以单根光纤实现视频传输

科学家们发明了一种新的成像技术，通过使用一根头发丝粗细的光纤，实现了视频速率3D成像。此项技术将能革新工业检查、环境监测中的相关技术；从长远来看，对此技术做进一步改进，能够将其应用在医学成像中。

图1 格拉斯哥大学供图

该系统由格拉斯哥大学光学组所领导的一个国际研究团队开发。在发表于12月10日Science上的一篇论文中，该团队描述了利用飞行时间3D成像技术（ToF）从一根多模光纤中获取视频图像的过程。

格拉斯哥大学皇家协会教授、格拉斯哥量子增强成像技术中心（QuantIC）的首席研究员Miles Padgett教授说：“在传统内窥镜和食道镜等应用中，是通过一束光纤来成像的。每根光纤成像一个像素点，最终要用到手指粗细的光纤束。

“我们正在开发一种替代的新技术，这种技术可通过人类头发粗细的一根光纤进行成像。我们的目标是发明一种新一代单光纤成像设备，可实现远距离目标的3D图像。很高兴能与合作研究人员在Science上共同发表我们的最新研究，希望文章的发表能帮助连接到此项技术的潜在终端用户。”

图2 格拉斯哥大学供图

通常情况下，当光线通过一根光纤时，模式之间的串扰会干扰光线，使图像无法识别。为了解决这一问题，该团队使用了先进的光束整形技术，将输入的激光光束塑形到光纤上，在输出端创建一个单一的点，然后使用这个光点扫描整个场景；系统通过测量背向散射光进入另一根光纤的强度，给出图像中每个像素的亮度。

研究人员还能使用脉冲激光器测量光的飞行时间，从而测量图像中每个像素的范围。这些3D图像可以在距离光纤末端几十毫米到几米的范围内记录，具有毫米距离分辨率和足够高的帧率来感知接近视频质量的运动。

原型系统以5hz的频率、通过40厘米长的光纤实现了图像传输，每一帧包含大约4000个独立可分辨的特征，深度分辨率约为5毫米。

在当下的研究中，多模光纤在校准后必须保持固定位置。下一步，研究人员将重点关注减少校准时间以及光纤弯曲情况下的动态特性。研究团队最终目标是与业界合作，以实现在未来10年内将此项革命性的研究发展为应用技术。

此项研究由格拉斯哥大学、埃克塞特大学、格拉斯哥弗劳恩霍夫应用光子学中心、德国莱布尼兹光子技术研究所和捷克布尔诺理工大学的物理学家共同合作完成。

文章见：Daan Stellinga et al, Time-of-flight 3D imaging through multimode optical fibers, Science (2021). DOI: 10.1126/science.abl3771。