高信噪比多模光纤共聚焦成像研究
发布时间：2021-11-21 13:51
多模光纤共聚焦成像技术作为一种新型内窥镜技术,以多模光纤极细的探头与超高的分辨率的特点而受到业界的广泛关注。自从波前调制器件出现以来,多模光纤共聚焦成像技术获得了飞速发展。目前有很多课题组对多模光纤共聚焦成像的分辨率、视场以及三维成像方面进行了探究,但目前大多数文献都未提及多模光纤共聚焦成像的信噪比。但事实上,无论是对神经元精细刺激和动态活动观察还是体内亚细胞结构在体观测,或者是微型腔道缺陷检测,高信噪比成像都是不可或缺的。针对以上问题,本论文对高信噪比多模光纤共聚焦成像方法进行了深入研究,主要创新点如下:（1）针对现有多模光纤成像研究中信噪比低的问题,提出了一种通过高效地抑制光纤中模式干涉产生的背景散斑提高多模光纤共聚焦成像信噪比的方法。当我们使用不同光纤状态在同一位置形成聚焦点时,聚焦点周围的背景散斑互不相同,通过叠加不同光纤状态的聚焦点就可以等效的抑制背景散斑。我们还研究了光纤端面的散斑图案与光纤状态之间的关系,发现光纤状态的微小改变就可以使散斑图案明显不相关,并通过仿真和实验对背景散斑不相关性进行了验证。（2）通过波长叠加对提出的高信噪比多模光纤共聚焦成像方法进行了仿真和实验验...
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：66 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１商用内窥镜??前文已经提及，内窥镜在工业领域和医疗领域有很大的市场
????扫描方式成像，则可避免模间串扰，但这种方式需要在系统中增加振镜扫描装置，虽然获??得的图像分辨率较高，但一方面体积较大，另一方面，灵活性较低，成像速度较慢。??图１．２光纤束内窥镜原理示意图??如上所述，现有的光纤束内窥镜已经无法满足日益发展的医疗行业和其他行业的需求，??并且由于成像原理，光纤束内窥镜空间分辨率也无法再进一步提升，所以目前急需一种具??有更细探头和跟高分辨率的新型内窥镜。我们注意到，多模光纤的信息携带量非常大，可??以并行传输成千上万个相互独立的空间模式，并且具有十分小的体积以及与光纤束相比超??大的信息容量，所以我们可以用它作为成像器件，实现内窥镜探头的小型化和高分辨［９，１０］。??将多模光纤用作超细内窥镜目前已有很多研究，并且国内外不同研究小组都取得了显著的??成果，使用多模光纤我们克服了普通光学系统中光学元件尺寸与可达到的分辨率之间的矛??盾，实现了超细径高分辨率成像［１１＿１３］。??与散射介质成像类似，多模光纤也可以通过波前调控进行成像，使用波前调制器件对??输入多模光纤的光束进行波前调制，抵消多模光纤中产生的模式干扰［１４］。从另一个角度来??说，多模光纤对传输光的波前产生的扰乱是由光纤中不同模式间传播常数的差异以及光纤??中模式串扰引起的，而光纤中的模式数量是有限的，只要将这些模式干扰进行补偿，就可??以通过多模光纤进行成像。这就意味着波前调控器件可调控的模式数量需要大于光纤中存??在的模式数量，才能对光纤中的所有模式进行完全控制。而多模光纤中存在的模式数量与??光纤的半径＾和数值孔径７ＶＪ都是二次方关系，也就是说随着光纤直径与数值孔径的增大，??光纤中的模式数量急剧增长
????优化多模光纤聚焦点扫描技术［８，９］。该方法使用空间光调制器对光束波前进行调制，通过对??空间光调制器上多个部分在目标聚焦点处进行多次迭代实现相位相长干涉，实现通过多模??光纤形成聚焦点并进行扫描。该方法无需测量多模光纤的传输矩阵，所以计算较为简单。??然而，该方法仍存在很多缺陷，比如一个聚焦点的形成需要多次迭代，迭代次数越多聚焦??点质量越好，但速度也越慢，还可能陷入局部最优。作者的实验装置只有单光路，没有引??入参考光，如图１．３所示，所以具有很好的稳定性。另外，ＣｉｚｍａｒＴ等人证明了可以在视??场和空间频率范围内分别产生一个任意的输出光场，并且进一步地证明了该方法在生物光??子学中的应用，使用该技术实现了胶体微粒的操纵。??Ｌ３??，?－Ｌ４?Ｌ５??９＾?［?Ｉ?Ｄ?＾??Ｍ曹丨、Ｑ）??图１．３?ＳＬＭ迭代优化算法系统光路图［９］??２０１２年，Ｐａｐａｄｏｐｏｕｌｏｓ?ＩＮ等人提出了一种基于数字相位共轭的多模光纤点扫描成像??方法，用于数字扫描成像，使用芯径为１０５?ｐｍ的多模光纤成功实现了在多模光纤尖端聚??焦能量比为７００倍的聚焦点并实现了聚焦光斑的扫描实验中搭建的光路图如图１．４所??示。文献中作者使用全息术记录下多模光纤出射端面散斑的复振幅光场信息，将其共轭光??场加载到空间光调制器上，通过时空反演的方法实现在多模光纤远端形成聚焦点。该方法??不需要迭代，而是利用光路的可逆性形成扫描所用的聚焦点，减少了不必要的外设访问，??大大提高了速度。在校正阶段，聚焦点的扫描通过数字方法实现。实验要求空间光调制器??和相机的位置严格共轭，同时，相位共轭法对噪声比较敏感，系统鲁棒性差。??
【参考文献】：
博士论文
[1]单光纤聚焦光斑数字扫描成像技术研究[D]. 尹哲.哈尔滨工业大学 2016
硕士论文
[1]基于波前调制的多模光纤出射光斑聚焦技术研究[D]. 赵广智.中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所) 2018
本文编号：3509628
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：66 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１商用内窥镜??前文已经提及，内窥镜在工业领域和医疗领域有很大的市场
????扫描方式成像，则可避免模间串扰，但这种方式需要在系统中增加振镜扫描装置，虽然获??得的图像分辨率较高，但一方面体积较大，另一方面，灵活性较低，成像速度较慢。??图１．２光纤束内窥镜原理示意图??如上所述，现有的光纤束内窥镜已经无法满足日益发展的医疗行业和其他行业的需求，??并且由于成像原理，光纤束内窥镜空间分辨率也无法再进一步提升，所以目前急需一种具??有更细探头和跟高分辨率的新型内窥镜。我们注意到，多模光纤的信息携带量非常大，可??以并行传输成千上万个相互独立的空间模式，并且具有十分小的体积以及与光纤束相比超??大的信息容量，所以我们可以用它作为成像器件，实现内窥镜探头的小型化和高分辨［９，１０］。??将多模光纤用作超细内窥镜目前已有很多研究，并且国内外不同研究小组都取得了显著的??成果，使用多模光纤我们克服了普通光学系统中光学元件尺寸与可达到的分辨率之间的矛??盾，实现了超细径高分辨率成像［１１＿１３］。??与散射介质成像类似，多模光纤也可以通过波前调控进行成像，使用波前调制器件对??输入多模光纤的光束进行波前调制，抵消多模光纤中产生的模式干扰［１４］。从另一个角度来??说，多模光纤对传输光的波前产生的扰乱是由光纤中不同模式间传播常数的差异以及光纤??中模式串扰引起的，而光纤中的模式数量是有限的，只要将这些模式干扰进行补偿，就可??以通过多模光纤进行成像。这就意味着波前调控器件可调控的模式数量需要大于光纤中存??在的模式数量，才能对光纤中的所有模式进行完全控制。而多模光纤中存在的模式数量与??光纤的半径＾和数值孔径７ＶＪ都是二次方关系，也就是说随着光纤直径与数值孔径的增大，??光纤中的模式数量急剧增长
????优化多模光纤聚焦点扫描技术［８，９］。该方法使用空间光调制器对光束波前进行调制，通过对??空间光调制器上多个部分在目标聚焦点处进行多次迭代实现相位相长干涉，实现通过多模??光纤形成聚焦点并进行扫描。该方法无需测量多模光纤的传输矩阵，所以计算较为简单。??然而，该方法仍存在很多缺陷，比如一个聚焦点的形成需要多次迭代，迭代次数越多聚焦??点质量越好，但速度也越慢，还可能陷入局部最优。作者的实验装置只有单光路，没有引??入参考光，如图１．３所示，所以具有很好的稳定性。另外，ＣｉｚｍａｒＴ等人证明了可以在视??场和空间频率范围内分别产生一个任意的输出光场，并且进一步地证明了该方法在生物光??子学中的应用，使用该技术实现了胶体微粒的操纵。??Ｌ３??，?－Ｌ４?Ｌ５??９＾?［?Ｉ?Ｄ?＾??Ｍ曹丨、Ｑ）??图１．３?ＳＬＭ迭代优化算法系统光路图［９］??２０１２年，Ｐａｐａｄｏｐｏｕｌｏｓ?ＩＮ等人提出了一种基于数字相位共轭的多模光纤点扫描成像??方法，用于数字扫描成像，使用芯径为１０５?ｐｍ的多模光纤成功实现了在多模光纤尖端聚??焦能量比为７００倍的聚焦点并实现了聚焦光斑的扫描实验中搭建的光路图如图１．４所??示。文献中作者使用全息术记录下多模光纤出射端面散斑的复振幅光场信息，将其共轭光??场加载到空间光调制器上，通过时空反演的方法实现在多模光纤远端形成聚焦点。该方法??不需要迭代，而是利用光路的可逆性形成扫描所用的聚焦点，减少了不必要的外设访问，??大大提高了速度。在校正阶段，聚焦点的扫描通过数字方法实现。实验要求空间光调制器??和相机的位置严格共轭，同时，相位共轭法对噪声比较敏感，系统鲁棒性差。??
【参考文献】：
博士论文
[1]单光纤聚焦光斑数字扫描成像技术研究[D]. 尹哲.哈尔滨工业大学 2016
硕士论文
[1]基于波前调制的多模光纤出射光斑聚焦技术研究[D]. 赵广智.中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所) 2018
本文编号：3509628
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