生成偽隨機斑點照明圖案可實現高分辨率成像

　　使用偽隨機斑點圖案是對物體成像的有效方法，但是大多數方法都需要笨重、昂貴、復雜而緩慢的機器。為了將該技術應用于生物醫學成像，例如超薄內窺鏡或體內神經成像，需要一種能夠產生隨機斑點的較小設備。日本東京大學的Takuo Tanemura領導的一組研究人員已經證明，在潛在的生物醫學應用中，多模光纖（MMF）與集成的光學相控陣（OPA）芯片結合使用可用于單像素成像。

集成MMF和OPA的成像系統示意圖 圖片來源：東京大學T. Fukui等

　　該小組的一名博士生Taichiro Fukui將在2020年3月8日至12日在美國加利福尼亞州圣地亞哥會議中心舉行的光纖通信會議和展覽會（OFC）上介紹其成像技術。根據Fukui的說法，先前的研究表明，使用隨機斑點而不是聚焦點照亮物體可以增強成像過程的空間分辨率。他說：“這是因為與聚焦點不同，隨機散斑照明由包含更高空間頻率元素的干涉圖案組成。”通過將MMF輸出與OPA芯片集成在一起，該芯片將輸入光分為多個獨立的移相器，該小組能夠生成不同的隨機斑點圖案來照亮物體。

　　“盡管我們以前僅使用不帶MMF的OPA就演示了基于隨機散斑的成像，但是由于OPA上的移相器數量有限，我們無法解析大量點，” Fukui說。 “令人驚訝的是，在這項工作中，我們發現通過MMF進行傳輸，可解決的點數可以大大增加。”通過照明圖案矩陣和透射光功率矩陣的簡單矩陣乘法運算，可以快速重建物體圖像。在測試此方法時，該團隊能夠使用128個移相器和600個照明圖案對490個可分辨點成像。該結果可與其他MMF方法媲美，但具有更小、更便宜和更快的技術。

　　福井說：“這項工作中最重要的發現是，可分辨數量基本上由MMF的空間容量決定，而不再由OPA決定，就像僅使用OPA的傳統方法一樣。”“我們已經確認，如果我們在MMF中具有更強的聯運耦合，則可分辨點的數量甚至可以超過1,000。我們的工作只是證明這種可能性的第一步。”在進行多項改進之前，例如通過在OPA芯片上集成光放大器來減少片上損耗，該技術可用于開發小型、高速、低成本和高分辨率的成像技術。Fukui說：“我們相信，我們的方案不僅可以用于內窺鏡應用，而且可以用于各種光學傳感和成像場景，例如流式細胞術和光學相干斷層掃描。”這些結果和其他研究將在OFC 2020上現場展示。