用于强混浊介质的光学特性的千赫兹无标记非接触定量映射

量化强混浊介质的光学特性(即吸收和散射)的能力对生物组织、流体场和许多其他方面的表征具有重大影响。然而，强混浊介质的光学特性的定量成像任务本质上是具有挑战性的，因为光子散射阻碍了对大于平均自由程的长度尺度的直接测量。当前的成像技术很少能以宽视场非接触形式量化强混浊介质的吸收和散射特性，并且没有一种技术能够以高速(例如，kHz)能力来绘制定量光学特性。

在Light Science & Application上发表的一篇新论文中北京航空航天大学赵彦宇教授、范玉波教授和同事们开发了一种新的光学成像方法，首次可以量化强混浊介质的光学特性以及组织中功能性发色团浓度在多 kHz 高频条件下的浓度。速度、无标签、非接触和宽视野方式。他们的工作基于一种名为空间频域成像 (SFDI) 的新兴漫反射光学技术。它可以以无标记、非接触的方式量化混浊介质的光学特性，其基于相机的检测方案使其本质上是宽视场。它使用数字微镜装置 (DMD) 将不同相位的空间调制正弦光图案投射到样品上，并收集反射图像。然而，当前的 SFDI 技术采用连续色调策略并生成具有 8 位灰度的那些正弦图案，相应地具有由 DMD 硬件确定的 290 Hz 的有限最大投影速度。因此，虽然 SFDI 通常需要 5 个投影模式来测量单个波长的光学特性，但当前的 SFDI 技术严重限制了高速应用。为了解决测量速度的瓶颈，他们提出了一种半色调策略，将 SFDI 的速度显着提高了大约两个数量级，而无需额外成本或对系统硬件进行修改。具体来说，他们首先展示了由 1 位 DMD 投影的半色调策略生成的正弦图案，这导致最大投影速率为 23 kHz，比目前的 SFDI 技术快大约两个数量级。然后，他们通过对具有广泛光学特性以及体内人体组织。他们还展示了使用提议的半色调 SFDI 动态监测大鼠大脑皮层中的宽视场光学特性和功能发色团浓度。通过所提出的方法，他们最终展示了对高动态流场的宽场光学特性的 kHz 高速双波长监测。

“据我们所知，这是第一次以千赫兹的速度对强混浊介质的定量光学特性进行无标记非接触成像。”

“这项工作对科学研究和工程应用有几个重要意义。例如，绘制大脑皮层功能对脑科学、神经科学和认知心理学具有根本意义。借助短波红外波长，半色调 SFDI 可以对混浊燃烧流中的水含量进行 kHz 宽场量化，这将对这些发动机的设计和优化产生重大影响，并显着降低相关能源成本。”他们补充说。

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