量化強(qiáng)混濁介質(zhì)的光學(xué)特性(即吸收和散射)的能力對(duì)生物組織、流體場(chǎng)和許多其他方面的表征具有重大影響。然而，強(qiáng)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?yàn)楣庾由⑸渥璧K了對(duì)大于平均自由程的長(zhǎng)度尺度的直接測(cè)量。當(dāng)前的成像技術(shù)很少能以寬視場(chǎng)非接觸形式量化強(qiáng)混濁介質(zhì)的吸收和散射特性，并且沒(méi)有一種技術(shù)能夠以高速(例如，kHz)能力來(lái)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(kāi)發(fā)了一種新的光學(xué)成像方法，首次可以量化強(qiáng)混濁介質(zhì)的光學(xué)特性以及組織中功能性發(fā)色團(tuán)濃度在多 kHz 高頻條件下的濃度。速度、無(wú)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(wú)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(jī)的檢測(cè)方案使其本質(zhì)上是寬視場(chǎng)。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(gè)投影模式來(lái)測(cè)量單個(gè)波長(zhǎng)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(cè)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(gè)數(shù)量級(jí)，而無(wú)需額外成本或?qū)ο到y(tǒng)硬件進(jìn)行修改。具體來(lái)說(shuō)，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(gè)數(shù)量級(jí)。然后，他們通過(guò)對(duì)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(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)大鼠大腦皮層中的寬視場(chǎng)光學(xué)特性和功能發(fā)色團(tuán)濃度。通過(guò)所提出的方法，他們最終展示了對(duì)高動(dòng)態(tài)流場(chǎng)的寬場(chǎng)光學(xué)特性的 kHz 高速雙波長(zhǎng)監(jiān)測(cè)。
“據(jù)我們所知，這是第一次以千赫茲的速度對(duì)強(qiáng)混濁介質(zhì)的定量光學(xué)特性進(jìn)行無(wú)標(biāo)記非接觸成像。”
“這項(xiàng)工作對(duì)科學(xué)研究和工程應(yīng)用有幾個(gè)重要意義。例如，繪制大腦皮層功能對(duì)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(zhǎng)，半色調(diào) SFDI 可以對(duì)混濁燃燒流中的水含量進(jìn)行 kHz 寬場(chǎng)量化，這將對(duì)這些發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)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(bǔ)充說(shuō)。
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