CN106770048B - 强散射介质传输矩阵测量方法及光路装置 - Google Patents

强散射介质传输矩阵测量方法及光路装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种强散射介质传输矩阵测量方法及光路装置，包括以下步骤：S1、搭建具有空间光调制器(7)的光路装置；S2、设定在第n个入射波矢中改变相位，通过在空间光调制器(7)的相应位置上加载相位数据；在每个入射波矢方向，分别加载相位角α为0，π/2，π和3π/2，同时同步采集对应的所有出射波输出光强和S3、将和数值代入公式(8)：本发明所述的强散射介质传输矩阵测量方法及光路装置，利用纯相位型空间光调制器对输入光进行精密相位调整，实现对每一束入射波矢进行四种特定相位的调整，同时用相机采集对应的光强信息，并通过光强信息求解复数的传输矩阵。

Description

强散射介质传输矩阵测量方法及光路装置
技术领域
本发明涉及一种强散射介质传输矩阵测量方法及求取强散射介质传输矩阵所搭建的光路装置。
背景技术
目前，人们对波的传播的研究基本都是基于均匀介质或者弱散射介质，然而，自然生活中有许多介质都是强散射介质，例如浑浊液体，云，人的皮肤等。当光进入强散射介质时，光束就被散射到各个方向，导致透过光束变得杂乱无章，无法辨别。
然而，通过测量强散射介质的传输矩阵，建立散射介质的输入和输出关系，则通过对入射到强散射介质的光波的波前进行调整，削弱或抵消强散射介质对光束的散射，实现透过强散射介质的聚焦和透过强散射介质的图像反演。
当光束入射到介质时，它的出射光和入射光之间满足如下关系：
其中，为在第n个方向上入射到散射介质的输入复振幅，为光束穿过介质的输出平面上第m个位置上的复振幅，Ein为入射的复振幅向量，K为散射介质的复数传输矩阵。
传输矩阵K是描述散射介质输入输出特性的矩阵。散射介质传输矩阵的测量难点在于：
1)散射介质传输矩阵为复数矩阵，而探测器仅能接收光强信号，而不包含其中的相位信息，采用现有的方法无法恢复其相位信息，所以也就无法求得介质的复数传输矩阵。
2)散射介质传输矩阵是一个多输入多输出系统，改变任意输入波矢会影响多个出射波矢，同样每个出射波矢由多个输入波矢所决定，所以这就需要测量每一个入射波矢对每一个出射波矢的影响，这样的工作量是很庞大的，并且需要一种仪器能实现对每个入射波矢的单独控制。
发明内容
根据上述提出的技术问题，而提供一种强散射介质传输矩阵测量方法及光路装置，用于解决现有的传输矩阵测量方法，无法恢复其相位信息，无法求得介质的复数传输矩阵，工作量庞大的缺点。本发明采用的技术手段如下：
一种强散射介质传输矩阵测量方法，包括以下步骤：
S1、搭建具有空间光调制器的光路装置。
S2、在空间光调制器中加载不同的相位图能够实现对不同角度入射的输入光波复振幅的调整。
设定在第n个入射波矢中改变相位，通过在空间光调制器的相应位置上加载相位数据。
在每个入射波矢方向，分别加载相位角α为0，π/2，π和3π/2，同时同步采集对应的所有出射波输出光强和
S3、设定代表第m个出射波的振幅的变化，将和数值代入如下公式：
公式中随入射激光振幅E呈正比例变化，为了消除入射激光振幅的变化，利用光电探测器同步采集每次输入的激光光强I＝|E|2，其中和E通过归一化消除。
利用公式求解出对应于入射波为n方向的传输矩阵kmn。
S4、重复上述步骤，依次改变每一个入射波矢的相位，采集对应的所有出射波的输出光强，得到样品的整个复数传输矩阵K。
作为优选步骤S2中所述的光路装置中光强信息的采集具有以下步骤：
S11、搭建光路，保证所有光学元件处于相同高度，接通激光器电源，调整扩束镜，使得激光输出为平面波；调节偏振片Ⅰ同时观察透过的光束光强，找到使透过光强最大的位置固定偏振片Ⅰ。
S12、打开空间光调制器并使其正常工作，转动半波片，观察空间光调制器(7)反射光束，找到使反射图像最清晰的位置固定半波片。
S13、调节物镜Ⅰ，使光束聚焦在所测试的测试样品上。
S14、调节物镜Ⅱ，使透过测试样品的光束成像在相机上。
S15、打开相机的驱动程序，调节相机曝光时间使成像清晰，转动偏振片Ⅱ，同时观察相机采集图像的光强，找到光强最大的位置固定偏振片Ⅱ。
S16、打开电脑中相机和空间光调制器同步控制采集程序，空间光调制器分别加载预设调整相位，相机同步采集调整后相位的输出光强，同时光电探测器采集激光器输入的平均光强。
作为优选所述的空间光调制器为反射式的纯相位型空间光调制器，分辨率为512×512，在工作中进行像素合并处理，实现对N＝16×16的输入光波进行相位调整。
作为优选所述的激光器为高相干性的单纵模激光器。
作为优选所述的物镜Ⅰ和物镜Ⅱ为高倍显微物镜，数值孔径NA为0.65，物镜Ⅰ和物镜Ⅱ放置于六维调节台上。
作为优选所述的光电探测器是可变增益放大光电探测器。
作为优选所述的相机为高量化位数相机，相机采集光斑范围设定为50像元×50像元，此时所求解的传输矩阵维度为2500×256。
作为优选测量的散射介质样品为纳米氧化锌粉末，将其均匀涂抹在薄玻璃片上。
一种光路装置，包括：用于发射光束的激光器、偏振片Ⅰ、偏振片Ⅱ、用于调整光束方向的半波片、用于将光束扩束的扩束镜、用于偏振作用的分束晶体、用于采集并消除光强起伏的光电探测器、用于纯相位调制的空间光调制器、用于控制镜头透光量的光圈、放置于六维调节位移台上的物镜Ⅰ、放置于六维调节位移台上的物镜Ⅱ、镜筒以及用于采集图像的相机；所述激光器发射的光束依次经过偏振片Ⅰ、半波片、扩束镜和分束晶体。
经过分束晶体的光束分别射向光电探测器和空间光调制器；射向空间光调制器的光束依次经过空间光调制器和分束晶体反射，通过光圈射入至物镜Ⅰ；经过物镜Ⅰ的光束聚焦至测试样品，然后经过物镜Ⅱ的出射光束，最后经过一个偏振片Ⅱ，射向相机。
与现有技术相比较，本发明所述的强散射介质传输矩阵测量方法及光路装置，利用纯相位型空间光调制器对输入光进行精密相位调整，实现对每一束入射波矢进行四种特定相位的调整，同时用相机采集对应的光强信息，并通过光强信息求解复数的传输矩阵。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明光路装置示意图。
图2是本发明入射光波(n＝1)位相角改变时相机采集光强视图。
图3是本发明样品散射传输矩阵视图。
图中：1、激光器，2、偏振片Ⅰ，3、半波片，4、扩束镜，5、分束晶体，6、光电探测器，7、空间光调制器，8、光圈，9、物镜Ⅰ，10、测试样品，11、物镜Ⅱ，12、偏振片Ⅱ，13、镜筒，14、相机。
具体实施方式
如图1到图3所示，一种强散射介质传输矩阵测量方法，包括以下步骤：
S1、搭建具有空间光调制器7的光路装置；所述的空间光调制器7为反射式的纯相位型空间光调制器，分辨率为512×512，在工作中进行像素合并处理，实现对N＝16×16的输入光波进行相位调整。
S2、在空间光调制器7中加载不同的相位图能够实现对不同角度入射的输入光波复振幅的调整。
设定在第n个入射波矢中改变相位，通过在空间光调制器7的相应位置上加载相位数据。
在每个入射波矢方向，分别加载相位角α为0，π/2，π和3π/2，同时同步采集对应的所有出射波输出光强和
步骤S2中所述的光路装置中光强信息的采集具有以下步骤：
S11、搭建光路，保证所有光学元件处于相同高度，接通激光器1电源，调整扩束镜，使得激光输出为平面波；调节偏振片Ⅰ2同时观察透过的光束光强，找到使透过光强最大的位置固定偏振片Ⅰ2；所述的激光器1为高相干性的单纵模激光器。
S12、打开空间光调制器7并使其正常工作，转动半波片3，观察空间光调制器7反射光束，找到使反射图像最清晰的位置固定半波片3。
S13、调节物镜Ⅰ9，使光束聚焦在所测试的测试样品10上；测量的测试样品10为纳米氧化锌粉末，将其均匀涂抹在薄玻璃片上。
S14、调节物镜Ⅱ11，使透过测试样品10的光束成像在相机14上；所述的物镜Ⅰ9和物镜Ⅱ11为40倍显微物镜，数值孔径NA为0.65，物镜Ⅰ9和物镜Ⅱ11放置于六维调节台上。
所述的相机14为高量化位数相机，相机14采集光斑范围设定为50像元×50像元，此时所求解的传输矩阵维度为2500×256。
S15、打开相机14的驱动程序，调节相机14曝光时间使成像清晰，转动偏振片Ⅱ12，同时观察相机14采集图像的光强，找到光强最大的位置固定偏振片Ⅱ12。
S16、打开电脑中相机14和空间光调制器7同步控制采集程序，空间光调制器7分别加载预设调整相位，相机14同步采集调整后相位的输出光强，同时光电探测器6采集激光器输入的平均光强。所述的光电探测器6是可变增益放大光电探测器。
如图2所示，给出了n＝1时，入射光波位相角分别增加α＝0，π/2，π，3π/2时，相机(14)采集的光强，此时光电探测器(6)采集的电压分别为3.33V，3.33V，3.35V和3.34V，利用上述数据通过式(8)对测量矩阵中第一列数据的解算；再分别另n＝2,3……N，改变入射光波相位，重复上述的测量过程，即可获得测试样品的传输矩阵。如图3所示，分别为测量得到的传输矩阵的强度图和位相图。
S3、将和数值代入公式(8)：
利用公式(8)求解出对应于入射波为n方向的传输矩阵kmn。
步骤S3中的公式(8)为下述步骤求取：
S31、设定入射波为均匀平面波E，第n个入射波的相位增加位相角α时，则有此时第m个出射波的光强用下面的公式表示：
S32、设定代表第m个出射波的振幅的变化，则式(2)写成：
S33、分别改变第n个入射波中的相位α为0，π/2，π和3π/2，记录第m个出射波的光强和则根据式(3)这四个光强表示为：
S34、利用上述四个公式，用这些光强来求解式(3)的第三项，得：
公式中随入射激光振幅E呈正比例变化，为了消除入射激光振幅的变化，利用光电探测器同步采集每次输入的激光光强I＝|E|2。
此时，利用公式(8)能够求解出对应于入射波为n方向的传输矩阵kmn，其中和E通过归一化消除。
S4、重复上述步骤，依次改变每一个入射波矢的相位，采集对应的所有出射波的输出光强，得到样品的整个复数传输矩阵K。
如图1所示，一种光路装置，包括：用于发射光束的激光器1、偏振片Ⅰ2、偏振片Ⅱ12、用于调整光束方向的半波片3、用于将光束扩束的扩束镜4、用于偏振作用的分束晶体5、用于采集并消除光强起伏的光电探测器6、用于纯相位调制的空间光调制器7、用于控制镜头透光量的光圈8、放置于六维调节位移台上的物镜Ⅰ9、放置于六维调节位移台上的物镜Ⅱ11、镜筒13以及用于采集图像的相机14；
所述激光器1发射的光束依次经过偏振片Ⅰ2、半波片3、扩束镜4和分束晶体5；经过分束晶体5的光束分别射向光电探测器6和空间光调制器7；射向空间光调制器7的光束依次经过空间光调制器7和分束晶体5反射，通过光圈8射入至物镜Ⅰ9；经过物镜Ⅰ9的光束聚焦至测试样品10，然后经过物镜Ⅱ11的出射光束，最后经过一个偏振片Ⅱ12，射向相机14。
所述的扩束镜4为3倍扩束镜。
所述的光电探测器6能够求取输入光的平均光强，以消除光强的起伏。
本发明所述的光路装置，是用以给定输入矩阵采集对应输出矩阵的光路设计图。
光路装置工作时，激光器1发射光束经过偏振片Ⅰ2和半波片3产生满足空间光调制器要求的线偏振光，并经过扩束镜4后进行扩束。分束晶体5将光束分为两部分，一束光被光电探测器6采集用以消除实验中的光强起伏；另一束光入射到空间光调制器7中实现对入射光波相位的调整。空间光调制器7调制后光束经过分束晶体5和可变光圈8后，入射到物镜Ⅰ9，此物镜将光束聚焦到强测试样品10，物镜Ⅱ11将出射光束经偏振片Ⅱ12成像在相机14)像面上，相机14采集到的图像信息即为式(2)中所对应的光强
按照上述原理，在给定的方向n的输入光波复振幅中分别增加相位角α＝0，π/2，π，3π/2，并采集对应的光强信息，即每个输出波矢对应此输入波矢四种不同相位的光强信息，根据式(8)解算传输矩阵元素kmn。按照上述测量方法，依次改变输入波矢的方向，重复上述过程，完成传输矩阵K的求解。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种强散射介质传输矩阵测量方法，其特征在于包括以下步骤：
S1、搭建具有空间光调制器(7)的光路装置；
所述光路装置，包括：
用于发射光束的激光器(1)、偏振片Ⅰ(2)、偏振片Ⅱ(12)、
用于调整光束方向的半波片(3)、
用于将光束扩束的扩束镜(4)、
用于偏振作用的分束晶体(5)、
用于采集并消除光强起伏的光电探测器(6)、
用于纯相位调制的空间光调制器(7)、
用于控制镜头透光量的光圈(8)、
放置于六维调节位移台上的物镜Ⅰ(9)、
放置于六维调节位移台上的物镜Ⅱ(11)、
镜筒(13)以及用于采集图像的相机(14)；
所述激光器(1)发射的光束依次经过偏振片Ⅰ(2)、半波片(3)、扩束镜(4)和分束晶体(5)；
经过分束晶体(5)的光束分别射向光电探测器(6)和空间光调制器(7)；
射向空间光调制器(7)的光束依次经过空间光调制器(7)和分束晶体(5)反射，通过光圈(8)射入至物镜Ⅰ(9)；
经过物镜Ⅰ(9)的光束聚焦至测试样品(10)，然后经过物镜Ⅱ(11)的出射光束，最后经过一个偏振片Ⅱ(12)，射向相机(14)；
S2、在空间光调制器(7)中加载不同的相位图能够实现对不同角度入射的输入光波复振幅的调整；
设定在第n个入射波矢中改变相位，通过在空间光调制器(7)的相应位置上加载相位数据；
在每个入射波矢方向，分别加载相位角α为0，π/2，π和3π/2，同时同步采集对应的所有出射波输出光强和
步骤S2中所述的光路装置中光强信息的采集具有以下步骤：
S11、搭建光路，保证所有光学元件处于相同高度，接通激光器(1)电源，调整扩束镜(4)，使得激光输出为平面波；调节偏振片Ⅰ(2)同时观察透过的光束光强，找到使透过光强最大的位置固定偏振片Ⅰ(2)；
S12、打开空间光调制器(7)并使其正常工作，转动半波片(3)，观察空间光调制器(7)反射光束，找到使反射图像最清晰的位置固定半波片(3)；
S13、调节物镜Ⅰ(9)，使光束聚焦在所测试的测试样品(10)上；
S14、调节物镜Ⅱ(11)，使透过测试样品(10)的光束成像在相机(14)上；
S15、打开相机(14)的驱动程序，调节相机(14)曝光时间使成像清晰，转动偏振片Ⅱ(12)，同时观察相机(14)采集图像的光强，找到光强最大的位置固定偏振片Ⅱ(12)；
S16、打开电脑中相机(14)和空间光调制器(7)同步控制采集程序，空间光调制器(7)分别加载预设调整相位，相机(14)同步采集调整后相位的输出光强，同时光电探测器采集激光器输入的平均光强；
S3、设定代表第m个出射波的振幅的变化，将和数值代入如下公式：
公式中随入射激光振幅E呈正比例变化，为了消除入射激光振幅的变化，利用光电探测器(6)同步采集每次输入的激光光强I＝|E|2，其中和E通过归一化消除；
利用公式求解出对应于入射波为n方向的传输矩阵kmn；
S4、重复上述步骤，依次改变每一个入射波矢的相位，采集对应的所有出射波的输出光强，得到样品的整个复数传输矩阵K。
2.根据权利要求1所述的强散射介质传输矩阵测量方法，其特征在于：
所述的空间光调制器(7)为反射式的纯相位型空间光调制器。
3.根据权利要求1所述的强散射介质传输矩阵测量方法，其特征在于：
所述的激光器(1)为高相干性的单纵模激光器。
4.根据权利要求1所述的强散射介质传输矩阵测量方法，其特征在于：
所述的物镜Ⅰ(9)和物镜Ⅱ(11)为高倍显微物镜，物镜Ⅰ(9)和物镜Ⅱ(11)放置于六维调节台上。
5.根据权利要求1所述的强散射介质传输矩阵测量方法，其特征在于：
所述的光电探测器(6)是可变增益放大光电探测器。
6.根据权利要求1所述的强散射介质传输矩阵测量方法，其特征在于：
所述的相机(14)为高量化位数相机。
7.根据权利要求1所述的强散射介质传输矩阵测量方法，其特征在于：
测量的散射介质样品为纳米氧化锌粉末，将其均匀涂抹在薄玻璃片上。
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