[論文レビュー] UltraFast Optical Imaging using Multimode Fiber based Compressed Sensing and Photonic Time Stretch

Guoqing Wang, Chaitanya K. Mididoddi+5 more|arXiv (Cornell University)|Mar 8, 2018

Optical Coherence Tomography Applications参考文献 34被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、圧縮センシング（CS）画像化のための全光学的ランダムパターン生成器として単一のマルチモードファイバ（MF）を用いた、超高速な1ピクセル2次元画像化システムを提案する。光子的時間ストレッチ（PTS）と50 nm帯域幅で相互相関が0.074の波長多重スペーカー・パターンを組み合わせることで、27×27ピクセルの画像再構成をたった500回の測定で達成し、低コストで高速な光学画像化の新規な手法を示している。

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.

研究の動機と目的

• 単一のマルチモードファイバをランダムパターン生成器として用いることで、低コストで超高速な1ピクセル画像化システムを開発すること。
• 高価で複雑な従来の擬似ランダムバイナリーシーケンス（PRBS）システムの限界を克服すること。
• 単一のMFを通じて波長多重信号を逐次処理できる光子的時間ストレッチ（PTS）を活用し、高速画像化を実現すること。
• 低相関を持つ波長チューニング可能なスペーカー・パターンを用いた全光学的圧縮センシングの実現可能性を示すこと。
• 径方向スペクトルパワー分布の高速フーリエ変換（FFT）分析を用いて、再構成画像の高い空間分解能を達成すること。

提案手法

• 入射波長を1518.0 nmから1567.9 nmまで0.1 nm刻みで変化させることで、単一のマルチモードファイバ（MF）が全光学的ランダムスペーカー・パターンを生成する。
• 波長依存のスペーカー・パターンは低相互相関（0.074）を示し、圧縮センシング（CS）画像化に好適である。
• 光子的時間ストレッチ（PTS）を用いて異なる波長成分を時間的に多重化し、パターンの超高速逐次処理を実現する。
• 1ピクセルの光検出器が強度変調出力を取り込み、圧縮センシングアルゴリズムを用いて信号を再構成する。
• 空間分解能は高速フーリエ変換（FFT）を用いて分析され、中心部の低周波数成分を除去し、径方向スペクトルパワー分布を観察することで分解能限界が特定される。
• 27×27ピクセルの画像再構成にたった500回の測定で実現され、高い効率性を示している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 単一のマルチモードファイバが、パターン間の相関が低い圧縮センシング画像化に適した効果的な全光学的ランダムパターン生成器として機能できるか？
• RQ2 光子的時間ストレッチは、1ピクセル画像化システムにおける波長多重スペーカー・パターンの超高速逐次処理をどのように可能にするか？
• RQ3 径方向スペクトルパワーのFFTベース分析を用いた場合、再構成画像の達成可能な空間分解能は何か？
• RQ4 全光学的スペーカー・パターンを用いることで、ピクセル数よりも著しく少ない測定回数で高品質な画像再構成が達成可能か？
• RQ5 この全光学的CS画像化フレームワークにおいて、測定回数と画像品質のトレードオフは何か？

主な発見

• 27×27ピクセルの画像再構成がたった500回の測定で達成され、高い圧縮画像化効率を示している。
• マルチモードファイバが生成する波長多重スペーカー・パターンは、50 nm帯域幅で低相互相関（0.074）を示し、効果的な圧縮センシングを可能にしている。
• FFTベースの空間分解能分析により、4つの光学的スペーカー・パターンを用いた場合、中心部の低周波数成分を除去することで50×50ピクセルの分解能限界が達成された。
• 光子的時間ストレッチ機構により、波長依存パターンの超高速時間多重化が実現され、高速画像化が可能になった。
• 単一のマルチモードファイバをランダムパターン生成器として用いることで、高価な電子的PRBS生成器の必要がなくなり、システムコストを顕著に削減した。
• スペクトルパワー分析による再構成画像品質の検証により、顕著なパワーが径方向に均等に分布していることが確認され、高分解能画像化能力を裏付けた。