[论文解读] 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 3

一句话总结

本文提出在柔性多模光纤的远端端部使用部分反射镜，以改善机械扰动下的光斑形成质量。通过利用反射光与透射光中扰动之间的强相关性，该方法相比忽略光纤扰动的情况，将光斑质量提升了10–15%，从而在柔性内窥镜中实现更鲁棒的成像。

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.

研究动机与目标

• 解决柔性多模光纤（MMF）内窥镜中因机械扰动导致的图像质量下降问题。
• 开发一种实用方法，即使在光纤弯曲和扭转的情况下，也能在多模光纤远端保持高质量的光斑形成。
• 利用部分反射镜反射光与多模光纤透射光中扰动之间的相关性。
• 展示一种简单而有效的方法，通过补偿反射光的相位畸变来提升光斑质量，而无需复杂的实时波前传感。

提出的方法

• 在多模光纤的远端端部安装一个部分反射镜，将入射光的一部分反射回光源方向。
• 测量发现，由于扰动引起的反射光束相位畸变与多模光纤中透射光束的相位畸变高度相关。
• 采用一种简单的校准方法，利用反射光束的相位分布来估计并补偿透射光束中的相位畸变。
• 该方法通过利用两束光之间的相关性，实现实时光斑形成校正，避免了对透射光束进行完整波前传感的需求。
• 该技术依赖于物理原理：由于光纤弯曲引起的模式耦合在两束光中相似，从而共享相位信息。
• 通过实验验证该方法：搭建测量系统，对比使用反射光数据进行补偿前后光斑质量的变化。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用部分反射镜的反射光束有效估计柔性多模光纤中透射光的扰动？
• RQ2 扰动多模光纤中反射光与透射光的相位畸变之间相关性有多强？
• RQ3 能否基于反射光束开发一种简单校正方法，以改善受扰动的多模光纤远端的光斑形成质量？
• RQ4 与忽略扰动相比，利用反射光束进行补偿时，光斑质量可实现多大程度的提升？
• RQ5 该方法能否在柔性内窥镜中实际应用，而无需复杂的波前传感？

主要发现

• 部分反射镜反射光中的扰动与多模光纤透射光中的扰动高度相关。
• 与忽略光纤扰动的情况相比，所提出的方法使光斑形成质量提升了10–15%。
• 该提升仅依赖于反射光束的相位信息，无需直接测量透射光束的相位。
• 该方法在机械扰动下仍能实现鲁棒的光斑形成，这对柔性内窥镜应用至关重要。
• 结果表明，若进一步利用相同相关性开发更先进的算法，有望进一步提升成像质量。
• 实验验证确认，使用部分反射镜作为实时波前校正的实用工具在柔性多模光纤内窥镜中具有可行性。