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该研究由Ronghua Fan、Yue Zheng、Wei Ke、Tianxuan Feng、Hanyi Zhang、Rong Fan、Yin Cao和Lijing Li共同完成，作者均来自北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院。研究于2025年2月24日发表在《Optics Express》期刊第33卷第4期，标题为“Fast and High-Resolution Multimode Fiber Speckle Imaging via Optical Coherence Control”。

学术背景

该研究属于光学成像领域，特别是基于多模光纤（Multimode Fiber, MMF）的散斑成像技术。多模光纤成像因其微创性和高分辨率在生物医学研究、临床诊断和无损精密检测等领域展现出巨大潜力。然而，MMF中的模式耦合和色散会导致传输图像信号的失真，严重影响成像质量。近年来，基于MMF的成像技术迅速发展，研究者提出了多种方法来重建失真图像，例如通过直接反演预测量的MMF传输矩阵或使用深度学习方法。此外，波前调制技术也被用于在MMF末端生成扫描焦点或散斑图案以实现主动成像。散斑成像技术通过MMF生成的一系列散斑图案照射物体，并根据返回的光强和相应的散斑图案重建物体图像。尽管该技术在操作简单性和空间分辨率上优于焦点扫描方法，但现有的MMF散斑成像系统主要依赖逐次投影单个散斑图案，这种完全串行的采样方式导致成像速度较低。因此，本研究旨在通过光学相干控制实现快速高分辨率的MMF散斑成像。

研究流程

研究分为以下几个主要步骤：

1. 理论分析与实验验证
   首先，研究团队通过理论分析和实验验证确定了散斑图案对比度对成像质量的影响。基于此，他们探讨了输入光相干性对MMF生成散斑图案的影响。实验表明，增强光学相干性可以获得高质量的散斑图案，平均相关性为0.19，平均散斑尺寸为7.08像素，平均对比度为0.75。

2. 混合散斑图案的生成与验证
   研究提出了一种由多个非相干散斑组成的混合散斑图案，以实现并行采样并提高成像速度。实验验证了非相干叠加生成混合散斑的可行性，其与理想计算值的最大偏差为0.0269。此外，研究还证明混合散斑通过物体后的混合光强可以通过光谱仪分离和检测。

3. 成像实验
   研究团队使用由两种不同非相干散斑组成的高质量混合散斑图案进行成像实验。实验结果表明，MMF散斑成像系统的采样速度提高了一倍，重建图像的结构相似性指数（SSIM）不低于0.75，峰值信噪比（PSNR）至少为15.5 dB。此外，研究验证了混合散斑图案照明方法也适用于抗扰动MMF成像系统。

4. 混合散斑图案的生成与检测
   研究利用1×2单模光纤耦合器将来自两个可调激光器的光输入到50米长的MMF中，生成混合散斑图案。通过光谱仪分离和检测混合光强信号，并使用压缩感知算法重建物体图像。实验验证了混合散斑图案的生成和检测方法的可行性。

主要结果

1. 散斑图案对比度对成像质量的影响
   实验结果表明，随着散斑图案对比度的增加，重建图像的清晰度和质量显著提高。高对比度散斑图案能够显著提升MMF散斑成像系统的成像质量。

2. 输入光相干性对散斑图案对比度的影响
   研究发现，高相干输入光能够在MMF中生成高对比度的散斑图案。实验中，使用60 kHz线宽的输入光在470米长的MMF中生成的散斑图案对比度显著高于40 MHz线宽的输入光。

3. 混合散斑图案的生成与成像速度提升
   实验验证了混合散斑图案的生成方法，并证明其能够显著提高成像速度。使用由两种非相干散斑组成的混合散斑图案，成像系统的采样速度提高了一倍。

4. 混合散斑图案在抗扰动MMF成像系统中的应用
   研究验证了混合散斑图案照明方法在抗扰动MMF成像系统中的适用性，表明该方法在不同弯曲配置下仍能保持一致的成像质量。

结论

本研究提出了一种通过光学相干控制实现快速高分辨率MMF散斑成像的新方法。该方法不仅加速了成像过程，还保持了高质量的成像结果，并且与其他提高成像速度的技术兼容。理论分析和实验验证表明，高相干输入光有助于在MMF中生成高质量的散斑图案，从而确保成像质量。同时，生成混合散斑图案时子散斑之间的非相干性允许并行采样，显著提高了成像速度。此外，混合散斑图案也适用于使用多芯光纤（MCF）的抗扰动MMF成像系统，为光路设计提供了更大的灵活性。实验结果表明，使用高质量混合散斑图案照明，采样速度提高了q倍（q为每个混合散斑图案中的单散斑图案数量），重建图像的SSIM不低于0.75，PSNR至少为15.5 dB。

研究亮点

1. 重要发现
   研究首次提出了一种通过光学相干控制实现快速高分辨率MMF散斑成像的方法，显著提高了成像速度和成像质量。

2. 方法新颖性
   研究提出了混合散斑图案的概念，利用非相干叠加实现并行采样，为MMF散斑成像系统提供了一种新的加速方法。

3. 研究对象的特殊性
   研究不仅关注传统MMF成像系统，还验证了混合散斑图案在抗扰动MMF成像系统中的应用，扩展了该技术的适用场景。

其他有价值的内容

研究还探讨了输入光相干性、MMF长度和激发模式对散斑图案生成的影响，为未来优化MMF成像系统提供了理论依据。此外，研究团队建议开发专用的光源模块，以进一步减小系统尺寸和成本，同时提高成像质量。

本研究为MMF散斑成像技术的发展提供了新的思路和方法，具有重要的科学价值和实际应用前景。