CN106725319A - 一种光通过散射介质聚焦的单元裂解调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光通过散射介质聚焦的单元裂解调制方法，涉及生物成像领域。本发明技术要点：包括最佳相位寻找的步骤、四元裂解方法调制步骤。其中，最佳相位寻找的步骤为在空间光调制器上进行0~2π的相位变化，对入射平面波进行相位调制，用CCD接收相应的散斑图，计算聚焦处的光强大小，并进行比较，保存最大光强对应的相位值；四元裂解方法调制步骤包括：每一个单元寻找其使得输出聚焦处强度最大的相位（最优相位），然后将这些单元顺序等分成四份，每个小单元在继承之前的优化相位的同时继续寻找更优的相位分布，依此类推，可将单元细分、优化到更小的单元，甚至空间光调制器的像素。

Description

一种光通过散射介质聚焦的单元裂解调制方法

技术领域

本发明涉及生物成像领域，一种光通过散射介质聚焦的单元裂解调制方法。

背景技术

脑成像技术是生物医学领域一项非常重要的技术，其广泛应用于医学临床实践，对确定受疾病影响的定位、诊断人脑内部的疾病起着十分关键的作用.现有的脑成像方法主要有脑电图、脑磁图、核磁共振成像、光学散射成像。脑电图是将人脑的自发性生物电位放大记录获得的图像，是检测大脑疾病的一种有效方法；脑磁图是通过测量颅脑中极微弱的脑磁波并且记录下来，能够准确诊断多种疾病；核磁共振成像方法利用核磁共振原理对人体采集信号并给出二维或三维图像，具有无损伤的特点。光学散射成像方法由于具有安全、高分辨率以及简单易行的优点，在近年来得到了广泛的应用。但是，由于光学信号其在生物组织中会被严重散射，会使得入射光的波前在经过散射介质之后破坏，在散射介质后面接收到的是一系列的散斑，难以实现对散射介质进行聚焦，从而不能实现成像。为此，近年来人们提出了许多聚焦通过散射介质的相干光的方法，例如共聚焦显微镜法、自适应光学法、空间光调制器法等。其中，利用空间光调制器的方法由于SLM操作的灵活性，在近年来得到长足发展和创新。利用SLM成像的方法包括荧光成像、相位共轭、逐个调节、随机分区调节、透射矩阵方法等。荧光成像方法是在散射介质当中嵌入荧光物质，利用短波长的入射光激发荧光，然后利用SLM对波前的调制作用，可以在介质后面成像。相位共轭方法将散射介质看作一个对入射平面光波进行相位改变的物体，利用SLM对透射光波做相位共轭调制，使得经过SLM反射的光波再次透过介质之后成像。逐个调节方法是对SLM的每一个像素依次从0到2π循环，最后把所有SLM像素设置成为目标处最大光强对应的相位值。这种方法简单明了，容易理解，在操作上也容易实现，取得了良好的效果，但不足之处在于需要多次迭代，所需时间长，信噪比弱，从而对于液体等动态介质不易实现。随机分区调节方法是将SLM随机选出一半数量的单元，统一进行0到2π循环，然后经过多次迭代，最终实现聚焦。这种方法的收敛速度比逐个调节算法快，信噪比也较高，但是由于是随机选择相位调制区域，其收敛方向具有随机性和不确定性。透射矩阵方法是找出散射介质对应的透射矩阵，把光场透过经过介质散射的过程看作一个线性变换过程，入射光场和透射光场之间通过透射矩阵联系起来。此方法能够实现在接收平面任意点聚焦，并且可以产生多个聚焦点。

以上这些模型都能一定程度上实现对通过散射介质的相干光聚焦，都有各自的优缺点，在本发明中提出了另一种调制方式，使得调制的收敛速度快、信噪比高、耗时短。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供一种收敛速度更快、信噪比更高、耗时更短的调制方法，使光通过散射介质后形成聚焦。

本发明采用的技术方案如下：包括最佳相位寻找的步骤和四元裂解方法调制步骤。

其中，最佳相位寻找的步骤为在空间光调制器上进行0~2π的相位变化，对入射平面波进行相位调制，用CCD接收相应的散斑图，计算聚焦处的光强大小，并进行比较，保存最大光强对应的相位值；

四元裂解方法调制步骤包括：每一个单元寻找其使得输出聚焦处强度最大的相位（最优相位），然后将这些单元顺序等分成四份，每个小单元在继承之前的优化相位的同时继续寻找更优的相位分布，依此类推，可将单元细分、优化到更小的单元，甚至空间光调制器的像素。

最佳相位寻找的步骤进一步包括：

步骤A1：使空间光调制器上的独立单元进行0~2π的相位变化，用CCD接收最后的实验结果图；

步骤A2：计算每张实验结果图中聚焦区域的光强大小，比较这些光强值，找出最大光强对应的相位值；

步骤A3：保存最佳相位值，加载到空间光调制器上。

四元裂解方法调制步骤进一步包括：

步骤A1：把空间光调制器的整个区域分为4个独立单元，对每个单元依次进行0~2π的相位变化，同时保持其他单元的相位调制为0，找到每个单元的最佳相位，得到了这一层的最佳相位分布，称这一层为父层；

步骤A2：把父层中的每个单元等分成四份，每一小单元称为子层，首先使子层中的各单元继承父层的相位，同时使子层中的每个单元进行相位变化；当子层中某一个单元寻找到最佳相位后，随后进行下个子单元的最佳相位的寻找，同时把已寻找过的子单元赋值为最佳相位；这样就找到了四分后子层中每个单元的最佳相位分布；

步骤A3：利用同样的方法把各个子单元等分成四份，得到孙层单元，寻找最佳相位分布；依此类推，可将单元细分、优化直至重孙单元直至空间光调制器的像素大小。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明在原有的光通过散射介质聚焦方法的基础上，提出了另一种调制方式—四元裂解调制方法。其过程是相铺相成的，没有完成上一层的寻找就不能进行下一层的寻找，且在进行下一层的寻找中，把上一层单元都赋值为最佳相位，这样就考虑到了被调制的单元之间的干涉作用，保证了每次的寻找都有高信噪比，寻找的最佳相位更准确，聚焦效果收敛更快，不需要进行多次迭代。经过这样的搜索过程，我们可以看到，随着独立单元的增多，目标处的光斑是逐渐变亮，聚焦效果越来越明显。综上，本发明提出的聚焦方法简便有效，具有信噪比高和收敛速度快的特点。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1为本发明方法流程图。

图2为使用本发明方法前向散射实验光路图。

图3为使用本发明方法后向散射实验光路图。

图4为本发明方法中四元裂解方法的调制步骤示意图。

图5为本发明方法对前向散射光聚焦的结果示意图。

图6为本发明方法对后向散射光聚焦的结果示意图。

图7为本发明方法对前向散射光聚焦的结果至高像素示意图。

图8为本发明方法聚焦过程中目标出增强倍数变化曲线。

图9为本发明方法增强倍数随单元个数变化曲线。

图10为本发明方法各单元相互干涉的贡献随单元个数变化曲线。

图11为本发明方法聚焦处增强倍数随不同位相优化方法变化曲线。

图12为本发明方法各单元相互干涉的贡献随不同位相优化方法变化曲线

图中标记：0为把这一块像素的相位调制设置为0；1为把这一块像素从0到2π循环；2为把这一块像素的相位调制设置为上一次调节当中的目标处最大光强所对应的相位值；3为激光器；4为平面反射镜；5为显微物镜；6为凸透镜；7为空间光调制器；8为样品；9为CCD；10为分束镜。 a：‘0’相位板(未调制)；a1~a4:分别把空间光调制器分为4,16，64,256个独立单元寻找到的最佳相位板；b加‘0’相位板时，CCD接收到的散斑；b1~b4分别加载4,16,64,256的最佳相位板时，CCD接收到的散斑。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

本发明的聚焦方法包括最佳相位寻找的步骤和四元裂解方法调制步骤。

更具体的，四元裂解方法是在已有的聚焦方法基础上提出，本实施例中利用矩形空间光调制器，采用本发明的方法对入射光波进行调制，分别使经过散射介质（毛玻璃）的前向散射光（散射光穿过毛玻璃）和后向散射光聚焦（散射光从毛玻璃表面反射）。

前向散射实验装置及光路图如附图2所示。激光器发出的光经过平面反射镜、显微物镜和一个凸透镜扩束，使一束半径很小的激光扩束成为半径较大的平行光，均匀地照射在空间光调制器上。光波经过空间光调制器调制后反射，然后经过4F系统滤波。经4F系统出射的光波用显微物镜聚焦到样品上，经样品散射，然后用另一显微物镜将散射光成像到CCD接收平面上，将CCD接收到的信号输入计算机，即可从计算机读出空间光调制器的调制效果。

后向散射实验装置及光路图如附图3所示，与前向散射不同的是利用显微物镜和一个透镜，收集由样品表面反射的散射光，经过分光棱镜，成像到CCD解接收平面。

如附图4所示，为四元裂解的具体调制过程。首先把空间光调制器分为4个独立单元，对每个单元先后进行0~2π的相位变化，同时保持其他单元的相位为0（不进行相位变化），找到每个单元的最佳相位了，我们得到了这一层的最佳相位分布，且称这一层为父层。随后，把第父层中的4个单元进行依次顺序四分，先把父层中左上角分为4个更小的区域，称为子层，同样也使子层中的每个区域进行相位变化，同时使子层中的其他区域继承父层的相位，父层中的其他区域赋值为父层的最佳相位。当子层中其中一个单元寻找到最佳相位后，随后进行下个子单元的最佳相位的寻找，同时把已寻找过的子单元赋值为最佳相位。随后，再对父层中右上角进行细分，同样令子层中的每个区域都先后进行相位变化，同时把父层和左上角被细分后的子层区域赋值为最佳相位。按照同样的方法，对父层中的左下角，右下角进行细分，这样就找到了细分后子层中每个小区域的最佳相位，最终就得到了子层的相位分布图—有16个独立单元，且每个单元都赋值为最佳相位。然后，利用同样的方法把这16个独立的单元进一步细分，得到四个孙层单元。依此类推，可将单元细分、优化直至重孙单元直至SLM的像素大小。

由光学全息理论，对于空间光调制器的个独立控制单元，当设置个单元为最大光强对应的相位时，接收面的光强

其中为正在调节的空间光调制器单元对应光波的振幅，为此光波的相位，为设置为最大光波的振幅，为对应的相位。上式当中的第三项求和符号里面的内容，即包含了正在调节的光与其余光波的干涉信息，当k值越大，即设置的空间光调制器单元为最大光强的个数越多，考虑干涉效应越强，调制的效果越好。

在实验中，首先把空间光调制制器上的1920x1080个像素分别分为2x2、4x4、8x8、16x16个独立单元进行实验，附图5为前向散射聚焦结果，附图6为后向散射聚焦结果。因为使用的是纯相位空间光调制器，独立单元上灰度变化，对应着相位变化，因此相位0~2π的变化对应着灰度0~255的变化。并且把灰度0~255分为8份（也就意味着把相位0~2π分为8份）分别寻找到它们的最佳相位板，如附图5，6中的a1~a4所示。若加载如图a的‘0’相位板，那么CCD接受的是一系列散斑，不会有聚焦现象，如附图5，6图中的b所示。分别把寻找到的最佳相位板加载到空间光调制器上，加载相位板后，目标处出现明显的聚焦现象，并且随着单元数量的增加，聚焦效果越来越明显，如附图5，6中的b1~b4所示。随后在前向散射实验中，对空间光调制器上的像素单元进一步细分，分别分为32x32、64x64个独立单元进行实验，如附图7为其实验结果，同样观察到了明显的聚焦效果。

为了定量地比较观察增强效果，我们测量了增强倍数（空间光调制器上加载最佳相位板时目标处的光强与没加相位板时目标处的光强的比值），在前向散射实验中分别求出把空间光调制器分为2x2、4x4、8x8、16x16，进行了三次实验，绘制曲线图如附图8所示。再把把空间光调制器分为32x32、64x64个独立单元进行实验，计算增强倍数，绘制曲线图如附图9所示。

附图10为对应图7中64x64聚焦过程中目标区域的增强倍数随测量时间变化的曲线图。从图10中可以看到，随着聚焦次数的增加，增强倍数不断上升，但是由于激光器稳定性以及环境的扰动等噪声因素的影响，局部略有下降。

按本发明方法分别进行四次聚焦，做出增强曲线图，对所有实验结果进行归一化处理，然后4次实验结果进行平均，得到的数据作出函数关系图如图11所示. 图中的误差线为均方差的计算结果. 其中横坐标的数字对应于考虑不同的数量的单元之间进行干涉.数字1代表初始未经相位优化的情形；数字2～6分别为2x2单元以0个，1个，2个，3个单元设置为亮点进行相位优化的结果；数字7～10分别为4x4单元以1个，2个，3个单元设置为亮点进行相位优化的结果；数字11～13分别为8x8单元以1个，2个，3个单元设置为亮点进行相位优化的结果。

从图11中可以清晰地看到，当SLM单元个数相同时，两个设置为最亮的增强倍数大于一个设置为最亮的增强倍数，三个设置为最亮的增强倍数大于两个设置为最亮的增强倍数. 当SLM单元个数不同时，SLM单元个数越多，增强倍数越大.所以，考虑干涉效应越强烈，目标处的聚焦效果越好.

利用每一次优化相位板的相位值，计算干涉的贡献，作图如图12所示。其中横坐标的实验方式与图11中的实验方式一一对应，并且除去起始时的情形。纵坐标代表相互作用的贡献，并且都进行归一化的结果。从图中不难发现，设置的SLM为最大光强的单元越多，干涉效应越强。分析干涉全息公式可知，SLM单元从k-1个增加到k个时，公式右边将增加2k个干涉项。并且还可以发现，增加SLM单元个数时，干涉贡献有一个明显的跳跃。因为将SLM单元数四单元分裂时，单元数增加4倍，公式中求和符号里面的项数增加8k项。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (5)

1.一种光通过散射介质聚焦的单元裂解调制方法，包括调制器件，最佳相位寻找的步骤、四元裂解方法调制步骤；

其中，最佳相位寻找的步骤为在空间光调制器上进行0~2的相位变化，对入射平面波进行相位调制，用CCD接收相应的散斑图，计算聚焦处的光强大小，并进行比较，保存最大光强对应的相位值；

四元裂解方法调制步骤包括：每一个单元寻找其使得输出聚焦处强度最大的相位（最优相位），然后将这些单元顺序等分成四份，每个小单元在继承之前的优化相位的同时继续寻找更优的相位分布，依此类推，可将单元细分、优化到更小的单元，甚至空间光调制器的像素。

2.根据权利要求1所述一种光通过散射介质聚焦的单元裂解调制方法，其特征在于，调制器件可以为任意的对入射光波有相位调制的器件。

3.根据权利要求1所述一种光通过散射介质聚焦的单元裂解调制方法，其特征在于，最佳相位寻找的步骤进一步包括：

步骤A1：使空间光调制器上的独立单元进行0~2的相位变化，用CCD接收最后的实验结果图；

步骤A2：计算每张实验结果图中聚焦区域的光强大小，比较这些光强值，找出最大光强对应的相位值；

步骤A3：保存最佳相位值，加载到空间光调制器上。

4.根据权利要求1所述一种光通过散射介质聚焦的单元裂解调制方法，其特征在于，四元裂解方法调制步骤进一步包括：

步骤A1：把空间光调制器的整个区域分为4个独立单元，对每个单元依次进行0~2的相位变化，同时保持其他单元的相位调制为0，找到每个单元的最佳相位，得到了这一层的最佳相位分布，称这一层为父层；

步骤A2：把父层中的每个单元等分成四份，每一小单元称为子层，首先使子层中的各单元继承父层的相位，同时使子层中的每个单元进行相位变化；当子层中某一个单元寻找到最佳相位后，随后进行下个子单元的最佳相位的寻找，同时把已寻找过的子单元赋值为最佳相位；这样就找到了四分后子层中每个单元的最佳相位分布；

步骤A3：利用同样的方法把各个子单元等分成四份，得到孙层单元，寻找最佳位相分布；依此类推，可将单元细分、优化直至重孙单元直至空间光调制器的像素大小。

5.根据权利要求1和4所述一种光通过散射介质聚焦的单元裂解调制方法，其特征在于，可以把空间光调制器上的单元分为整数(例如：3、4、5)个独立单元采用同样的方法调制。