[논문 리뷰] UltraFast Optical Imaging using Multimode Fiber based Compressed Sensing and Photonic Time Stretch

Guoqing Wang, Chaitanya K. Mididoddi외 5명|arXiv (Cornell University)|2018. 03. 08.

Optical Coherence Tomography Applications참고 문헌 34인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 압축 감지(Compressed Sensing, CS) 영상 촬영을 위한 전적으로 광학적인 랜덤 패턴 생성기로 단일 다모드 섬유(Multimode Fiber, MF)를 사용하는 초고속 단일 편향 2차원 영상 촬영 시스템을 제안한다. 광학적 시간 스트레칭(Photonic Time Stretch, PTS)과 50 nm 대역폭에서 상관관계가 0.074인 파장 다중 이용 스펙클 패턴을 활용하여, 단지 500회의 측정로 27×27 픽셀 영상 재구성가능하며, 저비용의 새로운 고속 광학 영상 촬영 기법을 입증한다.

ABSTRACT

An ultrafast single-pixel optical 2D imaging system using a single multimode fiber (MF) is proposed. The MF acted as the all-optical random pattern generator. Light with different wavelengths pass through a single MF will generator all-optical random speckle patterns, which have a low correlation of 0.074 with 0.1nm wavelength step from 1518.0nm to 1567.9nm. The all-optical random speckle patterns are perfect for compressive sensing (CS) imaging with the advantage of low cost in comparison with the conventional expensive pseudorandom binary sequence (PRBS). Besides, with the employment of photonic time stretch (PTS), light of different wavelengths will go through a single capsuled MF in time serial within a short pulse time, which makes ultrafast single-pixel all-optical CS imaging possible. In our work, the all-optical random speckle patterns are analyzed and used to perform CS imaging in our proposed system and the results shows a single-pixel photo-detector can be employed in CS imaging system and a 27 by 27 pixels image is reconstructed within 500 measurements. In our proposed imaging system, the fast Fourier transform (FFT) spatial resolution, which is a combination of multiple Gaussians, is analyzed. Considering 4 optical speckle patterns, the FFT spatial resolution is 50 by 50 pixels. This resolution limit has been obtained by removing the central low frequency components and observing the significant spectral power along all the radial directions.

연구 동기 및 목표

• 단일 다모드 섬유를 랜덤 패턴 생성기로 사용하여 저비용이고 초고속인 단일 편향 영상 촬영 시스템을 개발하기 위해.
• 기존의 가격이 비싸고 복잡한 의사난수 이진 시퀀스(Pseudorandom Binary Sequence, PRBS) 시스템의 한계를 극복하기 위해.
• 단일 MF를 통해 파장 다중 이용 신호를 순차적으로 처리할 수 있도록 광학적 시간 스트레칭(PTS)을 활용하여 고속 영상 촬영을 가능하게 하기 위해.
• 낮은 상관관계를 가진 파장 조절 가능한 스펙클 패턴을 사용한 전적으로 광학적인 압축 감지의 실현 가능성을 입증하기 위해.
• 반경 방향 스펙트럼 파wer 분포의 FFT 기반 분석을 통해 재구성된 영상에서 고해상도를 달성하기 위해.

제안 방법

• 입력 파장을 1518.0 nm에서 1567.9 nm까지 0.1 nm 간격으로 변화시켜 단일 다모드 섬유(MF)를 사용해 전적으로 광학적인 무작위 스펙클 패턴을 생성한다.
• 파장에 따라 변하는 스펙클 패턴은 낮은 상관관계 0.074를 보이며, 이는 압축 감지(CS) 영상 촬영에 매우 적합하다.
• 광학적 시간 스트레칭(PTS)을 활용해 서로 다른 파장 성분을 시간적으로 다중화하여 패턴을 초고속 순차적으로 처리한다.
• 단일 편향 광검출기가 강도 변조된 출력을 측정하고, 신호는 압축 감지 알고리즘을 통해 재구성된다.
• 공간 해상도는 빠른 푸리에 변환(FFT)을 통해 분석되며, 해상도 한계는 중심 저주파 성분을 제거하고 반경 방향 스펙트럼 파wer 분포를 관찰함으로써 결정된다.
• 27×27 픽셀 영상 재구성에 단지 500회의 측정만으로도 시스템이 영상 재구성가능하며, 높은 효율성을 입증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 다모드 섬유가 패턴 간 상관관계가 낮은 전적으로 광학적인 랜덤 패턴 생성기로 압축 감지 영상 촬영에 효과적으로 기능할 수 있는가?
• RQ2 광학적 시간 스트레칭은 단일 편향 영상 촬영 시스템에서 파장 다중 이용 스펙클 패턴을 초고속 순차적으로 처리하는 데 어떻게 기여하는가?
• RQ3 반경 방향 스펙트럼 파워 분포의 FFT 기반 분석을 사용할 경우 재구성된 영상의 해상도는 어느 정도 달성 가능한가?
• RQ4 모든 광학적 스펙클 패턴을 사용할 경우 픽셀 수보다 훨씬 적은 측정 수로 고품질 영상 재구성가능한가?
• RQ5 이 전적으로 광학적인 CS 영상 촬영 프레임워크에서 측정 횟수와 영상 품질 사이의 상충 관계는 어떠한가?

주요 결과

• 시스템은 단지 500회의 측정으로 27×27 픽셀 영상 재구성가능하며, 높은 복소 영상 촬영 효율성을 입증한다.
• 다모드 섬유에 의해 생성된 파장 다중 이용 스펙클 패턴은 50 nm 대역폭에서 낮은 상관관계 0.074를 보이며, 효과적인 압축 감지 가능성을 제공한다.
• FFT 기반 공간 해상도 분석 결과, 중심 저주파 성분을 제거한 상태에서 4개의 광학적 스펙클 패턴을 사용할 경우 해상도 한계가 50×50 픽셀로 도출된다.
• 광학적 시간 스트레칭 메커니즘은 파장 의존 패턴의 초고속 시간 다중화를 가능하게 하여 고속 영상 촬영을 실현한다.
• 단일 다모드 섬유를 랜덤 패턴 생성기로 사용함으로써 고비용 전자적 PRBS 생성기가 필요 없어져 시스템 비용을 크게 감소시킨다.
• 재구성된 영상 품질은 스펙트럼 파워 분석을 통해 검증되었으며, 주로 반경 방향으로 균일하게 분포된 강력한 파wer가 관찰되어 고해상도 영상 촬영 능력이 있음을 확인한다.