光學成像概述

光學成像利用光來捕捉物體、組織或材料的圖像，以便在醫(yī)療診斷、材料科學和通信等各種應(yīng)用中進行分析。

一、光學成像基礎(chǔ)知識

光學成像依靠光與物質(zhì)之間的基本相互作用（吸收、反射和透射）來生成圖像。當光與物體相互作用時，它可以被吸收并轉(zhuǎn)化為熱能，或以不同波長的光重新發(fā)射。

為了利用這些相互作用生成圖像，光學系統(tǒng)包含三個關(guān)鍵組件：用于照明的光源（如 LED 或激光）、用于選擇性傳輸特定波長的專用濾光片，以及用于捕捉和記錄由此產(chǎn)生的光相互作用的探測器。

然而，不同的應(yīng)用對組件的選擇也不盡相同，例如在醫(yī)學成像中使用紅外光穿透組織，或在顯微鏡中使用紫外光觀察微小的細胞結(jié)構(gòu)。

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二、光學成像的關(guān)鍵技術(shù)和工藝

照相機

先進的數(shù)碼相機采用各種傳感器技術(shù)，如互補金屬氧化物半導體（CMOS）和電荷耦合器件（CCD），以提高圖像質(zhì)量、靈敏度和處理速度。這些進步使高分辨率成像技術(shù)在從攝影到醫(yī)療診斷的各種應(yīng)用中得以實現(xiàn)。

光譜成像

光譜成像技術(shù)可捕捉材料的光譜信息進行化學分析。

例如，拉曼光譜利用激光與分子振動的相互作用來揭示化學特性。它對于識別化合物和分析材料，包括監(jiān)測手術(shù)環(huán)境中的麻醉氣體混合物至關(guān)重要。

醫(yī)學成像技術(shù)

光學醫(yī)學成像技術(shù)使用非電離輻射，可減少患者接觸有害輻射的機會，并能安全地反復監(jiān)測疾病進展和治療效果。

例如，光學相干斷層掃描（OCT）通過提供詳細、非侵入性的組織表層下成像，為眼科帶來了革命性的變化。這種技術(shù)將光線射入組織，測量反射光，從而生成高分辨率的橫截面圖像，便于精確觀察內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

光聲成像結(jié)合了光學和聲學方法，將激光脈沖發(fā)射到組織，引起局部加熱和膨脹，產(chǎn)生可探測到的聲波，從而進行成像。這種技術(shù)尤其適用于評估腫瘤血管生長情況、檢測皮膚黑色素瘤和監(jiān)測組織氧合水平。

彌散光學斷層掃描（DOT）和成像（DOI）是一種非侵入性方法，利用近紅外線來評估組織特性，如總血紅蛋白濃度和血氧飽和度。這些技術(shù)在軟組織成像方面表現(xiàn)出色，可應(yīng)用于乳腺癌檢測、腦功能評估、中風診斷以及光動力和放射治療等療法的監(jiān)測。

顯微成像技術(shù)

各種光學顯微成像技術(shù)可提供亞微米級的高分辨率成像，實現(xiàn)細胞結(jié)構(gòu)和過程的詳細可視化。這種方法可使焦平面上的熒光結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出高對比度，但焦外信號可能會影響圖像質(zhì)量。

共聚焦顯微鏡克服了這一限制，它可以對樣本進行三維掃描，同時將檢測范圍限制在一個確定的焦平面內(nèi)。這可以通過針孔孔徑來實現(xiàn)，針孔孔徑可以排除焦外光線，從而獲得更高分辨率的圖像。

三、光學成像的應(yīng)用

工業(yè)應(yīng)用

光學成像已成為制造業(yè)質(zhì)量控制和流程優(yōu)化不可或缺的一部分。這些技術(shù)可在具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境中提供非接觸式遙感能力，具有高速響應(yīng)和超高的空間分辨率。

現(xiàn)代制造系統(tǒng)采用光學探頭進行在線過程控制和光譜分析，而光學計量技術(shù)則確保了對關(guān)鍵尺寸和布局的精確控制。

醫(yī)療應(yīng)用

光學成像通過提供非侵入性技術(shù)來觀察內(nèi)部結(jié)構(gòu)和監(jiān)測疾病，從而改變了醫(yī)療診斷。它有助于跟蹤癌癥、神經(jīng)系統(tǒng)疾病和心血管疾病等疾病的進展和治療效果。

最近的技術(shù)進步使人們能夠?qū)Ψ核?蛋白酶體系統(tǒng)調(diào)控的蛋白質(zhì)穩(wěn)定性進行體內(nèi)成像，從而深入了解細胞過程和癌癥的潛在治療目標。

農(nóng)業(yè)應(yīng)用

農(nóng)業(yè)部門已將光學成像作為作物管理和疾病檢測的有力工具。最近的研究表明，光學成像在識別芒果腐爛病方面取得了顯著的成功，準確率高達 98%，而多光譜成像在預測葡萄枝腐病方面也被證明是有效的。

這些成像技術(shù)與無人駕駛飛行器（UAVs）相結(jié)合，促進了可擴展的作物監(jiān)測，減少了對人工的依賴，使作物管理的干預更加精確和及時。

四、最新研究與發(fā)展

最近的進步提高了光學成像能力，增強了分辨率、速度和數(shù)字集成。

成像隱形物體

由于缺乏相位信息，傳統(tǒng)相機難以捕捉透明物體。最近的突破性進展是引入了衍射成像儀，將相位信息轉(zhuǎn)換為振幅數(shù)據(jù)，使標準相機無需復雜的后期處理即可對透明材料成像。

這項技術(shù)利用自干涉模式和機器學習來優(yōu)化成像過程。

高速三維成像系統(tǒng)

微觀尺度的地形光學成像對于工業(yè)和科學應(yīng)用至關(guān)重要，包括生產(chǎn)線的光學檢測、生物材料的三維表面測量以及增材制造部件的計量。然而，從連續(xù)的 Z 疊加圖像生成地形圖的速度可能很慢，尤其是對于大型物體或高分辨率需求而言，這限制了在動態(tài)環(huán)境中的有效性。

最近，巴塞羅那大學的研究人員開發(fā)出一種能快速捕捉三維圖像的高分辨率光學輪廓測量系統(tǒng)。研究成果發(fā)表在《自然-通訊》上。

研究小組采用同步脈沖光和快速掃描技術(shù)，實現(xiàn)了每秒多達 67 次的測量。該系統(tǒng)通過同時檢測多個平面，將精確分析所需的圖像從數(shù)百張減少到八張，從而提高了對氣體傳感器行為等動態(tài)過程的表征能力。

人工智能增強光學成像系統(tǒng)

人工智能與光學成像的結(jié)合提高了診斷的精確度，能夠更快、更準確地分析細胞結(jié)構(gòu)。

最近的一項研究提出了超高分辨率成像系統(tǒng)，只需 10 秒鐘就能完成高精度掃描，生成詳細的細胞圖像。研究人員采用深度學習架構(gòu) DeepTree 自動完成細胞計數(shù)和形態(tài)分析等任務(wù)，將病理學家從重復性工作中解放出來，提高了效率。

這一進步對于滿足每天處理多達 5000 張病理切片的大型醫(yī)院的需求，同時解決全國醫(yī)療資源分配不均的問題至關(guān)重要。

結(jié)論

隨著光學成像技術(shù)的進步和普及，它們對研究、醫(yī)療保健和工業(yè)應(yīng)用的影響將越來越大，這將促進我們的發(fā)現(xiàn)，并增強我們可視化和了解周圍世界的能力。

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