基于单根多模光纤的高速三维成像 | Science Bulletin

Science Bulletin, 2022, 67(12): 1224-1228

https://doi.org/10.1016/j.scib.2022.03.017

Short Communication

A modulated sparse random matrix for high-resolution and high-speed 3D compressive imaging through a multimode fiber

基于稀疏随机矩阵光场调制的高分辨高速多模光纤三维压缩感知成像

董震宇, 文仲, 庞陈雷, 王立强, 吴兰, 刘旭, 杨青

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研究背景

随着细胞生物学、显微成像技术和医学研究的发展，活体组织成像逐渐成为研究的热点。多模光纤内窥镜能在如发丝般纤细的探头上容纳数千个模式，是对生物过程进行低损伤、高分辨率活体观测的理想选择。然而，受限于空间光调制器的刷新速率和奈奎斯特采样定律，传统逐点扫描的成像模式仍然无法满足对三维动态过程进行高速原位观测的需要。

研究简介

浙江大学现代光学仪器国家重点实验室、之江实验室类人感知研究中心刘旭教授、杨青教授课题组在Science Bulletin发表封面文章，将光场调控技术与压缩感知成像结合，利用单根多模光纤内窥镜首次实现了亚细胞分辨率的高速三维成像。

该文提出了一种在多模光纤中生成具有高正交性的分区域稀疏随机压缩感知采样矩阵的方法，提升8倍采样速度的同时可对复杂样品进行高对比度成像。分区域采样方法的引入赋予了在各目标区域内对成像参数进行灵活调节的能力，既可以保证图像强度的分布均匀又能提高图像的局部分辨率。结合并行计算，整个重构速度比传统方法提高了10倍左右。基于三维稀疏随机采样和体重构算法，该研究实现了对(100×100×200) μm³体空间中非均匀分布的荧光微球的高保真度三维压缩感知成像，可以有效去除离焦面噪声的干扰。

图1 基于分区域稀疏随机采样的多模光纤压缩感知成像原理图和重构流程

图2 高速二维/三维多模光纤压缩感知成像结果

该研究利用计算成像的思想，打破了传统光学成像的物理制约，为多模光纤内窥镜以微创或无创的方式对狭窄空间内动态过程的高速三维成像奠定了基础。该技术未来有希望被应用于活检诊断、细胞动力学、脑成像、临床病理研究等需要高速在体观测的领域来进一步提高多模光纤内窥镜的成像速度和信噪比。

该研究得到了之江实验室重大科研项目、国家自然科学基金和国家重点研发计划的资助。

第一作者

董震宇

硕士研究生在读，浙江大学。主要研究方向为计算

成像和纳米光子学。

通讯作者

杨青

教授，浙江大学。主要研究方向为微纳光子学、微纳传感器、高灵敏高分辨微纳探测。

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