港大科學家利用簡單一對平行鏡
嶄新激光影像掃描技術較現有技術快一百倍
2017年04月24日
香港大學電機電子工程系謝堅文博士（中）的研究團隊與平行鏡FACED影像掃描系統
香港大學電機電子工程系謝堅文副教授的團隊，成功研發新型激光掃描技術，新技術簡單利用一對平行的平面鏡（又名無窮鏡（Infinity Mirror）的多重光反射原理，成像速度可較現有掃描技術快超過一百倍，圖像解析度大幅提升。
這嶄新技術有助開拓基礎科學研究新範疇，尤其是應用於發展新一代高速生物醫學顯微鏡，用於常規醫學診斷，實現有效準確診斷疾病，以及於更早期發現例如癌症等的病變、腦疾病等。激光影像掃描亦可廣泛應用於其它不同領域包括光學科研顯微鏡（用於生物或材料科學等），或工業生產用自動化機械視覺等。
研究成果發表於《光：科學與應用》2017年一月刊。
新技術名為 FACED，概念是利用一對平行的平面鏡（又名無窮鏡Infinity Mirror）的多重光反射原理 – 日常生活中當一對平面鏡相對時，可看到鏡中有無窮影像之虛擬情況。研究團隊把一對平行鏡些微調較至有百分之一度（0.01O）的角度偏差，多重光反射模式於是產生微妙改變，再利用高速脈衝激光投射影像。這個小角度的偏差，可把脈衝激光分拆成大量激光「虛擬影像」點，投射到不同位置，產生超高速激光掃描效果。
謝博士說：「新激光掃描速度比現有技術高出一百倍，更重要是無損圖像解析度。應用於涉及龐大影像數據的需求分析，例如生物醫學研究及診斷的細胞分析儀技術，利用FACED激光影像，可提供高效率及深入單細胞分析。」
研究團隊將FACED影像掃描系統配合微流體技術，成功研發高解析度單細胞成像分析儀。此儀器每秒可捕捉一萬至十萬個單細胞圖像，比現有尖端技術快百倍。其高速影像掃描可望用於早期癌症診斷，從億萬正常血液細胞中，高速及有效地分辨罕見癌細胞。
新技術又可應用在其他生物顯微領域，例如組織病理學中大量常規切片掃描及診斷，或海洋生物學中，於海水中篩查引致「藻華」（俗稱紅潮）的單細胞微藻類。另外更可用作各種高速生物動態檢視，例如神經元信息傳送模式，藉以解構大腦的複雜結構與疾病原理，了解腦退化症或思覺失調等疾病的成因和病態發展等。
FACED掃描技術為高速生物動態檢視提供高速高解像度解決方案
研究團隊過去一直研究利用光纖技術發展高速激光影像掃描，但技術受制於光纖中超過99.999%的光損耗，大大減低它在顯微領域上的實用性。利用平行鏡的構思正是由團隊兩年多前開始尋找新方法，擺脫利用光纖及其引申的光損耗問題而來。
團隊成員、博士後研究員吳江來博士進一步解釋新技術的優點說：「現有激光掃描技術依賴機械操縱反光鏡的角度從而改變激光方向，其掃描速度受制於機械物理學中「慣性」現象，最高只可達到每秒掃描近十萬行。相比之下，FACED掃描速率只取決脈衝激光光源本身的頻率，可輕易達到每秒百萬至千萬行高速掃描。此技術無需採用機械操縱反光鏡，即「全靜態」裝置，突破物理慣性的限制。」
研究團隊的下一個挑戰，將會是處理利用新掃描技術獲得的空前龐大的圖像數據庫，從中抽取有用信息予以解讀。謝博士認爲，近年再興起的人工智能概念，或許能發揮作用。
新技術已正申請美國專利。
另外，謝博士剛獲得2016年度第十四屆中國青年科技獎。在全國98名獲獎者中，只有兩名來自香港院校，謝博士是香港大學的得獎者。
中國青年科技獎是中國科協與國家人事組織部門共同設立，獎勵在自然科學研究，工程技術或技術轉讓等方面取得卓越成就的年青科學家，旨在造就一批具潛力進入世界科技前沿的年青科研學者。科技獎於1987年由時任中國科協主席錢學森教授提議設立，每兩年評選一次，每屆獲獎者不超過100人。2011年開始，香港特別行政區的青年科學家首次獲納入推薦評選範圍。截至2016年，全國只有四名香港地區學者獲獎。
FACED影像掃描系統短片，請瀏覽（英語，英文字幕）：www.cpao.hku.hk/media/faced-with-subtitles.mov
FACED影像掃描系統短片，請瀏覽（英語，沒有字幕）：www.cpao.hku.hk/media/faced-no-subtitles.mov
