單光纖聚焦光斑數(shù)字掃描成像技術研究.pdf

1、病理學和微創(chuàng)外科手術要求具有微小探頭的內(nèi)窺鏡深入人體組織內(nèi)部，實現(xiàn)細胞級成像，促使內(nèi)窺鏡向著光纖化、小型化和高分辨方向發(fā)展。現(xiàn)有的單模光纖內(nèi)窺鏡，采用單光纖成像時需在探測端增加機械掃描裝置，采用光纖束成像時光纖束探頭體積較大，受纖芯間距的影響成像分辨率不高。因此，單模光纖成像技術限制了光纖探頭的小型化和高分辨。單根多模光纖能夠并行傳輸多個物理量，探頭尺寸小，能夠實現(xiàn)區(qū)域成像。研究單根多模光纖成像技術對內(nèi)窺鏡發(fā)展具有重要的理論價值和實際意

2、義。
　　現(xiàn)有多模光纖掃描成像方法的抗噪聲能力較差，未完全脫離機械掃描方式，如何實現(xiàn)無透鏡、無機械掃描機構的多模光纖聚焦光斑數(shù)字掃描成像是一個重要的科學問題?，F(xiàn)有多模光纖聚焦光斑整形方法需要多次迭代、計算量大，一次優(yōu)化只能形成一個聚焦光斑，如何實現(xiàn)一種無迭代的批量聚焦光斑整形是一個亟待解決的科學問題。采用多模光纖內(nèi)部光束作為參考光，部分區(qū)域參考光缺失，稱為盲斑，影響聚焦光斑的質(zhì)量。消除盲斑、消除液晶空間光調(diào)制器產(chǎn)生的移相誤差、對液

3、晶空間光調(diào)制器子區(qū)域劃分和理想光斑聚焦范圍進行優(yōu)化是另一個重要的科學問題。
　　本文針對上述問題開展研究工作，主要研究內(nèi)容如下：
　?。?）提出單根多模光纖聚焦光斑數(shù)字掃描成像方法。根據(jù)非相干成像理論和模糊介質(zhì)傳輸矩陣理論，建立多模光纖聚焦光斑數(shù)字掃描成像模型。采用基于高斯-賽德爾迭代的成像模型求解方法實現(xiàn)圖像重建。設計多模光纖聚焦光斑數(shù)字掃描成像系統(tǒng)，通過液晶空間光調(diào)制器對多模光纖輸入光場進行調(diào)制，在多模光纖出射端形成掃描

4、聚焦光斑，用于多模光纖數(shù)字掃描成像。該方法無需機械掃描機構，具有光纖化、小型化和高分辨的優(yōu)點。
　?。?）提出基于自適應并行坐標(Adaptive Parallel Coordinate，APC)算法的多模光纖聚焦光斑整形方法，用于多模光纖批量聚焦光斑整形。根據(jù)光場模態(tài)分解思想和模糊介質(zhì)理論，建立基于自適應并行坐標算法的多模光纖聚焦光斑整形方法數(shù)學模型。采用在線干涉場采集和離線相位優(yōu)化方式，計算量小、無迭代運算，一次優(yōu)化可形成批量

5、聚焦光斑。解決了其它聚焦光斑整形方法計算量大、需迭代運算、一次優(yōu)化只能形成一個聚焦光斑的問題，大大縮短了聚焦光斑整形時間。與自適應順序坐標上升算法(Sequence Coordinate Ascent，SCA)的對比實驗表明，APC算法的聚焦光斑整形質(zhì)量與SCA算法相同，APC算法形成100個聚焦光斑的時間是SCA算法的1/64，聚焦光斑數(shù)量越多，APC算法的優(yōu)勢越明顯。
　?。?）提出基于互補參考模態(tài)的盲斑消除方法，采用遺傳算法

6、快速尋找最優(yōu)的互補參考模態(tài)，解決了盲斑導致聚焦光斑質(zhì)量差的問題。分析液晶空間光調(diào)制器在移相過程中產(chǎn)生的誤差，選擇消除線性移相誤差的移相算法。優(yōu)化液晶空間光調(diào)制器子區(qū)域劃分方式和理想光斑聚焦范圍，通過理論分析和實驗得到上述參數(shù)的最優(yōu)解，提高了聚焦光斑質(zhì)量。
　　（4）建立單根多模光纖聚焦光斑數(shù)字掃描成像系統(tǒng)，研究系統(tǒng)脈沖響應函數(shù)標定方法。利用基于自適應并行坐標算法的多模光纖聚焦光斑整形方法形成批量掃描聚焦光斑，對標準分辨率板進行掃描