実値強度伝送行列を用いたマルチモードファイバの透視

Seeing through multimode fibers with real-valued intensity transmission matrices.

• Tianrui Zhao
• Sebastien Ourselin
• Tom Vercauteren
• Wenfeng Xia

抄録

マルチモード光ファイバを用いた画像伝送は、バイオメディカル分野における内視鏡の小型化、通信分野における高速化・大容量化の要求に伴い、大きな関心を集めている分野である。従来、画像検索のためにマルチモード光ファイバの入力光場と出力光場を結ぶために、複素数値の伝送行列を実験的に求めていましたが、実験設定が複雑になり、計算量が増加していました。本研究では、マルチモードファイバの入力光強度分布と出力光強度分布の間に擬似的な線形性が存在することを実証し、その結果に基づいた画像検索のための簡単かつ高速な手法を報告する。本研究では、画像の画素数,ファイバコア径,数値開口数などの重要なパラメータが画像検索に与える影響を調べた。さらに、実験と数値シミュレーションにより、多種多様な入力2値画像やグレースケール画像を、対応する出力スペックルパターンから忠実に検索できることを実証した。このことから、バイオ医療における超小型化内視鏡検査や、通信分野における空間モード分割多重化に役立つことが期待されます。

Image transmission through multimode optical fibers has been an area of immense interests driven by the demand for miniature endoscopes in biomedicine and higher speed and capacity in telecommunications. Conventionally, a complex-valued transmission matrix is obtained experimentally to link the input and output light fields of a multimode fiber for image retrieval, which complicates the experimental setup and increases the computational complexity. Here, we report a simple and high-speed method for image retrieval based on our demonstration of a pseudo-linearity between the input and output light intensity distributions of multimode fibers. We studied the impact of several key parameters to image retrieval, including image pixel count, fiber core diameter and numerical aperture. We further demonstrated with experiments and numerical simulations that a wide variety of input binary and gray scale images could be faithfully retrieved from the corresponding output speckle patterns. Thus, it promises to be useful for highly miniaturized endoscopy in biomedicine and spatial-mode-division multiplexing in telecommunications.