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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(shí)將其置入患者體內(nèi),，過(guò)程會(huì)使患者感到不適,，目前雖有無(wú)痛內(nèi)窺鏡可供選擇，但是價(jià)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(duì)患者的不適,。

目前,，由英國(guó)格拉斯哥大學(xué)、英國(guó)?？巳卮髮W(xué)等多家研究團(tuán)隊(duì)聯(lián)合,，實(shí)現(xiàn)了用 5hz 的視頻幀速率來(lái)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(gè)領(lǐng)域大放異彩,，如醫(yī)療圖像診斷輔助,、工業(yè)檢測(cè)以及環(huán)境檢測(cè)。

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(shí)驗(yàn)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(gè)光纖成一個(gè)像素點(diǎn)，從而多個(gè)光纖組成一個(gè)圖像,。該方法雖然是目前的主流,，但是多個(gè)單模光纖累加起來(lái)的尺寸較大，在一些應(yīng)用領(lǐng)域會(huì)有些問(wèn)題,，如醫(yī)療成像檢測(cè)中有些患者無(wú)法忍受 10 毫米的檢測(cè)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(gè)數(shù)量級(jí),，卻可以支持成千上萬(wàn)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(duì)所研究的多模光纖成像系統(tǒng)通過(guò) 40 厘米長(zhǎng)的光纖以 5hz 的速率提供 3D 圖像,，主要原理是一個(gè)單一的激光脈沖被傳送到視場(chǎng)中的每個(gè)空間位置,，每幀記錄 4200 點(diǎn)光柵掃描時(shí)間為 200 MS。第二根光纖,，放置在照明光纖旁邊,，用來(lái)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(yùn)動(dòng)。

雖然多模光纖相比于單模光纖有許多獨(dú)特優(yōu)點(diǎn),，但一直無(wú)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(wú)法識(shí)別的散斑圖案。幸運(yùn)的是,，研究發(fā)現(xiàn),，如果光纖保持在一個(gè)固定的位置,，擾頻過(guò)程也會(huì)保持固定，由此解決了這一棘手的問(wèn)題,。

該團(tuán)隊(duì)一個(gè)突破便是反復(fù)提到的 3D 成像,，通過(guò)測(cè)量從現(xiàn)場(chǎng)反射的激光脈沖的往返飛行時(shí)間來(lái)計(jì)算深度，從而實(shí)現(xiàn) 3D 圖像,，這是從 2D 到 3D 的巨大飛躍,。

在未來(lái)，利用超細(xì)多模光纖 3D 成像技術(shù)可以推廣到更多的應(yīng)用領(lǐng)域,，包括對(duì)一些很難打開的內(nèi)部腔進(jìn)行 3D 檢測(cè),，如進(jìn)入噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)和核反應(yīng)堆等系統(tǒng)的內(nèi)部，觀察設(shè)備有無(wú)破裂,。又如為醫(yī)生在手術(shù)時(shí)對(duì)某些粘性空心器官進(jìn)行觀察提供便利,，提供體積更小、侵入性更小的內(nèi)窺鏡,。

目前,，把該技術(shù)真正的應(yīng)用到人們的生活當(dāng)中還有很長(zhǎng)的路要走，但這為我們帶來(lái)了希望,，期待該技術(shù)能夠早日改變?nèi)藗兊纳睢?/span>

論文信息

Science, 10 Dec 2021, Vol. 374, Issue 6573, pages 1395 - 1399

https://doi.org/10.1126/science.abl3771