用于強混濁介質(zhì)的光學(xué)特性的千赫茲無標(biāo)記非接觸定量映射

量化強混濁介質(zhì)的光學(xué)特性(即吸收和散射)的能力對生物組織、流體場和許多其他方面的表征具有重大影響。然而，強混濁介質(zhì)的光學(xué)特性的定量成像任務(wù)本質(zhì)上是具有挑戰(zhàn)性的，因為光子散射阻礙了對大于平均自由程的長度尺度的直接測量。當(dāng)前的成像技術(shù)很少能以寬視場非接觸形式量化強混濁介質(zhì)的吸收和散射特性，并且沒有一種技術(shù)能夠以高速(例如，kHz)能力來繪制定量光學(xué)特性。

在Light Science & Application上發(fā)表的一篇新論文中北京航空航天大學(xué)趙彥宇教授、范玉波教授和同事們開發(fā)了一種新的光學(xué)成像方法，首次可以量化強混濁介質(zhì)的光學(xué)特性以及組織中功能性發(fā)色團濃度在多 kHz 高頻條件下的濃度。速度、無標(biāo)簽、非接觸和寬視野方式。他們的工作基于一種名為空間頻域成像 (SFDI) 的新興漫反射光學(xué)技術(shù)。它可以以無標(biāo)記、非接觸的方式量化混濁介質(zhì)的光學(xué)特性，其基于相機的檢測方案使其本質(zhì)上是寬視場。它使用數(shù)字微鏡裝置 (DMD) 將不同相位的空間調(diào)制正弦光圖案投射到樣品上，并收集反射圖像。然而，當(dāng)前的 SFDI 技術(shù)采用連續(xù)色調(diào)策略并生成具有 8 位灰度的那些正弦圖案，相應(yīng)地具有由 DMD 硬件確定的 290 Hz 的有限最大投影速度。因此，雖然 SFDI 通常需要 5 個投影模式來測量單個波長的光學(xué)特性，但當(dāng)前的 SFDI 技術(shù)嚴(yán)重限制了高速應(yīng)用。為了解決測量速度的瓶頸，他們提出了一種半色調(diào)策略，將 SFDI 的速度顯著提高了大約兩個數(shù)量級，而無需額外成本或?qū)ο到y(tǒng)硬件進行修改。具體來說，他們首先展示了由 1 位 DMD 投影的半色調(diào)策略生成的正弦圖案，這導(dǎo)致最大投影速率為 23 kHz，比目前的 SFDI 技術(shù)快大約兩個數(shù)量級。然后，他們通過對具有廣泛光學(xué)特性以及體內(nèi)人體組織。他們還展示了使用提議的半色調(diào) SFDI 動態(tài)監(jiān)測大鼠大腦皮層中的寬視場光學(xué)特性和功能發(fā)色團濃度。通過所提出的方法，他們最終展示了對高動態(tài)流場的寬場光學(xué)特性的 kHz 高速雙波長監(jiān)測。

“據(jù)我們所知，這是第一次以千赫茲的速度對強混濁介質(zhì)的定量光學(xué)特性進行無標(biāo)記非接觸成像。”

“這項工作對科學(xué)研究和工程應(yīng)用有幾個重要意義。例如，繪制大腦皮層功能對腦科學(xué)、神經(jīng)科學(xué)和認(rèn)知心理學(xué)具有根本意義。借助短波紅外波長，半色調(diào) SFDI 可以對混濁燃燒流中的水含量進行 kHz 寬場量化，這將對這些發(fā)動機的設(shè)計和優(yōu)化產(chǎn)生重大影響，并顯著降低相關(guān)能源成本。”他們補充說。

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