[论文解读] 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 5

一句话总结

该论文提出了一种利用单根多模光纤（MF）作为全光随机图案发生器的超高速单像素2D成像系统，用于压缩感知（CS）成像。通过结合光子时间拉伸（PTS）技术与波分复用的散斑图案（在50 nm带宽内互相关系数为0.074），该系统仅用500次测量即实现了27×27像素图像的重建，展示了新颖且低成本的高速光学成像方法。

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.

研究动机与目标

• 开发一种利用单根多模光纤作为随机图案发生器的低成本、超高速单像素成像系统。
• 克服传统伪随机二进制序列（PRBS）系统成本高、结构复杂的问题。
• 通过利用光子时间拉伸（PTS）技术，将波分复用信号通过单根MF串行处理，实现高速成像。
• 证明利用波长调谐散斑图案实现低互相关性的全光压缩感知的可行性。
• 通过径向光谱功率分布的快速傅里叶变换（FFT）分析，实现重构图像的高空间分辨率。

提出的方法

• 通过在1518.0 nm至1567.9 nm之间以0.1 nm为步长改变输入波长，利用单根多模光纤（MF）生成全光随机散斑图案。
• 波长相关的散斑图案表现出0.074的低互相关性，非常适合用于压缩感知（CS）成像。
• 采用光子时间拉伸（PTS）技术对不同波长分量进行时间复用，实现图案的超高速串行处理。
• 单像素光电探测器捕获调制后的强度信号，并通过压缩感知算法进行信号重构。
• 通过快速傅里叶变换（FFT）分析空间分辨率，通过去除中心低频分量并观察径向光谱功率分布来确定分辨率极限。
• 系统仅用500次测量即实现27×27像素图像的重构，证明了其高效率。

实验结果

研究问题

• RQ1 单根多模光纤能否作为压缩感知成像中低相关性图案的有效全光随机图案发生器？
• RQ2 光子时间拉伸如何实现在单像素成像系统中对波分复用散斑图案的超高速串行处理？
• RQ3 在基于径向光谱功率分布的FFT分析下，重构图像的可实现空间分辨率是多少？
• RQ4 系统能否利用全光散斑图案在远少于像素数的测量次数下实现高质量图像重构？
• RQ5 在此全光压缩感知成像框架中，测量次数与图像质量之间的权衡关系如何？

主要发现

• 系统仅用500次测量即实现27×27像素图像的重构，证明了其高效的压缩成像能力。
• 多模光纤生成的波分复用散斑图案在50 nm带宽内互相关系数仅为0.074，有效支持压缩感知。
• 基于FFT的空间分辨率分析显示，当使用四个光学散斑图案时，分辨率极限可达50×50像素，通过去除中心低频分量实现。
• 光子时间拉伸机制实现了波长相关图案的超高速时间复用，促进了高速成像。
• 使用单根多模光纤作为随机图案发生器，无需昂贵的电子PRBS生成器，显著降低了系统成本。
• 通过光谱功率分析验证了重构图像质量，结果表明显著功率均匀分布在径向方向，表明具备高分辨率成像能力。