基于压缩感知的非扫描式单根多模光纤成像技术研究

Current endoscopes use fiber bundle consisting of many single mode fibers to translate image. Number of resolvable pixels cannot surpass total number of fibers, which is further limited by practical requirements on bundle diameter, transection stability, robustness against bend, etc. A new scheme based on single multimode fiber is promising to overcome above difficulties, being possible to become the next generation endoscope. However, all present proposals are rooted in light spot scanning. Scanning requires fiber translation property to be calibrated beforehand, which is incapable of high speed/real-time imaging tasks, and remain unchanged during the whole measurement process, reducing robustness drastically. Taking these disadvantages into account, the present proposal is going to introduce ghost imaging technique based on compressive sensing to enable a non-scanning scheme of single multimode fiber imaging. Utility of the proposal mainly includes two aspects: as a convex optimization algorithm, approximate sensing capability is a core character of compressive sensing to develop a non-scanning scheme; on the other hand, robustness against light disturb is intrinsic to ghost imaging thanks to its single-pixel setup. Research on detailed applications are also included: limitation of resolution, optimization of illumination, robustness against bend, vibration, pressure, temperature instability, et al. The present proposal is very likely to lay solid foundation to realize next generation endoscope with high resolution, low complexity and extreme robustness based on single multimode fiber.

现有光纤内窥镜采用多根单模光纤组成的光纤束传导图像，可分辨像素总数无法超过光纤数目，而实际应用中的光纤束直径上限、截面光纤排布稳定性及抗弯折鲁棒性要求等因素限制了光纤总数。基于单根多模光纤的新型光导成像技术有望克服上述不利影响，成为近年来下一代内窥镜技术研究热点。但迄今为止，单根多模光纤成像未能突破光点扫描式方案，需事先标定光纤传输矩阵，使高速实时成像变得极为困难，还要求传输特性在测量中保持不变，显著降低了鲁棒性。针对上述问题，本项目拟引入压缩感知鬼成像技术，利用压缩感知这一凸优化算法固有的模糊感知本领和鬼成像单像素探测方案内禀的抗扰动特性，开展非扫描式单根多模光纤成像技术方案原创研究及多项相关技术应用研究，包括分辨率性能极限，照明方案优化，非扫描式方案对抗光纤弯折、振动、压力、温度等扰动的鲁棒性等，为应用单根多模光纤实现高分辨率、低复杂度、强抗扰动的新型内窥镜技术演进提供有力的科学支撑。

非扫描式单根多模光纤成像技术的研究在新型光纤光学内窥镜、显微成像有应用潜力。课题组经3年努力，对基于压缩感知的非扫描单根多模光纤成像的机理模型、相关理论、仿真设计和实验实现，进行了大量深入细致的研究。首先，课题组设计了基于压缩感知鬼成像的单根多模光纤成像方案，完成仿真和实验，实现厘米级景深的成像，且具有抗一定光纤弯曲的鲁棒性，该方案突破了传统的光点扫描成像方式，为单根多模光纤成像应用于内窥、显微做出有力探索。而后，针对光纤弯曲造成的成像质量下降问题，提出一种基于平均光场测量矩阵的成像抗扰动方法，经验证，在单一测量矩阵无法成像的弯曲构型下，本方案可支撑成像，为其鲁棒性应用做出探索。进一步，课题组研究多模光纤单像素成像（鬼成像）与光纤模式理论之间的关系，探究多模光纤模式数、测量次数、成像系统噪声水平、及成像质量之间的关系。在项目期间，课题组发挥光纤模式理论研究优势，进行扩展研究：基于Gouy相移的光纤模式分离研究和结构高斯光的射线模型及其应用研究，为课题组多模光纤成像与光纤模式理论的交叉研究提供潜在创新可能。.此外，课题组在非扫描式多模光纤成像方案上做出另外一种探索，即基于机器学习方法的多模光纤图像传输研究。使用神经网络对多模光纤进行建模，深入探究深度神经网络对多模光纤成像问题的适用性，提出一种用于多模光纤图像传输的混合神经网络模型，与已有方案相比，该方案能恢复复杂图像，且收敛速度快。同时，使用已拟合好的多模光纤神经网络对应的线性近似矩阵进行图像重建，来对多模光纤及其线性近似模型进行了比较实验，为多模光纤的图像传输特性研究做出进一步贡献。.本项目原计划产出10篇高水平论文，其中SCI论文不少于4篇，实际产出12篇高水平论文，其中二区以上SCI论文2篇（Optics Express, 物理2区Top期刊），光学领域顶级国际会议激光和光电子会议（CLEO，Conference on Lasers and Electro-Optics）论文3篇、顶级国际会议前沿光学会议（FIO, Frontiers in Optics）论文4篇，线上线下国际交流9次（10人参会），论文数量和质量均高于原计划。同时，本项目后续成果待发表，将在正式发表后补充至本项目成果库中。除科技论文的发表，本项目申请国家发明专利6项，已授权3项，培养博士后1名，博士生2名，硕士生9名，完成目标。