针尖成像：通过多模光纤实现记忆效应辅助成像

英国埃克塞特大学的一组物理学家开发了一个描述单色记忆效应如何在任意几何形状的样本中出现的通用框架，并将其应用于多模光纤（MMF）情况，在位于 MMF远端面上的引导星的部署（并且能够向近端报告其局部场强），结合对传输矩阵（TM）接近对角线的基础的估计，提供了近似传输矩阵（ATM） 的方法，从而通过光纤成像。相关报道发表在《Nature Communications》上。

图注，一旦测量了解读图像的关键，就可以通过光纤成像——将其变成超薄内窥镜。 显示的是分辨率目标的一些实验测量图像。每张图像的宽度为二十分之一毫米（大约与一缕头发的宽度相同）。来源，埃克塞特大学

相干图像以空间光模式编码：光强度和相位的模式。当这些图案通过不透明的散射材料（例如磨砂玻璃、多模光纤 (MMF) 或生物组织）传播时，它们会扭曲和破碎，并且它们携带的空间信息会变得混乱。这破坏了隐藏在混浊介质后面或内部的物体图像的形成。

在过去十年左右的时间里，一系列开创性研究证明了如何使用数字光整形技术来测量和逆转散射效应 - 将光恢复到进入介质之前的状态。这些技术利用散射的线性（在电场中）和确定性特性，并通过散射系统实现聚焦和成像。此功能的核心在于传输矩阵 (TM) 概念，该概念将散射描述为将入射在散射体一侧的一组输入空间光模式与离开另一侧的一组新输出模式相关联的线性操作侧面。一旦测量了散射体的 TM，它就会告诉我们创建任意输出场所需的输入场，从而允许图像通过散射体传输。然而，TM 的测量通常需要对散射体两侧的完全光学访问 - 例如，当图像平面嵌入活组织中时，这是不可能的。

为了克服这一限制并深入了解散射环境，已经出现了两类技术来恢复这些信息：依赖于光记忆效应的方法和传输矩阵 (TM) 方法。以光记忆效应的形式出现了一套有用的工具：入射场和透射场之间存在潜在的相关性。这些隐藏的相关性已在薄随机散射层中得到广泛研究，这些层可直接应用于通过生物组织进行成像。在这种情况下，倾斜、移位、光谱 和时间相关性已被揭示。倾斜和移位记忆效应与散射体的傅立叶域或空域 TM 中的相关性有关，并且能够提取 TM 的子集，这些子集可用于在散射系统内的小区域上成像。

在取得这些进展的同时，TM 方法还通过沿着窄波导引导光，促进了更深入地观察组织的替代方法的发展，尽管是侵入性的。这些技术使用 MMF 在针尖实现高分辨率成像，充当超低足迹内窥镜。模态色散会扰乱通过 MMF 传输的相干光信号，因此在将它们部署到扫描成像系统之前，还必须首先测量它们的 TM。最近的一系列成功表明，基于 MMF 的微内窥镜在深层组织成像方面具有巨大潜力，但阻碍该技术广泛应用的一个主要挑战是用于控制远端光场的 TM 的脆弱性（远）方面。在 TM 校准之后，如上所述，这通常需要访问光纤的两端，MMF 必须保持完全静止，因为即使光纤配置中的微小扰动（例如，弯曲或扭曲）或温度会使传播的光纤模式失相，严重降低远侧小平面聚焦点的对比度和重建图像的保真度。基于当前光纤技术的显微内窥镜成像系统的灵活操作需要一种 TM 表征方法，该方法可以在原位光纤上快速执行，仅在近端（近端）进行访问。

为此，在这里研究人员开发了一个描述任意几何结构中记忆效应性质的通用框架。他们展示了该框架如何与由引导星的反馈驱动的波前整形相结合，从而能够估计任何此类系统的 TM。这突出表明，无论散射体表现出何种类型的记忆效应，引导星辅助成像都是可能的。研究人员将此概念应用于多模光纤 (MMF) 并确定“准径向”记忆效应，证明了通过多模光纤进行引导星辅助成像的可能性，这种光纤的TM可以仅通过接近光纤的近端进行校准，这是显微内窥镜检查的重要步骤。近似传输矩阵(ATM) 的重建以及通过光纤的图像重建不需要迭代相位检索，并且不需要对光纤末端场景的统计特性进行假设，而是依赖于对光纤本身特性的假设。使用能够以 ~ 20 kHz 调制输入光的高速 数字微镜器件（DMD），可以测量聚焦在荧光导星上的近场，输入场ugs（从其计算 ATM）包括 ~1000 个模式使用相位步进全息术在 ~200 毫秒内完成。使用高反射导星，尽管信噪比较低，仍可以在一次拍摄中实现相同的校准。

这种技术有望开发基于灵活多模光纤的成像系统。该技术将记忆效应的应用扩展到一系列新颖的成像和光通信场景。这些超薄纤维为下一代医疗内窥镜带来了很大希望，能够在针尖的身体深处进行高分辨率成像，未来将可以彻底改变使用光的医学成像程序。