CN108709872A - 一种散射介质内多波长激光同时补偿聚焦成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种散射介质内部多波长激光同时补偿聚焦成像方法，将空间光调制器分为若干散射效应补偿子区域；在每个补偿子区域内，按照所需补偿的不同波长的激光数量，对应的再细分为若干波长子单元。每个子单元对应独立控制单一波长的相位补偿；由上述波长子单元和补偿子区域复合结构模块依次排列，组成了整个空间光调制器阵列面上的最佳补偿相位分布；根据各波长成分之间的非相干特性，对应每个波长的子单元可以实现单一波长的相位补偿，当多个波长的激光同时照射空间光调制器时，可实现多个波长激光在散射介质内同时补偿聚焦成像，在激光医疗和生物光子微操纵等领域有重要应用前景。

Description

一种散射介质内多波长激光同时补偿聚焦成像方法

技术领域

本发明涉及散射介质和生物深层组织聚焦成像领域，具体为一种散射介质内多波长激光同时补偿聚焦成像方法，利用空间光调制器补偿子区域和波长子单元复合结构模块与迭代补偿算法，实现散射介质内多波长激光同时聚焦成像。

背景技术

随着现代科技的发展，激光在生物组织内的聚焦与成像探测技术成为生命科学发展的至关重要的研究方向。如何克服激光在生物组织内部的散射效应，获得足够的激光聚焦能量，从而对生物组织或者分子进行操纵或者光学成像，是生物光子学应用研究的重要课题。特别是，随着激光波长的不断丰富和人们对激光生物学机理认知的不断深入，采用多个波长组合作用实现生物组织的微操作、光敏治疗或者高分辨率成像将成为有重要应用前景的研究方向。从激光在散射介质中的传播特点可以看出，在实际应用过程中由于生物组织对激光波前有较强的随机相位扰动，使得激光在生物组织内难以聚焦或者成像。为了克服生物组织内这种对激光的散射作用，需要先对入射光束进行波前补偿，才能将激光光束聚焦到介质的内部或者另一侧。随着液晶技术和数字电路的技术进步，空间光调制器具有越来越高的分辨率和响应速度，成为当前单一波长激光在散射介质内补偿聚焦成像的主要技术路线，其关键环节是准确测算散射介质的补偿相位分布，然后利用空间光调制器产生对应的相位补偿最佳值，进而有效克服强散射效应在介质内部实现聚焦或者成像。自2008年起，Allard P.Mosk等人先后围绕实现散射介质相位扰动分布的测算和补偿控制实现开展了深入研究，截止目前主要包括分区迭代补偿、传输矩阵计算和相位共轭等方法，其核心思想是针对单一波长在散射介质中的传输特性，采用逆向反演(如分区迭代补偿法)或者正向测算(传输矩阵计算和相位共轭法)获取该波长所需补偿的相位分布，通过空间光调制器的补偿调制克服介质的散射效应。

以上基于散射介质相位扰动测算与补偿方法代表了当前单波长激光聚焦成像的技术现状，尽管能够满足单一波长激光在散射介质中的聚焦成像应用需求，但仍然缺乏未来生物组织内复合波长应用时多波长同时聚焦成像的技术途径。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种散射介质内多波长激光同时补偿聚焦成像方法，利用空间光调制器补偿子区域和波长子单元复合结构模块与迭代补偿算法，有效实现散射介质内多波长激光的同时聚焦成像。

本发明采用的技术方案如下：一种散射介质内多波长激光同时补偿聚焦成像方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：

A、将整个空间光调制器阵列面分割为多个补偿子区域，每个补偿子区域又分割为多个波长子单元，使得整个空间光调制器形成包括补偿子区域和波长子单元的复合结构；

B、采用迭代算法对每个补偿子区域和波长子单元进行相位补偿测算，每个补偿子区域的补偿相位分布对应中心波长最大可聚焦光强，每个波长子单元的相位分布对应单一波长的最大可聚焦光强；

C、多个波长的激光分别扩束准直为平行光，经耦合为共轴光路后同时照射在空间光调制器上，通过步骤B中对整个空间光调制器阵列面上补偿相位分布的测算，并根据测算结果进行反馈控制，使得多个波长的激光经同一聚焦透镜后可同时在散射介质内有效聚焦，最终实现在散射介质内多波长激光的同时聚焦或成像。

其中，步骤A又包括：

步骤A1：将整个空间光调制器像素阵列面分成N个补偿子区域Q_i，1≤i≤N；

步骤A2：依据聚焦成像过程中不同波长的激光束数量和波长权重，对每个补偿子区域再进一步细分为M个波长子单元S_j，1≤j≤M，波长子单元数量M与不同波长的激光束量一致。

进一步地，各波长子单元的面积均分。

进一步地，各波长子单元的面积依据波长权重在整个补偿子区域内按比例分配，其波长权重按照波长倒数关系确定，其中中心波长的权值为1，波长越小所占权值越大。

步骤B又包括：

步骤B1：选取若干个相位离散值，采用中心波长的激光为标准光，对空间光调制器像素阵列面上每个区域Q_i采用枚举算法测算补偿相位分布，当中心波长的激光在目标点处聚焦光强达到最大值时，即为测算出的该区域所需的最佳补偿相位分布；

步骤B2：在每个补偿子区域Q_i内，依次采用中心波长之外的其它不同的单一波长为入射光照射空间光调制器，当该波长的激光在目标点处聚焦光强达到最大值时，获得子单元S_j的最佳相位值，依次逐一完成补偿子区域内所有波长子单元的补偿相位分布测算；

步骤B3：按照步骤B1和B2的方法，采用迭代算法对每个包含补偿子区域和波长子单元的复合结构模块中的补偿相位分布进行测算，完成整个空间光调制器阵列面上所需补偿相位分布的测算。

基于上述空间光调制器补偿子区域和波长子单元复合结构与迭代补偿算法，采用多波长激光散射介质聚焦成像光学系统，可在散射介质内实现多波长激光的同时聚焦成像。多波长激光散射介质聚焦成像光学系统主要为：多个波长的激光分别扩束准直为平行光，经耦合为共轴光路后同时照射在空间光调制器上，利用上述的补偿子区域和波长子单元复合结构和迭代算法，完成满足多波长激光聚焦需求的空间光调制器阵列面相位分布的补偿控制，将每个子区域的每个子单元均校正到最佳相位值，此时多个波长的激光经同一聚焦透镜后可同时在散射介质内有效聚焦。当利用上述聚焦过程中测算得到的空间光调制器阵列面最佳相位补偿值，在散射介质内进行成像时，同理可实现多波长激光同时成像效果。

本发明的有益效果：

基于空间光调制器分区补偿散射效应的传统技术，只能满足单一波长在散射介质内的聚焦成像需求，如何实现多波长激光在散射介质内的同时聚焦成像目前尚未有解决方案。本发明提出了一种空间光调制器补偿子区域和波长子单元复合结构和迭代算法，能够有效实现散射介质内多波长激光同时聚焦成像。补偿子区域分割可对中心波长进行相位补偿控制，通过子区域内对应的波长子单元的相位修正，可实现多波长激光在散射介质内的同时聚焦成像。本发明特别适合用于散射介质和生物深层组织内部多波长激光同时聚焦成像应用领域，在激光医疗和生物光子微操纵等领域有重要应用前景。

附图说明

图1为本发明基于的空间光调制器补偿子区域结构示意图。

图2为本发明的空间光调制器补偿子区域和波长子单元复合结构示意图。

图3为本发明局部放大的空间光调制器补偿子区域和波长子单元复合结构示意图。

图4为本发明的空间光调制器补偿子区域和波长子单元复合结构迭代算法流程图。

图5为基于本发明的空间光调制器补偿子区域和波长子单元复合结构和迭代算法，进行散射介质内多波长激光补偿同时聚焦成像实验光路图。

图中标记：1为波长是λ₁的激光器，2为对应λ₁的空间滤波器，对3为对应λ₁的扩束准直镜，4为对应反射波长λ₂的分光棱镜，5为波长λ₂的激光器，6为对应λ₂的空间滤波器，7为对应λ₂的扩束准直镜，8为对应反射波长λ₃的分光棱镜，9为波长λ₃的激光器，10为对应λ₃的空间滤波器，11为对应λ₃的扩束准直镜，12为半透半返的分光棱镜，13为反射式相位型空间光调制器，14是聚焦透镜，15是等效散射介质的毛玻璃，16是用于成像的分辨率板，17是等效散射介质的毛玻璃，18是成像透镜，19是探测散斑图案的CCD，20是用于接收CCD数据和控制空间光调制器的计算机。

图6为本发明各单波长聚焦数值模拟结果对照图。

图7为本发明多波长同时聚焦数值模拟结果。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

空间光调制器是激光克服散射效应在介质内部有效聚焦成像的关键器件，本发明提出的空间光调制器补偿子区域和波长子单元复合结构和迭代算法是核心。将整个空间光调制器阵列面分割为包含补偿子区域和波长子单元的复合结构；采用迭代算法对每个补偿子区域和波长子单元进行相位补偿测算，每个补偿子区域的补偿相位分布对应中心波长最大可聚焦光强，每个波长子单元的相位分布对应单一波长的最大可聚焦光强；通过对包含上述复合结构模块的整个空间光调制器阵列面上补偿相位分布的测算与反馈控制，最终可在散射介质内实现多波长激光的同时聚焦或成像。

其中，根据散射介质特性和最终所需的聚焦光强提升效率，将整个空间光调制器阵列面分割为一定数量的补偿子区域；在每个补偿子区域内，再细分为若干对应每个波长的子单元，每个波长子单元可对相应的单一波长进行散射效应的相位补偿。采用中心波长的激光为标准光，当标准光在目标点处聚焦光强达到最大值时，即为测算出该区域所需的最佳补偿相位量；在此基础上，逐一换成其它的单一波长，并对波长子单元中相位分布进行微调，使得对应波长的激光聚焦光强也达到最大值；采用迭代算法对每个区域进行测算，完成整个空间光调制器阵列面上所需补偿相位的测算与反馈控制；当多个波长的准直激光以共轴入射的方式照射在空间光调制器上时，通过整个空间光调制器阵列面的相位补偿后，经过透镜系统可在散射介质内同时聚焦或成像。

下面根据本发明的具体实施例对本发明进行具体描述。

首先，依据介质散射特性和所需的激光聚焦光强等需求，将整个空间光调制器阵列面分割为一定数量的补偿子区域，如图1所示，目的是在保障所需激光聚焦光强的前提下，尽量缩短循环迭代时间。

以商品化的1920×1080像素的空间光调制器为例，按8位灰度值计算，每一个像素都包含了一个从0-255变化的整数，可将一个完整周期的相位调制分为n份，其对应的公式为为提高计算速度，对0-255的灰度值进行离散化，分别取0、51、102、153、204以及255这6个离散值，如果对空间光调制器最小像素单元进行优化，共需1920×1080×6＝1.2×10⁷次的赋值尝试，按空间光调制器每次循环响应时间3毫秒计算，约需10.4小时循环时间，远超过常用散射介质的稳定散射图斑的相干时间。若采用本发明的补偿子分区算法，将整个阵列面分割为N＝20×20＝400个子区域Q₁～Q₄₀₀，这同等条件下仅需2400种赋值尝试，迭代时间约12分钟，满足散射图斑稳定要求，具有实际操作性。同时，对于单个子区域Q_i(1≤i≤400)中，包含了5184个像素点，按照相干光在散射介质中传输独立通道统计理论模型，能够满足基本呈连续变化的生物组织等散射介质内相位补偿的需求。

作为实例说明，本方案选用了400个补偿子区域。实际应用中补偿子区域数量N的数值取决于该区域散射特性、包含的像素数量、聚焦光强提升效率和成像分辨率等多方面的因素，N具体取值范围不受限。如图6所示，当N取值越大时，可补偿聚焦的激光光强提高越大；但当N足够大时，其迭代时间将超出散斑稳定性，反而会降低补偿效果。

以633nm，532nm和480nm三个波长同时入射空间光调制器为实例，在400个补偿子区域基础上，对每个子区域Q_i再进一步细分为3个波长子单元S₁，S₂和S₃，如图3所示。不同子单元的面积依据波长权重在整个补偿区域内按照波长倒数关系确定，本实例中633nm，532nm和480nm三个波长对应的面积比值为1∶2∶3。

如图4所示，利用补偿子区域和波长子单元复合结构和迭代算法获得整个空间光调制器阵列面上最佳补偿相位的测算：首先对空间光调制器阵列面相位值归零，选择第i个子区域Q_i进行补偿相位测算，其它子区域保持不变。采用中心波长532nm为标准光照射整个空间光调制器像素阵列面上，当用离散化的6个相位值加载到该子区域时，CCD探测到的532nm激光在目标点处聚焦光强达到最大值，此时对应的相位即为测算出的该子区域所需的对应532nm激光的最佳补偿相位量。

按上述方法在同一子区域Q_i内，依次分别替换为633nm和480nm两个波长的激光照射，当对应波长的激光在目标点处聚焦光强达到最大值时，对应波长子单元S_j的相位值即为该波长所对应子单元的最佳相位值，并逐一完成补偿子区域内所有波长子单元的补偿相位测算。

按照上述步骤，采用迭代算法对每个子区域和子单元进行补偿相位测算，完成整个空间光调制器阵列面上所需补偿的相位分布值计算，即得到整个空间光调制器阵列面补偿相位值。然后进行补偿相位校正，即在实际使用中将不是最佳相位值的相位补偿为最佳相位值，从而实现将每个子区域的每个子单元均校正到最佳相位值。

基于上述测算得到的整个空间光调制器阵列面补偿相位值，利用图5所示的光路图，即可进行散射介质内多波长激光补偿同时聚焦成像实验。

分别将波长为633nm，532nm和480nm的激光经过对应波长的分束镜和扩束准直镜后，以平行光的方式耦合到主光路中，经过半透半返的分光棱镜后入射到反射式相位型空间光调制器，其反射光经分光棱镜反射后入射到聚焦透镜，汇聚光经过两块等效散射介质的毛玻璃，焦点位于两块毛玻璃之间，最后经过成像透镜由CCD探测接收散斑图案，由计算机接收并处理CCD探测的数据，经多次迭代测算的相位补偿值由计算机输入空间光调制器对入射光束进行调制。当对空间光调制器输入最佳相位补偿值后，CCD探测到的焦点处的光强达到最大值，此时认为实现了多波长激光在散射介质中的同时补偿聚焦。

图6分别给出了传统方法下633nm，532nm和480nm三个单一波长的激光通过散射介质补偿聚焦的模拟结果；图7为采用上述本发明的空间光调制器补偿子区域和波长子单元复合结构和迭代算法，获得的633nm，532nm和480nm三个波长激光通过散射介质后同时聚焦的模拟结果。

当按照上述方法获得最大焦点光强后，认为此时空间光调制器上加载的相位值是补偿散射介质的最佳值。保持该相位值不变，在焦点附近插入用于成像的分辨率板，利用光学记忆效应沿光轴方向微调分辨率板的位置，利用CCD即可探测到清晰的分辨率图案，此时认为实现了多波长激光在散射介质中的同时补偿成像。

Claims (5)

1.一种散射介质内多波长激光同时补偿聚焦成像方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：

A、将整个空间光调制器阵列面分割为多个补偿子区域，每个补偿子区域又分割为多个波长子单元；

B、采用迭代算法对每个补偿子区域和波长子单元进行相位补偿测算，每个补偿子区域的补偿相位分布对应中心波长最大可聚焦光强，每个波长子单元的相位分布对应单一波长的最大可聚焦光强；

C、多个波长的激光分别扩束准直为平行光，经耦合为共轴光路后同时照射在空间光调制器上，通过步骤B中对整个空间光调制器阵列面上补偿相位分布的测算，并根据测算结果进行反馈控制，使得多个波长的激光经同一聚焦透镜后可同时在散射介质内有效聚焦，最终实现在散射介质内多波长激光的同时聚焦或成像。

2.如权利要求1所述的一种散射介质内多波长激光同时补偿聚焦成像方法，其特征在于步骤A又包括：

步骤A1：将整个空间光调制器像素阵列面分成N个补偿子区域Q_i，1≤i≤N；

步骤A2：依据聚焦成像过程中不同波长的激光束数量和波长权重，对每个补偿子区域再进一步细分为M个波长子单元S_j，1≤j≤M，波长子单元数量M与不同波长的激光束量一致。

3.如权利要求2所述的一种散射介质内多波长激光同时补偿聚焦成像方法，其特征在于各波长子单元的面积均分。

4.如权利要求2所述的一种散射介质内多波长激光同时补偿聚焦成像方法，其特征在于各波长子单元的面积依据波长权重在整个补偿子区域内按比例分配，其波长权重按照波长倒数关系确定，其中中心波长的权值为1，波长越小所占权值越大。

5.如权利要求2所述的一种散射介质内多波长激光同时补偿聚焦成像方法，其特征在于步骤B又包括：

步骤B1：选取若干个相位离散值，采用中心波长的激光为标准光，对空间光调制器像素阵列面上每个补偿子区域Q_i采用枚举算法测算补偿相位分布，当中心波长的激光在目标点处聚焦光强达到最大值时，即为测算出的该区域所需的最佳补偿相位分布；

步骤B2：在每个补偿子区域Q_i内，依次采用中心波长之外的其它不同的单一波长为入射光照射空间光调制器，当该波长的激光在目标点处聚焦光强达到最大值时，获得子单元S_j的最佳相位值，依次逐一完成补偿子区域内所有波长子单元的补偿相位分布测算；

步骤B3：按照步骤B1和B2的方法，采用迭代算法对每个包含补偿子区域和波长子单元的复合结构模块中的补偿相位分布进行测算，完成整个空间光调制器阵列面上所需补偿相位分布的测算。