基于全光场调控的散射介质光场聚焦方法与装置与流程

1.本发明属于散射介质光场调控技术领域，可利用本发明将光学成像、光学检测、光治疗和光操控等技术应用到强散射样品中，克服光散射造成的影响。


背景技术：

2.由于光子受到位势作用改变初始传播的轨迹而发生光散射现象，使得光学成像、光学检测、光治疗和光操控等技术应用于强散射介质时难以取得理想效果。以生物组织为例，生物组织由多层透明生物细胞组成，光束仅经过数十微米就会发生多重散射，因而大部分生物组织呈现出不透明的状态，直接影响到光学成像的清晰度。生物组织的散射系数比吸收系数高10~100倍，意味着生物组织的光学成像受到光散射的影响远大于光吸收的影响。因此，若能减弱光散射现象对介质内光场传播的影响，则能大幅提升光学技术在强散射介质中的应用效果。
3.光场调控是实现散射介质内光场聚焦的前提，为此研究人员相继提出利用反馈式波前整形法、传输矩阵法和相位共轭法等多种技术通过调控入射光场的波阵面来实现透过散射介质的光束聚焦。传输矩阵法是使用传输矩阵表示入射光场与出射光场之间的线性关系，一旦测定出散射介质的传输矩阵，即可根据所需形成的聚焦光场反推入射光场，从而实现光束在散射介质中的聚焦。然而传输矩阵的测量非常困难，原因是散射介质的自由度极高，传输矩阵需要用非常多的元素来描述。相位共轭法是通过将入射光场输入散射介质后测量散射光场，将散射光场相位共轭后反向传输进散射介质，在散射介质后还原为初始的入射光场。相位共轭法包括透射式相位共轭法和反射式相位共轭法，其中透射式相位共轭法需要从介质的另一侧将光投射回去，若散射介质较厚，则采集到的散射光场的信噪比低，无法还原初始入射光场，且相位共轭后的光场经散射介质后一部分光变为背景噪声，聚焦质量受到限制；而反射式相位共轭法采集后向散射光场共轭后投射进散射介质中，由于后向散射光非常弱且经引导靶调制后能量进一步衰减，因此信噪比非常低。
4.反馈式波前整形法是通过空间光调制器对入射散射介质的光束波阵面进行预先调控，将散射介质后光束聚焦质量作为反馈信号，不断调控入射光束波阵面，实现在散射介质后面或内部产生聚焦光斑。此方法优点是所需的系统简单、易于控制，在使用单点接收的探测器时速度非常快，并且能够用于荧光成像，而缺点是优化入射波阵面的时间较长，难以实现动态散射介质的光学聚焦和成像，因此需要提高迭代优化算法的搜索效率，提高入射光束波阵面的优化速度。除此之外，目前反馈式波前整形法所使用的波前调制器仅能对振幅和相位其中一项进行调控，并且无法调控光场的偏振方向，而完整的光场包括振幅、相位和偏振信息，光场调控维度受限导致调控精度难以进一步显著提高，光束经散射介质的聚焦效果远未达到最佳效果。


技术实现要素：

5.为解决上述问题，本发明提出将全光场调控技术来对入射到散射介质内部的光场
进行精确地调控，利用经散射介质扰乱后形成的散斑分布与所需形成的聚焦光束形成的图案之间的差异值作为反馈信号，不断优化入射光场的振幅、相位和偏振信息，最终得到所需形成的聚焦光束。由于全光场调控技术同时对光场的相位、振幅和偏振进行调控，因此本发明极大地提高了散射介质内光场的调控精度。
6.一方面，本发明提供了一种基于全光场调控的散射介质光场聚焦方法，其特征在于：打开激光光源，所述激光光源经准直扩束后变为一定口径大小的准直光束；所述准直光束经偏振分光装置后分解为两束偏振方向正交的准直光束，定义所述两束偏振方向正交的准直光束的偏振方向分别为h方向和v方向；将所述h方向偏振的准直光束和v方向偏振的准直光束分别输入两个光场调控装置，由光场调控装置对光场的相位和振幅信息同时进行调制，进而实现对h方向偏振的复振幅光场和v方向偏振的复振幅光场的调控；所述h方向偏振的复振幅光场和v方向偏振的复振幅光场经过合束装置后合束，产生振幅、相位和偏振信息可调的目标全光场；所述目标全光场经过散射介质扰乱后形成散斑；通过改变所述h方向偏振的复振幅光场和v方向偏振的复振幅光场来调控目标全光场的振幅、相位和偏振信息，进而优化经过所述散射介质扰乱后形成的散斑分布，得到所需形成的聚焦光束。
7.另一方面，本发明提供了一种基于复振幅光场调控的散射介质光场聚焦装置，除激光光源以外，还包括准直扩束系统、偏振分光装置、第一光场调控装置、第二光场调控装置、合束装置、光电探测器和主控计算机；激光光源发出的光通过所述准直扩束系统变为一定口径大小的准直光束，将所述准直光束经过所述偏振分光装置分为h方向线偏振光和v方向线偏振光；将h方向线偏振光输入所述第一光场调控装置进行幅值或相位的调制以后来实现对h方向偏振的复振幅光场的调控，将v方向线偏振光输入所述第二光场调控装置进行幅值或相位调制以后来实现对v方向偏振的复振幅光场的调控；所述h方向偏振的复振幅光场和v方向偏振的复振幅光场经过所述合束装置合束后产生振幅、相位和偏振信息可调的目标全光场；所述目标全光场经过散射介质扰乱后形成散斑，使用所述光电探测器对散斑的分布进行探测，所述主控计算机用于控制所述第一光场调控装置和第二光场调控装置产生目标全光场以及分析探测得到的散斑分布与所需形成的聚焦光束形成的图案之间的差异值。
8.本发明对比已有技术具有以下创新点和显著优点：1. 原有的散射介质光场调控技术只针对相位和振幅之一来进行调控，本发明同时对入射散射介质光场的相位和振幅进行了调控，因此可大幅提升散射介质光场调控的质量；2. 本发明使用两套光场调控装置对不同偏振方向的光场的复振幅分别进行调控，使入射散射介质的光场同时具有可调的偏振信息，保留了光场的全部信息，使光场在全部维度上可调控，提高光场调控的精度和保真度；3. 本发明通过自然进化策略显著提高了散射介质入射光场波阵面的优化速度，可有效克服散射介质动态变化对光学聚焦造成的影响；4. 本发明利用数字微镜阵列极高的切换速度，并结合超像素法等复振幅调制方法，使得照射在散射介质上光束的调制速度进一步显著增加；5. 本发明采用的超像素调制方法在调制光场的复振幅时具有极高的保真度，可有效保障散射介质内光场的调制精度。
9.附图说明
10.图1为本发明基于全光场调控的散射介质光场聚焦方法的流程图；图2为本发明基于全光场调控的散射介质光场聚焦装置的示意图；图3为本发明实施例1中基于全光场调控的散射介质光场聚焦装置的示意图；图4为本发明中通过自然进化策略优化目标全光场的流程图；图5为本发明中通过遗传算法优化目标全光场的流程图；图6为采用本发明进行全光场调控通过散射介质后的聚焦结果图，其中图6(a)为目标图像，图6(b)为未经光场调控时的散斑图，图6(c)为经过本发明光场调控后得到的聚焦图形；图7为多次校正循环的目标全光场经散射介质扰乱后的聚焦光斑的光强提高比η曲线图；图8为多次校正循环的目标全光场经散射介质扰乱后的峰/背比曲线图；其中：1-激光光源、2-准直扩束系统、3-偏振分光装置、4-第一光场调控装置、5-第二光场调控装置、6-合束装置、7-散射介质、8-光电检测器、9-主控计算机、10-激光光源、11-准直扩束系统、12-偏振分光装置、13-半波片、14-偏振分光棱镜、15-第一光场调控装置、16-数字微镜阵列、17-4f光学系统、18-空间滤波器、19-光束阻挡器、20-反射镜、21-反射镜、22-反射镜、23-第二光场调控装置、24-数字微镜阵列、25-4f光学系统、26-空间滤波器、27-反射镜、28-偏振分光棱镜、29-聚焦物镜、30-散射介质、31-针孔、32-光电倍增管。
11.具体实施方式
12.下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
13.本发明通过两套光场调控装置对光场的振幅、相位和偏振进行独立调控，克服了原有散射介质光场调控技术仅能调控相位和振幅之一的限制以及无法保留光场偏振信息的缺点，增加了光场的调控维度，保留了完整的光场信息，并结合具有极高保真度的超像素调制方法，有效增强散射介质扰乱后光束的聚焦效果。同时，本发明通过基于数字微镜阵列的光场调控装置自然进化策略寻找最佳目标全光场，能够快速优化入射光场波阵面的优化速度，有效避免散射介质动态变化对光学聚焦造成的影响。因此，本发明克服了光散射造成的影响，为强散射样品的光学成像、光学检测、光治疗和光操控等提供了更佳的解决方案。
14.实施例1如图2和图3所示，本实施例中所用的基于全光场调控的散射介质光场聚焦装置，包括激光光源10、准直扩束系统11、偏振分光装置12、光场调控装置15、第二光场调控装置16、反射镜20、反射镜21、反射镜22、反射镜27、偏振分光棱镜28、聚焦物镜29、针孔31、光电倍增管15和主控计算机9，散射介质30位于聚焦物镜29和针孔31之间。
15.本实施例中所用的基于全光场调控的散射介质光场聚焦装置的工作原理为：激光光源10发出波长为633 nm的激光，经过准直扩束系统11后光束口径变为15 mm；偏振分光装置12包括半波片13和偏振分光棱镜14，用于将准直扩束系统11后输出的光分为能量相同的
两束线偏振光，且偏振方向分别为h方向和v方向；h方向线偏振光首先经反射镜20反射，然后输入第一光场调控装置15调控后产生h方向偏振的复振幅光场，v方向线偏振光首先经反射镜21和反射镜22反射，然后输入第二光场调控装置23调控后产生v方向偏振的复振幅光场；h方向偏振的复振幅光场与经反射镜27反射的v方向偏振的复振幅光场通过偏振分光棱镜28进行合束，生成目标全光场；目标全光场经聚焦物镜29聚焦和散射介质30扰乱后形成散斑；在光电倍增管32前放置直径为50
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m的针孔31，散斑经过针孔31后由光电倍增管32来探测散斑中某个拟聚焦光斑位置的光强；主控计算机9用于控制第一光场调控装置15和第二光场调控装置23分别产生h方向偏振的复振幅光场和v方向偏振的复振幅光场，以及分析光电倍增管32探测得到的散斑分布与所需形成的聚焦光束形成的图案之间的差异值，经过多次校正循环后，最终得到所需形成的聚焦光斑；所需形成的聚焦光束为聚焦于针孔31位置的光斑，并且经散射介质扰乱后光电倍增管所探测到的光强是光电倍增管首次探测到的光强的800倍。
16.本实施例中第一光场调控装置15通过基于数字微镜阵列的超像素调控方法对输入光进行复振幅调控，包括数字微镜阵列16、4f光学系统17以及空间滤波器18，具体调控方法为：数字微镜阵列16包括1920
×
1080个微镜，相邻微镜的距离为10.8
ꢀµ
m，选择数字微镜阵列16中位于中心区域的320
×
320个微镜作为有效调控区域，剩余微镜在调控时始终置零，将有效调控区域的每4
×
4个相邻微镜组成一个超像素，通过对超像素中所包含的微镜进行开和关的二进制强度调控来实现对复振幅光场中的所对应点的复振幅光场值的调控。4f光学系统17由两个透镜组成，两个透镜沿光传播方向一前一后放置，并且两个透镜的焦平面相重合，其中第一透镜的焦距为300 mm，第二透镜为100 mm；空间滤波器18为半径为1.14 mm的圆孔滤波器，放置在4f光学系统两个透镜之间的焦平面位置处，用于滤出一级衍射光，经过4f光学系统17后在数字微镜阵列16的共轭位置处生成复振幅光场；超像素中的4
×
4个微镜在复振幅光场的相位值分别为(0, π/8, π/4, 3π/8,
ꢀ…ꢀ
,15π/8)，通过空间滤波器滤除高频信息并使复振幅光场为超像素内各微镜所生成的光场的平均值；将复振幅光场等分为32
×
32个单元，使复振幅光场中每个单元的振幅和相位均可独立调控。
17.本实施例中第二光场调控装置23同样为基于数字微镜阵列的超像素调控方法对输入光进行复振幅调控，包括数字微镜阵列24、4f光学系统25以及空间滤波器26，具体调控方法与第一光场调控装置15一致。
18.本实施例中对经过散射介质后形成的散斑分布的优化过程具体为通过自然进化策略寻找最佳目标全光场的过程（如图4所示），具体步骤为：步骤1、通过第一光场调控装置15随机产生50个h方向偏振的复振幅光场，每个复振幅光场包括32
×
32个可调控单元，50个复振幅光场中同一位置的可调控单元的振幅满足平均值为μ1、标准差为σ1的正态分布，相位满足平均值为μ2、标准差为σ2的正态分布；每个可调控单元的μ1值为0~1中的随机值，μ2值为0~2π中的随机值，σ1和σ2值均为1；通过第二光场调控装置23随机产生50个v方向偏振的复振幅光场，每个复振幅光场包括32
×
32个可调控单元，50个复振幅光场中同一位置的可调控单元的振幅满足平均值为μ3、标准差为σ3的正态分布，相位满足平均值为μ4、标准差为σ4的正态分布；每个可调控单元的μ3值为0~1中的随机值，μ4值为0~2π中的随机值，σ3和σ4值均为1；所述50个h方向偏振的复振幅光场和50个v方向偏振的复振幅光场经偏振分光棱镜28合束后生成50个目标全光场；分别评估所述50个目标全光
场经散射介质扰乱后光电倍增管所探测到的光强与光电倍增管首次探测到的光强的比例，记为聚焦光斑的光强提高比η；步骤2、将所得到的50个η值记为s数组，并按照由小到大排序，并根据大小给出对应的权重，将较小的25个η值的权重设为0，排序后的第26~50个η值的权重分别设为0.0031、0.0062、0.0092、0.0123、0.0154、0.0185、0.0215、0.0246、0.0277、0.0308、0.0338、0.0369、0.0400、0.0431、0.0462、0.0492、0.0523、0.0554、0.0585、0.0615、0.0646、0.0677、0.0708、0.0738、0.0769，权重之和等于1，将权重值u数组；根据50个η值和对应的权重值得到h方向偏振的复振幅光场的振幅平均值的自然梯度
∆
μ1=σ1us’，振幅标准差的自然梯度
∆
σ1=exp[0.031u(s
2-1)]，相位平均值的自然梯度
∆
μ2=σ2us’，相位标准差的自然梯度
∆
σ2=exp[0.031u(s
2-1)]，以及v方向偏振的复振幅光场的方向偏振的复振幅光场的振幅平均值的自然梯度
∆
μ3=σ3us’，振幅标准差的自然梯度
∆
σ3=exp[0.031u(s
2-1)]，相位平均值的自然梯度
∆
μ4=σ4us’，相位标准差的自然梯度
∆
σ4=exp[0.031u(s
2-1)]；步骤3、通过第一光场调控装置15生成50个新的h方向偏振的复振幅光场，50个新的h方向偏振的复振幅光场中同一位置的可调控单元的振幅平均值μ1更新为μ1
∆
μ1，振幅标准差σ1更新为σ1×∆
σ1，相位平均值μ2更新为μ2
∆
μ2，相位标准差σ2更新为σ2×∆
σ2；通过第二光场调控装置15生成50个新的v方向偏振的复振幅光场，50个新的v方向偏振的复振幅光场中同一位置的可调控单元的振幅平均值μ3更新为μ3 δμ3，振幅标准差σ3更新为σ3×∆
σ3，相位平均值μ4更新为μ4
∆
μ4，相位标准差σ4更新为σ4×
δσ4；所述50个新的h方向偏振的复振幅光场和50个新的v方向偏振的复振幅光场经偏振分光棱镜28合束后生成50个新的目标全光场；然后分别评估50个新的目标全光场经散射介质扰乱后形成的散斑分布的η值，记为一次校正循环；步骤4、重复步骤2~3，直到目标复振幅光场经散射介质扰乱后所形成的聚焦光斑的光强提高比与目标光强提高比的差值小于5时，或者校正循环次数达到5000次时优化结束，将50个散斑分布中最大η值所对应的目标全光场作为优化得到的最佳目标全光场。
[0019]
图6为本实施例中进行全光场调控通过散射介质后的聚焦结果图，其中图6(a)为目标图像，图6(b)为未经光场调控时的散斑图，图6(c)为经过光场调控后得到的聚焦图形。
[0020]
图7为多次校正循环的目标全光场经散射介质扰乱后的光强提高比η曲线图。
[0021]
实施例2与实施例1不同的是，本实施例中对经过散射介质后形成的散斑分布的优化过程具体为通过遗传寻找最佳目标全光场的过程（如图5所示），具体步骤为：步骤1、通过第一光场调控装置随机产生50个h方向偏振的复振幅光场，每个h方向偏振的复振幅光场包括32
×
32个可调控单元；通过第二光场调控装置随机产生50个v方向偏振的复振幅光场，每个v方向偏振的复振幅光场的复振幅光场包括32
×
32个可调控单元；所述50个h方向偏振的复振幅光场和50个v方向偏振的复振幅光场经合束装置合束后产生50个目标全光场；分别评估所述50个目标全光场经散射介质扰乱后光电倍增管所探测到的光强与光电倍增管首次探测到的光强的比例，即聚焦光斑的光强提高比η；步骤2、将50个η值除以全部50个η值之和得到50个归一化η值，并且按由小到大排列，记为e数组；计算50个归一化η值的累积和，记为e数组，使e数组中第c个值为f数组中前c个值之和；
步骤3、随机产生0~1内的值，若该值大于e数组中第i个数且小于等于e数组中第i 1个数，则选择f数组中第i 1个归一化η值所对应的h方向偏振的复振幅光场，将此光场记为光场a；再次随机产生0~1内的数，若该值大于e数组中第j个数且小于等于e数组中第j 1个数，则选择f数组中第j 1个归一化η值所对应的h方向偏振的复振幅光场，将此光场记为光场b；随机产生0~1内的值，若该值大于e数组中第i个数且小于等于e数组中第i 1个数，则选择f数组中第i 1个归一化η值所对应的v方向偏振的复振幅光场，将此光场记为光场c；再次随机产生0~1内的数，若该值大于e数组中第j个数且小于等于e数组中第j 1个数，则选择f数组中第j 1个归一化η值所对应的v方向偏振的复振幅光场，将此光场记为光场d；步骤4、随机生成一个尺寸为32
×
32的二进制矩阵，矩阵内仅包含0和1；将光场a和光场b组合成一个新的h方向偏振的复振幅光场，所述新的h方向偏振的复振幅光场由32
×
32个单元组成；若单元在二进制矩阵中对应位置的值为1，则该单元的复振幅光场值与光场a对应位置处的复振幅光场值相同；若单元在二进制矩阵中对应位置为0，则该单元的复振幅光场值与光场b对应位置处的复振幅光场值相同；再次随机生成一个尺寸为32
×
32的二进制矩阵，矩阵内仅包含0和1；将光场c和光场d组合成一个新的v方向偏振的复振幅光场，所述新的v方向偏振的复振幅光场由32
×
32个单元组成；若单元在二进制矩阵中对应位置的值为1，则该单元的复振幅光场值与光场c对应位置处的复振幅光场值相同；若单元在二进制矩阵中对应位置为0，则该单元的复振幅光场值与光场d对应位置处的复振幅光场值相同；步骤5、随机产生0~1内的值，若该值小于0.05，则将步骤4中生成的新的h方向偏振的复振幅光场中第一单元的复振幅光场值替换为随机复振幅光场值；步骤6、重复步骤5，直到遍历步骤4中生成的新的h方向偏振的复振幅光场和新的v方向偏振的复振幅光场中全部单元的复振幅光场值；步骤7、重复步骤3~6，直到产生50个新的h方向偏振的复振幅光场和50个新的v方向偏振的复振幅光场，并通过偏振分光棱镜合束生成50个目标全光场；然后分别评估所得到的50个目标全光场经散射介质扰乱后的η值；步骤8、重复步骤2~7，直到目标复振幅光场经散射介质扰乱后所形成的聚焦光斑的光强提高比与目标光强提高比的差值小于5时优化结束，或者校正循环次数达到5000次时优化结束，将50个散斑分布中最大η值所对应的目标全光场作为优化得到的最佳目标全光场。
[0022]
实施例3以实施例1不同的是，本实施例中第一光场调控装置和第二光场调控装置通过基于数字微镜阵列的二元计算全息调控方法对输入光进行复振幅调控，具体方法为：对数字微镜阵列中每个微镜进行开和关的二进制强度调控，通过4f光学系统和空间滤波器滤出一级衍射光，对复振幅光场的相位进行调控；通过改变所述数字微镜阵列中不同方向的空间频率，对所述复振幅光场的幅值进行调控，实现对复振幅光场的调控。
[0023]
实施例4与实施例1不同的是，本实施例中第一光场调控装置和第二光场调控装置通过基于液晶空间光调制器的超像素调控方法对输入光进行复振幅调控，包括液晶空间光调制器、4f光学系统和空间滤波器，具体调控方法为：液晶空间光调制器包括1920
×
1080个液晶，相邻液晶的距离为8.0
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m，选择液晶空间光调制器中位于中心区域的320
×
320个液晶作为有效调控区域，剩余液晶的相位值始终调控为0，将有效调控区域的每4
×
4个相邻液晶组成一个
超像素，通过调节超像素中所包含的液晶的相位来实现对复振幅光场中所对应点的复振幅光场的调控；所述4f光学系统由两个透镜组成，两个透镜沿光传播方向一前一后放置，并且两个透镜的焦平面相重合，其中第一透镜的焦距为300 mm，第二透镜的焦距为100 mm；空间滤波器为半径为1.54 mm的圆孔滤波器，放置在4f光学系统两个透镜之间的焦平面位置处，用于滤出一级衍射光，经过4f光学系统后在液晶空间光调制器的共轭位置处生成复振幅光场，将目振幅光场等分为32
×
32个单元，使复振幅光场中每个单元的振幅和相位均可独立调控。
[0024]
实施例5与实施例1不同的是，本实施例中光电探测器为cmos相机，直接接收经散射介质扰乱后的散斑分布；本实施例中通过自然进化策略寻找最佳目标全光场的过程中，通过评估经散射介质扰乱后所需形成的聚焦光束形成的图案的光强与背景平均光强之比（记作峰值光强/背景光强），来寻找最佳目标全光场。所需形成的聚焦光束在cmos相机位置处形成的光斑位于cmos相机中心位置，光斑直径为50
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m，并且经散射介质扰乱后cmos相机所探测到的光斑的峰值光强/背景光强为1400。优化的终止条件为目标复振幅光场经散射介质扰乱后所形成的光斑的峰值光强/背景光强与目标峰值光强/背景光强的差值小于5时优化结束。
[0025]
图8为多次校正循环的目标全光场经散射介质扰乱后的峰值光强/背景光强曲线图。
[0026]
实施例6与实施例5不同的是，本实施例中经过散射介质扰乱后所需形成的聚焦光束所形成的图案为水平方向聚焦的直线，实现一维聚焦图案的光场聚焦。
[0027]
实施例7与实施例5不同的是，本实施例中经过散射介质扰乱后所需形成的聚焦光束所形成的图案为半径为5 mm的圆环，圆环中心与聚焦平面中心一致，实现二维聚焦图案的光场聚焦。
[0028]
实施例8与实施例1不同的是，本实施例中使用光电倍增管检测散射介质内部发射的荧光，实现散射介质内部光场聚焦。
[0029]
以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的适用范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。