Est-ce qu’une seule fibre optique peut transmettre une image complète, comme avec un endoscope ?
Ceci est un problème très classique d’ingénierie optique. En bref : une fibre optique ordinaire, standard à cœur unique, ne peut pas transmettre directement une image complète (image 2D). Les endoscopes peuvent transmettre des images grâce à un « faisceau de fibres optiques » composé de dizaines de milliers de fibres optiques, ou en utilisant des technologies d’imagerie optique computationnelle de pointe.
Voici une analyse détaillée basée sur les principes de la physique et de l’ingénierie générale :
1. Pourquoi une fibre optique standard à cœur unique ne peut-elle pas transmettre directement une image ?
Une fibre optique monomode ou multimode standard n’a qu’un seul canal de transmission unifié dans l’espace.
- Fibre monomode (SMF) : Son cœur est extrêmement étroit (généralement autour de 9\ \mu\text{m} ) et ne permet la transmission que du mode fondamental ( \text{LP}_{01} ) à la longueur d’onde de fonctionnement donnée. Elle ne peut transmettre qu’un seul signal d’intensité et de longueur d’onde à la fois, sans aucune résolution spatiale, et ne peut donc pas transporter d’informations spatiales bidimensionnelles (images).
- Fibre multimode (MMF) : Son cœur est légèrement plus grand (par exemple, couramment 50\ \mu\text{m} ou 62.5\ \mu\text{m} ). Bien qu’elle permette la transmission simultanée de centaines voire de milliers de modes supérieurs (orbites spatiales), en raison de la dispersion modale et du couplage intermodale causé par la courbure de la fibre, les lumières de différents modes voyagent à des vitesses différentes et se mélangent de manière aléatoire. Si vous projetez une image sur l’extrémité d’entrée d’une fibre multimode, après une très courte distance de transmission, la phase et l’amplitude seront complètement perturbées. À l’extrémité de sortie, seul un speckle mélangé uniformément et aléatoirement sera observé, sans possibilité de restaurer directement l’image.
2. Comment les endoscopes réalisent-ils la transmission d’images par fibres optiques ?
Dans les endoscopes médicaux et industriels, les schémas suivants sont généralement utilisés pour réaliser la transmission d’images :
Solution A : Faisceau de fibres cohérentes (Coherent Fiber Bundle) – Le principe le plus classique des optiques rigides/souples
Comme vous l’avez mentionné, « une seule ligne peut transmettre une image », dans le tube souple d’un endoscope, il s’agit en réalité d’un « faisceau de transmission d’images » composé de dizaines de milliers à des centaines de milliers de fibres optiques extrêmement fines (chacune d’un diamètre de quelques micromètres seulement) regroupées ensemble.
- Exigence principale : Il doit s’agir d’un « faisceau cohérent » (Coherent Bundle), ce qui signifie que l’ordre géométrique de disposition spatiale de chaque fibre individuelle à l’extrémité d’entrée et à l’extrémité de sortie du faisceau doit être strictement un à un (absolument symétrique).
- Principe d’imagerie : Chaque fibre individuelle est responsable de la transmission d’un seul pixel de l’image. La lumière, focalisée par l’objectif frontal sur l’extrémité d’entrée du faisceau de transmission, voit chaque fibre remplir sa fonction, transmettant la luminosité et la couleur du pixel qui lui est attribué à l’extrémité de sortie, où elles sont réassemblées pour reconstituer une image bidimensionnelle complète.
Solution B : Imagerie computationnelle avec une seule fibre multimode (Computational Imaging) – Recherche académique de pointe
Ces dernières années, le monde universitaire a réussi à transmettre des images en utilisant « une seule fibre multimode » grâce à la computation physique, mais cela nécessite des algorithmes complexes :
- Mesurer la matrice de transmission ( \mathbf{T} ) de la fibre optique à l’aide d’un modulateur spatial de lumière (SLM).
- Utiliser des algorithmes ou des réseaux neuronaux d’apprentissage profond pour « démêler mathématiquement » le speckle désordonné généré à l’extrémité de sortie, et ainsi déduire et restaurer l’image d’origine.
- Limitation : Ces systèmes sont extrêmement sensibles aux courbures et à la température de la fibre optique. Une légère vibration de la fibre peut rendre la matrice de transmission d’origine invalide. Il est encore difficile de les généraliser à grande échelle dans les scénarios quotidiens et industriels.
3. OFSCN® (Dacheng Yongsheng) Technologies associées de fibres spéciales et de perception spatiale
Bien que Dacheng Yongsheng (OFSCN®) ne produise pas de faisceaux de transmission d’images pour endoscopes souples (ces produits ne font pas partie de notre gamme principale), nous possédons des produits avancés développés en interne dans les domaines de la perception de l’état géométrique spatial et des technologies de fibres multicoeurs.
Par exemple, dans les situations où il est nécessaire de reconstruire l’« image géométrique spatiale (forme) » tridimensionnelle d’un objet, les fibres multicoeurs associées à la technologie des réseaux de Bragg dans les fibres (FBG) peuvent être utilisées pour une reconstruction de forme tridimensionnelle de haute précision :
- OFSCN® Faisceau de Bragg multicœur / réseau FBG nu : Intègre plusieurs cœurs indépendants dans une seule fibre et y grave des réseaux de Bragg de haute précision. En mesurant les minuscules changements de longueur d’onde des réseaux dans chaque cœur, il est possible de détecter en temps réel la direction et l’ampleur de la courbure.
- Capteur de forme 3D à réseau de Bragg de fibre OFSCN® : En utilisant des réseaux de Bragg de fibres multicoeurs, les algorithmes peuvent reconstruire en temps réel l’image de la courbe tridimensionnelle de toute la fibre dans l’espace tridimensionnel. Dans les scénarios nécessitant un « suivi de position et de forme » tels que les interventions mini-invasives et le contrôle de bras robotiques, ils remplissent la fonction de « cartographie spatiale » sans dépendre de caméras.
Images standard des produits associés :
En résumé, une seule fibre optique monomode/multimode standard ne peut pas transmettre directement une image. Il faut utiliser la méthode du « multiplexage de fibres pour les pixels » (faisceau de transmission d’images) ou la méthode du « démêlage computationnel ». Pour reconstruire l’état géométrique spatial d’un objet tridimensionnel, les technologies de capteurs de forme FBG multicœurs peuvent être utilisées.