CN106950195B - 基于散射介质的可编程光学元件及光场调控系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于散射介质的可编程光学元件及光场调控系统和方法，解决了传统光学元件功能单一、光波调制成本高、装置复杂、集成度低的技术难题。本发明系统依次设有光源扩束、调制、散射介质显微和探测模块，在调制和探测模块间设有数据处理模块。由计算机循环控制空间光调制器调制输入光场，探测器探测输出光场，进行数据整形，测得散射介质光学传输矩阵，并作可编程智能光学元件，结合光学相位共轭、相位恢复及散斑重建等方法实现光场调控，包括成像、色散、反常色散、聚焦及整形等。本发明智能化、多功能、低成本、易操作、高集成、操控性强，可用于军事、生物医学、集成光学及纳米光子学等科学研究领域中。

Description

基于散射介质的可编程光学元件及光场调控系统和方法

技术领域

本发明属于新体制光学成像与光场调控技术领域，主要涉及可编程智能光学元件及成像系统，具体是一种基于散射介质的数字化智能可编程光学元件及其成像系统。利用本发明可实现光波的可编程控制与多功能可控光学元件的构建，用于光波调控以及光束整形。

背景技术

使用传统的折射光学元件并基于折射定律可以对光束进行控制、约束，但是单一光学元件很难产生较复杂光场，一般要产生特定的复杂光场，需要使用折反射透镜组合系统来实现。

双折射透镜组整形系统通过两对双折射晶体透镜以及一个检偏器构成，可产生特定复杂光场，此方法使用双折射元件组进行光束整形。此灵活方便，易于改变其透过率函数，尤其适用于线偏振的高斯光束的整形并且该系统设计方便，结构紧凑，费用低廉，在工程上有较高的实用价值，但此种方法在近场动态情况下还无法实现对光波的整形。

非球面透镜组整形系统是最早的无能量损失的相位型光束整形系统，可将高斯光束整形为均匀光束，但是其只对单模激光光束的整形效果较好，对于激光器发出的光场强度分布未知甚至随时间不断变化的复杂多模激光束则失去作用。

微透镜阵列整形系统由多个微透镜单元组成，可以产生较复杂的光场，但是它由多个单元排成阵列，无论怎么紧密，表面总会有空隙，除了这些空隙造成能量损失外，微透镜的边缘要发生菲涅尔衍射，也使能量有所损失，而且此方法无法随光束灵活的调节其透过率函数。

衍射光学元件通过控制光波的衍射与传输，可以实现波前调制与相位调控，可用来产生不同于传统折衍射光学元件的光束变换功能，具有结构简单，集成度高，可设计自由度大的特点，但是其设计制作难度大，成本高，以及无法实现复杂光场自由控制的不足，限制了其在实际光学系统中的应用。

超表面是最近发展起来的纳米光子学领域的一个重要研究方向，通过微纳结构，超表面可以实现光场控制并制作为超表面成像器件和光学功能元件。其具有亚波长控制精度与高度集成化的特点，同时可设计实现多功能光学控制、全息成像、偏振转换、反常折反射等功能元件。由于其设计复杂精细，制作加工需要亚波长控制精度，成本很高，能量利用效率有限，因此其应用发展与应用领域收到了一定的制约。

上述方法各有所长，但都有一个共同的缺点：每个器件针对特定的光束而设计，且制作好的光学元件功能限定而无法灵活地调节其透射函数。因此，无法实现多功能光学变换效果，无法构建实时可控的光学元件与系统。

那么是否有一种方法，可以全面、准确的表征系统对任意光场的调控作用并且可以实现灵活智能的变换呢？实际上由巴黎工业物理和化学高等教育机构社提出的“光学传输矩阵”可以较为理想的描述上述作用，一旦散射介质的光学传输矩阵被测量，其对于入射光场的作用就变得可控，也就是说此时的散射介质可以充当可编程光学元件实现光波整形和光束变换，这是一种可实现多功能光学变换效果、构建实时可控光学元件的新颖思路，但是在目前的新体制光学成像与光场调控技术领域中，并没有较为具体的系统或结构利用散射介质的光学传输矩阵实现对任意光场的调控作用，以及任意改变散射介质以构建更为复杂的光场。故本发明提出的基于散射介质的数字化可编程光学元件，其使用前提就是测得散射介质的光学传输矩阵。

目前，测量散射介质光学传输矩阵的主要测量方法有：相位匹配方法，空间频率分解法、波前相位调制法以及全场四步相移干涉测量方法等。

基于相位匹配方法测得散射介质光学传输矩阵的方法，计算量较大、耗时较长并且对恢复出的相位精度要求较高；基于空间频率分解法出现较早，但是无法测量倏逝波下散射介质光学传输矩阵，限制了其在实际工程中的应用；基于波前相位调制法对散射介质光学传输矩阵进行测量装置简单，但是测量精度较低，不适合测量光波整形的散射介质光学传输矩阵。

全场四步相移干涉测量方法利用干涉原理，通过改变加载到空间光调制器上的相位实现对输入光场的改变，对应得到不同的相机探测结果，最终通过计算输入输出关系解得散射介质光学传输矩阵，此方法装置简单、精度较高，本发明对散射介质光学传输矩阵进行测量时采用此方法。

上述光场调控方法以及光学传输矩阵测量方法各有优点，但是也存在很多不足，比如无法针对不同的光场输入实现理想的光波输出、结构复杂且造价较高、对实验装置的一些参数要求较为苛刻、只能解决特定问题而无法全面并准确的将对光场的作用进行描述以及无法实现任意可控光场输出与光束整形及光波变换等等。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于散射介质的集成化可编程控制智能光学元件及成像系统，以实现低成本、易操作、高集成度、操控性强的数字化可编程智能光束整形、光波变换元件与系统。

本发明首先是一种基于散射介质的可编程光学元件及光场调控系统和方法，按照光路方向依次设有光源扩束模块、调制模块、探测模块，并设有数据处理模块，数据处理模块在调制模块和探测模块之间电路连接，用于调制模块和探测模块的电信号反馈及控制，所述光源扩束模块包括激光器和接在激光器输出端的扩束器，用于发出特定波长和直径的光束；所述探测模块包括探测器，用于接收经激光器发射并被光学处理后的光波信号，记录其散斑强度信息并传输到数据处理模块中，进而实现对调制模块和探测模块的电信号控制；所述数据处理模块包括计算机，用于控制调制模块循环加载不同相位图像、控制探测器自动采集图像、对测得的所有数据进行整形处理，实现对基于散射介质的可编程光学元件及光场调控系统的输入光场和输出光场进行调控，其特征在于：调制模块以及探测模块的光路之间还设有散射介质显微模块，所述散射介质显微模块沿光路方向同光轴依次接有第一显微物镜、散射介质和第二显微物镜，其中第一显微物镜正向放置、第二显微物镜反向放置，散射介质位于第一显微物镜的焦点上，散射介质的作用用光学传输矩阵描述，第一显微物镜对光束的聚集作用以及第二显微物镜对光束的收集作用，助于快速有效的测得散射介质的光学传输矩阵，当散射介质的光学传输矩阵被测量得到后，此散射介质显微模块中的散射介质即可作为可编程智能光学元件，对入射光波进行控制，进而实现光场调控，如聚焦、成像、色散、反常色散以及光波整形变换等；所述调制模块位于光源扩束模块和散射介质显微模块之间，在调制模块中沿光路方向依次接有半波片、空间光调制器以及偏振片，空间光调制器受数据处理模块数据控制，半波片和偏振片搭配空间光调制器实现纯相位调制，数据处理模块控制空间光调制器将入射到空间光调制器的光束分别为两部分，其中一部分被调制，称为调制光，另一部分称为参考光，两部分共同入射到偏振片并进入散射介质显微模块；计算机控制改变加载到空间光调制器上的相位图像，并记录探测器采集的图像，重复此过程数次以测量并计算散射介质的光学传输矩阵，结合光学相位共轭、相位恢复算法以及散斑重建等方法，利用可编程光学元件，即散射介质的光学传输矩阵，可以实现聚焦、成像、色散、反常色散以及光波整形变换。

本发明还是一种基于散射介质实现可编程智能光学元件的方法，实现可编程智能光学元件就是测量散射介质的光学传输矩阵，其特征在于：在权利要求1至5中任意的基于散射介质可编程光学元件及光场调控系统上运行，包括有如下步骤：

步骤1：设置系统参数，确定基于散射介质可编程光学元件及光场调控系统各参数，主要根据系统视场角大小、空间光调制器的像元尺寸、探测器的像元尺寸，确定空间光调制器与散射介质之间的间距以及各器件参数，如第一显微物镜和第二显微物镜的放大倍数等；还包括探测器散斑大小等参数，这里不一一赘述；根据第一显微物镜和第二显微物镜的焦距确定散射介质的位置，根据空间光调制器液晶的长轴方向以及偏振片的最大通光方向分别确定半波片和偏振片的角度，根据第二显微物镜的焦距，确定探测器的位置；根据调制光和参考光比例确定光束直径；

步骤2：系统工作启动，打开计算机、激光器、空间光调制器以及探测器；

步骤3：测量散射介质哈达玛基输入下的单一光学传输矩阵，设待测散射介质的光学传输矩阵维度为m×n，单一光学传输矩阵表示m以内的任一维度对应的光学传输矩阵。

步骤4：测量所有数据，改变加载到空间光调制器上的哈达玛基，变为n维哈达玛矩阵的第2列，重复步骤3实现哈达玛矩阵所有列的循环，完成散射介质所有输入光场的输入以及输出光场的探测；得到所有哈达玛基输入下单一光学传输矩阵k_1n、k_2n、…k_mn；

步骤5：数据处理，利用数据处理模块的计算机对步骤4得到的单一光学传输矩阵k_1n、k_2n、…k_mn进行整形，可计算得到哈达玛基输入下的光学传输矩阵K_mn；再对光学传输矩阵K_mn进行基变换，即可得到笛卡尔基输入下的散射介质的光学传输矩阵K，构建可控智能光学元件，搭建多功能可编程控制智能光学系统，为后续利用散射介质进行成像、聚焦以及光波整形、光学变换做好准备。

本发明还是一种基于散射介质的可编程光学元件及光场调控方法，实现聚焦以及光波整形变换和成像，在权利要求1至5中任意基于散射介质的可编程光学元件及光场调控系统上运行，其特征在于：

步骤一：确定基于散射介质的可编程光学元件及光场调控系统参数，确定基于散射介质可编程光学元件及光场调控系统各参数，主要根据系统视场角大小、空间光调制器的像元尺寸、探测器的像元尺寸，确定空间光调制器与散射介质之间的间距以及各器件参数，如第一显微物镜和第二显微物镜的放大倍数；根据第一显微物镜和第二显微物镜的焦距确定散射介质的位置，根据空间光调制器液晶的长轴方向以及偏振片的最大通光方向分别确定半波片和偏振片的角度，根据第二显微物镜的焦距，确定探测器的位置；根据调制光和参考光比例确定光束直径；

步骤二：系统工作启动，打开计算机、激光器以及空间光调制器及探测器；

步骤三：利用计算机控制调整输入光场和输出光场，并计算得到输入光场和输出光场的特征光场，结合散射介质的光学传输矩阵以及相位恢复算法、逆运算、重建算法等，实现基于散射介质的可编程光学元件及光场调控系统的光场调控，主要包括光束聚焦以及光波整形变换和成像。

本发明的思路为，首先搭建基于散射介质的可编程光学元件及光场调控系统，确定系统各参数，然后在此基于散射介质的可编程光学元件及光场调控系统上基于散射介质实现可编程智能光学元件的方法实现测量散射介质的光学传输矩阵，最后在基于散射介质的可编程光学元件及光场调控系统上，结合测得的散射介质的光学传输矩阵，实现对入射光场以及出射光场的调控，实现任意可控光场输出与光束整形及光波变换，如聚焦以及光波整形、成像，还包括折衍射效果、反常色散、无色散透射等。

与现有技术相比，本发明的技术优势为：

1.本发明基于散射介质的可编程光学元件及光场调控系统结构简单，功能齐全，利用有限的光学元件、合理的器件搭配、灵活的参数设置，通过计算机进行控制，将普通的散射介质变为功能可控的光学元件，实现了复杂光场调控、透过散射介质成像，以及透过散射介质的光束整形与可编程调控光波变换，比如多焦点，共焦点，多色，复色，会聚发散，光束整形等光波变换以及传统光学无法实现的反常光学变换，属于新体制成像与光波变换技术体系。

2.本发明具有数字化可调控、智能化多功能、集成化的新奇光场变换调控特性，数字化可调控体现于散射介质的灵活可调性，智能化多功能体现于系统可由计算机编程控制，集成化体现于散射介质的简单制作，功能齐全，因此可实现传统光学无法实现的新奇光场变换效果以及复杂光学元件及复合光学元件才能实现的光束控制特性。

3.本发明中可编程智能光学元件制作简单、灵活可调、成本较低，一旦测得散射介质的光学传输矩阵，其作用可等价为黑匣子，对应不同的入射光场必将得到不同的输出光场，使用其作为某一特定光学元件时，无需对其结构进行任何改变；在传统的折射光学系统或镜头设计中只能通过改变曲面的曲率或使用不同的光学材料校正像差，而利用散射介质进行光场调控时，只需改变其任意特性，如散射介质材料、厚度、形状以及表面均匀度等，大大增加了设计变量，能生成一种许多传统光学所不能实现的全新功能光学元件，因此其成本较低，灵活性大，可有效节约成本，这是对光学设计的一次新的变革。

4.本发明具备智能化特性，通过计算机编程控制，实现需要复杂光学系统才能实现的光学成像系统，不需要变换光学组件的情况下，通过编程控制光场调制与相位补偿实现光场调控，而这些编程十分关键、且是简单易行和易于实现的，整体方案实现数字化动态可控多功能散射光学变换。

5.本发明的基于散射介质的可编程光学元件及光场调控系统应用前景广泛，其中的散射介质自身相当于衍射光学元件，可以产生一般传统光学元件所不能实现的光场调控，如生成非球面、环状面、锥面等，并可集成得到多功能元件。使用亚波长结构还可以得到宽带宽、大视场、消反射和偏振控制等光场特性。本发明中的散射介质还可在折射光学系统中进行光场调控，校正球差、色差和像差，构成混合光学系统，得到更为精密、可控的光场。

附图说明

图1是本发明基于散射介质的可编程光学元件及光场调控系统的系统构成示意图。

图2是本发明使用的基于散射介质的可编程光学元件及光场调控系统进行光学传输矩阵测量流程图。

图3是本发明基于散射介质的可编程光学元件及光场调控系统和方法实现成像、聚焦以及光波整形流程示意图。

图4是本发明使用的基于散射介质的可编程光学元件及光场调控系统和方法进行聚焦以及光波变换模型和成像模型示意图，其中图4(a)表示成像的模型，图4(b)表示聚焦以及光束整形的模型。

图5是光场调控实现的效果图，其中图5(a)为色散效果，图5(b)为反常色散效果，图5(c)为轴上聚焦效果，图5(d)为轴外聚焦、图5(e)为形成矩形光束效果，图5(f)为形成椭球光束效果。

图6是采用本发明进行光场调控获得的聚焦结果图，其中图6(a)为目标图像，图6(b)是经过本发明光场调控后得到的聚焦图形。

图7是采用本发明进行光场调控获得的成像结果图，其中图7(a)是人为设置的成像目标图像，图7(b)是经过本发明光场调控后得到的成像图形。

具体实施方式

以下结合附图和实施例，对本发明作详细说明。

实施例1：

目前，在光学领域中对光场进行调控采用的方法大多是针对特定的光束而设计，且制作好的光学元件功能限定，无法灵活地调节其透射函数，也无法实现多功能光学变换效果，更无法构建实时可控的光学元件与系统，同时有些光场调控方法所需的光学系统结构复杂，造价较高且难以实现，还有的方法对系统的要求较为严苛，并不能应用到实际应用中。针对此现状，本发明通过研究与创新，提出一种低成本、易操作、高集成度、操控性强的基于散射介质的数字化可编程智能光学元件及光场调控系统和方法。

本发明是一种基于散射介质的可编程光学元件及光场调控系统，按照光路方向依次设有光源扩束模块、调制模块、探测模块，并设有数据处理模块，数据处理模块在调制模块和探测模块之间电路连接，用于调制模块和探测模块的电信号反馈及控制，所述光源扩束模块包括激光器1和接在激光器1输出端的扩束器2，用于发出特定波长和直径的光束；所述探测模块包括探测器9，用于接收经激光器1发射并被光学处理后的光波信号，记录其散斑强度信息并传输到数据处理模块中，进而实现对调制模块和探测模块的电信号控制；所述数据处理模块包括计算机10，用于控制调制模块循环加载不同相位图像、控制探测器9自动采集图像、对测得的所有数据进行整形处理，实现对基于散射介质的可编程光学元件及光场调控系统的输入光场和输出光场进行调控。参见图1，本发明在调制模块以及探测模块的光路之间还设有散射介质显微模块，散射介质显微模块沿光路方向同光轴依次接有第一显微物镜6、散射介质7和第二显微物镜8，其中第一显微物镜6正向放置、第二显微物镜8反向放置，散射介质7位于第一显微物镜6的焦点上，散射介质7的作用用光学传输矩阵描述，第一显微物镜6对光束的聚集作用以及第二显微物镜8对光束的收集作用，助于快速有效的测得散射介质7的光学传输矩阵，当散射介质7的光学传输矩阵被测量得到后，此散射介质显微模块中的散射介质7即可作为可编程智能光学元件，对入射光波进行控制，进而实现光场调控，如聚焦、成像、色散、反常色散以及光波整形变换等。本发明的调制模块位于光源扩束模块和散射介质显微模块之间，并由数据处理模块数据控制，在调制模块中沿光路方向依次接有半波片3、空间光调制器4以及偏振片5，空间光调制器4受数据处理模块数据控制，半波片3和偏振片5搭配空间光调制器4实现纯相位调制，数据处理模块控制空间光调制器4将入射到空间光调制器4的光束分别为两部分，其中一部分被调制，称为调制光，另一部分称为参考光，两部分共同入射到偏振片5并进入散射介质显微模块。

光源扩束模块发出光波后，光波由调制模块调制得到散射介质显微模块的输入光场，再经过散射介质显微模块对入射光场进行调控，由探测模块探测得到散斑数据并传输到数据处理模块，关键在于本发明还设置了数据处理模块控制调制模块不断改变输入光场、探测模块循环采集数据，再利用数据处理模块处理光波经过调制后的输入光场以及探测器探测的出射光场，整形得到散射介质光学传输矩阵，结合光学相位共轭、相位恢复算法以及散斑重建等方法，可实现对入射光场的控制，得到不同的输出光场，如聚焦及光波整形、成像、色散、反常色散等。

基于散射介质的可编程光学元件及光场调控系统进行工作时，数据处理模块中的计算机10控制改变加载到调制模块的空间光调制器4上的相位图像，并记录探测模块的探测器9采集的图像，重复此过程数次以测量并计算散射介质显微模块中的散射介质7的光学传输矩阵，本发明结合光学相位共轭、相位恢复算法以及散斑重建等方法，利用可编程光学元件，即散射介质的光学传输矩阵，实现聚焦、成像、色散、反常色散以及光波整形变换。

实施例2：

基于散射介质的可编程光学元件及光场调控系统的总体构成同实施例1，参见图1，本发明散射介质显微模块中，散射介质7或采用强散射材料，或采用表面打磨成粗糙面的高折射率材料。散射介质7的作用用光学传输矩阵描述，通过改变散射介质7的透射率、表面粗糙度以及构成形状得到不同性质的光学传输矩阵，测得其光学传输矩阵后，散射介质7作为自由可控自适应多功能光学元件，能达到衍射光学元件、折射光学元件实现的光学变换调控效果，比如可实现聚焦、成像、色散、反常色散以及光波整形变换等。

本发明的散射介质均为随机散射介质，若采用强散射介质，可采用氧化锌、油漆、墙面、树叶等，若采用表面打磨成粗糙面的高折射率材料可采用毛玻璃、磨砂玻璃等。本发明对材料的选择较为宽泛，因此成本较低，同时任意改变介质的厚度、表面粗糙度、形状等，都能得到新的光学元件，这对新体制光学成像具有重大意义，也是对光学设计的一次新的变革。

实施例3：

基于散射介质的可编程光学元件及光场调控系统的总体构成同实施例1-2，本发明显微模块中的第一显微物镜6和第二显微物镜8，第一显微物镜6用于聚焦光波，穿透散射介质7，第二显微物镜8用于将被散射介质7散射的光收集进入探测器9。第一显微物镜6和第二显微物镜8的放大倍数成比例，其比例服从公式D_SLM/D_cmos＝b₁/b₂，其中D_SLM表示空间光调制器4的像元尺寸大小，D_cmos表示探测器9接收的像元尺寸大小，b₁表示第一显微物镜6的放大倍数，b₂表示第二显微物镜8的放大倍数。本发明严格要求第一显微物镜6正向放置、第二显微物镜8反向放置，散射介质7位于第一显微物镜6的后焦面，第二显微物镜8的前焦面。

本发明采用的显微物镜，可采用任意倍数，只要散射介质前后的两个显微物镜放大倍数成一定比例即可，如当空间光调制器的像元尺寸和相机的像元尺寸之比为2时，采用放大倍数为20的第一显微物镜和放大倍数为10的第二显微物镜。

实施例4：

基于散射介质的可编程光学元件及光场调控系统的总体构成同实施例1-3，本发明调制模块中空间光调制器4前后搭配半波片3和偏振片5，空间光调制器4工作在纯相位调制模式，采用调制深度为2π的空间光调制器时，其灰度-相位特征曲线关系满足x＝255θ/2π，其中x代表加载到空间光调制器4上的灰度大小，θ代表待加载相位的值。本发明也适用于调制深度大于2π的空间光调制器，在此情况下，只需将x＝255θ/2π中的2π替换为空间光调制器的灰度255对应的调制深度即可。空间光调制器4与散射介质7的距离d由视场角FOV决定，满足FOV≈λd/πL，其中L为散射介质厚度，λ为光源波长，π为常数。

本发明采用的空间光调制器的调制模式为纯相位调制状态，并且对灰度图响应，可以调节改变光场的相位信息，搭配半波片和偏振片使用时，半波片角度平行于空间光调制器液晶长轴方向，偏振片角度为最大通光方向。

实施例5：

基于散射介质的可编程光学元件及光场调控系统的总体构成同实施例1-4，本发明光源扩束模块中光源采用可见光波段的窄带激光器，根据空间光调制器4上调制像素的大小，采用扩束器2对激光进行扩束。

本实例采用可见光波段的窄带激光器，波长范围是400～700nm。扩束器2内部由两面凸透镜组成，两面凸透镜中心共线且平行放置，可将激光截面直径扩大至20倍，以达到增大照明区域的目的，本实施例采用型号为GBE20-A的扩束器。

实施例6：

本发明还是一种基于散射介质实现可编程智能光学元件的方法，实现可编程智能光学元件就是测量散射介质的光学传输矩阵，参见图2，具体是在上述基于散射介质可编程光学元件及光场调控系统上运行，包括有如下步骤：

步骤1：设置系统参数，确定基于散射介质可编程光学元件及光场调控系统各参数，主要根据系统视场角大小、空间光调制器4的像元尺寸、探测器的像元尺寸，确定空间光调制器与散射介质之间的间距以及各器件参数，如第一显微物镜6和第二显微物镜8的放大倍数等；还包括探测器散斑大小等参数，这里不一一展开说明。本发明根据第一显微物镜6和第二显微物镜8的焦距确定散射介质7的位置，根据空间光调制器4液晶的长轴方向以及偏振片5的最大通光方向分别确定半波片3和偏振片5的角度，根据第二显微物镜8的焦距，确定探测器9的位置；根据调制光和参考光比例确定光束直径。相比于结构复杂，对系统参数要求苛刻的其他成像方式本发明由于系统结构简单，可编程光学元件参数可调，同时由计算机控制能得到较为全面的光场调控效果。

步骤2：系统工作启动，打开计算机10、激光器1、空间光调制器4以及探测器9。

步骤3：测量散射介质哈达玛基输入下的单一光学传输矩阵，设待测散射介质7的光学传输矩阵维度为m×n，单一光学传输矩阵表示m以内的任一维度对应的光学传输矩阵，令m＝n＝4。

步骤4：测量所有数据，通过计算机编程改变加载到空间光调制器4上的哈达玛基，变为4维哈达玛矩阵的第2列，重复步骤3实现哈达玛矩阵所有列的循环，完成散射介质7所有输入光场的输入以及输出光场的探测；得到所有哈达玛基输入下单一光学传输矩阵k₁₄、k₂₄、k₃₄和k₄₄。由计算机编程改变加载到空间光调制器4上的哈达玛基是惯用的技术手段，也是极易实现的。

步骤5：数据处理，利用数据处理模块的计算机10对步骤4得到的单一光学传输矩阵k₁₄、k₂₄、k₃₄和k₄₄进行整形，K₄₄＝[k₁₄,k₂₄,k₃₄,k₄₄]，再对光学传输矩阵K₄₄进行基变换利用公式

其中，为哈达玛矩阵H₄₄的逆矩阵，即可得到笛卡尔基输入下的散射介质7的光学传输矩阵K，构建可控智能光学元件，搭建多功能可编程控制智能光学系统，为后续利用散射介质进行成像、聚焦以及光波整形、光学变换做好准备。

当散射介质的光学传输矩阵确定后，散射介质成为数字化可编程光学元件。本发明中可编程智能光学元件灵活可调，一旦测得散射介质的光学传输矩阵，其作用可等价为黑匣子，对应不同的入射光场必将得到不同的输出光场，使用其作为某一特定光学元件时，无需对其结构进行任何改变。利用散射介质进行光场调控时，只需改变其任意特性，如散射介质材料、厚度、形状以及表面均匀度等，大大增加了设计变量，能生成一种许多传统光学所不能实现的全新功能光学元件，因此其成本较低，灵活性大，可有效节约成本。

实施例7：

基于散射介质实现可编程智能光学元件的方法同实施例6，其中步骤3中的单一光学传输矩阵测量，包括有如下步骤：

步骤3a：设置求解第1列哈达玛基输入下单一光学传输矩阵的输入光场，生成一个n维哈达玛矩阵，将空间光调制器4表面中间一个区域加载有根据哈达玛矩阵确定的灰度变化的图像，每次循环加载哈达玛矩阵的第一列于空间光调制器4，并服从“1”加载原相位，“-1”加载滞后π的原相位的规律，本例中生成一个维度为4的哈达玛矩阵：H₄₄＝[1,1,1,1；1,-1,1,-1；1,1,-1,-1；1,-1,-1,1]，加载第一列于空间光调制器上，按照上述规律，假设加载的相位为π/2，那么其第一列加载到空间光调制器4上的灰度图像矩阵为[64.25,64.25,64.25,64.25]，第二列加载到空间光调制器4上的灰度图像矩阵为[64.25,192.25,64.25,192.25]；

步骤3b：透过散射介质7并得到散斑数据，将空间光调制器4调制后的光束聚焦于散射介质7，光束发生散射后被第二显微物镜8收集，最终由探测器9探测得到散斑数据并被计算机10存储；

步骤3c：计算第1列哈达玛基输入下单一光学传输矩阵，利用步骤3a所述的m×n维哈达玛矩阵的第一列哈达玛矩阵，即m＝1，依次改变加载到空间光调制器4上的相位值分别为0,π/2,π,3π/2，加载到SLM上的调制灰度矩阵分别为[0,0,0,0]、[63.75,63.75,63.75,63.75]、[127.5,127.5,127.5,127.5][192.25,192.25,192.25,192.25]，根据干涉公式可知探测器9上接收的散斑强度为：

探测器探测得到相应散斑由上述公式可计算得到如下关系：

其中，m为1，k表示哈达玛基下，第m列的光学传输矩阵，n表示k的列数，将上述带入此公式，可得到第1列哈达玛基下的单一光学传输矩阵k_1n。由于本例中n＝4，故得到的是第1列哈达玛基下的单一光学传输矩阵k₁₄。

本发明针对散射介质单一光学传输矩阵的测量过程简单，原理易懂，整个测量过程和数据处理过程受计算机控制，只需简单编程即可实现。

实施例8：

本发明基于散射介质的可编程光学元件及光场调控方法，实现聚焦以及光波整形变换和成像，在上述基于散射介质的可编程光学元件及光场调控系统上运行，同时依据基于散射介质实现可编程智能光学元件的方法，参见图3，包括步骤如下：

步骤一：确定基于散射介质的可编程光学元件及光场调控系统参数，重复实施例6的步骤1；

步骤二：系统工作启动，打开计算机10、激光器1以及空间光调制器4及探测器9；

步骤三：利用计算机10控制调整输入光场和输出光场，并计算得到输入光场和输出光场的特征光场，结合实施例6和实施例7测得的散射介质7的光学传输矩阵，依托相位恢复算法、逆运算以及重建算法等，实现基于散射介质的可编程光学元件及光场调控系统的光场调控，主要包括光束聚焦以及光波整形变换和成像。

本发明具有数字化可调控、智能化多功能、集成化的新奇光场变换调控特性，可通过计算机、空间光调制器以及探测器，结合散射介质，实现对入射光场和出射光场的调控，因此能实现传统光学无法实现的新奇光场变换效果以及复杂光学元件及复合光学元件才能实现的光束控制特性。

实施例9：

基于散射介质的可编程光学元件及光场调控方法同实施例8，在上述基于散射介质的可编程光学元件及光场调控系统上运行，同时依据基于散射介质实现可编程智能光学元件的方法，结合图4(a)、图5和图6具体聚焦以及光波整形的实现过程包括：

步骤三a：得到输入光场，设置聚焦或整形目标为一矩阵，聚焦目标可任意设置，即本发明可实现任意点聚焦，本例中设置目标光场为矩阵[0,0,0,0；,0,0,10；0,0,0,0；0,0,0,0]，如图6(a)所示，结合实施例6和实施例7所测得光学传输矩阵K，根据光场传输公式

计算得到输入光场Eⁱⁿ，其中表示笛卡尔基输入下散射介质7的光学传输矩阵K的复共轭，表示输出的聚焦或整形目标；

步骤三b：得到输出光场，根据相位共轭公式

并将步骤4解得的输入光场Eⁱⁿ、根据实例6和实施例7求得的散射介质7的光学传输矩阵K以及其复共轭带入上式，计算得到理想有效输出值E^out以验证此聚焦的准确性；

步骤三c：实现光束聚焦及光波整形，将步骤三a得到的输入光场Eⁱⁿ加载于空间光调制器4，携带Eⁱⁿ信息的光束由第一显微物镜6聚焦于散射介质7，被散射介质7散射后的光束由第二显微物镜8收集，并传输进入探测器9，得到相应聚焦以及光波整形结果，聚焦结果参见图6(b)，比较图6(a)，本发明聚焦的结果几乎无坐标偏差，仍处于中心位置。

同时，由图4(a)可知，光学传输矩阵K还包含位置信息以及光波长信息等，则通过改变目标输入特征光场结合逆运算等还能实现其他光波变换，如图5(a)-5(f)所示，图5(a)表示为色散效果，图5(b)表示为反常色散效果，图5(c)为表示为轴上聚焦效果，图5(d)表示为轴外聚焦、图5(e)表示为形成矩形光束效果，图5(f)表示为形成椭球光束效果。

实施例10：

基于散射介质的可编程光学元件及光场调控方法同实施例8，在上述基于散射介质的可编程光学元件及光场调控系统上运行，同时依据基于散射介质实现可编程智能光学元件的方法，结合图4(b)和图7，具体成像的实现过程包括：

步骤三Ⅰ：生成一随机相位模板本例中控制计算机生成一随机相位模板并设置目标为“十”，参见图7(a)；

步骤三Ⅱ：得到相位模板1对应的输出光场，计算机控制加载相位模板于空间光调制器4，携带信息的光束由第一显微物镜6聚焦于散射介质7，被散射介质7散射后的光束由第二显微物镜8收集，并传输进入探测器9，得到相应探测结果

步骤三Ⅲ：得到相位模板根据公式

其中，表示的第m维通道元素，表示成像目标。将成像目标“十”字带入上式。当m为1时，根据上式可计算得到相位模板 与二者之间的关系为：

上述E^obj为携带目标的理想输出光场；亦即相位模板2以及相位模板1的输入光场之差携带有设置的待成像目标“十”字，经过散射介质7后，光场被“扰乱”了，但并不是无法解得目标信息的。

步骤三Ⅳ：得到相位模板2对应的输出光场，计算机控制加载相位模板于空间光调制器4，重复步骤三II的光束信息走向，携带信息的光束由第一显微物镜6聚焦于散射介质7，被散射介质7散射后的光束由第二显微物镜8收集，并传输进入探测器阵列，得到相应探测结果

步骤三Ⅴ：将步骤三Ⅱ，步骤三Ⅳ得到的相位模板1对应的输出光场以及相位模板2对应的输出光场带入下式：

利用重建算法，比如Tikhonov正则化方法，即可求得重建算子W，最终重建出携带目标的实际输出光场E_img，实现基于散射介质的可编程光学元件及光场调控方法进行成像。根据上述步骤，最终重建出成像目标如图7(b)所示，比较图7(a)，本发明对成像目标“十”的成像结果基本一致，且成像噪声较小。

本发明的基于散射介质的可编程光学元件及光场调控系统应用前景广泛，除了利用其进行成像，由图4(b)可知，光学传输矩阵K还包含位置信息以及光波长信息等，因此其还可以充当衍射光学元件，产生一般传统光学元件所不能实现的光场调控，如生成非球面、环状面、锥面等，并可集成得到多功能元件。结合本发明的可编程智能元件，使用亚波长结构还可以得到宽带宽、大视场、消反射和偏振控制等光场特性。本发明中的可编程智能光学元件还可在折射光学系统中进行光场调控，校正球差、色差和像差，构成混合光学系统，得到更为精密、可控的光场。

下面给出一个更具体的实例，对本发明进一步详细说明：

实施例11：

基于散射介质的数字化可编程智能光学元件及光场调控系统和方法以及基于散射介质实现可编程智能光学元件的方法同实施例1-10，本发明基于散射介质的可编程光学元件及光场调控系统中，激光器1采用532nm的且单色性较好的窄带激光器。扩束器2内部由两面凸透镜组成，两面凸透镜中心共线且平行放置，可将激光截面直径扩大至20倍，以达到增大照明区域的目的，本实施例采用型号为GBE20-A的扩束器，入射进入调制模块的光束直径为0.8cm。根据激光振动方向以及半波片3最大通光方向设置其角度为29°，用于改变激光偏振态并搭配空间光调制器4实现纯相位调制。空间光调制器4设置为纯相位调制状态，用于改变输入光场的相位。根据传输光线偏振方向以及偏振片5的最大通光方向，设置其角度为118°，用于搭配空间光调制器4实现纯相位调制。第一显微物镜6选择放大倍数为10×，数值孔径为0.25的显微物镜，用于将光波聚焦于散射介质7。散射介质7为ZnO粉末薄膜、墙面等表面粗糙的不透光强散射材料，以确保散射光足够强，可以被探测器9响应，本实施例采用经沉淀干燥后均匀紧密排列的ZnO粉末薄膜，厚度在60～100um之间。第二显微物镜8选择放大倍数为20×，数值孔径为0.4的显微物镜，此显微物镜9沿光路方向反向放置，用于将散射介质7散射的光波传入探测器9。探测器9为可见光波段的探测器，其为光电信息转化装置，可将光强信息转化为二维电信号输出散斑信号，计算机10用于控制空间光调制器4循环加载不同相位图像、控制探测器9自动采集图像、计算散射介质7的光学传输矩阵以及运行重建算法进行成像等。

激光器1发出的激光经过扩束器2后，激光横截面直径被扩大，其扩束器2的中心轴线需与激光器1发射的激光重合，以达到光束准直的目的；随后光线再经过半波片3以改变偏振态，确保实现搭配空间光调制器为纯相位调制状态；光线继续传入空间光调制器4，其中一部分被调制，即不断改变偏振态，另一部分保持不调制，即为参考光，最终空间光调制器将光束分解为调制光以及参考光。随后携带有调制信息和参考光的光束照射到显微物镜6上并聚焦于介质7上，以实现穿透散射介质7。接着穿透散射介质7的散射光通过显微物镜8，并被探测器9探测得到，要求探测器9的接收面与介质7的散射面平行，以确保接收到的散斑图像不发生畸变；计算机10用于控制空间光调制器4和探测器9。

本发明提出的一种基于散射介质的数字化可编程智能光学元件及成像系统，解决了传统光学元件功能单一、光学系统光波调制过程中成本高、装置复杂及集成度低的技术问题。本发明系统包括激光器、扩束器、半波片、空间光调制器、偏振片、随机散射介质、显微物镜、探测器和计算机；首先测得了随机散射介质光学传输矩阵，可将随机散射介质当作光学元件，结合相位恢复算法，逆运算以及散斑重建算法，可实现任意可控自适应光学元件，衍射光学元件，折衍射光学元件等光学变换效果，可实现聚焦、成像、色散、反常色散以及光波整形等。

本发明提供一种新颖的可编程控制实现光波变换，光束整形，集成光学元件，基于散射的光学成像系统的方法与装置，具有智能化、多功能、低成本、易操作、高集成、操控性强等优点，可实现传统光学无法实现的新奇光场变换效果以及复杂光学元件及复合光学元件才能实现的光波控制特性，可应用于生物医学成像、集成光学成像及纳米光子学等科学研究中，也有望应用于军事、民事等相关应用领域。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明。

显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，等同替换或者改进等，但是这些基于本发明思想的修正和改变均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于散射介质的可编程光学元件及光场调控系统，按照光路方向依次设有光源扩束模块、调制模块、探测模块，并设有数据处理模块，数据处理模块在调制模块和探测模块之间电路连接，用于调制模块和探测模块的电信号反馈及控制，所述光源扩束模块包括激光器和接在激光器输出端的扩束器，用于发出特定波长和直径的光束；所述探测模块包括探测器，用于接收经激光器发射并被光学处理后的光波信号，记录其散斑强度信息并传输到数据处理模块中，进而实现对调制模块和探测模块的电信号控制；所述数据处理模块包括计算机，用于控制调制模块循环加载不同相位图像、控制探测器自动采集图像、对测得的所有数据进行整形处理，实现对基于散射介质的可编程光学元件及光场调控系统的输入光场和输出光场进行调控，其特征在于：调制模块以及探测模块的光路之间还设有散射介质显微模块，所述散射介质显微模块沿光路方向同光轴依次接有第一显微物镜、散射介质和第二显微物镜，其中第一显微物镜正向放置、第二显微物镜反向放置，散射介质位于第一显微物镜的焦点上，散射介质的作用用光学传输矩阵描述，第一显微物镜对光束的聚集作用以及第二显微物镜对光束的收集作用，助于快速有效的测得散射介质的光学传输矩阵，当散射介质的光学传输矩阵被测量得到后，此散射介质显微模块中的散射介质即可作为可编程智能光学元件，对入射光波进行控制，进而实现光场调控，如聚焦、成像、色散、反常色散以及光波整形变换；所述调制模块位于光源扩束模块和散射介质显微模块之间，在调制模块中沿光路方向依次接有半波片、空间光调制器以及偏振片，空间光调制器受数据处理模块数据控制，半波片和偏振片搭配空间光调制器实现纯相位调制，数据处理模块控制空间光调制器将入射到空间光调制器的光束分别为两部分，其中一部分被调制，称为调制光，另一部分称为参考光，两部分共同入射到偏振片并进入散射介质显微模块；计算机控制改变加载到空间光调制器上的相位图像，并记录探测器采集的图像，重复此过程数次以测量并计算散射介质的光学传输矩阵，结合光学相位共轭、相位恢复算法以及散斑重建方法，利用可编程光学元件，即散射介质的光学传输矩阵，可以实现聚焦、成像、色散、反常色散以及光波整形变换。

2.根据权利要求1所述的基于散射介质的可编程光学元件及光场调控系统，其特征在于：散射介质显微模块中，散射介质或采用强散射材料，或采用表面打磨成粗糙面的高折射率材料；散射介质的作用用光学传输矩阵描述，通过改变散射介质的透射率、表面粗糙度以及构成形状得到不同性质的光学传输矩阵，测得其光学传输矩阵后，散射介质作为自由可控自适应多功能光学元件，能达到衍射光学元件、折射光学元件实现的光学变换调控效果，可实现聚焦、成像、色散、反常色散以及光波整形变换。

3.根据权利要求1所述的基于散射介质的可编程光学元件及光场调控系统，其特征在于：第一显微物镜和第二显微物镜的放大倍数成比例，其比例服从公式D_SLM/D_cmos＝b₁/b₂，其中D_SLM表示空间光调制器的像元尺寸大小，D_cmos表示探测器接收的像元尺寸大小，b₁表示第一显微物镜的放大倍数，b₂表示第二显微物镜的放大倍数；要求第一显微物镜正向放置、第二显微物镜反向放置，散射介质位于第一显微物镜的后焦面，第二显微物镜的前焦面。

4.根据权利要求1所述的基于散射介质的可编程光学元件及光场调控系统，其特征在于：空间光调制器工作在纯相位调制模式，采用调制深度为2π的空间光调制器时，其灰度-相位特征曲线关系满足x＝255θ/2π，其中x代表加载到空间光调制器上的灰度大小，θ代表待加载相位的值；空间光调制器与散射介质的距离d由视场角FOV决定，满足FOV≈λd/πL，其中L为散射介质厚度，λ为光源波长，π为常数。

5.根据权利要求1所述的基于散射介质的可编程光学元件及光场调控系统，其特征在于：光源扩束模块中光源采用可见光波段的窄带激光器，根据空间光调制器上调制像素的大小，采用扩束器对激光进行扩束。

6.一种基于散射介质实现可编程智能光学元件的方法，实现可编程智能光学元件就是测量散射介质的光学传输矩阵，其特征在于：在权利要求1至5中任意的基于散射介质可编程光学元件及光场调控系统上运行，包括有如下步骤：

步骤1：设置系统参数，确定基于散射介质可编程光学元件及光场调控系统各参数，主要根据系统视场角大小、空间光调制器的像元尺寸、探测器的像元尺寸，确定空间光调制器与散射介质之间的间距以及各器件参数，如第一显微物镜和第二显微物镜的放大倍数；根据第一显微物镜和第二显微物镜的焦距确定散射介质的位置，根据空间光调制器液晶的长轴方向以及偏振片的最大通光方向分别确定半波片和偏振片的角度，根据第二显微物镜的焦距，确定探测器的位置；根据调制光和参考光比例确定光束直径；

步骤2：系统工作启动，打开计算机、激光器、空间光调制器以及探测器；

步骤3：测量散射介质哈达玛基输入下的单一光学传输矩阵，设待测散射介质的光学传输矩阵维度为m×n，单一光学传输矩阵表示m以内的任一维度对应的光学传输矩阵；

步骤4：测量所有数据，改变加载到空间光调制器上的哈达玛基，变为n维哈达玛矩阵的第2列，重复步骤3实现哈达玛矩阵所有列的循环，完成散射介质所有输入光场的输入以及输出光场的探测；得到所有哈达玛基输入下单一光学传输矩阵k_1n、k_2n、…k_mn；

步骤5：数据处理，利用数据处理模块的计算机对步骤4得到的单一光学传输矩阵k_1n、k_2n、…k_mn进行整形，可计算得到哈达玛基输入下的光学传输矩阵K_mn；再对光学传输矩阵K_mn进行基变换，即可得到笛卡尔基输入下的散射介质的光学传输矩阵K，构建可控智能光学元件。

7.根据权利要求6所述的基于散射介质实现可编程智能光学元件的方法，其特征在于，步骤3中所述的单一光学传输矩阵测量，包括有如下步骤：

步骤3a：设置求解第1列哈达玛基输入下单一光学传输矩阵的输入光场，生成一个n维哈达玛矩阵，循环加载哈达玛矩阵第一列于空间光调制器，服从“1”加载原相位，“-1”加载滞后π于原相位规律；

步骤3b：透过散射介质并得到散斑数据，将空间光调制器调制后的光束聚焦于散射介质，光束发生散射后被第二显微物镜收集，最终由探测器探测得到散斑数据并被计算机存储；

步骤3c：计算第1列哈达玛基输入下单一光学传输矩阵，利用步骤3a所述的m×n维哈达玛矩阵的第一列哈达玛矩阵,即m＝1，依次改变加载到空间光调制器上的相位值分别为0,π/2,π,3π/2，根据干涉公式，探测器上接收散斑强度为：

探测器探测得到相应散斑由上述公式可计算得到如下关系：

其中，m为1，k表示哈达玛基下，第m列的光学传输矩阵，n表示k的列数，将上述带入公式，得到第1列单一光学传输矩阵k_1n。

8.一种基于散射介质的可编程光学元件及光场调控方法，实现聚焦以及光波整形变换和成像，在权利要求1至5中任意基于散射介质的可编程光学元件及光场调控系统上运行，其特征在于：

步骤一：确定基于散射介质的可编程光学元件及光场调控系统参数，重复权利要求7的步骤1；

步骤二：系统工作启动，打开计算机、激光器以及空间光调制器及探测器；

步骤三：利用计算机控制调整输入光场和输出光场，并计算得到输入光场和输出光场的特征光场，结合散射介质的光学传输矩阵，相位恢复算法、逆运算以及重建算法，实现基于散射介质的可编程光学元件及光场调控系统的光场调控，主要包括光束聚焦以及光波整形变换和成像。

9.一种根据权利要求8所述的基于散射介质的可编程光学元件及光场调控方法，其特征在于，步骤三中所述的基于散射介质的可编程光学元件及光场调控系统实现光束聚焦以及光波整形变换，包括有如下步骤：

步骤三a：得到输入光场，根据公式

计算得到输入光场Eⁱⁿ，其中表示笛卡尔基输入下散射介质的光学传输矩阵K，表示输出的聚焦或整形目标；

步骤三b：得到输出光场，根据相位共轭公式

计算得到理想有效输出值E^out；

步骤三c：实现光束聚焦及光波整形，将输入光场Eⁱⁿ加载于空间光调制器，携带输入光场Eⁱⁿ信息的光束由第一显微物镜聚焦于散射介质，发生散射，并传输进入探测模块的探测器，得到相应聚焦以及光波整形结果。

10.根据权利要求8所述的基于散射介质的可编程光学元件及光场调控方法，其特征在于，步骤三中所述的实现成像，包括有如下步骤：

步骤三Ⅰ：生成一随机相位模板和携带目标信息的的

步骤三Ⅱ：得到相位模板对应的输出光场，加载相位模板于空间光调制器，携带信息的光束由第一显微物镜聚焦于散射介质，被散射介质散射后的光束由第二显微物镜收集，并传输进入探测器，得到相应探测结果

步骤三Ⅲ：得到相位模板根据公式

其中，表示的第m维通道元素，表示成像目标；当m为1时，根据上式可计算得到相位模板且与二者之间的关系为：

上述E^obj为携带目标的理想输出光场；

步骤三Ⅳ：得到相位模板对应的输出光场，加载相位模板于空间光调制器4，重复步骤三II的光束信息走向，得到相应探测结果

步骤三Ⅴ：将相位模板对应的输出光场以及相位模板对应的输出光场带入下式：

利用重建算法求得重建算子W，最终重建出携带目标的实际输出光场E_img，实现基于散射介质的可编程光学元件及光场调控方法进行成像。