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撰稿 | Gabriel（哈爾濱工程大學(xué)，博士）

內(nèi)窺鏡成像是光學(xué)成像中一種較成熟的技術(shù)。傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué)內(nèi)窺鏡尺寸與手指相當(dāng)，在進(jìn)行醫(yī)學(xué)檢查時將其置入患者體內(nèi)，過程會使患者感到不適，目前雖有無痛內(nèi)窺鏡可供選擇，但是價格較昂貴，且年齡較大的患者不適合使用該檢查手段，所以人們急需一種直徑小的內(nèi)窺鏡技術(shù)，進(jìn)而減少醫(yī)療成像對患者的不適。

目前，由英國格拉斯哥大學(xué)、英國埃克塞特大學(xué)等多家研究團(tuán)隊聯(lián)合，實現(xiàn)了用 5hz 的視頻幀速率來捕獲距離光纖尖端處幾十毫米到幾米范圍內(nèi)物體的 3D 圖像。人們希望有朝一日該系統(tǒng)可以在各個領(lǐng)域大放異彩，如醫(yī)療圖像診斷輔助、工業(yè)檢測以及環(huán)境檢測。

圖 1：多模光纖藝術(shù)效果圖

該成果“Time-of-flight  3D  imaging  through multimode optical fibers” 發(fā)表在 Science。

圖 2：研究實驗原理圖

圖源：Science

目前常用的內(nèi)窺鏡是由一束單模光纖組成，每個光纖成一個像素點，從而多個光纖組成一個圖像。該方法雖然是目前的主流，但是多個單模光纖累加起來的尺寸較大，在一些應(yīng)用領(lǐng)域會有些問題，如醫(yī)療成像檢測中有些患者無法忍受 10 毫米的檢測設(shè)備。而多模光纖雖尺寸極小，比常見的纖維束內(nèi)窺鏡要小幾個數(shù)量級，卻可以支持成千上萬的空間光學(xué)模式，所以多模光纖方法一直備受關(guān)注。

該科研團(tuán)隊所研究的多模光纖成像系統(tǒng)通過 40 厘米長的光纖以 5hz 的速率提供 3D 圖像，主要原理是一個單一的激光脈沖被傳送到視場中的每個空間位置，每幀記錄 4200 點光柵掃描時間為 200 MS。第二根光纖，放置在照明光纖旁邊，用來收集背向散射的光。3D 圖像可以在距離光纖端數(shù)十毫米到幾米的距離內(nèi)錄制，其毫米距離分辨率和幀速率極高，足以在接近視頻質(zhì)量的情況下感知運動。

雖然多模光纖相比于單模光纖有許多獨特優(yōu)點，但一直無法應(yīng)用的瓶頸是多模式之間的串?dāng)_干擾圖像，在光線的輸出端產(chǎn)生無法識別的散斑圖案。幸運的是，研究發(fā)現(xiàn)，如果光纖保持在一個固定的位置，擾頻過程也會保持固定，由此解決了這一棘手的問題。

該團(tuán)隊一個突破便是反復(fù)提到的 3D 成像，通過測量從現(xiàn)場反射的激光脈沖的往返飛行時間來計算深度，從而實現(xiàn) 3D 圖像，這是從 2D 到 3D 的巨大飛躍。