光學(xué)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(xué)和通信等各種應(yīng)用中進(jìn)行分析。

一、光學(xué)成像基礎(chǔ)知識(shí)

光學(xué)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(dāng)光與物體相互作用時(shí)，它可以被吸收并轉(zhuǎn)化為熱能，或以不同波長(zhǎng)的光重新發(fā)射。

為了利用這些相互作用生成圖像，光學(xué)系統(tǒng)包含三個(gè)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(zhǎng)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(cè)器。

然而，不同的應(yīng)用對(duì)組件的選擇也不盡相同，例如在醫(yī)學(xué)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(xì)胞結(jié)構(gòu)。

圖片:搜狗截圖20241010115047.png

二、光學(xué)成像的關(guān)鍵技術(shù)和工藝

照相機(jī)

先進(jìn)的數(shù)碼相機(jī)采用各種傳感器技術(shù)，如互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)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(jìn)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(shí)現(xiàn)。

光譜成像

光譜成像技術(shù)可捕捉材料的光譜信息進(jìn)行化學(xué)分析。

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

醫(yī)學(xué)成像技術(shù)

光學(xué)醫(yī)學(xué)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(jī)會(huì)，并能安全地反復(fù)監(jiān)測(cè)疾病進(jìn)展和治療效果。

例如，光學(xué)相干斷層掃描（OCT）通過提供詳細(xì)、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(cè)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(xué)和聲學(xué)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(cè)到的聲波，從而進(jìn)行成像。這種技術(shù)尤其適用于評(píng)估腫瘤血管生長(zhǎng)情況、檢測(cè)皮膚黑色素瘤和監(jiān)測(cè)組織氧合水平。

彌散光學(xué)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(píng)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(cè)、腦功能評(píng)估、中風(fēng)診斷以及光動(dòng)力和放射治療等療法的監(jiān)測(cè)。

顯微成像技術(shù)

各種光學(xué)顯微成像技術(shù)可提供亞微米級(jí)的高分辨率成像，實(shí)現(xiàn)細(xì)胞結(jié)構(gòu)和過程的詳細(xì)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(duì)比度，但焦外信號(hào)可能會(huì)影響圖像質(zhì)量。

共聚焦顯微鏡克服了這一限制，它可以對(duì)樣本進(jìn)行三維掃描，同時(shí)將檢測(cè)范圍限制在一個(gè)確定的焦平面內(nèi)。這可以通過針孔孔徑來實(shí)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(xué)成像的應(yīng)用

工業(yè)應(yīng)用

光學(xué)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(xué)探頭進(jìn)行在線過程控制和光譜分析，而光學(xué)計(jì)量技術(shù)則確保了對(duì)關(guān)鍵尺寸和布局的精確控制。

醫(yī)療應(yīng)用

光學(xué)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(cè)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(jìn)展和治療效果。

最近的技術(shù)進(jìn)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(jìn)行體內(nèi)成像，從而深入了解細(xì)胞過程和癌癥的潛在治療目標(biāo)。

農(nóng)業(yè)應(yīng)用

農(nóng)業(yè)部門已將光學(xué)成像作為作物管理和疾病檢測(cè)的有力工具。最近的研究表明，光學(xué)成像在識(shí)別芒果腐爛病方面取得了顯著的成功，準(zhǔn)確率高達(dá) 98%，而多光譜成像在預(yù)測(cè)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(jìn)了可擴(kuò)展的作物監(jiān)測(cè)，減少了對(duì)人工的依賴，使作物管理的干預(yù)更加精確和及時(shí)。

四、最新研究與發(fā)展

最近的進(jìn)步提高了光學(xué)成像能力，增強(qiáng)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(jī)難以捕捉透明物體。最近的突破性進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)相機(jī)無需復(fù)雜的后期處理即可對(duì)透明材料成像。

這項(xiàng)技術(shù)利用自干涉模式和機(jī)器學(xué)習(xí)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(xué)成像對(duì)于工業(yè)和科學(xué)應(yīng)用至關(guān)重要，包括生產(chǎn)線的光學(xué)檢測(cè)、生物材料的三維表面測(cè)量以及增材制造部件的計(jì)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(duì)于大型物體或高分辨率需求而言，這限制了在動(dòng)態(tài)環(huán)境中的有效性。

最近，巴塞羅那大學(xué)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(xué)輪廓測(cè)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(shí)現(xiàn)了每秒多達(dá) 67 次的測(cè)量。該系統(tǒng)通過同時(shí)檢測(cè)多個(gè)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(duì)氣體傳感器行為等動(dòng)態(tài)過程的表征能力。

人工智能增強(qiáng)光學(xué)成像系統(tǒng)

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

最近的一項(xiàng)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(xì)的細(xì)胞圖像。研究人員采用深度學(xué)習(xí)架構(gòu) DeepTree 自動(dòng)完成細(xì)胞計(jì)數(shù)和形態(tài)分析等任務(wù)，將病理學(xué)家從重復(fù)性工作中解放出來，提高了效率。

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

結(jié)論

隨著光學(xué)成像技術(shù)的進(jìn)步和普及，它們對(duì)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(jìn)我們的發(fā)現(xiàn)，并增強(qiáng)我們可視化和了解周圍世界的能力。

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