算所无法实现的。因此，光学微分最近受到了广泛关注，在无标签细胞成像、图像处理和计算机视觉等领域有着广泛的应用。
论文来源这篇论文题为《spin–orbit optical broadband achromatic spatial differentiation imaging》, 由Hongwei Yang、Weichao Xie、Huifeng Chen、Mingyuan Xie、Jieyuan Tang、Huadan Zheng、Yongchun Zhong、Jianhui Yu、Zhe Chen和Wenguo Zhu撰写，作者主要来自广州暨南大学光电信息与探测技术研究所。论文于2024年7月在《Optica》的第11卷第7期上发表。
研究流程研究目的本文提出了一种基于天然薄晶体内在自旋-轨道耦合的紧凑的宽带消色差光学空间微分成像方法。通过在传统显微镜摄像头之前插入一块单轴晶体，实现了光学涡旋嵌入图像场，从而进行场的二阶拓扑空间微分，并捕获等向微分图像。
实验装置与方法单轴晶体的设计与使用：
晶体的光轴垂直于晶体接口，晶体的介电常数为ε=diag[n_o², n_o², n_e²]，其中n_o和n_e分别为o波和e波的折射率。通过调整单轴晶体的入射角和偏振器，可挑选晶体的几何贝里相位和角梯度，以实现空间微分。
光场特性的计算：
入射的偏振光场经过单轴晶体后，输出光场包含自旋未转换和自旋转换分量。自旋转换过程对入射光场的角谱施加了振幅和相位调制。具体计算了自旋-轨道耦合下的双折射微分成像。
实验成像系统的搭建：
实验系统包括4倍平面消色差物镜和一好焦距为200 mm的管镜组成。为验证消色差性，分别在不同颜色光源下对物体边缘进行空间微分成像。
实验结果与分析传递函数的测量：
通过测量不同颜色光源下的频谱，验证了传递函数的等向性和涡旋相位特性。实验结果与理论预测高度一致。
成像质量验证：
在红、绿、蓝及白光照射下，成像清晰度与物体边缘处的渐变显著。即使在微小的相位跳跃（如0.08π）的情况下，微分成像也能提取出物体的边缘。
生物样本的成像：
通过搭建自制的相差显微镜，对洋葱表皮细胞和小鼠皮肤黑色素瘤细胞等生物样本进行成像。结果表明，在边缘增强模式下，细胞的边缘和细胞内细节突显，更有利于细胞形态学的跟踪与观察。
结论及意义本文提出的基于自旋-轨道耦合的宽带消色差微分成像方法，具备紧凑性、等向性以及相位检测能力，能实现高对比度的全彩色物体微分成像。其主要贡献包括：
科学价值：
通过本文的方法，可以高灵敏度地检测纯相位物体，克服了之前方法中只能检测较大相位跳跃的局限性，为光学模拟计算提供了新的路径。
应用价值：
该方法可广泛应用于无标记生物成像、实时高通量图像处理等领域，还可用于计算机视觉中，实现对高质量透明生物样本的高对比度成像。
研究亮点创新成像方法：
基于自旋-轨道耦合的光学微分成像方法，采用了单轴晶体和反射倍增技术，实现了二阶拓扑性差分。
高灵敏度相位检测：
成功实现了对纯相位物体的小相位跳跃检测（低至0.08π），显著提高了检测灵敏度。
全面生物成像展示：
在实际生物样本的成像中，展示了其超高的边缘检测性能和抗色差性能，为生物医学研究提供了新的工具。
本文通过提出一种新颖的光学自旋轨道耦合的宽带色差空间微分成像方法，展示了其在生物成像领域的广阔应用前景，为相差显微技术和光学模拟计算提供了重要的技术支持。