一种基于偏振传输矩阵的透过散射介质聚焦装置及方法

1.本发明涉及散射介质光学成像领域，属于波前整形方法领域，尤其涉及一种基于偏振传输矩阵的透过散射介质聚焦装置及方法。


背景技术：

2.在日常生活中有很多散射介质，例如生物组织、浑浊的液体和雨雾等，光通过散射介质时发生散射效应，使得透过散射介质不能观察到其内部或者另一侧物体的像，因此对散射介质后的物体进行成像是极具意义的。通常可以借助一些特别的光学手段来处理散射介质的散射问题。
3.为了对散射介质后的物体进行聚焦或者成像，研究人员提出了光学传输矩阵技术，它是一种波前整形的散射成像技术；光在散射介质中的传输用格林函数来描述，散射介质对光的作用可以用传输矩阵来表示，则通过传输矩阵就建立了输入光场和输出光场之间的联系，再利用传输矩阵的共轭和反演特性，就可以很容易地实现散斑场的聚焦和成像。同时，由于光学传输矩阵技术只需要测量一次就可以实现多个不同光场的调制，具有广阔的应用前景。且复杂介质对光的散射作用，不仅体现在对振幅和相位的扰动上，还存在于对其偏振信息的扰动上。
4.目前的光学传输矩阵技术在相位和振幅上进行了大量研究，而在偏振性质的研究上，仅使用斯托克斯公式从偏振态的表示上对偏振进行了分析，并未涉及从输入光场到输出光场偏振态的变化上进行研究。为此，本发明提出了一种基于偏振传输矩阵的透过散射介质聚焦装置及方法。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提出了一种基于偏振传输矩阵的透过散射介质聚焦装置。
6.为了实现上述目的，本发明提供的一种基于偏振传输矩阵的透过散射介质聚焦装置，包括激光器、衰减片、显微物镜、针孔、第一凸透镜、第一反射镜、第一1/2波片、第一偏振片、光阑、分光棱镜、空间光调制器、第二偏振片、第二凸透镜、散射介质、第三凸透镜、第三偏振片、cmos图像传感器，其中：所述激光器发出的激光由所述衰减片调整光强，并利用所述显微物镜和所述针孔进行空间滤波，使用所述第一凸透镜准直滤波后生成准直光束，并由所述第一反射镜反射调整光高；使用所述第一1/2波片和所述第一偏振片将滤波后的光束偏振方向调整为垂直线偏振光，与所述空间光调制器的调制偏振轴对齐；所述空间光调制器的面板被分为位于中心的调制部分，以及除了调制部分的参考部分；所述调制部分执行所述空间光调制器的调制功能，所述参考部分仅当作反射镜使用；调节所述光阑，使得所述光阑遮挡部分所述参考部分，进而使得所述参考部分与所述调制部分面积比为1:1；所述分光棱镜将光分为两束，一束光为反射光，不在实验中使用，另一束光为所述分光棱镜的透射光，经过所述空间光调制器反射至所述分光棱镜并进入记录光路；所述第二偏振片进行调偏，所述第二凸透
镜和所述第三凸透镜构成4f系统，经过散射介质由所述第三偏振片检偏，由所述cmos图像传感器采集图像。
7.所述散射介质为直径1μm的二氧化硅与热熔胶进行水浴加热后充分搅拌的混合物。
8.本发明的另一目的在于提出了一种基于偏振传输矩阵的透过散射介质聚焦方法，该方法基于上述透过散射聚焦装置实现。
9.为了实现上述目的，本方法通过测量水平偏振方向和垂直偏振方向的传输矩阵，经过互相关运算计算得到理想共轭偏振光场，对其偏振角进行二元偏振近似，最终进行共轭反演得到聚焦结果，为方便描述，定义光传播方向正方向为后方，反方向为前方。
10.本方法包括如下步骤：s1，散斑图案获取；s2，测量两个传输矩阵；s3，合成偏振传输矩阵；s4，重建图像。
11.s1：散斑图案获取过程，入射光场为e
(1)
(x',y')，所述4f系统由两个焦距一致的透镜组成，调整所述空间光调制器和所述cmos图像传感器的位置，通常分别置于所述4f系统的前焦平面和后焦平面，所述散射介质置于所述4f系统的频谱面之后；入射光经由所述4f系统及位于4f系统频谱面的所述散射介质后，在所述4f系统的后方形成空间分布的散斑；细调所述散射介质的位置，进而改变所述散斑的粒径大小，最终使得所述cmos图像传感器采样所述散斑过程符合奈奎斯特采样定律。
12.s2：测量传输矩阵过程，在所述空间光调制器中加载不同的相位图可以实现对入射光波进行调整，所述空间光调制器放置在所述4f系统的前焦平面附近，使用所述hadamard基以及所述四步相移方法来测量传输矩阵元素，所述hadamard基的元素为1或者-1，用所述四步相移算法计算所述出射光场的相位，为通过所述cmos图像传感器采集的光强值，分别是加载四个不同相位值为0，π/2，π，3π/2的第n个输出模式的强度值，然后对这四个光强值进行计算：得到所述传输矩阵s，在所述空间光调制器和所述4f系统之间，放置所述第二偏振片。旋转所述第二偏振片，将入射光场调整为水平偏振方向，记录经过所述散射介质的出射光场旋转所述第二偏振片，将入射光场调整为垂直偏振方向，记录经过所述散射介质的出射光场其中，h代表水平偏振方向，v代表垂直偏振方向。
13.s3：合成偏振传输矩阵过程，直接共轭光场e
(3)
(x',y')由出射光场和的共轭构成，在第m个空间点处的琼斯矩阵表示为和分别为沿水平偏振方向和垂直偏振方向的相位延迟；所述共轭偏振光场在第m个空间点处的琼斯矩阵设为令互相关结果为0，可以得到：
arg[]为复数实参的主值。γm表示为所述共轭偏振光场的偏振角，γm的取值范围为(-π,π)；对γm进行二元偏振近似，所述空间光调制器不能调制全2π范围内的偏振角，只能在有限范围进行偏振调制：至此，确定了所述共轭偏振光场
[0014]
s4：重建图像过程，将所述共轭偏振光场加载于所述空间光调制器上，经过所述空间光调制器调制后的光，透过所述4f系统及位于所述4f系统频谱面上的所述散射介质后，由所述第三偏振片检偏并由所述cmos图像传感器采集图像：式中，k为所述偏振传输矩阵，t为转置运算，e
(4)
(x',y')为所述出射聚焦光场。
[0015]
与现有技术相比，本发明提供的技术方案的有益成果是：本方法不需要引入额外的参考光束，通过同轴干涉测量传输矩阵，实验装置简单，系统稳定性高；相对于光学相位共轭方法，该方法不需要严格的光路对准过程，光学实验操作简单；相较于使用斯托克斯来表示偏振的方法，本方法测量的数据少一倍，测量时间也相应减少；本方法从偏振变化的角度出发，对光场进行互相关运算，得到偏振传输矩阵，能够有效的恢复散射介质对偏振信息的扰乱，实现透过散射介质聚焦。
附图说明
[0016]
图1本发明提供的基于偏振传输矩阵的透过散射介质聚焦装置及方法系统示意图。
[0017]
图2基于偏振传输矩阵的透过散射介质聚焦装置及方法流程图。
[0018]
图3采集散斑图案结果，(a)散射介质，(b)水平偏振方向入射光产生的散斑图，(c)垂直偏振方向入射光产生的散斑图。
[0019]
图4具体实施方案的实验结果，(a)本发明所提出方法结果局部放大图，(b)本发明所提出方法结果切面强度图。
[0020]
附图标记说明：1、激光器，2、衰减片，3、显微物镜，4、针孔，5、第一凸透镜，6、第一反射镜，7、第一1/2波片，8、第一偏振片，9、光阑，10、分光棱镜，11、空间光调制器，12、第二偏振片，13、第二凸透镜，14、散射介质，15、第三凸透镜，16、第二偏振片，17、cmos图像传感器。
具体实施方式
[0021]
下面结合附图以及实施例给出本发明的实施流程，以详细说明本发明的技术方案。
[0022]
实施例。
[0023]
如图1所示，首先配置准直光路，所述激光器(1)发出的激光由所述衰减片(2)调整
光强，并利用所述显微物镜(3)和所述针孔(4)进行空间滤波，使用所述第一凸透镜(5)准直滤波后生成准直光束，并由所述第一反射镜(6)反射并起到调整光高的作用；所述显微物镜(3)的数值孔径na＝0.3，所述针孔(4)直径为15mm，所述激光器(1)的中心波长为532nm。
[0024]
所述记录散斑图案过程，使用所述第一1/2波片(7)和所述第一偏振片(8)将滤波后的光束偏振方向调整为垂直线偏振光，与所述空间光调制器(11)的调制偏振轴对齐。所述空间光调制器(11)采用向列相硅基液晶面板，对垂直线偏振光调制效果最佳。所述空间光调制器的液晶面板，被分为中心区域的调制部分，和非中心区域的参考部分。所述调制部分执行调制光波相位功能，所述参考部分仅作为反射镜使用。所述空间光调制器的调制部分中心点，与所述光阑(9)的中心对齐。通过调节所述光阑(9)使得参考部分与调制部分面积比为1:1。所述分光棱镜(9)将光分为两束，一束光为反射光，不在实验中使用，另一束光为所述分光棱镜(9)的透射光，偏振方向仍为所述垂直线偏振光，经过所述空间光调制器(11)反射至所述分光棱镜(9)并进入记录光路，经过所述第二偏振片(12)后，所述第二凸透镜(13)和所述第三凸透镜(14)构成4f系统，所述散射介质(14)处于4f系统的频谱面后，所述空间光调制器(11)和所述cmos图像传感器(17)分别置于所述4f系统的前焦平面和后焦平面，经所述第三偏振片(16)检偏后，由所述cmos图像传感器(17)采集图像。
[0025]
所述散射介质(14)为直径1μm的二氧化硅与热熔胶进行水浴加热后充分搅拌的混合物。
[0026]
调整所述第二偏振片(12)使所述光的偏振方向为所述水平偏振方向，通过所述第二凸透镜(13)将光聚焦至所述散射介质(14)上，所述出射散射光经由所述第三凸透镜(14)，并通过所述第三偏振片(16)进行检偏，所述cmos图像传感器(17)采集所述水平偏振方向入射光产生的散斑图，如图3(b)所示；调整所述第二偏振片(12)使所述光的偏振方向为所述垂直偏振方向，通过所述第二凸透镜(13)将光聚焦至所述散射介质(14)上，所述出射散射光经由所述第三凸透镜(14)，并通过所述第三偏振片(16)进行检偏，所述cmos图像传感器(17)采集所述垂直偏振方向入射光产生的散斑图，如图3(c)所示。
[0027]
使用所述hadamard基来测量光学传输矩阵，因为所述hadamard基在相同模量下的像素为1或者-1，其中1可以表示复振幅aexp(j0)，-1可以表示为复振幅aexp(jπ)，二者具有相同的振幅且a＝1、相位差为π，这样不仅可以将强度信息与相位信息分开，还可以使得所述空间光调制器上的元素均能透光，保留输入波的最大强度，使得由足够的能量用于后续的透过所述散射介质，降低了实验对噪声的敏感度。这样，所述入射光场的调制完成，再测得所述输出光场，就可以通过矩阵变换解得光学传输矩阵。
[0028]
所述cmos图像传感器只能对输出光场的强度进行响应，而不能获取相位信息。所以，利用四步相移全息术，在参考光中引入等步长的四次相移0、π/2、π、3π/2，通过四步相移算法的四幅干涉图样由所述cmos图像传感器采集其光强值然后对这四个值进行如下计算：得到传输矩阵s。
[0029]
设所述入射光场为e
(1)
(x,y)，旋转所述第二偏振片(12)使得入射光场为水平偏振方向，由琼斯向量表示，再次旋转所述第二偏振片(12)使得入射光场为垂直偏振方向，由琼斯向量表示，入射光场由水平偏振方向以及垂直偏振方向光场组成:式中，h代表水平偏振方向，v代表垂直偏振方向。采用传输矩阵对所述散射介质进行建模：s＝(s
hh s
hv
)式中，hh表示入射光场为水平偏振方向时出射光场为水平偏振方向，hv表示入射光场为水平偏振方向时出射光场为垂直偏振方向，出射光场e
(2)
(x',y')可以表示为：由于所述空间光调制器上的偏振态通常呈现椭圆偏振状态，所以在理想的情况下会共轭回放相同的椭圆偏振状态，由于空间光调制器只调制线偏振光，所以设回放的所述共轭偏振光场为若想得到更高的聚焦强度，则我们设置的所述共轭偏振光场应与所述直接共轭光场e
(3)
(x',y')之间的相关性应当越大。
[0030]
对于所述直接共轭光场e
(3)
(x',y')，在它的第m个空间点处的琼斯矩阵采用以下形式：式中，tm表示出射光场e
(2)
(x',y')在每一空间点处的分量，表示组合电场的振幅；表示沿两个正交方向电场振幅的比值；和分别为沿水平偏振方向和垂直偏振方向的相位延迟。为了求得所述共轭偏振光场设在第m个空间点处的琼斯矩阵表示为：其中，γm表示偏振角；为了获得最优的聚焦，我们最大化e
(3)
(x',y')与这两个向量之间的相关系数：带入求导得：式中，arg[]为复数实参的主值。γm的取值范围为(-π,π)。
[0031]
由于所述空间光调制器不能调制全2π范围内的偏振角，只能在有限范围进行偏振
调制，对偏振角γm进行二元偏振近似：确定γm的值后，就可以确定所述共轭偏振光场为：式中，n为每个偏振方向的元素个数。
[0032]
将所述共轭偏振光场加载到所述空间光调制器(11)上后，经过所述空间光调制器(11)调制的光通过所述第二凸透镜(13)将光聚焦至所述散射介质(14)上，所述出射散射光经由所述第三凸透镜(14)，并通过所述第三偏振片(16)进行检偏，产生聚焦光斑并由所述cmos图像传感器(17)采集图像。调制后的所述波阵面与所述散射介质(14)进行了相应的相位补偿，所以所述散射介质(14)等效为一个透镜，从而实现聚焦：式中，t为所述转置运算，e
(4)
(x',y')为所述出射聚焦光场，得到重建图像。
[0033]
图4(a)为本发明产生的结果局部放大图，虚线为所选切面位置，像素大小为200*200，图4(b)本发明所提出方法结果的切面强度图；本发明的结果能够产生对比度好的聚焦结果，意味着本发明所提出的方法可以很好地矫正散射介质对光的偏振扰动。
[0034]
具体实施方式中的实施例仅代表本发明的一种实施方式。实施例是按照本发明所提出方法，设计的一种实施装置及流程，不代表本发明的保护范围。但本发明的保护范围并不局限于此。所有从事相关技术领域的技术人员，均能够按照本发明提出方法设计多种不同的实施例。凡实施方式符合本发明权利要求，均在本专利的保护范围内。