Nguyên tắc cơ bản của hình ảnh tán xạ quang học:
Khi ánh sáng gặp các bộ phân tán (ví dụ: môi trường đục, mô sinh học) trong quá trình lan truyền, hướng của nó thay đổi một hiện tượng được gọi là tán xạ. Trong hình ảnh tán xạ quang học, các photon mang thông tin mục tiêu bị phá vỡ bởi sự phân bố không đồng nhất của các hạt và các chỉ số khúc xạ trong môi trường tán xạ, dẫn đến hình ảnh phát hiện trực tiếp bị biến dạng. Ví dụ, trong điều kiện sương mù, sự tán xạ ánh sáng bởi các giọt nước gây ra sự quan sát mờ của các vật thể. Tuy nhiên, hình ảnh tán xạ quang học phụ thuộc vào việc phân tích và xử lý các photon phân tán này để tái tạo hình ảnh. Photon rải rác có thể được phân loại là:Photon đạn đạo (di chuyển gần như thẳng, mang thông tin mục tiêu rõ ràng),
Photon giống rắn (trải qua nhiều tán xạ, giữ lại thông tin mục tiêu một phần),
Photon khuếch tán (rất ngẫu nhiên sau khi tán xạ rộng).
Các loại photon khác nhau đóng vai trò riêng biệt trong hình ảnh. Các kỹ thuật hình ảnh tán xạ truyền thống thường tập trung vào việc tối ưu hóa việc thu thập các photon đạn đạo để tái tạo hình ảnh.
Kỹ thuật hình ảnh tán xạ quang truyền thống:
Các phương pháp thông thường dựa trên bộ sưu tập photon đạn đạo cố gắng trích xuất thông tin mục tiêu bằng cách cách ly các photon này với ánh sáng phân tán. Phương pháp tiếp cận ban đầu sử dụng các thiết kế quang học cụ thể và cấu hình máy dò để ưu tiên chụp photon đạn đạo. Tuy nhiên, trong các kịch bản thực tế, các photon đạn đạo khan hiếm, và hầu hết các photon trong môi trường tán xạ mạnh là không ballistic do nhiều tán xạ. Do đó, các kỹ thuật như vậy hoạt động kém trong môi trường với độ dày quang học lớn và có khả năng ứng dụng hạn chế.Hình ảnh tán xạ quang học tính toán:
Với những tiến bộ công nghệ, hình ảnh tán xạ tính toán đã xuất hiện, nhấn mạnh việc sử dụng các photon không ballistic trong môi trường tán xạ dày. Phương pháp tiếp cận chính bao gồm:Hiệu ứng bộ nhớ quang và thuật toán truy xuất pha:
Hiệu ứng bộ nhớ quang học mô tả cách môi trường tán xạ giữ lại "bộ nhớ" của ánh sáng sự cố trong một số điều kiện nhất định. Thay đổi góc độ chiếu sáng hoặc vị trí tạo ra các biến thể tương quan trong trường phân tán. Tận dụng hiệu ứng này với các thuật toán truy xuất pha cho phép phục hồi thông tin pha đích từ các trường phân tán. Ví dụ, các thí nghiệm tái cấu trúc hình ảnh mục tiêu bằng cách tương quan ánh sáng phân tán với các mục tiêu thông qua hiệu ứng bộ nhớ và giải quyết thông tin pha. Phương pháp này cho thấy hứa hẹn cho phương tiện tán xạ dày động và tiềm năng trong hình ảnh tầm xa, trường rộng.Hình ảnh nhiễu xạ mạch lạc:
Kỹ thuật này sử dụng chiếu sáng ánh sáng kết hợp và các thuật toán lặp để tái cấu trúc biên độ và pha mục tiêu từ các mẫu nhiễu xạ đo được. Bằng cách ghi lại cường độ ánh sáng phân tán (thiếu dữ liệu pha), các thuật toán truy xuất pha lặp lại để giải quyết thông tin bị thiếu. Hình ảnh nhiễu xạ kết hợp vượt qua các giới hạn độ phân giải truyền thống, cho phép hình ảnh độ phân giải cao của các cấu trúc vi mô trong khoa học vật liệu và y sinh.Động cơ lặp ptychographic:
Ptychography tái cấu trúc hình ảnh độ phân giải cao bằng cách quét các vùng mục tiêu và xử lý lặp lại dữ liệu cường độ phân tán. Liên tục điều chỉnh các vị trí quét và các góc giúp tăng cường thu thập thông tin, cải thiện độ phân giải và chất lượng. Phương pháp này vượt trội trong việc chụp ảnh các mục tiêu không phân biệt và giữ giá trị đáng kể trong các ứng dụng hình ảnh tán xạ thực tế.
Đường dẫn ánh sáng thử nghiệm của hình ảnh tán xạ dựa trên ma trận truyền quang
Những thách thức và hạn chế:
Mặc dù tiến bộ đáng chú ý, hình ảnh tán xạ quang học đối mặt với những thách thức:Môi trường động: Phương tiện tán xạ thay đổi nhanh chóng (ví dụ: khói chảy, mô sinh học động) đòi hỏi xử lý thời gian thực để phát triển dữ liệu tán xạ, đòi hỏi các thuật toán và sức mạnh tính toán hiệu quả cao.
Độ phân giải và chất lượng: Phương tiện tán xạ dày thường làm suy giảm chất lượng hình ảnh do mất thông tin và tiếng ồn từ nhiều tán xạ, dẫn đến mờ hoặc biến dạng.
Tính đặc hiệu kịch bản: Nhiều kỹ thuật vượt trội trong các điều kiện cụ thể nhưng thiếu tính tổng quát, hạn chế sự mạnh mẽ của chúng trên các ứng dụng trong thế giới thực khác nhau.
Ứng dụng:
Y sinh: cho phép chụp ảnh các cấu trúc mô bên trong thông qua tán xạ ánh sáng, hỗ trợ chẩn đoán bệnh (ví dụ, phát hiện ung thư giai đoạn đầu thông qua phân tích ánh sáng tán xạ từ các mô).
Giám sát môi trường: tạo điều kiện cho hình ảnh thông qua sương mù, khói hoặc khói mù để theo dõi các nguồn ô nhiễm ở xa hoặc hiện tượng khí tượng.
Kiểm tra công nghiệp: Hỗ trợ thử nghiệm không phá hủy các vật liệu mờ bằng cách phân tích ánh sáng rải rác để xác định các khiếm khuyết bên trong, nâng cao chất lượng và an toàn sản phẩm.