多模光纖共聚焦成像技術(shù)作為一種新型內(nèi)窺鏡技術(shù),以多模光纖極細(xì)的探頭與超高的分辨率的特點(diǎn)而受到業(yè)界的廣泛關(guān)注。自從波前調(diào)制器件出現(xiàn)以來,多模光纖共聚焦成像技術(shù)獲得了飛速發(fā)展。目前有很多課題組對多模光纖共聚焦成像的分辨率、視場以及三維成像方面進(jìn)行了探究,但目前大多數(shù)文獻(xiàn)都未提及多模光纖共聚焦成像的信噪比。但事實(shí)上,無論是對神經(jīng)元精細(xì)刺激和動態(tài)活動觀察還是體內(nèi)亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)在體觀測,或者是微型腔道缺陷檢測,高信噪比成像都是不可或缺的。針對以上問題,本論文對高信噪比多模光纖共聚焦成像方法進(jìn)行了深入研究,主要創(chuàng)新點(diǎn)如下:（1）針對現(xiàn)有多模光纖成像研究中信噪比低的問題,提出了一種通過高效地抑制光纖中模式干涉產(chǎn)生的背景散斑提高多模光纖共聚焦成像信噪比的方法。當(dāng)我們使用不同光纖狀態(tài)在同一位置形成聚焦點(diǎn)時(shí),聚焦點(diǎn)周圍的背景散斑互不相同,通過疊加不同光纖狀態(tài)的聚焦點(diǎn)就可以等效的抑制背景散斑。我們還研究了光纖端面的散斑圖案與光纖狀態(tài)之間的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)光纖狀態(tài)的微小改變就可以使散斑圖案明顯不相關(guān),并通過仿真和實(shí)驗(yàn)對背景散斑不相關(guān)性進(jìn)行了驗(yàn)證。（2）通過波長疊加對提出的高信噪比多模光纖共聚焦成像方法進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)... 

【文章來源】：浙江大學(xué)浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

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【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

圖１．１商用內(nèi)窺鏡??前文已經(jīng)提及，內(nèi)窺鏡在工業(yè)領(lǐng)域和醫(yī)療領(lǐng)域有很大的市場

????掃描方式成像，則可避免模間串?dāng)_，但這種方式需要在系統(tǒng)中增加振鏡掃描裝置，雖然獲??得的圖像分辨率較高，但一方面體積較大，另一方面，靈活性較低，成像速度較慢。??圖１．２光纖束內(nèi)窺鏡原理示意圖??如上所述，現(xiàn)有的光纖束內(nèi)窺鏡已經(jīng)無法滿足日益發(fā)展的醫(yī)療行業(yè)和其他行業(yè)的需求，??并且由于成像原理，光纖束內(nèi)窺鏡空間分辨率也無法再進(jìn)一步提升，所以目前急需一種具??有更細(xì)探頭和跟高分辨率的新型內(nèi)窺鏡。我們注意到，多模光纖的信息攜帶量非常大，可??以并行傳輸成千上萬個(gè)相互獨(dú)立的空間模式，并且具有十分小的體積以及與光纖束相比超??大的信息容量，所以我們可以用它作為成像器件，實(shí)現(xiàn)內(nèi)窺鏡探頭的小型化和高分辨［９，１０］。??將多模光纖用作超細(xì)內(nèi)窺鏡目前已有很多研究，并且國內(nèi)外不同研究小組都取得了顯著的??成果，使用多模光纖我們克服了普通光學(xué)系統(tǒng)中光學(xué)元件尺寸與可達(dá)到的分辨率之間的矛??盾，實(shí)現(xiàn)了超細(xì)徑高分辨率成像［１１＿１３］。??與散射介質(zhì)成像類似，多模光纖也可以通過波前調(diào)控進(jìn)行成像，使用波前調(diào)制器件對??輸入多模光纖的光束進(jìn)行波前調(diào)制，抵消多模光纖中產(chǎn)生的模式干擾［１４］。從另一個(gè)角度來??說，多模光纖對傳輸光的波前產(chǎn)生的擾亂是由光纖中不同模式間傳播常數(shù)的差異以及光纖??中模式串?dāng)_引起的，而光纖中的模式數(shù)量是有限的，只要將這些模式干擾進(jìn)行補(bǔ)償，就可??以通過多模光纖進(jìn)行成像。這就意味著波前調(diào)控器件可調(diào)控的模式數(shù)量需要大于光纖中存??在的模式數(shù)量，才能對光纖中的所有模式進(jìn)行完全控制。而多模光纖中存在的模式數(shù)量與??光纖的半徑＾和數(shù)值孔徑７ＶＪ都是二次方關(guān)系，也就是說隨著光纖直徑與數(shù)值孔徑的增大，??光纖中的模式數(shù)量急劇增長

????優(yōu)化多模光纖聚焦點(diǎn)掃描技術(shù)［８，９］。該方法使用空間光調(diào)制器對光束波前進(jìn)行調(diào)制，通過對??空間光調(diào)制器上多個(gè)部分在目標(biāo)聚焦點(diǎn)處進(jìn)行多次迭代實(shí)現(xiàn)相位相長干涉，實(shí)現(xiàn)通過多模??光纖形成聚焦點(diǎn)并進(jìn)行掃描。該方法無需測量多模光纖的傳輸矩陣，所以計(jì)算較為簡單。??然而，該方法仍存在很多缺陷，比如一個(gè)聚焦點(diǎn)的形成需要多次迭代，迭代次數(shù)越多聚焦??點(diǎn)質(zhì)量越好，但速度也越慢，還可能陷入局部最優(yōu)。作者的實(shí)驗(yàn)裝置只有單光路，沒有引??入?yún)⒖脊�，如圖１．３所示，所以具有很好的穩(wěn)定性。另外，ＣｉｚｍａｒＴ等人證明了可以在視??場和空間頻率范圍內(nèi)分別產(chǎn)生一個(gè)任意的輸出光場，并且進(jìn)一步地證明了該方法在生物光??子學(xué)中的應(yīng)用，使用該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了膠體微粒的操縱。??Ｌ３??，?－Ｌ４?Ｌ５??９＾?［?Ｉ?Ｄ?＾??Ｍ曹丨、Ｑ）??圖１．３?ＳＬＭ迭代優(yōu)化算法系統(tǒng)光路圖［９］??２０１２年，Ｐａｐａｄｏｐｏｕｌｏｓ?ＩＮ等人提出了一種基于數(shù)字相位共軛的多模光纖點(diǎn)掃描成像??方法，用于數(shù)字掃描成像，使用芯徑為１０５?ｐｍ的多模光纖成功實(shí)現(xiàn)了在多模光纖尖端聚??焦能量比為７００倍的聚焦點(diǎn)并實(shí)現(xiàn)了聚焦光斑的掃描實(shí)驗(yàn)中搭建的光路圖如圖１．４所??示。文獻(xiàn)中作者使用全息術(shù)記錄下多模光纖出射端面散斑的復(fù)振幅光場信息，將其共軛光??場加載到空間光調(diào)制器上，通過時(shí)空反演的方法實(shí)現(xiàn)在多模光纖遠(yuǎn)端形成聚焦點(diǎn)。該方法??不需要迭代，而是利用光路的可逆性形成掃描所用的聚焦點(diǎn)，減少了不必要的外設(shè)訪問，??大大提高了速度。在校正階段，聚焦點(diǎn)的掃描通過數(shù)字方法實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)要求空間光調(diào)制器??和相機(jī)的位置嚴(yán)格共軛，同時(shí)，相位共軛法對噪聲比較敏感，系統(tǒng)魯棒性差。??

【參考文獻(xiàn)】：
博士論文
[1]單光纖聚焦光斑數(shù)字掃描成像技術(shù)研究[D]. 尹哲.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2016

碩士論文
[1]基于波前調(diào)制的多模光纖出射光斑聚焦技術(shù)研究[D]. 趙廣智.中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所) 2018



本文編號：3509628