CN107505706B - 基于并行自适应光学校正的多层共轭像差校正系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于并行自适应光学校正的多层共轭像差校正系统和方法。本发明采用多个空间光调制器，利用四焦距系统依次将空间光调制器光学共轭至散射介质的各个分层，每一个空间光调制器负责校正对应的分层，且每一个空间光调制器依次运用一次并行自适应光学校正算法，散射介质由浅至深被空间光调制器逐步共轭校正，最终我们可以实现较大厚度的散射介质光斑校正。本发明能够实现对深层散射介质的像差校正，使成像深度更深，突破了传统自适应光学成像深度的限制。
Description
技术领域
本发明属于显微成像领域的深层散射介质成像方法，特别涉及了一种基于并行自适应光学校正的多层共轭像差校正系统和方法。
背景技术
在生物医学研究领域，光学显微镜是一种不可或缺的研究工具。但是当我们观察一些生物样品时(比如细胞，亚细胞器，血管等)，这些生物组织的折射率非均匀性会使入射光发生散射，从而使成像范围限制在浅层，使活体成像极具挑战性。但是在生物医学显微成像领域中，深层组织所包含的信息是我们更想要探索的，因此为了获得更深层的信息，校正并聚焦浑浊介质内部的光线成为了存在已久的目标。为了达到该目标，我们需要知道入射光波作为一个电场在散射介质内传播到达目标平面这一过程中的相位和振幅，根据对这些参数的获取、处理和校正，使入射光束能穿透得更深，从而达到更深处的成像。
在生物组织深层成像时，入射光束经物镜会聚，随后会穿过一定厚度的组织(在仿真模型中称之为散射介质)，最终焦平面上的光斑会发生散射。一般我们使用AO(自适应光学)的方法对由散射介质引入的像差进行校正，但随着散射介质厚度的增加，单个SLM(空间光调制器)不足以校正散射介质引入的像差，此时我们需要使用多个SLM来进行分层校正，以达到较好的校正结果。
发明内容
为了解决背景技术中存在的深度成像问题，本发明提供了一种基于并行自适应光学校正的多层共轭像差校正系统和方法。该像差校正技术将光瞳面的相干光学自适应算法发展并运用到光学共轭平面，并将散射介质通过光学共轭分层的方式进行像差校正。本发明能够通过将散射介质按一定比例分为两层及多层，每层的光学共轭面上对应放置一个SLM(空间光调制器)，并利用并行自适应光学校正算法对每层散射介质引入的像差进行分步校正的方法，实现对散射介质的深层聚焦及成像。
本发明是在生物组织深层成像时，入射光束经物镜会聚，随后会穿过一定厚度的组织(在仿真模型中称之为散射介质)，最终在焦平面上产生散射光斑。一般我们使用AO(自适应光学)的方法对由散射介质引入的像差进行校正，但随着散射介质厚度的增加，单个SLM(空间光调制器)不足以校正散射介质引入的像差，此时我们需要使用多个SLM来进行分层校正，以达到较好的校正结果。
本发明采用的技术方案是针对深层散射介质成像过程采用以下步骤：
一、一种基于并行自适应光学校正的多层共轭像差校正系统：
系统包括沿光路方向依次布置的第一透镜L1、第二空间光调制器SLM2、第二透镜L2、第三透镜L3、第一空间光调制器SLM1、第四透镜L4和物镜L5，物镜L5前方设有散射介质，散射介质包括厚度不同的前半层和后半层的两层；入射光依次经第一透镜L1、第二空间光调制器SLM2、第二透镜L2、第三透镜L3、第一空间光调制器SLM1、第四透镜L4和物镜L5后聚焦到散射介质的后端面。
所述的第一透镜L1和第二透镜L2构成一个4F光学系统，第三透镜L3和第四透镜L4构成一个4F光学系统。其中，透镜焦距选取需根据高斯公式，使第一空间光调制器SLM1和第二空间光调制器SLM2所用到的像素数目一致。
所述的第一空间光调制器SLM1与散射介质的前半层关于由第四透镜L4和物镜L5组成的平行透镜组光学共轭，散射介质的后半层关于由第四透镜L4和物镜L5组成的平行透镜组共轭的虚像与第二空间光调制器SLM2再关于由第二透镜L2和第三透镜L3组成的平行透镜组共轭。即散射介质的后半层和虚像关于由第四透镜L4和物镜L5组成的平行透镜组共轭，第二空间光调制器SLM2和虚像关于由第二透镜L2和第三透镜L3组成的平行透镜组共轭。
所述的物镜L5的后焦点位于散射介质的后半层的后端面上。
二、一种基于并行自适应光学校正的多层共轭像差校正方法：
1)入射的平行光束依次经过第一透镜L1、第二空间光调制器SLM2、第二透镜L2、第三透镜L3、第一空间光调制器SLM1、第四透镜L4，后再经物镜L5聚焦入射到散射介质中，再经散射介质达到焦平面形成散射焦斑，在焦平面处用光电倍增管PMT实时探测得到散射焦斑中心光强I1随时间的变化数据；
本步骤中，第二空间光调制器SLM2关闭置零用作反射镜(不加载波前相位分布)，第一空间光调制器SLM1开启并根据并行自适应光学校正算法加载不同频率分布的相位；
本步骤中，散射介质仅放置有前半层，光束经前半层后被引出在空气中传输到达焦平面，焦平面为垂直于光轴的物镜L5的后焦点所在平面，并且前半层后端面和焦平面之间的距离为后半层的厚度d2；
2)对步骤1)获得的散射焦斑中心光强I1随时间的变化数据进行傅里叶变换，求取傅里叶变换后的复数角度得到校正相位分布P1；
3)入射的平行光束依次经过第一透镜L1、第二空间光调制器SLM2、第二透镜L2、第三透镜L3、第一空间光调制器SLM1、第四透镜L4，后再经物镜L5聚焦入射到散射介质中，再经散射介质达到焦平面形成散射焦斑，在焦平面处用光电倍增管PMT实时探测得到散射焦斑中心光强I2随时间的变化数据；
本步骤中，第二空间光调制器SLM2根据并行自适应光学校正算法加载不同频率分布的相位，第一空间光调制器SLM1开启并加载有校正相位分布P1并保持不变；
本步骤中，散射介质放置有前半层和后半层的两层，光束经整个散射介质传输到达焦平面，焦平面为垂直于光轴的物镜L5的后焦点所在平面并与后半层的后端面重合；
4)对步骤3)获得的散射焦斑中心光强I2随时间的变化数据进行傅里叶变换，求取傅里叶变换后的复数角度得到校正相位分布P2；
5)入射的平行光束依次经过第一透镜L1、第二空间光调制器SLM2、第二透镜L2、第三透镜L3、第一空间光调制器SLM1、第四透镜L4，后再经物镜L5聚焦入射到散射介质中，再经散射介质达到焦平面形成最终光斑；
本步骤中，第二空间光调制器SLM2开启并加载有校正相位分布P2，第一空间光调制器SLM1开启并加载有校正相位分布P1；
本步骤中，散射介质放置有前半层和后半层的两层，前半层的厚度为d1，后半层的厚度为d2，光束经整个散射介质传输到达焦平面，焦平面为垂直于光轴的物镜L5的后焦点所在平面并与后半层的后端面重合。
所述步骤1)和3)中，第一透镜L1和第二透镜L2构成一个4F光学系统，第三透镜L3和第四透镜L4构成一个4F光学系统。
所述步骤1)中，第一空间光调制器SLM1与散射介质的前半层关于由第四透镜L4和物镜L5组成的平行透镜组光学共轭。
所述步骤3)中，第一空间光调制器SLM1与散射介质的前半层关于由第四透镜L4和物镜L5组成的平行透镜组光学共轭，散射介质的后半层关于由第四透镜L4和物镜L5组成的平行透镜组共轭的虚像与第二空间光调制器SLM2再关于由第二透镜L2和第三透镜L3组成的平行透镜组共轭。
所述的并行自适应光学校正算法具体是：
取用空间光调制器(SLM)上M*M的像素用于像差校正。
首先将空间光调制器上的M×M的像素点分为N×N个子区(即SLM具有N*N个光学自由度)，将N×N个子区分为国际象棋的黑白相间棋盘格状，黑白两色各自作为一个初始相位模板，每个子区包含M/N×M/N个像素点；当其中一个颜色区域作为初始相位模板时，如图5所示，另一个颜色区域全部置零，初始相位模板中的各个子区各自等间隔递减的加载相位，并且所有子区的频率按照以下公式确定：
ωi＝ωO-Δω×i
其中，N×N为子区个数，i表示子区序号，i＝1,2,3,···,N×N/2，Δω表示频率间隔，ω0表示截止频率。
随着时间的推移，记录下焦平面上中心光强I随时间的变化，对I进行傅里叶变换，求取角度最终可以得到校正相位分布P。
所述的第一空间光调制器SLM1与散射介质的前半层关于由第四透镜L4和物镜L5组成的平行透镜组光学共轭，是指散射介质前半层的垂直于光轴方向的中间平面与第一空间光调制器SLM1满足高斯物象公式。散射介质后半层与第二空间光调制器SLM2的光学共轭亦如此。
本发明将具有厚度的散射介质所产生的像差看作是一个位置处于该散射介质中间的无厚度单层散射介质所产生的像差，即以第一空间光调制器SLM1的中间与散射介质的前半层的中间关于由第四透镜L4和物镜L5组成的平行透镜组光学共轭，以散射介质的后半层的中间与虚像关于由第四透镜L4和物镜L5组成的平行透镜组共轭，再虚像与第而空间光调制器SLM2的中间再关于由第二透镜L2和第三透镜L3组成的平行透镜组共轭。散射介质中间的单层散射介质所处的光学位置与其共轭的SLM位置满足高斯物象。
本发明是将并行自适应光学校正算法运用于散射介质深层成像时的多层共轭校正。首先将散射介质按一定比例分为2层及2层以上，再将2个及2个以上的SLM通过4F系统依次光学共轭至散射介质的分层上。SLM依次运用并行自适应光学校正算法，得出校正相位分布P，并加载到相应的SLM上保持不变，最终可得到经多个SLM像差校正的结果。
本发明的有益效果是：
本发明的实施将天文学上的多层共轭自适应校正方法发展并运用于生物组织的深层成像中，突破了单个SLM深度校正的能力极限，实现了大深度成像。这将有助于在显微成像领域中实现深层组织的活体成像。
附图说明
图1为现有技术单共轭光路示意图。该系统利用一个4F系统将SLM光学共轭至散射介质中间面，利用并行自适应光学校正算法求出校正相位以补偿散射介质所产生的像差；
图2为本发明的光路示意图。其中空间光调制器第一空间光调制器SLM1和第二空间光调制器SLM2为反射式的，为了便于说明和理解，特地画成了透射式。图中每个SLM的照射面积为入射光束的1/4，图中散射介质沿黑虚线分为了2部分，前半部分厚度为d1，后半部分厚度为d2，两部分各自的中间细实线为与第一空间光调制器SLM1，第二空间光调制器SLM2光学共轭的等效位置。
图3(a)和图3(b)为分别为不经过散射介质和经过散射介质的焦平面光斑分布图。
图4为利用并行自适应光学校正算法时，SLM上所加的不同频率的初始相位分布举例图。
图5为利用并行自适应光学校正算法时N＝16时，SLM上所加的不同频率的初始相位分布图。频率从3.2-6.35Hz以0.05Hz为间隔进行取值。
图6(a)和图6(b)分别为利用并行自适应光学校正算法计算得到的校正相位分布P1，P2图。
图7(a)和图7(b)分别为利用单共轭校正和双共轭校正所得到的校正光斑分布图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
本发明的系统包括沿光路方向依次布置的第一透镜L1、第二空间光调制器SLM2、第二透镜L2、第三透镜L3、第一空间光调制器SLM1、第四透镜L4和物镜L5，物镜L5前方设有散射介质，散射介质包括厚度不同的前半层和后半层的两层，前半层相比后半层更靠近物镜L5；入射光依次经第一透镜L1、第二空间光调制器SLM2、第二透镜L2、第三透镜L3、第一空间光调制器SLM1、第四透镜L4和物镜L5后聚焦到散射介质的后端面，散射介质的后端面为远离物镜L5一侧的端面。
第一透镜L1和第二透镜L2构成一个4F光学系统，第三透镜L3和第四透镜L4构成一个4F光学系统。
第一空间光调制器SLM1与散射介质的前半层关于由第四透镜L4和物镜L5组成的平行透镜组光学共轭，散射介质的后半层关于由第四透镜L4和物镜L5组成的平行透镜组共轭的虚像与第二空间光调制器SLM2再关于由第二透镜L2和第三透镜L3组成的平行透镜组共轭。即散射介质的后半层和虚像关于由第四透镜L4和物镜L5组成的平行透镜组共轭，第二空间光调制器SLM2和虚像关于由第二透镜L2和第三透镜L3组成的平行透镜组共轭。
本发明的实施例如下：
如图2所示，传统方法处理情况下，获得艾里斑采用如下方式：入射光的平行光束依次经过第一透镜L1、第二空间光调制器SLM2、第二透镜L2、第三透镜L3、第一空间光调制器SLM1、第四透镜L4后，再经过物镜L5聚焦，在物镜L5的焦点处聚焦产生的光斑，形成艾里斑，如图3(a)所示。其中第一空间光调制器SLM1和第二空间光调制器SLM2关闭以用作反射镜，第一透镜L1的出射光经第二空间光调制器SLM2反射到第二透镜L2，第三透镜L3的出射光经第一空间光调制器SLM1反射到第四透镜L4。
再在物镜L5前方放置上散射介质，获得散射光斑采用如下方式：入射光的平行光束依次经过第一透镜L1、第二空间光调制器SLM2、第二透镜L2、第三透镜L3、第一空间光调制器SLM1、第四透镜L4后，再依次经过物镜L5、散射介质后聚焦，散射介质包括厚度d1的前半层和厚度d2的后半层，前半层相比后半层更靠近物镜L5，在物镜L5的后焦点处聚焦产生的光斑，形成散射光斑，如图3(b)所示。物镜L5的后焦点也位于散射介质的后半层的后端面上。
本实施例针对上述的散射光斑进行校正，实施中所共轭的层数越多，校正效果越好，现在取共轭层数为2层，作如下校正。
1)如图2所示，入射的平行光束依次经过第一透镜L1、第二空间光调制器SLM2、第二透镜L2、第三透镜L3、第一空间光调制器SLM1、第四透镜L4，后再经物镜L5聚焦入射到散射介质中，再经散射介质达到焦平面形成散射焦斑，在焦平面处用光电倍增管PMT实时探测得到散射焦斑中心光强I1随时间的变化数据；
本步骤中，第一透镜L1和第二透镜L2构成一个4F光学系统，第三透镜L3和第四透镜L4构成一个4F光学系统。其中，透镜焦距选取需根据高斯公式，使第一空间光调制器SLM1和第二空间光调制器SLM2所用到的像素数目一致。此处将第一空间光调制器SLM1和第二空间光调制器SLM2分别放置于第一透镜L1后半焦面和第三透镜L3后半焦面上。散射介质的前半层关于由第四透镜L4和物镜L5组成的平行透镜组与第一空间光调制器SLM1共轭。
本步骤中，散射介质仅放置有前半层，光束经前半层后被引出在空气中传输到达焦平面，焦平面为垂直于光轴的物镜L5的后焦点所在平面，并且前半层后端面和焦平面之间的距离为后半层的厚度d2。
本步骤中，第二空间光调制器SLM2关闭置零用作反射镜，第一空间光调制器SLM1开启并根据并行自适应光学校正算法加载不同频率分布的波前相位，如图5所示；
并行自适应光学校正算法过程举例如下：
取用空间光调制器(SLM)上64×64的像素用于像差校正。
首先将空间光调制器上的64×64的像素点分为4×4个子区(即SLM具有16个光学自由度)，将4×4个子区分为国际象棋的黑白相间棋盘格状，黑白两色各自作为一个初始相位模板，每个子区包含16×16个像素点；选取白色区域作为初始相位模板时,黑色区域全部置零，如图4所示，初始相位模板中的各个子区各自等间隔递减的加载相位，并且所有子区的频率按照以下公式确定：
ωi＝ωO-Δω×i
其中，N×N为子区个数，i表示子区序号，i＝1,2,3,···,N×N/2，Δω表示频率间隔，ω0表示截止频率。
随着时间的推移，记录焦平面上中心光强IA随时间的变化，对IA进行傅里叶变换，对傅里叶变换后的复数数据取角度得到前一半校正相位分布PA。换用黑色区域作为初始模板,白色区域加载之前计算得到的校正相位分布PA。随着时间的推移，记录焦平面上中心光强IB随时间的变化，对IB进行傅里叶变换，对傅里叶变换后的复数数据取角度得到后一半校正相位分布PB。先后得到的相位分布PA，PB合起来最终得到校正相位分布P1，如图6(a)所示；
本步骤中，求取傅里叶变换后的复数角度得到校正相位分布P1，使用的公式为：
PA＝-angle(fft(IA))；PB＝-angle(fft(IB))；
P1＝PA+PB；
2)将得到的校正相位分布P1加载到第一空间光调制器SLM1上并保持不变，重复步骤1)：入射的平行光束依次经过第一透镜L1、第二空间光调制器SLM2、第二透镜L2、第三透镜L3、第一空间光调制器SLM1、第四透镜L4，后再经物镜L5聚焦入射到散射介质中，再经散射介质达到焦平面形成散射焦斑，在焦平面处用光电倍增管PMT实时探测得到散射焦斑中心光强I2随时间的变化数据；
本步骤中，第一透镜L1和第二透镜L2构成一个4F光学系统，第三透镜L3和第四透镜L4构成一个4F光学系统。第一空间光调制器SLM1与散射介质的前半层关于由第四透镜L4和物镜L5组成的平行透镜组光学共轭，散射介质的后半层关于由第四透镜L4和物镜L5组成的平行透镜组共轭的虚像与第二空间光调制器SLM2再关于由第二透镜L2和第三透镜L3组成的平行透镜组共轭。
本步骤中，散射介质放置有前半层和后半层的两层，前半层的厚度为d1，后半层的厚度为d2，前半层相比后半层更靠近物镜L5，光束经整个散射介质传输到达焦平面，焦平面为垂直于光轴的物镜L5的后焦点所在平面并与后半层的后端面重合。
本步骤中，第二空间光调制器SLM2根据并行自适应光学校正算法加载不同频率分布的波前相位，第一空间光调制器SLM1开启并加载有校正相位分布P1并保持不变。并行自适应光学校正算法过程与步骤1)中相同；
3)3据并行自适应光学校正算法原理，对步骤3)获得的散射焦斑中心光强I2随时间的变化数据进行傅里叶变换，求取傅里叶变换后的复数角度得到校正相位分布P2，如图6(b)所示；
4)将得到的校正相位分布P1和P2分别加载到第一空间光调制器SLM1和第二空间光调制器SLM2上：入射的平行光束依次经过第一透镜L1、第二空间光调制器SLM2、第二透镜L2、第三透镜L3、第一空间光调制器SLM1、第四透镜L4，后再经物镜L5聚焦入射到散射介质中，再经散射介质达到焦平面形成最终校正光斑；
本步骤中，第二空间光调制器SLM2开启并加载有校正相位分布P2，第一空间光调制器SLM1开启并加载有校正相位分布P1。
本步骤中，散射介质放置有前半层和后半层的两层，前半层的厚度为d1，后半层的厚度为d2，前半层相比后半层更靠近物镜L5，光束经整个散射介质传输到达焦平面，焦平面为垂直于光轴的物镜L5的后焦点所在平面并与后半层的后端面重合。
最终校正后的光斑如图7(b)所示，而按照传统方法图1所示系统及方法实施的单共轭结构如图7(a)所示。对比可见，半高全宽与单共轭校正结果相比大大减小，实现了多层共轭的深层散射介质像差校正。
Claims (2)
1.一种基于并行自适应光学校正的多层共轭像差校正方法，所述方法采用基于并行自适应光学校正的多层共轭像差校正系统，所述系统包括沿光路方向依次布置的第一透镜L1、第二空间光调制器SLM2、第二透镜L2、第三透镜L3、第一空间光调制器SLM1、第四透镜L4和物镜L5，物镜L5前方设有散射介质，散射介质包括厚度不同的前半层和后半层的两层；入射光依次经第一透镜L1、第二空间光调制器SLM2、第二透镜L2、第三透镜L3、第一空间光调制器SLM1、第四透镜L4和物镜L5后聚焦到散射介质的后端面；
所述的第一透镜L1和第二透镜L2构成一个4F光学系统，第三透镜L3和第四透镜L4构成一个4F光学系统；
所述的第一空间光调制器SLM1与散射介质的前半层关于由第四透镜L4和物镜L5组成的平行透镜组光学共轭，散射介质的后半层关于由第四透镜L4和物镜L5组成的平行透镜组共轭的虚像与第二空间光调制器SLM2再关于由第二透镜L2和第三透镜L3组成的平行透镜组共轭；
所述的物镜L5的后焦点位于散射介质的后半层的后端面上；
其特征在于，包括以下步骤：
1)入射的平行光束依次经过第一透镜L1、第二空间光调制器SLM2、第二透镜L2、第三透镜L3、第一空间光调制器SLM1、第四透镜L4，后再经物镜L5聚焦入射到散射介质中，再经散射介质到达焦平面形成散射焦斑，在焦平面处用光电倍增管PMT实时探测得到散射焦斑中心光强I1随时间的变化数据；
本步骤中，第二空间光调制器SLM2关闭置零用作反射镜，第一空间光调制器SLM1开启并根据并行自适应光学校正算法加载不同频率分布的相位；
本步骤中，散射介质仅放置有前半层，光束经前半层后被引出在空气中传输到达焦平面，焦平面为垂直于光轴的物镜L5的后焦点所在平面，并且前半层后端面和焦平面之间的距离为后半层的厚度；
2)对步骤1)获得的散射焦斑中心光强I1随时间的变化数据进行傅里叶变换，求取傅里叶变换后的复数角度得到校正相位分布P1；
3)入射的平行光束依次经过第一透镜L1、第二空间光调制器SLM2、第二透镜L2、第三透镜L3、第一空间光调制器SLM1、第四透镜L4，后再经物镜L5聚焦入射到散射介质中，再经散射介质达到焦平面形成散射焦斑，在焦平面处用光电倍增管PMT实时探测得到散射焦斑中心光强I2随时间的变化数据；
本步骤中，第二空间光调制器SLM2根据并行自适应光学校正算法加载不同频率分布的相位，第一空间光调制器SLM1开启并加载有校正相位分布P1并保持不变；
本步骤中，散射介质放置有前半层和后半层的两层，光束经整个散射介质传输到达焦平面，焦平面为垂直于光轴的物镜L5的后焦点所在平面并与后半层的后端面重合；
4)对步骤3)获得的散射焦斑中心光强I2随时间的变化数据进行傅里叶变换，求取傅里叶变换后的复数角度得到校正相位分布P2；
5)入射的平行光束依次经过第一透镜L1、第二空间光调制器SLM2、第二透镜L2、第三透镜L3、第一空间光调制器SLM1、第四透镜L4，后再经物镜L5聚焦入射到散射介质中，再经散射介质达到焦平面形成最终光斑；
本步骤中，第二空间光调制器SLM2开启并加载有校正相位分布P2，第一空间光调制器SLM1开启并加载有校正相位分布P1；
本步骤中，散射介质放置有前半层和后半层的两层，前半层的厚度为d1，后半层的厚度为d2，光束经整个散射介质传输到达焦平面，焦平面为垂直于光轴的物镜L5的后焦点所在平面并与后半层的后端面重合。
2.根据权利要求1所述的一种基于并行自适应光学校正的多层共轭像差校正方法，其特征在于：所述的并行自适应光学校正算法具体是：
首先将M×M的像素点分为N×N个子区，将N×N个子区分为国际象棋的黑白相间棋盘格状，黑白两色各自作为一个初始相位模板，每个子区包含M/N×M/N个像素点；当其中一个颜色区域作为初始相位模板时，另一个颜色区域全部置零，初始相位模板中的各个子区各自等间隔递减的加载相位，并且各个子区的频率按照以下公式确定：
ωi＝ω0-Δω×i
其中，N×N为子区个数，i表示子区序号，i＝1,2,3,···,N×N/2，Δω表示频率间隔，ω0表示截止频率。
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