一种基于模式调控的多模光纤成像系统技术方案

技术编号:37619729 阅读:17 留言:0更新日期:2023-05-18 12:11
本发明专利技术提供一种基于模式调控的多模光纤成像系统,所述系统包括顺序连接的信号调制模块、散斑处理模块和图像接收模块,信号调制模块包括顺序连接的激光器、扩束器和数字微镜装置;散斑处理模块包括第一分束器、第二分束器、第三分束器、空间光调制器和多模光纤,所述第一分束器的输入端与数字微镜装置相连接,输出端分别与第二分束器和第三分束器相连接,所述第二分束器连接有空间光调制器,且通过所述多模光纤与所述第三分束器相连接,所述空间光调制器基于所述多模光纤的传输矩阵进行奇异值分解,得到奇异向量,基于所述奇异向量实现光束的波前整形;所述图像接收模块包括电荷藕合相机,所述电荷耦合相机接收散斑图像。所述电荷耦合相机接收散斑图像。所述电荷耦合相机接收散斑图像。

【技术实现步骤摘要】
一种基于模式调控的多模光纤成像系统


[0001]本专利技术涉及光电子
,尤其涉及一种基于模式调控的多模光纤成像系统。

技术介绍

[0002]光纤成像技术的优势在于其直径小、损耗低、成本低等,是一种理想的侵入式导光介质,因此在内窥镜成像领域有着广泛的应用。早期的研究是采用光纤束的结构实现多个并行空间信道,每一个光纤核作为一个“像素”来收集图像信息,即使用多芯光纤(MCFs)进行成像。为了提高成像系统的分辨率和微型化程度,使用单根多模光纤进行成像渐渐进入大众的视野。
[0003]在成像光纤的直径上,使用多模光纤相比于光纤束具有显著的优势。相比光纤束成像,单根多模光纤成像的成像密度可以大1~2个数量级。但是,与使用单模光纤的光纤束不同,多模光纤可以传输成百上千种导波模式,在输出端形成不同的空间散斑分布。光纤中每一种导波模式都有不同的相速度,这会使不同的图像信息间失去原有的相位关系,最终会在输出端产生看似随机的散斑。虽然多模光纤使原有的图像发生了畸变,但这个过程并没有损失图像信息,而是将其进行了复杂的编码,如果光在光纤中的传播过程可以被得知,那么就有可能恢复原始的图像信息。
[0004]虽然经过多模光纤传输后在远端形成的散斑看似随机,但仍旧表现出可预测的性质。它们的场振幅服从瑞利分布,空间上局部相关。这些局部相关性的空间范围通常被称为散斑粒度尺寸。不同的散斑粒度大小体现了光信号在多模光纤传播过程中所激发的波导模式阶次高低,低阶模式导致散斑粒度扩大,高阶模式导致散斑粒度变小。现有技术通常难以对散斑粒度进行调节,导致图像还原精度较差。

技术实现思路

[0005]鉴于此,本专利技术的实施例提供了一种基于模式调控的多模光纤成像系统,以消除或改善现有技术中存在的一个或更多个缺陷。
[0006]本专利技术的一个方面提供了一种基于模式调控的多模光纤成像系统,所述系统包括顺序连接的信号调制模块、散斑处理模块和图像接收模块,所述信号调制模块包括顺序连接的激光器、扩束器和数字微镜装置,所述数字微镜装置用于将待传输图像调制到光路中;所述散斑处理模块包括第一分束器、第二分束器、第三分束器、空间光调制器和多模光纤,所述第一分束器的输入端与所述数字微镜装置相连接,所述第一分束器的输出端分别与第二分束器和第三分束器相连接,所述第二分束器连接有空间光调制器,且通过所述多模光纤与所述第三分束器相连接,所述空间光调制器基于所述多模光纤的传输矩阵进行奇异值分解,得到奇异向量,基于所述奇异向量实现光束的波前整形;所述图像接收模块包括电荷藕合相机,所述电荷耦合相机与第三分束器相连接,并接收散斑图像。
[0007]采用上述方案,待传输图像由于多模光纤中各种导波模式有不同的像速度,会使图像信息失去其原有的相位关系,最后使得相机采集到的图像是一个看似随机的散斑图,在本方案中,由于待传输图像的图像信息通过了在空间光调制器上显示的不同奇异向量的相位调制,所采集到的散斑图案粒度大小会产生相应变化,使对散斑粒度进行调节,实现光束的波前整形,提高在还原图像时的还原精度。
[0008]在本专利技术的一些实施方式中,所述系统包括图像还原模块,所述图像还原模块与图像接收模块相连接,接收所述图像接收模块输出的散斑图像,所述图像还原模块设置有预训练的深度学习模型,所述深度学习模型用于将散斑图像输出为还原图像,所述深度学习模型的结构为卷积网络结构,所述卷积网络结构包括卷积层、池化层和激活函数层。
[0009]在本专利技术的一些实施方式中,所述散斑处理模块还包括第一物镜和第二物镜,所述第一物镜和第二物镜分别连接于所述多模光纤的输入端和输出端。
[0010]在本专利技术的一些实施方式中,所述散斑处理模块还包括反射镜,所述反射镜设置在第二物镜和第三分束器之间,所述反射镜用于将光信号从第二物镜反射至第三分束器。
[0011]在本专利技术的一些实施方式中,所述空间光调制器基于所述多模光纤的传输矩阵进行奇异值分解,得到奇异向量的步骤包括:采用四步相移干涉法计算得到所述多模光纤的传输矩阵;对所述传输矩阵进行奇异值分解,将通过奇异值分解得到的右奇异矩阵中的每个列构建为一个奇异向量。
[0012]在本专利技术的一些实施方式中,所述采用四步相移干涉法计算得到所述多模光纤的传输矩阵的步骤包括:基于预设的哈达玛矩阵构建多个哈达玛图像,分别测试所述哈达玛图像在四个相位传输过程中所述多模光纤的输入图像和输出图像;基于所述哈达玛图像在四个相位传输过程中所述多模光纤的输入图像和输出图像计算所述多模光纤的传输矩阵。
[0013]在本专利技术的一些实施方式中,基于所述哈达玛图像在四个相位传输过程中所述多模光纤的输入图像和输出图像计算所述多模光纤的传输矩阵的步骤包括:基于每张输入图像在四个相位的输出图像构建输出列向量,基于全部的输出列向量构建输出图像矩阵;基于每张输入图像构建输入列向量,基于全部的输入列向量构建输入图像矩阵;基于所述输出图像矩阵和输入图像矩阵计算所述多模光纤的传输矩阵。
[0014]在本专利技术的一些实施方式中,在基于每张输入图像在四个相位的输出图像构建输出列向量,基于全部的输出列向量构建输出图像矩阵的步骤中,基于如下公式构建输出图像矩阵:
[0015]其中,表示第张输入图像在四个相位传输所对应的输出列向量,表示0相位的输出图像的第1个通道的像素值,表示相位的输出图像的第1个通道的像素值,表示相位的输出图像的第1个通道的像素值,表示相位的输出图像的第一个通道的像素值,表示0相位的输出图像的第2个通道的像素值,表示相位的输出图像的第2个通道的像素值,表示相位的输出图像的第2个通道的像素值,表示相位的输出图像的第2个通道的像素值,表示0相位的输出图像的第个通道的像素值,表示相位的输出图像的第个通道的像素值,表示相位的输出图像的第个通道的像素值,表示相位的输出图像的第个通道的像素值,表示虚数单位。
[0016]在具体实施过程中,在计算第1张输入图像在四个相位传输所对应的输出列向量时,以第1张输入图像在四个相位传输所对应的输出图像带入计算;在计算第张输入图像在四个相位传输所对应的输出列向量时,以第张输入图像在四个相位传输所对应的输出图像带入计算。
[0017]在本专利技术的一些实施方式中,在基于所述输出图像矩阵和输入图像矩阵计算所述多模光纤的传输矩阵的步骤中,计算所述多模光纤的传输矩阵:
[0018]其中,表示第1张输入图像在四个相位传输所对应的输出列向量,表示第2张输入图像在四个相位传输所对应的输出列向量,表示第N张输入图像在四个相位传输所对应的输出列向量,表示传输矩阵,表示第1张输入图像各个通道的像素值构成的列向量,表示第2张输入图像各个通道的像素值构成的列向量,表示第张输入图像各个通道的像素值构成的列向量,是由表征的复对角矩阵,为光束在多模光纤中传输过程的脉冲响应。
[0019]在本专利技术的一些实施方式中,基于所述奇异向量实现光束的波前整形的步骤包括:
基于每个奇异向量构建一个对应的奇异向量矩阵,基于所述奇异向量矩阵构建奇异向量图像;对多本文档来自技高网
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于模式调控的多模光纤成像系统,其特征在于,所述系统包括顺序连接的信号调制模块、散斑处理模块和图像接收模块,所述信号调制模块包括顺序连接的激光器、扩束器和数字微镜装置,所述数字微镜装置用于将待传输图像调制到光路中;所述散斑处理模块包括第一分束器、第二分束器、第三分束器、空间光调制器和多模光纤,所述第一分束器的输入端与所述数字微镜装置相连接,所述第一分束器的输出端分别与第二分束器和第三分束器相连接,所述第二分束器连接有空间光调制器,且通过所述多模光纤与所述第三分束器相连接,所述空间光调制器基于所述多模光纤的传输矩阵进行奇异值分解,得到奇异向量,基于所述奇异向量实现光束的波前整形;所述图像接收模块包括电荷藕合相机,所述电荷耦合相机与第三分束器相连接,并接收散斑图像。2.根据权利要求1所述的基于模式调控的多模光纤成像系统,其特征在于,所述系统包括图像还原模块,所述图像还原模块与图像接收模块相连接,接收所述图像接收模块输出的散斑图像,所述图像还原模块设置有预训练的深度学习模型,所述深度学习模型用于将散斑图像输出为还原图像,所述深度学习模型的结构为卷积网络结构,所述卷积网络结构包括卷积层、池化层和激活函数层。3.根据权利要求1所述的基于模式调控的多模光纤成像系统,其特征在于,所述散斑处理模块还包括第一物镜和第二物镜,所述第一物镜和第二物镜分别连接于所述多模光纤的输入端和输出端。4.根据权利要求1所述的基于模式调控的多模光纤成像系统,其特征在于,所述散斑处理模块还包括反射镜,所述反射镜设置在第二物镜和第三分束器之间,所述反射镜用于将光信号从第二物镜反射至第三分束器。5.根据权利要求1

4任一项所述的基于模式调控的多模光纤成像系统,其特征在于,所述空间光调制器基于所述多模光纤的传输矩阵进行奇异值分解,得到奇异向量的步骤包括:采用四步相移干涉法计算得到所述多模光纤的传输矩阵;对所述传输矩阵进行奇异值分解,将通过奇异值分解得到的右奇异矩阵中的每个列构建为一个奇异向量。6.根据权利要求5所述的基于模式调控的多模光纤成像系统,其特征在于,所述采用四步相移干涉法计算得到所述多模光纤的传输矩阵的步骤包括:基于预设的哈达玛矩阵构建多个哈达玛图像,分别测试所述哈达玛图像在四个相位传输过程中所述多模光纤的输入图像和输出图像;基于所述哈达玛图像在四个相位传输过程中所述多模光纤的输入图像和输出图像计算所述多模光纤的传输矩阵。7.根据权利要求6所述的基于模式调控的多模光纤成像系统,其特征在于,基于所述哈达玛图像在四个相位传输过程中所述多模光纤的输入...

【专利技术属性】
技术研发人员:于振明詹宁周月赵海英徐坤
申请(专利权)人:北京邮电大学
类型:发明
国别省市:

网友询问留言 已有0条评论
  • 还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。

1