Didelio pralaidumo savaiminių šviesų objektų vaizdavimas per vieną optinį pluoštą | gamtos komunikacijos

Didelio pralaidumo savaiminių šviesų objektų vaizdavimas per vieną optinį pluoštą | gamtos komunikacijos

Anonim

Dalykai

  • Skaidulinė optika ir optiniai ryšiai
  • Vaizdo gavimas ir jutimas

Anotacija

Vaizdai naudojant vieną optinį pluoštą suteikia patrauklių galimybių daugelyje programų, tokių kaip mikroendoskopija ar nuotolinis stebėjimas. Tačiau tiesiogiai perduoti vaizdą per optinį pluoštą yra sunku, nes skleidžiant erdvinę informaciją, jis yra iššifruojamas. Mes parodome vaizdo perdavimo strategiją, kai erdvinė informacija pirmiausia paverčiama spektrine informacija. Mūsų strategija pagrįsta paskirstomo spektro kodavimo principu, pasiskolintu iš bevielio ryšio, kai objekto taškai yra paverčiami atskirais spektriniais kodais, kurie apima visą objekto spektro pralaidumą. Vaizdas atkuriamas skaitmeniniu būdu apverčiant aptiktą spektrą pluošto išvestyje. Mes pateikiame paprastą sklidimo spektro kodavimo naudojimą, naudojant Fabry – Perot etalonus. Mūsų technika įgalina dvimatį savaime šviečiančių (tai yra nenuoseklių) objektų, turinčių didelį pralaidumą, vaizdą iš esmės nepriklausomai nuo pikselių skaičiaus. Be to, jis nejautrus pluošto lenkimui, jame nėra judančių dalių ir atveriama galimybė smarkiai miniatiūrizuotis.

Įvadas

Optiniai vaizdavimo įtaisai mūsų visuomenėje tapo visur paplitę, ir tendencija juos miniatiūrizuoti buvo neišvengiama. Miniatiūrizavimas ne tik palengvina perkeliamumą, bet ir leidžia vaizduoti sunkiai prieinamus objektus. Pavyzdžiui, biomedicinos srityje miniatiūriniai endoskopai gali pateikti mikroskopinius 1 audinio požeminių struktūrų vaizdus. Toks vaizdavimas paprastai grindžiamas miniatiūrinių lęšių naudojimu, nors ypač miniatiūrizuojant gali prireikti strategijų be lęšių 2 .

Ypač patraukli yra galimybė vaizduoti naudojant vieną pliką optinį pluoštą. Erdvinė informacija per optinę skaidulą gali būti perduodama įvairiais būdais 3, 4 . Vienas iš pavyzdžių yra modinis tankinimas, kai skirtingi erdviniai šviesos pasiskirstymai yra sujungti su skirtingais daugiamodelio pluošto erdviniais režimais. Propagacija per pluoštą užšifruoja šiuos režimus, tačiau jie gali būti iššifruoti, jei a priori matuojama pluošto 5, 6 perdavimo matrica 7, 8, 9, 10, 11, 12 . Toks erdvinis-erdvinis kodavimas gali sukelti didelę informacijos talpą 13, tačiau ją kamuoja problema, kad perdavimo matrica nėra tvirta. Bet koks pluošto judesys ar lenkimas reikalauja visiško šios matricos 10, 11 kalibravimo, o tai yra sudėtinga vaizduojant. Daug žadanti alternatyva yra erdvės spektrinis kodavimas, nes per pluoštą sklindančios šviesos spektras yra gana nejautrus pluošto judėjimui ar lenkimui. Be to, toks kodavimas daro prielaidą, kad šviesos patekimas į pluoštą yra spektriškai įvairus arba plačiajuosčio ryšio, o tai visiškai suderinama su mūsų tikslu vaizduoti savaiminio šviesos šaltinius.

Jau yra metodų, leidžiančių erdvinę informaciją paversti spektrine informacija. Pvz., Prizmė arba grotelė skirtingų spalvų šviesos spindulius nusako skirtingomis spalvomis. Padėjus miniatiūrinę grotelę ir lęšį priešais optinį pluoštą, kryptinę (erdvinę) informaciją galima paversti spalvine (spektrine) informacija ir paleisti į pluoštą. Tokia technika buvo naudojama atliekant vienmatį (1D) vaizdą, perduodant arba atspindint 4, 14, 15, 16 ar net savaime šviečiančius 17, 18 objektus, kai dvimatis (2D) vaizdas gaunamas mechanizmu fizinio nuskaitymo išilgai stačiakampės ašies. Kaip alternatyva, skenavimo neturintis 2D vaizdas be judančių dalių buvo atliktas naudojant kampo bangos ilgio kodavimą 4 arba viso spektrinio kodavimą, naudojant grotelių 19 derinį arba grotelę ir virtualų vaizdo fazinį masyvą 20, 21 . Šie 2D būdai buvo taikomi tik savaiminio apšvietimo objektams. Tokie spektrinio kodavimo būdai naudojant groteles klinikinių endoskopų konfigūracijose buvo įdiegti visai neseniai. Mūsų žiniomis, mažiausias tokio endoskopo skersmuo yra 350 μm, kurį iš dalies riboja miniatiūrinio lęšio reikalavimas endoskope 22 .

Prizmių ar grotelių ypatybė yra ta, kad jos pasiskirsto skirtingomis spalvomis į skirtingas puses. Pavyzdžiui, atliekant spektriniu būdu užkoduotą endoskopiją 16, pluošto plačiajuosčio ryšio šviesa kolimuojamas lęšiu, o paskui ją paskirstoma grotelėmis į daugelį skirtingų krypčių spindulių. Toks krypčių paskirstymas nusako endoskopo matymo lauką. Jei apsvarstysime atvirkštinę plačiajuosčio ryšio šviesos aptikimo iš savaiminio šviesos šaltinio problemą, naudojant tą pačią grotelių / objektyvo konfigūraciją, pastebėsime, kad dėl šios krypties sklidimo savybės grotelės nukreipia tik dalį spektro galios iš šaltinio. į pluoštą. Likusi jėga fiziškai praleidžia pluošto įėjimą, kuris atlieka spektrinio pjūvio vaidmenį, ir pasimeta. Iš tikrųjų, jei matymo laukas yra padalintas į M išskiriamas kryptis (objekto taškus), geriausiu atveju galima aptikti tik 1 / M kiekvienos vaizdo elementų galios dalį. Toks mastelio keitimas yra neveiksmingas ir neleidžia šio spektrinio kodavimo mechanizmo mastelio pritaikyti daugeliui vaizdo elementų (panaši problema iškyla, kai vietoj grotelių 23, 24 naudojama atsitiktinai išsklaidyta terpė). Atsižvelgiant į tai, kad iš savaiminių šviesos šaltinių energija paprastai yra ribota, tikrai pageidautina neišmesti daugumos šios galios.

Mūsų sprendimas šiai problemai yra susijęs su spektriniu koduotuvu, kuris neskirsto gaunamo spindulio krypties, įspaudžia kodą į spindulio spektrą, priklausomai nuo spindulio krypties, ir šis kodas užima visą spektro pralaidumą. Dėl šių savybių galios dalis, kurią galima aptikti iš bet kurio objekto vaizdo elemento, yra maždaug fiksuota ir nemažėja kaip 1 / M. Mes savo kodą vadiname sklidimo spektro kodavimo įrenginiu (SSE). Iš tiesų yra daug analogijos su belaidžio ryšio strategijomis 25 . Nors aukščiau aprašyti spektro kodavimo būdai, apimantys groteles, atlieka bangos ilgio padalijimo multipleksavimo ekvivalentą, mūsų technika atlieka kodo padalijimo multipleksavimo ekvivalentą.

Rezultatai

Plataus spektro kodavimo įrenginio projektavimas

Pagrindinė SSE savybė yra ta, kad ji turėtų kiek įmanoma mažiau paskleisti gaunamų spindulių kryptį. Norėdami tai užtikrinti, pirmiausia turime nustatyti, iš kur kyla toks plitimas. Grotelių atveju tai atsiranda dėl šoninių grotelių struktūros bruožų. Todėl SSE iš esmės neturėtų būti šoninių bruožų ir, kiek įmanoma, vertikaliai nekintamas variantas. Kita vertus, norint suteikti spektrinius kodus, jis turi sukelti laiko bangas, priklausančias nuo bangos ilgio. SSE, tenkinančio šias sąlygas, pavyzdys yra žemo subtilumo Fabry – Perot etalon (FPE), kaip parodyta 1 paveiksle. Šis įrašas yra vertikaliai nekintamas, todėl nekeičia spindulio krypčių. Be to, skirtingi bangų ilgiai, keliaujantys per etaloną, patiria skirtingą, daugkartinį vėlavimą dėl daugybės atspindžių. Šie laiko uždelsimai taip pat priklauso nuo spindulio krypties, suteikiant galimybę užkoduoti kampo ir bangos ilgį. Svarbu pažymėti, kad nuostoliai dėl tokio įtaiso yra tik ašine (atgal) kryptimi, priešingai nei šoninėmis kryptimis. Taigi nėra jokio plyšio efekto, kaip grotelių atveju, tai reiškia, kad kodavimui gali būti naudojamas visas spektras, o nuostoliai gali būti kuo mažesni, nepriklausomai nuo pikselių skaičiaus. Šis pranašumas yra panašus į „Jacquinot 26“ pranašumą interferometrinėje spektroskopijoje (dar vadinamas „étendue“ pranašumu).

Image

Iššviečiamas objektas su išplėstu erdviniu pasiskirstymu skleidžia plataus spektro šviesą. Skirtingos erdvinės šio objekto dalys (pikseliai) patenka į optinio pluošto įėjimą iš skirtingų krypčių. Sklaidos spektro kodavimo įrenginys (SSE) kiekvienai šviesos krypčiai suteikia unikalų spektrinį kodą efektyviu energijos vartojimu. Gautas bendras pluošto spektras aptinkamas spektrografu, o vaizdo rekonstrukcija atliekama skaitmeniniu dekodavimu. Įvestyje pateiktas SSE pavyzdys, sudarytas iš dviejų skirtingų subtilių Fabry – Perot etalonų, turinčių skirtingus laisvuosius spektrinius diapazonus, pakreiptus statmenai vienas kitam, kad užkoduotų šviesos kryptis 2D.

Visas dydis

Detalesnė mūsų sąrankos schema parodyta 2 pav. Ir aprašyta metoduose. Norėdami sumodeliuoti savaiminio šviesos šaltinių savavališką kampinį pasiskirstymą, mes panaudojome erdvinį šviesos moduliatorių (SLM) ir objektyvą. SLM buvo apšviestas baltos lempos šviesos ir objektyvo vienintelis tikslas buvo paversti SLM erdvines koordinates kampinėmis koordinatėmis prie SSE įėjimo. SSE čia sudarė dvi FPE kartu, kiekviena pakreipta ašies link, kad būtų pašalintos kampinės kodavimo degeneracijos apie pagrindinę optinę ašį (pastaba: toks pakreipimas vis tiek išsaugo vertimo netolygumą). Tokiu būdu kiekviena 2D spindulio kryptis maždaug 160 mrad kampu, atitinkančiu mūsų matymo lauką, buvo užkoduota į unikalų spektrinį modelį, kuris vėliau buvo paleistas į daugiamatį pluoštą, didesnę skaitmeninę apertūrą. Proksimaliniame pluošto gale esantis šviesos spektras buvo išmatuotas spektrografu ir nusiųstas į kompiuterį aiškinti.

Image

Balta lempos šviesa kolimizuojama naudojant 1 mm diafragmą (A) ir kolimacinį sklaidytuvą ( f c = 100 mm). Šviesa nukreipiama per erdvinį perdavimo moduliatorių (SLM). Kryžminti tiesiniai poliarizatoriai (LP 1 ir LP 2 ) užtikrina, kad SLM užtikrintų amplitudės moduliaciją. Trumpųjų dažnių filtras (F) įdedamas, kad blokuotų ilgesnius nei 740 nm bangos ilgius, kai SLM kontrastas pablogėja. Vieneto padidinimo relė ( f 1 = 100 mm) leidžia įterpti antrą 1 mm angą (A), kad pašalintų iš SLM klaidingą aukštosios difuzijos šviesą. Objektyvas ( f θ = 25 mm) vaidina pagrindinį vaidmenį konvertuojant SLM taškų padėtį į spindulių kryptis. Sklaidos spektro kodavimo įrenginį (SSE) sudaro du stačiakampiai žemo subtilumo Fabry – Perot etalonai (FPE 1 ir FPE 2 ), atskirti vieneto didinimo relė ( f 2 = 25 mm). Šviesa, sklindanti iš SSE, yra perduodama (vieneto padidinimas, 0, 25NR objektyvai) į atvirą optinį pluoštą, kurio šerdies skersmuo yra 200 μm. Antrinis relinis pluoštas, kurio šerdies dydis yra mažesnis (100 μm), skirtas pagerinti mūsų spektrografo spektrinę skiriamąją gebą. Spektras įrašomas fotoaparatu ir siunčiamas į kompiuterį (PC). Vertikalios punktyrinės linijos atitinka optines plokštumas, atskirtas vieneto didinimo relėmis, kurių vienintelis tikslas yra suteikti fizinę erdvę optiniams stovams laikyti.

Visas dydis

Vaizdo gavimas

Mūsų be objektyvo konfigūracijoje optinė kampinė skiriamoji geba, apibrėžta pluošto šerdies skersmens, buvo ~ 3 mrad, o tai buvo geriau (mažesnė) nei minimalus kampinis vaizdo elementų dydis (12 mrad), naudojamas mūsų objektams koduoti. Be to, šie mažiausi objekto pikselių dydžiai buvo pakankamai dideli, kad būtų erdvėje nenuoseklūs, tai reiškia, kad pikselių generuojami spektriniai signalai galėtų būti laikomi nepriklausomais vienas nuo kito, taip sumažinant SSE iki linijinės sistemos. Tiksliau sakant, M įvestų vaizdo elementų (spindulių kryptys A m ) ir N išvesties spektrinio aptikimo elementų ( B n ) atveju SSE procesą galima užrašyti matricos forma kaip B = M A, kur kiekvienas stulpelis M atitinka spektrinį kodą. už susijusį objekto tašką. Šie spektriniai kodai turi būti išmatuoti iš anksto prieš bet kokį vaizdavimo eksperimentą; tačiau išmatuoti jie nėra jautrūs pluošto judėjimui ar lenkimui. Kai M yra apibrėžtas, tada galima atlikti vaizdą. Savavališkas savaiminių šviesos šaltinių (objekto pikselių) pasiskirstymas sukelia spektrinių kodų, išskaičiuotų pagal atitinkamus pikselių intensyvumą, superpoziciją. Tada šio pasiskirstymo (A) išgavimas išmatuojus visą išvesties spektrą (B), tada oficialiai nurodomas A = M + B, kur M + yra pseudoinversija M (žr. Metodus).

Nors didelis SSE pralaidumas palengvina efektyvų objekto ryškumo perdavimą, vien to nepakanka norint užtikrinti, kad vaizdo gavimas bus patikimas. Kaip matysime toliau, vaizdo gavimo patikimumas ir atsparumas triukšmui kritiškai priklauso nuo M būklės. Pavyzdžiui, tipiniai spektriniai kodai ir pavienės M vertės, gautos naudojant mūsų SSE, yra pavaizduotos papildomame 1 pav. Idealiu atveju pavienės vertės turėtų būti paskirstytos kuo tolygiau, nurodant labai ortogonalius spektrinius kodus. Mūsų atveju M sąlyginis skaičius buvo keli šimtai, tai rodo, kad mūsų SSE nebuvo idealūs ir kad juos būtų galima žymiai patobulinti kuriant būsimus dizainus. Nepaisant šių aukštų sąlygų, mes sugebėjome atkurti iki 49 taškų dydžio 2D atvaizdus (žr. 3 ir 4 pav. Ir 2 papildomą pav.), Kurių silpnas pikselių ryškumas maždaug atitiko silpnai apšviesto kambario apšvietimą.

Image

Erdviniai „BU“ formos baltos šviesos objektai, sudaryti iš 49 pikselių (7 × 7), siunčiami per SSE ir paleidžiami į pluoštą (žr. Metodai). Rekonstruoti atvaizdai ir pikselių vertės kartu su susijusiomis vidinio vaizdo klaidomis rodomi skirtingiems pikselių išdėstymams. ( A ) - ( c ) eilutėse pikselių dydžiai (galios) yra vienodi, tačiau padidėja jų atskyrimas, o tai lemia geresnę rekonstrukciją (mažesnė vidutinė kvadratinė vertė). ( D ) ir ( e ) eilutėse pikselių atskyrimas yra vienodas, tačiau jų dydis didinamas, kol pikseliai nesutampa. Atitinkamą pikselių galios padidėjimą atsveria sumažėjęs susijusių spektrinių kodų kontrastas (dėl padidėjusios vieno vaizdo elemento kampų įvairovės), dėl ko sumažėja rekonstrukcijos kokybė (aukštesni kvadratiniai koeficientai). Buvo patikrinta, ar rekonstrukcijos yra stabilios ir nejautrios pluošto judėjimui ar lenkimui (žr. Papildomą 3 pav.).

Visas dydis

Image

Spektriniai kodai ir išvesties spektras, susieti su 2c pav. a ) Tipiniai keturių objekto taškų šalia centro spektriniai kodai ( M stulpeliai) (paryškinta skirtingomis spalvomis intarpuose). b ) Bendras išvesties spektras (B), atsirandantis iš visų objekto taškų spektrų svertinės sumos, čia įvestyje parodyta „BU“ forma. Vieno spektro taško bangos ilgis yra ~ 0, 5 nm, o objekto visas juostos plotis yra ~ 300 nm. Spektrinis taškas, pažymėtas 500, atitinka 565 nm.

Visas dydis

Skiriamųjų pikselių skaičius

Norėdami įvertinti maksimalų išskiriamų objektų vaizdo elementų, kuriuos gali užkoduoti mūsų SSE, skaičių, atsižvelgiame į idealizuotą atvejį, kai fotografuojamas triukšmas yra vienintelis triukšmo šaltinis, ir pirmiausia įvertiname signalo ir triukšmo santykį (SNR) atkuriant vaizdą vienas pikselis. Mes apibrėžiame W kaip bendrą galią, kuri būtų aptinkama, jei sistemoje nebūtų SSE, o visi objekto taškai būtų pilni visame regėjimo lauke. Toliau mes apibrėžiame η kaip vidutinį SSE pralaidumą (priklauso nuo pralaidumo), o γ - kaip informacijos kodo matricoje M apibrėžtų spektrinių kodų informacijos dydį (beveik nepriklausomą nuo pralaidumo). Šį paskutinį parametrą sunku įvertinti, nes jis priklauso nuo spektrinių kodų kokybės, taigi ir nuo objekto pikselių M skaičiaus, uždaryto regėjimo lauke. Aišku, jei spektriniai kodai yra visiškai nereikalingi ( γ = 0), informacijos apie vaizdą perduoti negalima. Apatinę γ ribą galima apytiksliai įvertinti pagal kodavimo matricos atvirkštinį sąlygų skaičių M (nuoroda 27). Tačiau šią apatinę ribą galima žymiai padidinti, taikant matmenų sumažinimą M (tai yra, taikant pseudoinversiją, taikant mažiausią ribą M pavienėms reikšmėms), arba atkuriant atvaizdą, pavyzdžiui, pozityvumo apribojimą. Mūsų atveju su tipiškomis M = 49 objektų pikselių atskyrimais ir dydžiais bei taikant pozityvumo apribojimą, γ reikšmės yra 0, 01 (nors dažnai šiek tiek mažesnės). Tai toli gražu neviršija maksimalios vertės γ = 1, kurią būtų galima pasiekti naudojant idealius kodus, ir tai rodo, kad geresnių SSE dizainą dar reikia daug tobulinti.

Tęsdami mūsų skaičiavimą, jei regėjimo laukas yra padalintas į M objekto pikselius, tada aptikta vieno objekto pikselio energija, praėjusi per SSE, yra ηWT / M , kur T yra matavimo laikas. Pagal paskirstymo spektro kodavimo principą ši energija pasiskirsto maždaug vienodai N detektoriaus (spektrografo) vaizdo elementų, tai reiškia, kad vidutinė detektoriaus vaizdo elementų energija yra ηWT / MN , o atitinkamas triukšmas kvadratiniame kvadratiniame triukšme yra 1 detektoriaus vaizdo elementas.

Image

, kai darome prielaidą, kad W matuojamas fotoelektronų vienetais per sekundę ir mes nepaisome detektoriaus triukšmo. Tačiau ne visa ši vidutinė energija yra naudinga. Vieno aptikimo taško, kuriame yra informacijos apie vaizdą, energija yra γηWT / MN . Taigi spektrografe turime signalo ir triukšmo dydį.

Norėdami apskaičiuoti signalą ir triukšmą po vaizdo gavimo, darome prielaidą, kad visi aptikti signalai yra koreliuojami ir tokiu būdu nuosekliai prisideda prie atkuriamo vaizdo signalo (tai yra, keičiant skalę su N ), tuo tarpu visi aptikti triukšmai nėra koreliuojami ir nenuosekliai prisidėti prie atkuriamo vaizdo triukšmo (tai yra, padidinti mastelį su

Image
). Taigi, gauto vaizdo vieno objekto pikselio SNR, darant prielaidą, kad N > M , yra

Image

kur SNR B yra SNR, susijęs su aptiktu spektru B objekto taške (pirmasis ryšys atitinka 27 nuorodą).

Šis posakis pateisinamas tikrinimu. Pirmiausia išnagrinėsime, kaip SNR A priklauso nuo M. Didėjant M , mažėja vieno objekto pikselio galia W / M , o tai akivaizdžiai kenkia SNR A. Kita vertus, mažėjant M , jei regėjimo laukas išlieka fiksuotas, objekto taškai tampa didesni, tai yra, jie pasiskirsto didesniais vienodais kampais. Šis kampo įvairovės padidėjimas viename taške paprastai lemia spektro kodų, susijusių su kiekvienu vaizdo elementu , kontrastą γ . T. y., Tiek dideli, tiek maži M yra galutinai žalingi SNR A.

Iš pirmo žvilgsnio gali atrodyti, kad SNR A nepriklauso nuo N , kol pastebėsime, kad γ aptikimo metu priklauso nuo spektrinių kodų kontrasto. Jei N yra didelis, o aptikti spektriniai kodai yra per daug imami, tada N neturi jokio poveikio SNR A. Kita vertus, jei N yra toks mažas, kad spektriniai kodai nėra imami, tada γ sumažėja ir atitinkamai, kaip ir SNR A.

Mūsų atveju η ~ 0, 06 (atitinka ~ 0, 25 vienam matmeniui), ηW ~ 10 8 fotoelektronai per sekundę ir T ≈1 s. Norimam SNR A, tarkime, 10, gauname maždaug 100 eilės M vertę. Tai yra apskaičiuota didumo tvarka, apytiksliai atsižvelgiant į mūsų rezultatus.

Diskusija

Apibendrinant, mes pademonstravome metodą, kaip savarankiškai šviečiančius objektus vaizduoti per vieną optinį pluoštą. Metodas pagrįstas erdvinės informacijos kodavimu į spektrinę informaciją, kuri nėra apsaugota nuo pluošto judėjimo ar lenkimo. Pagrindinė mūsų technikos naujovė yra tai, kad kodavimas atliekamas per visą sistemos spektrinį pralaidumą, tai reiškia, kad didelis pralaidumas išlaikomas nepriklausomai nuo skiriamųjų vaizdo taškų skaičiaus (priešingai nei dalijant bangos ilgį), palengvinant savęs vaizdavimą. šviečiantys objektai.

Kodavimą atlieka pasyvūs optiniai elementai. Demonstracijoje mes panaudojome mažo subtilumo FPE, kurie neturi šoninės struktūros ir suteikia tiksliai apibrėžtus kvazinsusoidinius spektrinius kodus, kurių laikotarpiai priklauso nuo apšvietimo krypties. Kaip alternatyva, SSE galėtų suteikti daug sudėtingesnius kodus, kurie iš esmės yra atsitiktiniai, kaip gaunami, pavyzdžiui, iš daugybės sukrautų plonų plėvelių, turinčių atsitiktinį storį arba lūžio rodiklį. SSE metodai, pagrįsti pseudoatsitiktiniais kodais, yra panašūs į asinchroninio kodų padalijimo multipleksavimo būdus belaidžio ryšio srityje. Mūsų taikomoms programoms tai padidins vaizdų atstatymą nuo bangos ilgio išblukimo ar spalvų kitimo mūsų objektų spektre. Reikėtų pažymėti, kad erdvinių spektrų kodavimas, pagrįstas atsitiktinai išsklaidytomis terpėmis, jau buvo parodytas 23, 24 ; tačiau šiais atvejais išsibarstymas buvo maždaug izotropinis, o ne 1D, o tai lėmė stiprų pluošto plitimą ir galiausiai ribotą pralaidumą.

Iš esmės SSE galima miniatiūrizuoti ir integruoti pačiame optiniame pluošte, naudojant fotoninių kristalų ar metamaterialų technologijas arba metodus, panašius į pluošto Braggo grotelių įspaudimą. Tokie integruoti kodavimo įrenginiai turėtų parodyti struktūrą beveik išimtinai ašine kryptimi, nors gali prireikti šiek tiek silpnos šoninės struktūros, kad būtų galima nutraukti šoninius degeneracijas ir įgalinti 2D kampinį kodavimą (dėl to gali šiek tiek sumažėti spektrinių kodų kontrastas). Vis dėlto alternatyvi strategija norint pasiekti 2D kodavimą yra atlikti 1D kodavimą naudojant SSE ir derinti tai su paties optinio pluošto fiziniu vertimu ar pasukimu, kad būtų pasiektas 2D vaizdas (panašiai kaip ir 18, 22 nuorodose). Šios paskutinės alternatyvos pranašumas yra tas, kad ji gali užtikrinti didesnę 2D vaizdo skiriamąją gebą, tačiau jos trūkumas yra tas, kad jai reikalingos judančios dalys.

Nors mūsų demonstravimas čia apsiribojo koncepcijos įrodymu, mes tikimės, kad mūsų technikos pritaikymai apima fluorescencinę ar chemiliuminescencinę mikroendoskopiją giliai audinyje. Siauresniems juostų plotiams, susijusiems su tokiu vaizdavimu, prireiktų smulkesnių struktūrų mūsų spektriniuose koduose ir tuo pačiu didesnės spektrinės skiriamosios gebos spektrografe. Nepaisant to, iš principo galima gauti net labai struktūruotą kodavimą, neprarandant pralaidumo ir naudojant ultraminiatiūrinę geometriją, kuri suteikia patrauklią galimybę atlikti mikroendoskopijos įrenginį, kuris sukelia minimalų chirurginį pažeidimą. Arba mūsų technika galėtų būti naudojama ultra miniatiūriniams savaiminio ar baltos šviesos apšviestų scenų vaizdavimui nuotoliniu būdu.

Metodai

Optinis išdėstymas

Mūsų išdėstymo principas parodytas 1 pav., O išsamiau aprašytas 2 pav. Nenuoseklus (pavyzdžiui, savaime šviečiantis) objektas buvo imituojamas siunčiant kolimizuotą baltą šviesą iš lempos per intensyvumo perdavimo erdvinės šviesos moduliatorių ( „Holoeye LC2002“) su kompiuteriu valdomais dvejetainiais taškais. Lęšis ( f θ ) pavertė vaizdo elementų taškus į spindulio kryptis, kurios buvo išsiųstos per SSE ir nukreiptos į optinį pluoštą (200 μm skersmens, 0, 39NR). Spektras proksimaliniame pluošto gale buvo užregistruotas spektrografu (Horiba CP140-103), pasižyminčiu 2, 5 nm spektrine skiriamąja geba, kurią riboja antrinio relinio pluošto šerdies skersmuo.

SSE statyba

Mūsų SSE buvo sudaryti iš dviejų mažo subtilumo FPE, pakreiptų ~ 45 ° optinės ašies atžvilgiu stačiakampėmis kryptimis vienas kito atžvilgiu. FPE buvo gaminami išgarinant plonus, paprastai 17 nm storio, sidabro sluoksnius ant standartinių mikroskopų dangtelių, juos rankiniu būdu suspaudžiant kartu, kad susidarytų kelių mikronų oro tarpai, ir klijuoti optiniu cementu šalia dangtelio kraštų. Idealiu atveju FPE, koduojantys stačiakampę kryptį, turėtų turėti labai skirtingus laisvuosius spektrinius diapazonus, tačiau mūsų atveju tai buvo sunku pasiekti. FPE 1 subtilumas buvo ~ 5, išmatuotas esant 670 nm, esant laisvajam spektrui ~ 26 THz, rodantis, kad oro tarpas buvo ~ 6 μm. FPE 2 subtilumas buvo ~ 3, esant 670 nm, esant laisvajam spektriniam diapazonui 19 THz ir oro tarpui ~ 8 μm.

Kalibravimas ir vaizdo gavimas

Norėdami nustatyti SSE matricą M prieš vaizdavimą, mes kiekvieną objektą pikseliu apvažiavome po vieną ir įrašėme susijusius spektrus ( M stulpelius). Įrašų vidurkis buvo per 20 matavimų, naudojant 800 ms spektrografo ekspozicijos laiką. Faktinis vaizdas buvo atliktas naudojant B spektrografinius įrašus su 800 ms ekspozicijos trukme. Atitinkami vaizdo taškai A m buvo rekonstruoti mažiausiais kvadratais, atitinkančiais neneigiamumą, pateiktą min A || M A − B || 2, kur A m ≥0 ∀ m , kaip numatyta „Matlab“ funkcijos lsqnonneg. Atkreipiame dėmesį, kad pradinis foninis spektras, gautas išjungus visus SLM taškus, buvo sistemingai atimamas iš visų spektrinių matavimų, kad būtų pataisytas ribotas mūsų SLM įjungimo / išjungimo kontrastas (apie 100: 1).

Papildoma informacija

PDF failai

  1. 1.

    Papildoma informacija

    Papildomi 1–3 paveikslai.

Komentarai

Pateikdami komentarą jūs sutinkate laikytis mūsų taisyklių ir bendruomenės gairių. Jei pastebite ką nors įžeidžiančio ar neatitinkančio mūsų taisyklių ar gairių, pažymėkite, kad tai netinkama.