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麻省理工学院利用开放式光纤束开发新的成像系统

发布时间:2018-05-16  点击数:[8]

em麻省理工学院媒体实验室开发的一种新型成像系统使用开放式光纤束 - 不需要镜头,也不需要保护外壳。 < / EM>

光纤在一端连接到光电传感器阵列;另一端可以保持无波动状态,因此它们可以单独穿过多孔膜中的微米尺寸的缝隙,对另一端的任何图像进行成像。

纤维束可以通过管道进入并浸入流体中,以形成油田,含水层或管道,而不会对水密外壳造成损害。紧密的纤维束可以产生直径更窄的内窥镜,因为它们不需要额外的电子器件。

光纤自由端的位置不需要对应阵列中光电检测器的位置。通过测量短光束到达光电探测器的不同时间 - 一种称为“飞行时间”的技术,该设备可以确定光纤的相对位置。

在该设备的商业版本中,光纤的校准爆发将由光纤本身传递,但在其原型系统的实验中,研究人员使用外部激光。

负责这项新工作的媒体实验室相机文化组的博士后Barmak Heshmat说:“飞行时间是我们小组广泛使用的一种技术,从未被用来做这种事情。 “以前的作品使用飞行时间来提取深度信息。但在这项工作中,我建议使用飞行时间来启用一个新的成像界面。“

研究人员今天在Nature Scientific Reports上报告了他们的结果。 Heshmat是该论文的第一作者,他还是媒体实验室相机文化团队的媒体艺术和科学副教授Ramesh Raskar以及博士后研究员Ik Hyun Lee。

旅行时间

在他们的实验中,研究人员使用了一束1,100根纤维,这些纤维的一端是自由飘动的,并位于投影符号的屏幕对面。光束的另一端连接到分束器,分束器又连接到普通照相机和高速照相机,可以区分光脉冲的到达时间。

两束超快激光垂直于光纤束末端的纤维尖端,并相互垂直。激光发射短光线,高速摄像机记录了每根光纤的到达时间。

由于光线的爆发来自两个不同的方向,软件可以使用到达时间的差异来产生光纤尖端位置的二维图。然后它使用这些信息来解读传统相机拍摄的混乱图像。

系统的分辨率受光纤数量的限制; 1,100光纤原型产生的图像大约是33×33像素。由于图像重建过程中也存在一些模糊性,研究人员在实验中产生的图像相当模糊。

但原型传感器也使用直径为300微米的现成光纤。直径仅为几微米的纤维已经商业化生产,因此对于工业应用,分辨率可能会显着增加而不会增加纤维束的尺寸。

当然,在商业应用中,该系统不会在光纤尖端放置两个垂直激光器。相反,光线会沿着单根光纤发送,系统会测量它们反射回来的时间。需要更多的脉冲来形成光纤位置的精确图像,但是,那么脉冲太短以至于校准仍然只需要几分之一秒。

Heshmat说:“两个是你可以使用的最小脉冲数。 “这只是概念证明。”

检查参考

对于医疗应用而言,光纤束的直径以及纤维的数量需要较低,通过使用所谓的干涉测量方法可以提高图像的质量。

采用这种方法,输出光信号被分成两部分,其中一半(参考光束)保持在本地,而另一半 - 样本光束 - 从场景中的物体反射回来。这两个信号然后重新组合,并且它们相互干扰的方式产生关于样本光束轨迹的非常详细的信息。研究人员在他们的实验中没有使用这种技术,但他们确实进行了理论分析,表明它应该能够进行更准确的场景重建。

“将飞行时间测量和计算成像相结合的知识显然是有趣且非常具有创新性的,”洛杉矶加利福尼亚大学电气工程副教授Mona Jarrahi说。 “作为作者提到,他们瞄准的是正确的问题,因为很多成像应用在环境条件或空间方面都受到限制。”

她警告说,依靠激光照射纤维本身“比他们在这个实验中显示的要难”。 “但物理信息在那里。有了正确的安排,人们就可以得到它。“

“这项技术的主要优势在于光学刷的末端可以动态灵活地改变其形状,”东京大学化学教授Keisuke Goda补充道。 “我相信这对小肠的内窥镜检查很有用,这种结构非常复杂。”

出版物:Barmak Heshmat等人,“Optical brush:Imaging through permuted probes,”Scientific Reports 6,Article number:20217(2016); DOI:10.1038 / srep20217

资料来源:麻省理工学院新闻节目Larry Hardesty

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