科学家利用简单一对平行镜 崭新激光影像扫描技术较现有技术快一百倍

香港大学电机电子工程系谢坚文博士(中)的研究团队与平行镜FACED影像扫描系统
香港大学电机电子工程系谢坚文博士(中)的研究团队与平行镜FACED影像扫描系统

香港大学电机电子工程系谢坚文副教授的团队,成功研发新型激光扫描技术,新技术简单利用一对平行的平面镜(又名无穷镜(Infinity Mirror)的多重光反射原理,成像速度可较现有扫描技术快超过一百倍,图像解析度大幅提升。

这崭新技术有助开拓基础科学研究新范畴,尤其是应用于发展新一代高速生物医学显微镜,用于常规医学诊断,实现有效准确诊断疾病,以及于更早期发现例如癌症等的病变、脑疾病等。激光影像扫描亦可广泛应用于其它不同领域包括光学科研显微镜(用于生物或材料科学等),或工业生产用自动化机械视觉等。

研究成果发表于《Light-Science & Applications》2017年一月刊。

新技术名为FACED,概念是利用一对平行的平面镜(又名无穷镜Infinity Mirror)的多重光反射原理-日常生活中当一对平面镜相对时,可看到镜中有无穷影像之虚拟情况。研究团队把一对平行镜些微调较至有百分之一度(0.01 O)的角度偏差,多重光反射模式于是产生微妙改变,再利用高速脉冲激光投射影像。这个小角度的偏差,可把脉冲激光分拆成大量激光「虚拟影像」点,投射到不同位置,产生超高速激光扫描效果。

谢博士说:「新激光扫描速度比现有技术高出一百倍,更重要是无损图像解析度。应用于涉及庞大影像数据的需求分析,例如生物医学研究及诊断的细胞分析仪技术,利用FACED激光影像,可提供高效率及深入单细胞分析。」

研究团队将FACED影像扫描系统配合微流体技术,成功研发高解析度单细胞成像分析仪。此仪器每秒可捕捉一万至十万个单细胞图像,比现有尖端技术快百倍。其高速影像扫描可望用于早期癌症诊断,从亿万正常血液细胞中,高速及有效地分辨罕见癌细胞。

新技术又可应用在其他生物显微领域,例如组织病理学中大量常规切片扫描及诊断,或海洋生物学中,于海水中筛查引致「藻华」(俗称红潮)的单细胞微藻类。另外更可用作各种高速生物动态检视,例如神经元信息传送模式,借以解构大脑的复杂结构与疾病原理,了解脑退化症或思觉失调等疾病的成因和病态发展等。

研究团队过去一直研究利用光纤技术发展高速激光影像扫描,但技术受制于光纤中超过99.999%的光损耗,大大减低它在显微领域上的实用性。利用平行镜的构思正是由团队两年多前开始寻找新方法,摆脱利用光纤及其引申的光损耗问题而来。

团队成员、博士后研究员吴江来博士进一步解释新技术的优点说:「现有激光扫描技术依赖机械操纵反光镜的角度从而改变激光方向,其扫描速度受制于机械物理学中「惯性」现象,最高只可达到每秒扫描近十万行。相比之下,FACED扫描速率只取决脉冲激光光源本身的频率,可轻易达到每秒百万至千万行高速扫描。此技术无需采用机械操纵反光镜,即「全静态」装置,突破物理惯性的限制。」

研究团队的下一个挑战,将会是处理利用新扫描技术获得的空前庞大的图像数据库,从中抽取有用信息予以解读。谢博士认为,近年再兴起的人工智能概念,或许能发挥作用。

新技术已正申请美国专利。

另外,谢博士刚获得2016年度第十四届中国青年科技奖。在全国98名获奖者中,只有两名来自香港院校,谢博士是香港大学的得奖者。

中国青年科技奖是中国科协与国家人事组织部门共同设立,奖励在自然科学研究,工程技术或技术转让等方面取得卓越成就的年青科学家,旨在造就一批具潜力进入世界科技前沿的年青科研学者。科技奖于1987年由时任中国科协主席钱学森教授提议设立,每两年评选一次,每届获奖者不超过100人。2011年开始,香港特别行政区的青年科学家首次获纳入推荐评选范围。截至2016年,全国只有四名香港地区学者获奖。

论文链接:http://www.nature.com/lsa/journal/v6/n1/abs/lsa2016196a.html

(据香港大学)

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