让乱动的光纤“晃”出高清图像：国防科技大学团队提出光纤内窥成像新范式 | Photonics Res.亮点

Photonics Research 2026年第6期Editors’ Pick：

Yi Zhang, Shenghan Liu, Zhenwu Nie, Shuai Sun, Weitao Liu, "Turning disturbance into insight: lensless endoscopic imaging through fiber," Photonics Res. 14, 2507 (2026)

在医疗内窥检查、工业管道探测等狭小空间成像场景中，光纤因纤细柔软的特性，能进入常规探头难以触及的区域，是理想的成像载体。然而，光纤在使用过程中不可避免地会受到弯曲、扭转等机械扰动，导致传输光场发生变化，成像质量急剧下降。针对这一难题，大部分解决方案往往试图“对抗”扰动——通过重新校准、建模或大量数据训练来补偿扰动带来的影响；国防科技大学的研究团队反其道而行之，提出一种主动拥抱扰动、利用扰动提升成像质量无透镜光纤成像新方法，这一方法的核心思想使得扰动越多，成像反而越清晰。相关研究成果以“Turning disturbance into insight: lensless endoscopic imaging through fiber”为题发表在Photonics Research 2026年第6期。

该团队提出了一种基于多芯光纤的无透镜成像方案，其核心在于利用光纤的光学记忆效应：在一定的角度范围内，光纤对点光源的响应（即点扩散函数，PSF）具有近似平移不变性。这意味着，物体信息会被编码为散斑图案，并可以通过自相关与相位恢复算法重建出来。该方案的关键在于：每一次扰动，都会产生一个新的、统计独立的散斑图案。虽然单个散斑图案的自相关中混杂了光纤固有的结构噪声，但不同扰动下的散斑图案所对应的物体自相关信息是一致的，而结构噪声则是随机变化的。通过对多次扰动下的散斑自相关结果进行平均，物体自相关信息逐步增强，而结构噪声则被有效抑制。换句话说：扰动越多，噪声越“乱”，信号反而越突出。

图1 利用光纤扰动获得成像质量提升原理示意图

为验证方法可行性，研究团队搭建了无需预先标定光纤的实验系统。在光纤完全自由（无固定）的状态下，利用其随机扰动，针对不同物体，在532 nm非相干光照明下进行了多次成像测量，获取了充足的互不相关散斑图案。

图2 光纤PSF与其自相关(a) 第一行显示PSF，第二行显示相应的自相关；(b) 自相关的CNR，随平均帧数而变化

研究团队将提出的方法和单帧采集重建进行了对比，结果如图3所示。单帧散斑图案重建的图像质量较差，背景噪声显著，多帧平均重建图像质量明显提高。图4表明随着平均帧数增加，自相关的衬噪比快速提升。平均20帧后，图像质量趋于稳定，重建结果清晰可辨。

图3 第一行为目标原图；第二、三行分别为对应单帧和多帧平均的自相关；第四、五行分别为对应单帧和多帧平均的图像重建

图4 图像质量与平均帧数关系。误差条表示图3第1行所示不同对象的CNR。数字“3”的自相关和重建显示了平均1、2、5、10和50帧后的代表性图像

研究团队还发现，散斑图案之间的相关性越低（即扰动越丰富），成像增强效果越明显。这一结论为实际应用提供了明确的指导：即在有限的时间内，应优先采集或者筛选更多彼此不相关的散斑图案。

图5 散斑多样性对成像增强的影响：对于平均相关系数越低的散斑集合，随着参与平均的帧数增加，其CNR便增长得越迅速

图6 光照强度对自相关的影响。(a) 水平轴表示散斑图像像素的平均值（它显示了五次试验的自相关平均CNR）；(b) 第一行显示记录的散斑图案，而第二行显示相应的自相关

值得强调的是，这种质量提升并非仅仅来自于“平均”或“增加光强”。实验表明，即使大幅提高照明功率，单帧散斑自相关中的结构噪声依然存在，CNR并没有显著改善。这说明扰动带来的统计多样性，才是真正的“信息增益”来源。

这一研究的根本意义在于无透镜光纤成像范式的转变：传统方法认为光纤的扰动是敌人，需要被预先标定、补偿或消除；而该方法认为光纤的扰动是一种有用的资源，可以主动引入以丰富测量集合。通过主动诱导干扰光纤并平均多个统计上独立的散斑图案，该方法实现高质量的图像重建，提供了一种充满潜力的可能：在未来的光纤内窥成像系统中，不需要精密的光学元件，不需要事先标定传输矩阵，也不依赖于物体先验知识，只需利用光纤在使用过程中自然发生的弯曲与振动，即可实现高质量成像。

该团队认为，这是一个简单、紧凑、鲁棒的框架，适合于现场部署、空间受限、光纤状态动态变化的场景。该工作中利用机械诱导散斑多样性的基本原理可以扩展到类似的系统，为低硬件复杂性的灵活、无需额外校准的成像开辟新的途径。该技术同时也放宽了照明能量、散斑多样性和散斑信噪比之间的传统权衡。在总照明能量和散斑信噪比保持不变的情况下，通过干扰增加独立散斑的数量可以增强平均自相关和恢复的傅里叶振幅的保真度，从而在不增加曝光时间或照明功率的情况下实现更高质量的重建。该工作的第一作者为国防科技大学博士生张翼，通讯作者为国防科技大学刘伟涛教授。

张翼，国防科技大学理学院博士研究生。主要研究方向为计算成像，涉及关联成像和散斑成像等领域的应用。以第一作者或共同作者身份在相关领域的国际学术期刊上发表论文4篇。

刘升瀚，国防科技大学理学院博士研究生。主要研究方向为计算成像，涉及散斑成像等领域的应用。

刘伟涛，国防科技大学教授，博士生导师，教育部新世纪人才，中国光学工程学会计算成像专委会委员，湖南省量子科技学会常务理事，湖南省物理学会理事，湖南省杰青。研究领域是量子光学与量子成像，在光子纠缠、量子关联成像、压缩感知应用、弱值测量与弱值放大等方面取得一系列成果，在Science Advances、Physical Review Letters、Optica 等期刊发表SCI检索论文50余篇，出版专著1部，获湖南省自然科学一等奖1项。

撰稿 | 国防科技大学 张翼、刘伟涛

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