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Speckle-correlation imaging through a kaleidoscopic multimode fiber

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This post, leveraging AI, summarizes and analyzes the key aspects of the research paper “Speckle-correlation imaging through a kaleidoscopic multimode fiber”. For in-depth information, please refer to the original PDF.


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English Summary

Speckle-correlation imaging through a kaleidoscopic multimode fiber Dorian Bouchet,1, Antoni M. Caravaca-Aguirre, Guillaume Godefroy, Philippe Moreau, Irène Wang, and Emmanuel Bossy1 2

Université Grenoble Alpes, CNRS, LIPhy, Grenoble, France; Université Grenoble Alpes, CEA, Leti, Grenoble, France

Speckle-correlation imaging techniques are widely used for non-invasive imaging through complex scattering media. While light propagation through multimode fibers and scattering media share many analogies, reconstructing images through multimole fibers from speckle correlations remains an unsolved challenge. Here, we exploit a kaleidoscopic memory effect emerging in square-core multimode fibers and demonstrate fluorescence imaging with no prior knowledge on the fiber. Experimentally, our approach simply requires to translate random speckle patterns at the input of a square-core fiber and to measure the resulting fluorescence intensity with a bucket detector. The image of the fluorescent object is then reconstructed from the autocorrelation of the measured signal by solving an inverse problem. This strategy does not require the knowledge of the fragile deter-in-of-the-development relation between incident and transmitted fields, which makes it promising for the development of flexible minimally-invasive endoscopes. Jun The development of optical endoscopes is motivated on multicore fibers [32–34], which are characterized by a number of biomedical applications such as brain imaging [1]. Multimode fibers are excellent candidates to minimize the invasiveness of such procedures, as they feature a high density of modes per unit area [2, 3]. How-itally complete in specific experimental conditions under which the training patterns were measured. In our proof- works have been successfully employed to image fluorescent objects on through layers of scattering materials [14–18]. A rotational memory effect exists in commonly-used circular-core multimode fibers, but it must be completed by additional prior knowledge about the object under specific experimental conditions under which the training patterns were measured. In our proof- works have been successfully employed to image fluorescent objects on through layers of scattering materials [14–18]. A rotational memory effect exists in commonly-used circular-core multimore information, predicted from Eq. (2) also decays with ∆ra (see Fig. 2i), the density distribution of fluorescent emitters O(rb) is limiting the potential reconstruction area to approximately 10 µm × 10 µm for the type of step-index fiber following relation: used in our experiment. In addition, the finite size of the speckle grain limits the achievable resolution of the Z S(ra) = O from CsymO . This inverse problem has no known explicit solution, but it can be solved iteratively by plotting additional prior knowledge about the object constraints.

Key Technical Terms

Below are key technical terms and their explanations to help understand the core concepts of this paper. You can explore related external resources via the links next to each term.

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Speckle-correlation imaging through a kaleidoscopic multimode fiber Dorian Bouchet,1, ∗Antonio M. Caravaca-Aguirre,1 Guillaume Godefroy,1, 2 Philippe Moreau,1 Irène Wang,1 and Emmanuel Bossy1 1Université Grenoble Alpes, CNRS, LIPhy, 38000 Grenoble, France 2Université Grenoble Alpes, CEA, Leti, 38000 Grenoble, France Speckle-correlation imaging techniques are widely used for non-invasive imaging through complex scattering media. While light propagation through multimode fibers and scattering media share many analogies, reconstructing images through multimode fibers from speckle correlations remains an unsolved challenge. Here, we exploit a kaleidoscopic memory effect emerging in square-core multimode fibers and demonstrate fluorescence imaging with no prior knowledge on the fiber. Ex- perimentally, our approach simply requires to translate random speckle patterns at the input of a square-core fiber and to measure the resulting fluorescence intensity with a bucket detector. The image of the fluorescent object is then reconstructed from the autocorrelation of the measured signal by solving an inverse problem. This strategy does not require the knowledge of the fragile deter-2023 ministic relation between input and output fields, which makes it promising for the development of flexible minimally-invasive endoscopes. Jun The development of optical endoscopes is motivated on multicore fibers [32–34], which are characterized by a by a number of biomedical applications such as brain much larger footprint as compared to multimode fibers.26 imaging [1]. Multimode fibers are excellent candidates Traditionally in optical fibers, the geometry of the to minimize the invasiveness of such procedures, as they core is circular, and the use of square-core fibers is lim- feature a high density of modes per unit area [2, 3]. How- ited to specific applications requiring a top-hat-like in- ever, coherent light propagating inside such fibers typi- tensity profile [35]. However, it was recently observed cally generates speckle patterns at the fiber output, in that a kaleidoscopic memory effect emerges from the a…

🇰🇷 한국어 보기 (View in Korean)

한글 요약 (Korean Summary)

만화경 다중 모드 섬유 Dorian Bouchet, 1, Antoni M. Caravaca-Aguirre, Guillaume Godefroy, Philippe Moreau, Irène Wang 및 Emmanuel Bossy1 2를 통한 스펙 클레 상관 영상

Université Grenoble Alpes, CNRS, Liphy, Grenoble, 프랑스; Université Grenoble Alpes, Cea, Leti, Grenoble, 프랑스

Speckle- 상관 영상 기술은 복잡한 산란 배지를 통해 비 침습적 이미징에 널리 사용됩니다. 멀티 모드 섬유 및 산란 미디어를 통한 광 전파는 많은 유사성을 공유하지만, Speckle 상관 관계의 멀티 모방 섬유를 통한 이미지를 재구성하는 것은 미해결 도전으로 남아 있습니다. 여기서, 우리는 사각형 멀티 모드 섬유에서 떠오르는 만화경 메모리 효과를 이용하고 섬유에 대한 사전 지식없이 형광 이미징을 보여줍니다. 실험적으로, 우리의 접근 방식은 단순히 사각형 코어 섬유의 입력에서 임의의 반점 패턴을 번역하고 버킷 검출기로 결과 형광 강도를 측정해야합니다. 형광 물체의 이미지는 역 문제를 해결함으로써 측정 된 신호의 자기 상관으로부터 재구성된다. 이 전략은 사고와 전송 분야 간의 취약한 개발 관계에 대한 지식을 요구하지 않으므로 유연한 최소한의 침입 내시경의 개발에 유망합니다. Jun jun 광학 내시경의 발달은 멀티 코어 섬유 [32-34]에 동기를 부여하며, 이는 뇌 영상과 같은 다수의 생물 의학 응용을 특징으로한다 [1]. 멀티 모드 섬유는 단위 면적당 높은 밀도의 모드를 특징으로하기 때문에 그러한 절차의 침습성을 최소화하는 훌륭한 후보입니다 [2, 3]. 훈련 패턴이 측정 된 특정 실험 조건에서 어떻게 완료됩니다. 우리의 증거에서 산란 재료 층을 통해 형광 개체를 이미지에 성공적으로 사용했습니다 [14–18]. 회전 메모리 효과는 일반적으로 사용되는 원형 코어 다중 모드 섬유에 존재하지만, 훈련 패턴을 측정하는 특정 실험 조건 하에서 물체에 대한 추가 사전 지식으로 완료해야합니다. 우리의 증거에서 산란 재료 층을 통해 형광 개체를 이미지에 성공적으로 사용했습니다 [14–18]. 회전 메모리 효과는 Eq. (2) ∆RA (도 2I 참조)로 붕괴되면 (도 2I 참조), 형광 방출기 O (RB)의 밀도 분포는 잠재적 재구성 영역을 약 10 μm x 10 μm로 제한하고있다. 또한, Speckle 곡물의 유한 크기는 CSYMO에서 Z S (RA) = O의 달성 가능한 해상도를 제한합니다. 이 역 문제에는 알려진 명시 적 해결책이 없지만 객체 제약에 대한 추가 사전 지식을 플로팅하여 반복적으로 해결할 수 있습니다.

주요 기술 용어 (한글 설명)

  • Speckle-correlation imaging techniques
    설명 (Korean): 복잡한 산란 매체를 통한 비 침습적 이미징에 사용되는 기술
    (Original English: Techniques used for non-invasive imaging through complex scattering media)
  • Square-core multimode fibers
    설명 (Korean): 단위 면적당 고밀도의 모드를 특징으로한다 [2, 3]
    (Original English: Characterized by a high density of modes per unit area [2, 3])
  • Kaleidoscopic memory effect
    설명 (Korean): 사각형 코어 다중 모드 섬유의 대칭 특성에서 나오고 사고와 전송 된 필드 사이의 통계적 상관 관계를 생성한다 [19-27]. 이 효과는 Ra로 변환되는 4 개의 피크를 특징으로하며, xa = 0 또는 YA = 0 일 때 겹치는 쌍.
    (Original English: Emerges from the symmetry properties of square-core multimodal fibers and creates statistical correlations between incident and transmitted fields [19–27]. This effect is characterized by four peaks that translate with ra, overlapping pair when either xa = 0 or ya = 0.)
  • Fluorescence imaging
    설명 (Korean): 산란 재료 층을 통해 형광 물체를 이미지화하는 데 사용되는 기술 [14]. 우리의 접근 방식을 사용하면 번역 RA의 함수로 측정 된 겉보기에 랜덤 형광 신호로부터 이미지를 재구성 할 수 있습니다.
    (Original English: Techniques used to image fluorescent objects on through layers of scattering materials [14] and create random speckle patterns at the fiber input [25]. Our approach enables one to reconstruct an image from seemingly-random fluorescence signals measured as a function of translation ra.)
  • Autocorrelation
    설명 (Korean): 신호 처리에 사용되는 수학 기술은 서로 비교되는 두 함수의 출력 사이의 상관 관계를 발견합니다. 역 문제를 해결하는 데 도움이됩니다 [36].
    (Original English: A mathematical technique used in signal processing, which finds the correlation between the output of two functions being compared with each other; helps solve inverse problems [36].)

발췌문 한글 번역 (Korean Translation of Excerpt)

만화경 멀티 모드 섬유 Dorian Bouchet, 1, * Antonio M. Caravaca-Aguirre, 1 Guillaume Godefroy, 1, 2 Philippe Moreau, 1 Irène Wang, 1 및 Emmanuel Bossy1 1Université Grenoble Alpes, Cnrs, 38000 Grenobleble, 38000 Grenoble Alpes, CEA, Leti, 38000 Grenoble, 프랑스 얼룩 상관 영상 기술은 복잡한 산란 매체를 통해 비 침습적 이미징에 널리 사용됩니다. 멀티 모드 섬유 및 산란 미디어를 통한 광 전파는 많은 유사성을 공유하는 반면, Speckle 상관 관계의 멀티 모드 섬유를 통한 이미지를 재구성하는 것은 미해결 도전으로 남아 있습니다. 여기서, 우리는 사각형 멀티 모드 섬유에서 떠오르는 만화경 메모리 효과를 이용하고 섬유에 대한 사전 지식없이 형광 이미징을 보여줍니다. 외관적으로, 우리의 접근 방식은 단순히 사각형 코어 섬유의 입력에서 임의의 스펙 클 패턴을 번역하고 버킷 검출기로 결과 형광 강도를 측정해야합니다. 형광 물체의 이미지는 역 문제를 해결함으로써 측정 된 신호의 자기 상관으로부터 재구성된다. 이 전략은 입력과 출력 필드 간의 연약한 Deter-2023 미니 틱 관계에 대한 지식을 요구하지 않으므로 유연한 최소 침습적 내시경의 개발에 유망한 것으로 보입니다. Jun jun 광학 내시경의 개발은 멀티 모드 섬유와 비교하여 뇌와 같은 다수의 생물 의학 응용 분야에 의해 특징 지어지는 다중 코어 섬유 [32-34]에 동기를 부여합니다 .26 영상화 [1]. 멀티 모드 섬유는 전통적으로 광 섬유에서 우수한 후보이며, 이러한 절차의 침습성을 최소화하는 지오메트리는 원형이므로, 정사각형 섬유의 사용은 단위 영역의 높은 밀도의 모드를 특징으로한다 [2, 3]. 그러나 그러한 섬유 변수 내부에서 최상위와 유사한 일관성 조명이 필요한 특정 응용 분야에 포함되어있다 [35]. 그러나 최근에 Cally는 A … 만화경 메모리 효과가 나온다는 점에서 섬유 출력에서 ​​스펙 클 패턴을 생성하는 것으로 관찰되었습니다.

Source: arXiv.org (or the original source of the paper)

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