LED光源如何实现材料内部三维光学指纹成像

来源：科技日报

科技日报记者 张佳欣

韩国延世大学科学家取得了一项突破性进展，有望彻底革新材料内部结构的无损检测方式。该团队研发出一种名为“非相干介导张量断层成像”（iDTT）的全新光学成像技术。其最显著的优点在于，仅需使用普通的LED光源，便能成功解析出材料内部复杂的三维“光学指纹”。这项研究成果已发表于国际权威期刊《自然·光子学》，为材料科学、生物医学成像及半导体缺陷检测等领域，开辟了一条更稳定、成本效益更高的无损分析新途径。

要深入理解iDTT技术的核心价值，首先需要了解一个关键光学特性——光学各向异性。自然界中许多材料，如晶体、液晶、生物纤维等，都具备这一特性。通俗地讲，它意味着光线从不同方向穿透材料时，所经历的“阻碍”（即折射率与吸收率）是不同的。这种方向性的差异并非偶然，它精确地编码了材料内部的微观结构、晶体取向或分子排列秩序，堪称材料独一无二的“身份ID”。因此，如何无损、精准地获取这份“光学指纹”，一直是材料表征领域的关键挑战。

从激光到LED：实现稳定性与实用性的双重飞跃

实际上，该研究团队此前已成功开发了“介电张量断层成像”（DTT）技术。所谓“介电张量”，可以理解为一个3×3的数学矩阵，它全面描述了材料在各个空间方向上对光线的综合电磁响应，包括光线的偏折（折射）与能量衰减（吸收）。

而此次发布的iDTT技术，其革命性突破在于，首次利用LED这种非相干光源，成功替代了传统方法中不可或缺的激光，实现了对材料内部三维介电张量的高精度重建。这一关键替换，从源头上克服了激光相干性所引发的固有散斑噪声干扰问题。其直接成果是，整个测量系统的稳定性和重复性获得了大幅提升，使得该技术从实验室走向实际应用的步伐更加坚实。

那么，iDTT具体是如何工作的呢？研究团队通过精密的偏振控制与角度调控系统，使用LED光从不同偏振状态和入射角度对样品进行照射，累计完成48次独立的偏振测量。这个过程类似于为物体的内部结构拍摄一套多角度的“全景立体照片”。随后，先进的计算机算法将这些多维数据融合处理，最终重建出材料内部完整、立体的介电张量分布图。

清晰度对比：在复杂噪声环境中彰显优势

为了实证iDTT技术的卓越性能，研究人员设计了一项直观的对比实验。他们选取了一种具有微米级周期性分子排列的复杂样品进行测试。实验结果极具说服力：基于激光的传统DTT技术，由于受到严重的相干噪声干扰，几乎无法辨识出样品中的精细周期结构；而采用LED光源的iDTT技术，则能够清晰、稳定且高对比度地重建出这些细微特征，图像质量显著胜出。

应用前景广阔：从液晶显示到无标记病理诊断

这种强大的三维“光学透视”能力，使其在多个前沿领域迅速展现出应用潜力。在先进材料领域，研究团队已成功实现对单个液晶颗粒内部三维分子取向分布的可视化观测，这对于下一代显示技术的研发与优化具有重要指导意义。

在生物医学领域，iDTT技术同样展现出巨大价值。实验表明，无需对生物组织样本进行任何化学染色或标记处理，iDTT便能精确检测并可视化经过放射治疗后的结肠组织所发生的纤维化病变——即组织硬化的过程。这为临床病理分析、治疗效果评估及疾病机理研究，提供了一种全新的、无需染色的无损成像解决方案。

总体而言，iDTT技术有望在高端材料研发、半导体制造过程监控、新型药物筛选、生物医学高清成像以及光电显示产业等多个关键领域发挥重要作用。它未来可能替代部分依赖大型昂贵设备（如同步辐射光源）或需要进行破坏性取样的传统分析手段，为工业无损检测与精准医疗诊断，带来一种更紧凑、更高精度且更具成本优势的光学分析工具选择。