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[转载]FOP | 综述：湖南大学物理与微电子科学学院罗海陆团队_当光学显微镜遇到全光模拟运算

已有 2152 次阅读 2023-3-30 11:48 |系统分类:科研笔记|文章来源:转载

TOPICAL REVIEW

Yichang Shou, Jiawei Liu, and Hailu Luo, When optical microscopy meets all-optical analog computing: A brief review, Frontiers of Physics 18(4), 42601 (2023)

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https://journal.hep.com.cn/fop/EN/pdf/10.1007/s11467-‍023-1271-9

https://journal.hep.com.cn/fop/EN/10.1007/s11467-023-12‍71-9‍

显微镜是人类探索微观世界的主要工具，在物理、生物、医学、材料等领域有着重要作用。如何提高光学显微镜的成像质量一直是物理学中充满活力的研究课题。对于透明细胞成像，Zernike发明的相衬显微镜使透明生物样本可见。但当样本和背景折射率差异较大时，样本边界就会出现光晕，掩盖细胞边缘处的细节信息。Nomarski发明的微分干涉（DIC）显微镜可以实现细胞的伪浮雕效果成像，但只能得到样本的一维轮廓信息，且需引入复杂的DIC装置。对于光敏细胞成像，传统显微镜的强光毒性会造成样本的生物、物理损伤，即影响细胞的代谢、运输过程、组织发育等。而在低光强下的成像质量又受到环境噪声的严重干扰，很难获得高信噪比。此外，传统显微成像技术还存在成像模式单一和成像速度慢的缺陷。这使得我们思考，如何进一步提高生物样本的成像对比度，揭示其清晰的生物特性和结构，且无需引入复杂的光学系统。因此，开发新型显微成像技术来弥补传统显微镜在观测透明光敏细胞上存在的不足，是当今物理学领域的前沿课题。

湖南大学物理与微电子科学学院罗海陆教授课题组近期于Frontiers of Physics发表文章“When optical microscopy meets all-optical analog computing: A brief review”，综述了在光学显微镜中引入光学模拟运算的发展和创新。论文从Rytov-Vlasimirskii-Berry(RVB)相位和Pancharatnam-Berry(PB)相位的基本理论出发，阐明了它们诱导的光子自旋霍尔效应是实现光学模拟运算的一个重要分支。然后回顾了光学微分运算在全光图像处理中的重要应用。作者团队重点讨论了光学模拟运算和光学显微镜两个领域交叉融合后的最新进展，包括在经典和量子显微镜中的各种图像处理能力。

光学模拟运算是指用光学的方法对光场强度、相位、频率分布执行数学上的运算，它具有高速实时、大带宽和低损耗的优势。近年来，光学模拟运算可以在各种光学系统上执行不同的运算操作，例如微分、积分、卷积等。作者团队在光学模拟运算领域尤其是光学微分运算方向做出了一系列工作。他们基于RVB相位和PB相位理论实现的光学微分运算已开发了多种图像处理模式，例如边缘检测、图像增强、相位分布可视化等。这些功能在全光图像处理、生物医学成像和量子成像方面具有重要的应用价值。在光学显微镜中引入光学模拟运算，有望解决传统显微技术对透明光敏细胞成像时，图像对比度低和系统复杂的问题。

光学界面上基于RVB相位的空间微分并不依赖于复杂的结构。作者团队发现在一个简单的空气-玻璃界面上即可光学全微分运算，验证了边缘检测的波长无关图像处理方案【APL Photonics 5, 036105 (2020)】。他们实现的光子自旋霍尔效应微分显微镜可以用于纯相位物体的微分成像和定量相位分析。待测样品的高对比度边缘检测和相位分布恢复仅需一个玻璃界面即可实现【Phys. Rev. Appl. 18, 044016 (2022)】。随后，考虑光在玻璃界面反射的布鲁斯特效应，提出了布鲁斯特微分显微镜。该显微技术可以执行二维微分运算并实现纯相位细胞的各向同性边缘增强成像【Appl. Phys. Lett. 121, 231103 (2022)】。

超表面能以大自由度操纵光的电磁特性，复杂的光学函数可通过单个超表面实现。作者团队则考虑基于PB相位梯度来刻蚀超表面的光轴分布，这样设计的高效介质超表面能实现可调谐分辨率的宽带一维边缘检测【Proc. Natl. Acad. Sci. USA 116, 11137 (2019)】。同时，超表面元件轻巧、紧凑的特性使得它可以直接插入到商用光学显微镜光路中，对强度和相位物体进行边缘检测【Natl. Sci. Rev. 8, nwaa176 (2021)】。PB相位超表面还可以替代传统DIC显微镜中复杂的微分干涉装置，执行一维和二维微分运算，提供宽带和高对比度相位成像【ACS Photonics, doi: 10.1021/acsphotonics.2c00882 (2022)】。

减少光敏细胞生物、物理损伤的核心在于减少作用在待测样品上的光剂量，量子系统天然的低光环境为无损活体细胞成像提供了可能。单光子出发成像技术可以对单个光子进行计数，有效滤除时域上不重叠的环境噪声，实现对极微弱信号成像，突破经典成像在弱光条件下信噪比低的限制【Sci. Adv. 6, eabc4385 (2022)】。通过将光学模拟运算引入到量子成像中，纠缠光子对控制边缘检测模式实现明场和暗场的切换。他们提出了基于光学微分运算的量子暗场显微镜为实现光敏细胞的无损伤、高信噪比成像提供了一条新路径【Phys. Rev. Lett. 128, 193601 (2022)】。

罗海陆，湖南大学教授，博士生导师。2007年毕业于南京大学物理系，获得物理学博士学位。主要研究方向为：自旋光子学、光学模拟计算与全光图像处理、量子测量与量子成像。在 PRL、PNAS、National Science Review、Science Advances、 Light: Science & Applications 等杂志发表论文100余篇。论文总被引用 6800 余次，H 因子为 43（Google Scholar）。2020-2021年入选爱思唯尔中国高被引学者, 研究成果获得教育部高等学校科学研究优秀成果奖。

Nikita M. Kondratiev, Valery E. Lobanov, Artem E. Shitikov, Ramzil R. Galiev, Dmitry A. Chermoshentsev, Nikita Yu. Dmitriev, Andrey N. Danilin, Evgeny A. Lonshakov, Kirill N. Min’kov, Daria M. Sokol, Steevy J. Cordette, Yi-Han Luo, Wei Liang, Junqiu Liu, Igor A. Bilenko

Frontiers of Physics, 2023, 18(2): 21305

Geometric phase opens new frontiers in nonlinear frequency conversion of light

Mai Tal, Danielle Ben Haim, Tal Ellenbogen

Frontiers of Physics, 2022, 17(1): 12302

The geometric phase in nonlinear frequency conversion

Aviv Karnieli, Yongyao Li, Ady Arie

Frontiers of Physics, 2022, 17(1): 12301

Generalized high-order twisted partially coherent beams and their propagation characteristics

Hai-Yun Wang, Zhao-Hui Yang, Kun Liu, Ya-Hong Chen, Lin Liu, Fei Wang, Yang-Jian Cai

Frontiers of Physics, 2022, 17(5): 52506

Edge enhancement of phase objects through complex media by using transmission-matrix-based spiral phase contrast imaging

Qian Zhao, Shijie Tu, Qiannan Lei, Qingyang Yue, Chengshan Guo, Yangjian Cai