[論文レビュー] Improved spot formation for flexible multi-mode fiber endoscope using partial reflector

Ruo Yu Gu, Elaine Chou+3 more|arXiv (Cornell University)|May 19, 2018

Advanced Fiber Optic Sensors被引用数 3

ひとこと要約

本論文では、柔軟なマルチモードファイバーの先端に部分反射板を設置することで、機械的摂動下でのスポット形成の質を向上させる手法を提案する。反射光と透過光における摂動の強い相関を活用することで、ファイバーの摂動を無視した場合と比較して、スポットの質を10–15%向上させることができ、柔軟内視鏡におけるより頑健なイメージングを可能にする。

ABSTRACT

Multi-mode fiber (MMF) endoscopes are a new type of endoscope that use only a single optical fiber to transmit images, achieving much higher spatial resolution for a given diameter than commercial fiber bundle endoscopes. However, a drawback of MMF endoscopes is that imaging quality degrades substantially as the MMF is perturbed. We propose a method for improving spot formation at the distal end of a perturbed MMF, and thus improving imaging quality, by attaching a partial reflector to the distal end of the MMF. We experimentally find that the perturbation of the light reflected from the partial reflector is highly correlated with the perturbation of the light transmitted through the MMF. We demonstrate a simple method exploiting this correlation that enables formation of spots at the distal fiber end with quality 10-15% higher than if the perturbation of the MMF is ignored. In the future, more advanced algorithms exploiting the correlation may enable further improvements in spot formation and imaging through perturbed fibers.

研究の動機と目的

• 柔軟なマルチモードファイバー（MMF）内視鏡における機械的摂動によって引き起こされる画像品質の低下を是正すること。
• ファイバーの曲げやねじれに対しても、MMFの先端で高品質なスポット形成を維持できる実用的な手法を開発すること。
• 部分反射板から反射する光と、MMFを透過する光における摂動の相関を活用すること。
• 複雑なリアルタイム波面センシングを要しない、シンプルで効果的なアプローチにより、スポット形成の質を向上させること。

提案手法

• 入射光の一部を元の光源側に反射させるために、マルチモードファイバーの先端に部分反射板を設置する。
• 反射ビームにおける摂動誘発位相歪みが、MMFを透過するビームのそれと強く相関していることが確認された。
• シンプルなキャリブレーション手法により、反射ビームの位相プロファイルを用いて、透過ビームの位相歪みを推定・補償する。
• 両ビーム間の相関を活用することで、透過光の全波面センシングを必要とせずに、リアルタイムでのスポット形成補正を実現する。
• 両ビームがファイバーの曲げによって同様のモード結合を経験するという物理的原理に依存しており、位相情報の共有が可能になる。
• 反射ビームのデータを用いた補正前後におけるスポット品質の測定を含む実験的検証により、手法の有効性を確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 部分反射板からの反射光を用いて、柔軟なマルチモードファイバーを透過する光の摂動を効果的に推定できるか？
• RQ2 摂動を受けるマルチモードファイバーにおける、反射ビームと透過ビームの位相歪みはどの程度相関しているか？
• RQ3 反射ビームに基づくシンプルな補正手法により、摂動を受けるMMFの先端におけるスポット形成の質を向上させられるか？
• RQ4 反射ビームを用いた補正によって、摂動を無視した場合と比較して、スポット品質にどの程度の向上が達成できるか？
• RQ5 この手法は、複雑な波面センシングを要せず、柔軟内視鏡に実用的に実装可能か？

主な発見

• 部分反射板からの反射光における摂動は、マルチモードファイバーを透過する光のそれと強く相関している。
• 提案手法により、ファイバーの摂動を無視した場合と比較して、スポット形成の質が10–15%向上した。
• 透過光の位相を直接測定することなく、反射光の位相情報のみを用いても向上が達成された。
• 本手法により、機械的摂動下でも頑健なスポット形成が可能となり、これは柔軟内視鏡用途において極めて重要である。
• 本相関を活用したより高度なアルゴリズムの開発により、さらなる画像品質の向上が期待される。
• 実験的検証により、部分反射板を用いたリアルタイム波面補正の実用的ツールとしての可能性が裏付けられた。