生物醫學需要微創內(nei) 窺鏡，纖維內(nei) 窺鏡是微創內(nei) 窺鏡的一種，被廣泛用於(yu) 體(ti) 內(nei) 進行醫學觀察。常見的柔性內(nei) 窺鏡基於(yu) 相幹光纖束(coherent fiber bundles, CFB，也稱為(wei) 多芯光纖),它將強度模式從(cong) 遠端光纖麵的隱藏區域傳(chuan) 輸到近端光纖端麵的儀(yi) 器上。位於(yu) 光纖遠端的鏡頭縮小或放大芯到芯的距離，並確定係統的分辨率。相幹光纖束的直徑可小至數百微米，以實現微創的目的。然而，遠端光學部件增加了內(nei) 窺鏡的尺寸(通常在毫米範圍)。此外，傳(chuan) 統的二維內(nei) 窺鏡在沒有機械掃描的情況下無法給出深度信息。
DOE+CFB+U-Net網絡實現直徑小於(yu) 0.5mm的超細內(nei) 窺鏡
技術背景：
生物醫學需要微創內(nei) 窺鏡，纖維內(nei) 窺鏡是微創內(nei) 窺鏡的一種，被廣泛用於(yu) 體(ti) 內(nei) 進行醫學觀察。常見的柔性內(nei) 窺鏡基於(yu) 相幹光纖束(coherent fiber bundles, CFB，也稱為(wei) 多芯光纖),它將強度模式從(cong) 遠端光纖麵的隱藏區域傳(chuan) 輸到近端光纖端麵的儀(yi) 器上。位於(yu) 光纖遠端的鏡頭縮小或放大芯到芯的距離，並確定係統的分辨率。相幹光纖束的直徑可小至數百微米，以實現微創的目的。然而，遠端光學部件增加了內(nei) 窺鏡的尺寸(通常在毫米範圍)。此外，傳(chuan) 統的二維內(nei) 窺鏡在沒有機械掃描的情況下無法給出深度信息。
最近，具有三維成像能力的超細內(nei) 窺鏡已被提出，它能進入像視覺皮層、耳蝸和細血管這樣的精細結構。基於(yu) 單模光纖的最細內(nei) 窺鏡，其三維打印的遠端光學部件用於(yu) 一維光學相幹層析成像(OCT),直徑可小至100um以下。然而，用於(yu) 三維成像的OCT係統依賴微機電係統(MEMS)完成掃描動作，這直接導致了它的尺寸增至1mm以上。
基於(yu) 多模光纖的最細成像內(nei) 窺鏡，在其插入目標的遠端不需要大型的光學元件。具有三維成像能力的多模光纖內(nei) 窺鏡尺寸可至約100um。然而，多模光纖展示出了複雜的光學傳(chuan) 遞函數(OTF)，這歸因於(yu) 模式混合和模式色散。要實現成像，多模光纖內(nei) 窺鏡需要依賴傳(chuan) 輸特性的校準。這可以通過依序激發所有支持的光纖模式，然後使用數字全息或神經網絡來記錄光學傳(chuan) 遞函數來實現。可編程的光學元件，如空間光調製器(SLM)預先編碼光纖近端的光場，以在光纖遠端獲得想要的光場分布。這可以在光纖遠端麵產(chan) 生聚焦和其它更複雜的光場模式。OTF與(yu) 光纖的彎曲、波長漂移、溫度變化強相關(guan) ，這意味著需要實時原位校準。但實際上校準很複雜，很難實現實時。
相比之下，CFB在分離的纖芯中引導不同的模式。當芯間串擾可以忽略的時候，沒有模式混合產(chan) 生。然而，隨機相位變化在鄰近纖芯之間發生。這可以使用SLM通過數字光學相位共軛(digital optical phase conjugation, DOPC)來校準。CFB可以看作是一個(ge) 短的相位物體(ti) ，它具有很強的記憶效應，這意味著輸入耦合波前的變化會(hui) 直接轉化為(wei) 輸出耦合的波前。這種簡化的傳(chuan) 輸特性使得單麵和單次校準技術，以及使用共振掃描儀(yi) 進行快速三維成像稱為(wei) 可能。然而，這樣的內(nei) 窺鏡係統需要包含各種自適應或可編程光學器件的複雜裝置。法國菲涅耳研究所的研究人員最近提出了一種優(you) 化CFB，它具有彎曲不變的傳(chuan) 輸特性和更大的視場。他們(men) 指出彎曲誘導的相位畸變來源於(yu) CFB內(nei) 部的光程差，這種光程差取決(jue) 於(yu) 離中性軸(neutral axis)的平均距離，可以通過扭曲纖芯的排布來讓其最小化。然而，這樣的光纖難以製造，並且隻有數百纖芯。
技術要點：
基於(yu) 此，德國德累斯頓工業(ye) 大學(TU Dresden)的Robert Kuschmierz等人提出了一種無需空間光調製器這樣的大器件完成像差校準，利用衍射光學元件(DOE)、相幹光纖束、神經網絡的結合，實現直徑小於(yu) 0.5mm，分辨率約1um的超細內(nei) 窺鏡。
(1)利用CFB的記憶效應，使用靜態的DOE(雙光子聚合光刻(2-photon polymerization lithography)製造)替代SLM的動態調製來補償(chang) 畸變。
(2)DOE的隨機pattern將三維物體(ti) 的信息編碼成二維的散斑pattern，沿著超細的CFB傳(chuan) 輸。基於(yu) U-Net的神經網絡對散斑pattern解碼，完成三維重建。
a、DOE-Diffuser內(nei) 窺鏡的方案和原理。遠端的diffuser將三維目標信息編碼為(wei) 二維散斑圖案，該圖案通過CFB傳(chuan) 輸到近端，使用神經網絡實時恢複三維信息。b、不同距離(從(cong) 上到下)和垂直位置(從(cong) 左到右)的PSF。水平線表示PSF的垂直位移。c、隨機和未知距離處的二維目標重建示例。d、以隨機和未知距離重建多層三維目標的示例。
附錄：
a 每根光纖纖芯都具有隨機相位延遲，這會(hui) 增加到耦合波前上並導致光纖輸出處的高空間頻率幹擾。b 根據光記憶效應，彎曲光纖會(hui) 增加一個(ge) 整體(ti) 傾(qing) 斜到傳(chuan) 輸波前上。c 使用空間光調製器進行動態數字光學相位共軛 (DOPC) 補償(chang) 相位失真。通過在近端光纖側(ce) 的SLM上添加菲涅耳透鏡的相位結構來執行遠端光纖側(ce) 的聚焦。d DOE提供聚焦和相位共軛(假設CFB的靜態像差並放置在近端光纖麵的前麵)。e 3D打印的DOE放置在光纖近端麵，用於(yu) 像差校正和聚焦。
卷積神經網絡(CNN)方案。編碼器最後階段使用兩(liang) 個(ge) dropout層來減少過擬合。總共使用了九個(ge) 單獨訓練的CNN，每個(ge) CNN重建一個(ge) 相關(guan) 的目標平麵。
關(guan) 於(yu) 昊量光電：
上海昊量光電設備有限国产黄色在线观看是國內(nei) 知名光電国产欧美在线專(zhuan) 業(ye) 代理商，代理品牌均處於(yu) 相關(guan) 領域的發展前沿；国产欧美在线包括各類激光器、光電調製器、光學測量設備、精密光學元件等，涉及国产成人在线观看免费网站領域涵蓋了材料加工、光通訊、生物醫療、科學研究、國防及更細分的前沿市場如量子光學、生物顯微、物聯傳(chuan) 感、精密加工、先進激光製造等；可為(wei) 客戶提供完整的設備安裝，培訓，硬件開發，軟件開發，係統集成等優(you) 質服務。
您可以通過昊量光電的官方網站www.weilancj.com了解更多的国产欧美在线信息，或直接來電谘詢4006-888-532。
本文章經光學前沿授權轉載,商業(ye) 轉載請聯係獲得授權。
展示全部 
