纤维内窥镜被广泛应用于医学成像和诊断中，例如可以帮助检测人体动脉内的斑块、血栓和胆固醇晶体。

理想的微型内窥镜的尺寸必须足够小，同时又要有足够的能力产生清晰的多维信息图像。

图1：纤维内窥镜
具有微米分辨率、亚毫米直径和 3D 成像能力的微型内窥镜在医学成像和诊断中发挥着重要作用。常见的柔性内窥镜基于相干光纤束 (coherent fiber bundles，简称CFB)，也称为多芯光纤，将强度模式从远端光纤端面的隐藏区域传递到近端光纤端面的仪器。光纤远端的透镜系统去放大纤芯到纤芯的距离并定义分辨率。

CFB 提供小至几百微米的直径，用于微创访问。然而，远端光学器件增加了内窥镜的占地面积，通常在毫米范围内。这极大地限制了其在生物医学领域的其他应用。例如对大脑神经活动的成像，要求内窥镜应该很小，以减少脑组织损伤，但又要强大到可以产生清晰的图像。

此外，CFB 表现出强烈的相位失真。由于模式混合和模间色散，多模光纤表现出复杂的光学传递函数。为了实现精准成像必须进行实时的现场校准，这是十分复杂且在实际应用中十分难以实现。基于此进行优化，通过在分开的光纤芯中引导不同的模式，则不会发生模式混合。但是，由于其结合了数千根单独的纤维，每根单根光纤都表现出任意的相位失真，这阻碍了传递深度信息或对焦点对象进行成像。

是什么是光纤的相位失真？

在长距离光纤链路上传输信号会导致不希望有的失真，为了有效地接收信号，必须补偿这些失真并恢复原始信号。信号失真是由线性过程（如吸收和光纤色散）和非线性过程（如交叉相位调制、四波混频和放大器噪声）引起的。

近年来，已经提出了多种方法来补偿这些失真，使用可编程光学器件，可以在没有远端光学器件的情况下实现 3D 成像的强度和相位的无失真传输。然而，所提出的设备具有高复杂性和高成本的问题。

鉴于此，德国德累斯顿工业大学Robert Kuschmierz博士和Jürgen Czarske教授研究小组通过双光子光刻技术制成衍射光学元件（diffractive optical elements，简称DOE），从两种不同的途径来解决这个问题。以补偿 CFB 固有的相位失真。这使得 3D 内窥镜成像无需任何远端光学元件即可实现高分辨率成像。

什么是衍射光学元件（DOE）？

特征尺寸低至微米和纳米范围的光学元件是需要小尺寸、紧凑性和轻量化的系统和设备的关键元件。
衍射光学元件 (DOE) ，通常是微米级和纳米级结构的复杂图案， 可以以预定方式调制和转换光。它们可以设计为处理多个并发任务。使用计算机生成的 DOE，可以将激光束塑造成任何强度的图案，例如点阵、线、圆、箭头或根据用户要求设计的任何其他任意图案。

该成果“Ultra-thin 3D lensless fiber endoscopy using diffractive optical elements and deep neural networks”为题发表在 Light: Advanced Manufacturing。

方法1：
DOE-光栅——匹配相位失真
首先，使用数字全息术测量如图2a所示的纤维内窥镜的相位失真，随后通过双光子光刻制成的DOE-光栅。DOE-光栅由数千根不同高度的支柱组成，每个支柱直接放置在单个光纤的顶部。改变柱高可以匹配相位失真，从而使输出光场与输入光场紧密匹配（图2b）。

图2：DOE-光栅，匹配相位失真
方法2：
DOE-扩散器——固定相位随机强度
首先使用随机强度但已知的相位对象对3D信息进行编码，用如图3所示的DOE-扩散器替换了通常位于光纤内窥镜顶部的标准镜头，可以将3D空间中每个点的光转换为独特的伪随机强度模式。由于3D对象信息现在仅以强度编码，因此可以通过纤维内窥镜传输，而无需考虑相位失真。然而，由此产生的强度图像与人类可识别的物体并不相似。因此，随后研究人员通过使用卷积神经网络从强度图像中重建3D对象。

图3：DOE-扩散器，固定相位随机强度
研究人员通过采用DOE光栅和DOE扩散器内窥镜技术，无需可编程光学元件即可实现高分辨率内窥镜检查。这可以实现直径小于0.5毫米的稳定且低成本的3D内窥镜。最终分别实现了1.25μm的分辨率成像与重建示意。

结果表明这两种DOE方法都有紧凑的低成本优势，都为微创3D内窥镜铺平了道路，有利于生物医学中的光学成像应用的范式转化。

来源：中国光学