生成伪随机斑点照明图案可实现高分辨率成像

　　使用伪随机斑点图案是对物体成像的有效方法，但是大多数方法都需要笨重、昂贵、复杂而缓慢的机器。为了将该技术应用于生物医学成像，例如超薄内窥镜或体内神经成像，需要一种能够产生随机斑点的较小设备。日本东京大学的Takuo Tanemura领导的一组研究人员已经证明，在潜在的生物医学应用中，多模光纤（MMF）与集成的光学相控阵（OPA）芯片结合使用可用于单像素成像。

集成MMF和OPA的成像系统示意图 图片来源：东京大学T. Fukui等

　　该小组的一名博士生Taichiro Fukui将在2020年3月8日至12日在美国加利福尼亚州圣地亚哥会议中心举行的光纤通信会议和展览会（OFC）上介绍其成像技术。根据Fukui的说法，先前的研究表明，使用随机斑点而不是聚焦点照亮物体可以增强成像过程的空间分辨率。他说：“这是因为与聚焦点不同，随机散斑照明由包含更高空间频率元素的干涉图案组成。”通过将MMF输出与OPA芯片集成在一起，该芯片将输入光分为多个独立的移相器，该小组能够生成不同的随机斑点图案来照亮物体。

　　“尽管我们以前仅使用不带MMF的OPA就演示了基于随机散斑的成像，但是由于OPA上的移相器数量有限，我们无法解析大量点，” Fukui说。 “令人惊讶的是，在这项工作中，我们发现通过MMF进行传输，可解决的点数可以大大增加。”通过照明图案矩阵和透射光功率矩阵的简单矩阵乘法运算，可以快速重建物体图像。在测试此方法时，该团队能够使用128个移相器和600个照明图案对490个可分辨点成像。该结果可与其他MMF方法媲美，但具有更小、更便宜和更快的技术。

　　福井说：“这项工作中最重要的发现是，可分辨数量基本上由MMF的空间容量决定，而不再由OPA决定，就像仅使用OPA的传统方法一样。”“我们已经确认，如果我们在MMF中具有更强的联运耦合，则可分辨点的数量甚至可以超过1,000。我们的工作只是证明这种可能性的第一步。”在进行多项改进之前，例如通过在OPA芯片上集成光放大器来减少片上损耗，该技术可用于开发小型、高速、低成本和高分辨率的成像技术。Fukui说：“我们相信，我们的方案不仅可以用于内窥镜应用，而且可以用于各种光学传感和成像场景，例如流式细胞术和光学相干断层扫描。”这些结果和其他研究将在OFC 2020上现场展示。