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基于像差补偿网络的光学系统研究

基于像差补偿网络的光学系统研究

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作者：李若暄北京邮电大学

学位级别：硕士

多模光纤纤芯直径小,可以同时传输多种空间光模式,将其应用于医用内窥镜成像有望解决传统光纤内窥镜探头尺寸大、分辨率低等问题,因此有潜力拓宽医用内窥镜的显微途径。传输矩阵法作为多模光纤成像技术之一,受到人们的广泛关注。传统的... 详细信息

多模光纤纤芯直径小,可以同时传输多种空间光模式,将其应用于医用内窥镜成像有望解决传统光纤内窥镜探头尺寸大、分辨率低等问题,因此有潜力拓宽医用内窥镜的显微途径。传输矩阵法作为多模光纤成像技术之一,受到人们的广泛关注。传统的传输矩阵获取方法需要精确校准、重复测量、数据运算量大,并且光纤的任何弯曲或者扰动都会导致传输矩阵的变化,造成成像质量严重受损,极大地限制了采用多模光纤成像的应用。因此快速精确地估计传输矩阵一直以来是一个棘手的问题,并且意义重大。像差补偿网络是一个轻量级的神经网络,并且收敛速度快,使快速并且精确估计传输矩阵成为可能。本论文的主要工作试图克服传输矩阵获取方法的缺陷,希望基于像差补偿网络更加快速、精确求解传输矩阵,更加精准地补偿光学系统中光纤受到的扰动,为后面将其应用于多模光纤成像中提供一条新成像途径。论文的创新点和主要工作如下:1.提出了以追求模态传输矩阵对角化为优化目标的像差补偿网络改进方案针对像差补偿网络没有对模态传输矩阵非对角线上元素加入惩罚项这一缺陷,本文提出了以追求模态传输矩阵对角化为优化目标的像差补偿网络改进方案,仿真结果表明改进后像差补偿网络求解模态传输矩阵对角线能量占比从92%提升到96%。2.验证了改进后像差补偿网络能更加精确补偿光纤扰动,具体表现在模态传输矩阵对角化和模式图像恢复两方面提出了将光学像差作用于光纤模式中实现光纤扰动的建模方案,通过对比改进前后像差补偿网络输出结果,验证了改进后像差补偿网络在模态传输矩阵对角化和模式图像恢复方面有很大改善。网络求解传输矩阵方面,改进网络输出的模态传输矩阵对角线上的能量占比从31.54%提升到70.17%;网络恢复模式方面,改进后像差补偿网络恢复的模式和仿真模式之间的平均皮尔逊相关系数从0.73提升到0.95。实验结果很好地证明了改进后的像差补偿网络能够更加精准地补偿光纤受到的扰动。3.验证了像差补偿网络恢复的模式在光纤中传输不是保持不变的理论上以传输不变模式基表示的模态传输矩阵是对角阵,将该传输矩阵应用于多模光纤成像系统中能提升成像质量。因此可以通过将光纤模式与其对应的像素域传输矩阵的矩阵乘法来测试像差补偿网络恢复的模式在光纤中传输是否保持不变。实验结果表明网络恢复的模式与其经过对应像素域传输矩阵输出的模式皮尔逊相关系数低,说明网络恢复的模式在多模光纤中传输不是保持不变的,原因在于像差补偿网络的两个相同模型同时对两个相同直光纤模式基进行训练,导致网络优化完成后两个模型恢复的模式基矩阵不一致。该实验结果为网络进一步的改进方案提供参考。

关键词：多模光纤传输矩阵像差补偿网络传输不变模式

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