Nella microscopia biologica e nell'imaging a raggi X, molti oggetti o strutture trasparenti sono difficili da osservare. A causa del loro basso assorbimento di luce, le normali misurazioni dell'intensità non funzionano. Anziché, l'informazione strutturale è principalmente veicolata dai diversi cambiamenti di fase della luce mentre si propaga attraverso le diverse parti di un oggetto.

Zernike ha inventato la microscopia a contrasto di fase per rendere visibili gli oggetti trasparenti, ricevendo il premio Nobel per la fisica nel 1953. In seguito, per aumentare ulteriormente il contrasto, è stato sviluppato un metodo noto come imaging a contrasto di interferenza differenziale per trasferire quantitativamente i cambiamenti di fase in intensità, fornendo informazioni sul percorso ottico sperimentato dalla luce quando si propaga attraverso un oggetto, il suo spessore ottico. Sono stati inoltre dimostrati metodi basati su configurazioni di interferenza o dispositivi nanostrutturali. Però, i metodi attuali si basano su configurazioni complesse, con conseguenti difficoltà di allineamento e regolazione ottica.

Calcolo ottico della differenziazione spaziale:oltre il rilevamento dei bordi

Una soluzione a queste difficoltà può essere trovata nel calcolo ottico della differenziazione spaziale per i campi elettrici della luce incidente, considerare la luce come un'onda elettromagnetica. Finora, l'applicazione è stata limitata al rilevamento dei bordi dove può migliorare il contrasto dei bordi degli oggetti trasparenti. Però, non ha risolto la difficoltà del recupero quantitativo della distribuzione di fase. Recentemente, un team di ricercatori guidato da Zhichao Ruan della Zhejiang University ha sviluppato una differenziazione spaziale regolabile per caratterizzare e recuperare quantitativamente la distribuzione di fase.

Il gruppo di Ruan dimostra che un semplice schema, la regolazione dei polarizzatori, può calcolare otticamente la differenziazione spaziale del campo di luce incidente lungo direzioni diverse. Hanno anche migliorato il contrasto sintonizzando uno sfondo costante uniforme come bias, creando una sorgente di luce virtuale che proietta un'ombra sulle immagini misurate. Sulla base di questo approccio bias, possono distinguere gli aumenti e le diminuzioni di fase nella distribuzione del campo luminoso e quantificare lo spessore ottico degli oggetti osservati con un alto grado di accuratezza (entro 0,05 ).

Il metodo è semplice, flessibile, e molto più economico dei metodi attuali. Elude la fabbricazione di strutture complesse, così come difficoltà di allineamento e regolazione ottica. Forse la cosa più importante, il metodo proposto è indipendente dalla lunghezza d'onda della luce e può aprire nuove strade per quantificare la fase nell'imaging a raggi X o al microscopio elettronico.