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2022年3月17日，清華大學(xué)精密儀器系先進(jìn)激光技術(shù)研究團(tuán)隊(duì)提出了一種基于多模光纖模式色散和深度學(xué)習(xí)的高速全光纖化成像方法，實(shí)現(xiàn)了千萬(wàn)幀率高速成像，該工作近期以“深度學(xué)習(xí)賦能全光纖高速圖像探測(cè)”（All-fiber high-speed imagedetection enabled by deep learning）為題發(fā)表在《自然·通訊》（Nature Communications）期刊上。

研究背景

多模光纖成像技術(shù)因其超細(xì)微型探頭和柔性結(jié)構(gòu)帶來(lái)的靈活性優(yōu)勢(shì)，在生物體內(nèi)成像、工業(yè)檢測(cè)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，獲得了業(yè)界廣泛的關(guān)注。目前，多模光纖成像技術(shù)主要分為兩類，一類通過(guò)在光纖遠(yuǎn)端產(chǎn)生聚焦點(diǎn)進(jìn)行掃描成像，另一類通過(guò)探測(cè)光纖近端的散斑場(chǎng)來(lái)恢復(fù)光纖遠(yuǎn)端被探測(cè)的全場(chǎng)圖像。這兩種技術(shù)途徑已有較完善的理論支撐，能得到較清晰的探測(cè)圖像，但同時(shí)也具有一些難以彌補(bǔ)的劣勢(shì)。例如：受限于空間光調(diào)制器、CCD或CMOS器件的刷新速度，成像幀率較低，難以對(duì)高速的事件進(jìn)行成像；結(jié)構(gòu)中包含自由空間光學(xué)元件，因此需要精密的光學(xué)對(duì)準(zhǔn)，無(wú)法與傳像主體集成實(shí)現(xiàn)全光纖化，限制了其應(yīng)用范圍；成像波長(zhǎng)受限于CCD或CMOS器件的感光光譜范圍，限制了其在紅外波段的成像能力。

研究亮點(diǎn)

為此，清華大學(xué)精密儀器系先進(jìn)激光技術(shù)研究團(tuán)隊(duì)基于十多年來(lái)在光纖激光器、光纖器件和光纖傳感的技術(shù)積累，提出了基于多模光纖模式色散和深度學(xué)習(xí)的高速全光纖化成像技術(shù)。該技術(shù)采用皮秒脈沖光纖激光照明被測(cè)物，利用多模光纖的模間色散特性將被探測(cè)圖像的空間信息在時(shí)域上展開(kāi)，時(shí)域信息通過(guò)單像素探測(cè)器進(jìn)行探測(cè)，并借助神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的方法，由一維時(shí)域信息恢復(fù)出二維圖像信息，整體結(jié)構(gòu)和原理如圖1所示。

圖1 高速多模光纖成像系統(tǒng)示意圖。a：實(shí)驗(yàn)原理圖；b：以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行圖像恢復(fù)的流程圖；c：光纖探頭示意圖；d：照明光（黃色箭頭）側(cè)面注入探測(cè)光纖的示意圖，信號(hào)光（紅色箭頭）在纖芯中傳播；e：探測(cè)光纖遠(yuǎn)端照片，端面通過(guò)燒球來(lái)更好地聚焦照明光，比例尺500微米。

該技術(shù)通過(guò)一個(gè)光纖側(cè)面耦合器將皮秒脈沖光纖激光耦合到探測(cè)光纖中，然后從光纖的遠(yuǎn)端出射照到物體上，反射光進(jìn)入探測(cè)光纖后緊接著進(jìn)入與之連接的一公里長(zhǎng)的50/125微米直徑多模階躍光纖中傳播。由于模間色散的存在，進(jìn)入多模光纖的脈沖光會(huì)產(chǎn)生分裂形成脈沖串。如圖2所示，不同的光纖橫模具有不同的群速度，因此在時(shí)域上會(huì)彼此分離，而這些橫模包含了被探測(cè)圖像的空間信息，通過(guò)模式色散便可將被探測(cè)物體的空域信息在時(shí)域上展開(kāi)。

圖2 被探測(cè)圖像與其對(duì)應(yīng)的波形和恢復(fù)結(jié)果

通過(guò)超快光電探測(cè)器可以獲得脈沖串波形，經(jīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行訓(xùn)練后，可以直接從不同的脈沖波形中恢復(fù)出被探測(cè)圖像。圖3展示了來(lái)自不同數(shù)據(jù)庫(kù)中圖案的成像效果。

圖3 不同類型圖案的成像效果

該系統(tǒng)的成像幀率主要取決于脈沖光的重頻，目前實(shí)驗(yàn)中已實(shí)現(xiàn)高達(dá)15.4Mfps幀率的成像，并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了達(dá)到53.5Mfps幀率的可行性。系統(tǒng)在高幀率成像的同時(shí)具備連續(xù)采集一萬(wàn)幀圖像（大幀深）的能力。如果采用重復(fù)頻率更高的激光照明源，并搭配更快的光電探測(cè)器和時(shí)域波形采集設(shè)備，其幀率可以持續(xù)提升。

團(tuán)隊(duì)所提出的新技術(shù)的突出優(yōu)點(diǎn)是：幀率主要由脈沖光源的重頻決定，成像幀率高；全光纖化的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，細(xì)如發(fā)絲的探頭大大增加了靈活性；單像素成像，探測(cè)波段不再受限于可見(jiàn)光，可擴(kuò)展到近紅外、甚至中波紅外等其他波段；采集時(shí)域信號(hào)而非空間分布，抗干擾能力強(qiáng)。該系統(tǒng)在某些高速成像場(chǎng)景中比如體內(nèi)高速細(xì)胞成像，或工業(yè)場(chǎng)景下對(duì)難以開(kāi)放系統(tǒng)的內(nèi)部高速成像檢測(cè)等領(lǐng)域具有巨大應(yīng)用潛力。

該研究成果近日以“深度學(xué)習(xí)賦能全光纖高速圖像探測(cè)”（All-fiber high-speed image detection enabled by deep learning）為題，發(fā)表在《自然·通訊》（Nature Communications）上。該論文通訊作者為清華大學(xué)精密儀器系副教授肖起榕，第一作者為精密儀器系2018級(jí)博士生劉洲天。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金資助。

清華大學(xué)精密儀器系先進(jìn)激光技術(shù)研究團(tuán)隊(duì)學(xué)術(shù)帶頭人為系主任、教授柳強(qiáng)，團(tuán)隊(duì)以現(xiàn)代化強(qiáng)國(guó)建設(shè)與國(guó)家重大需求為導(dǎo)向，著眼于光電子技術(shù)領(lǐng)域的科學(xué)與技術(shù)發(fā)展前沿，圍繞固體激光、光纖光學(xué)、自適應(yīng)光學(xué)、激光探測(cè)等方向，開(kāi)展基礎(chǔ)科學(xué)探索、應(yīng)用基礎(chǔ)研究和系統(tǒng)技術(shù)研發(fā)，全面覆蓋高功率激光光源、光束控制、光電探測(cè)等技術(shù)領(lǐng)域。團(tuán)隊(duì)承擔(dān)國(guó)家科技重大專項(xiàng)、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、“973”計(jì)劃、“863”計(jì)劃、重點(diǎn)驗(yàn)證、專項(xiàng)配套型號(hào)研究等一系列重大項(xiàng)目，形成了從高功率激光光源到微弱光電信號(hào)測(cè)控的整套技術(shù)鏈條，具備完整的激光光電和測(cè)控技術(shù)能力，在相應(yīng)研究方面取得了重要進(jìn)展。2018年獲批建設(shè)光子測(cè)控技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，2019年入選重點(diǎn)領(lǐng)域科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41467-022-29178-8

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深度學(xué)習(xí)賦能全光纖千萬(wàn)幀率高速成像