CN111123509B - 一种在多模光纤中实现彩色光定点传输的光场合成方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光场调控技术领域，更具体地，涉及一种在多模光纤中实现彩色光定点传输的光场合成方法。本发明首先对红、绿、蓝三种单色光通过多模光纤形成的散斑利用反馈式的波前整形技术实现散斑的聚焦。基于不同波长的单色光在多模光纤中的去相关性，对聚焦光斑的电场进行不同比例的叠加，可实现任意彩色光的合成。该电场叠加方法在输出彩色光的效率上优于现有的对相位掩膜进行空间分割的方法。本发明能够解决激光通过多模光纤后形成杂乱的散斑而造成成像分辨率低的问题，并在实现彩色光定点传输上提出了效率更高的光场合成算法，对生物组织彩色成像的探索具有重要意义。

Description

一种在多模光纤中实现彩色光定点传输的光场合成方法

技术领域

本发明涉及光场调控技术领域，更具体地，涉及一种在多模光纤中实现彩色光定点传输的光场合成方法。

背景技术

多模光纤能够远距离甚至绕过障碍物传输丰富的信息，因此在光通信和生物光子学中起着至关重要的作用。然而，不同光模之间的通道间串扰总是存在的，导致在光纤的末端出现随机的散斑图案。由于这一现象，在实际应用中只使用透射光的总功率，如光通信中的开/关信号，内镜中的荧光灯。遗憾的是，由于模型置乱，在各种光学模式中嵌入的丰富信息很少被提取和利用。虽然人们已经做了大量的工作来利用数字信号处理来解调这些光模态，但是这些算法只适用于少数模态光纤。

基于不同单色光的波长在散射介质中的去相关性，多种色光照明的实时数字全息图能够有效记录复杂物理量的变化信息，多光谱成像的研究对于综合多种色光照明下的数字全息检测具有重要意义。

现有技术利用空间光调制器对相位掩膜进行空间分割来合成彩色光的方法在输出的彩色光效率上较低。且进一步的研究探索了利用对应的纯相位全息图的复杂叠加实现多模光纤的多目标生成，但利用对应的纯相位全息图的场叠加实现多模光纤的多色光生成的研究较少。

发明内容

本发明为克服上述现有技术中的缺陷，提供一种在多模光纤中实现彩色光定点传输的光场合成方法，能够解决激光通过多模光纤后形成杂乱的散斑而造成成像分辨率低的问题，并在实现彩色光定点传输上提出了效率更高的光场合成算法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种在多模光纤中实现彩色光定点传输的光场合成方法，包括以下步骤：

S1.基于反馈式的波前整形技术，采用哈达码编码算法HEA，首先构建一组从低频到高频的哈达玛基，随后将哈达玛基加载到空间光调制器上，分别加载0，π/2，π，3π/2四个相位，计算公式如下：

式中，H_n(k)为由+1和-1元素构成的哈达玛(Hadamard)矩阵(n＝1，2，...，1024)，ψ_n-1(k)是当前n-1阶最优相位掩膜，mπ/2是移相操作符；

S2.根据S1步骤的计算，(H_n(k)+1)/2将H_n(k)中的“+1”和“-1”元素变换成“+1”和“0”，通过该转换，只有当“+1”时是空间光调制器发生调制，当“0”时被固定到零相位作为参考，因此H_n(k)每次通过调节一半的矩阵来改变空间光调制器上的相位值，此时光强度值为：

式中，E_n-1，opt(j)为未被调制光包含n-1阶的最优化电场，E_n，mod(j)为调制光需要的n阶优化电场，t(j，k)代表光束经多模光纤后的传输矩阵；

S3.通过相移来求解滞后角：φ_n＝Arg[(I_n，1(j)-I_n，3(j))+i(I_n，2(j)-I_n，4(j))]；

S4.通过滞后角φ_n更新最优相位：ψ_n(k)＝ψ_n-1(k)+φ_n(H_n(k)+1)/2；

S5.定点彩色光合成：通过对红光，绿光，蓝光分别进行波前整形后，得到红、绿、蓝聚焦光斑的最优电场，即E_{in_red}(j)，E_{in_green}(j)，E_{in_blue}(j)，再通过光场合成方式，即调整红光、绿光、蓝光聚焦电场的权值，得到混合的电场E_mix(j)：

E_mix(j)＝exp(i*angle(α_rE_{in_red}(j)+α_gE_{in_green}(j)+α_bE_{in_blue}(j)))，α_r+α_g+α_r＝1

S6.将混合的电场值E_mix(j)加载回空间光调制器上，经彩色相机反馈成像后即可得到不同的彩色亮斑。

本发明首先确定波前整形的技术方案。基于串扰的确定性，波前整形技术通过预补偿对多模光纤输出端的光模态进行物理控制。该波前整形技术可归纳为三大类：光相位共轭、反馈系统或直接测量和计算系统中的传输矩阵。在这三种技术中，只有光相位共轭决定了在一个单一的最佳相位图测量。然而，它需要相当复杂的光学系统和在相机和空间光调制器之间精确的对准。控制散射光通过测量散射介质的传输矩阵的方法会造成聚焦困难，因为目标位置的强度停留在测量时的背景电平，会产生相对较低的信噪比，在获取波前信息时可能引起测量误差。不同于传输方法，在基于反馈的波前整形中，在目标位置的强度随着每次迭代的增加，在整个优化过程中提供了一个相对较高的信噪比。因此本发明采用基于反馈式的波前整形技术。

彩色相机监测目标点的光强度，生成反馈信息并将其发送到计算机。计算机实现一个优化算法来计算所需的相位图，并将其发送到空间光调制器。然后，空间光调制器上有1920*1080个像素点，基于1920*1080矩阵，进行相位调制来调制入射光的，在目标点处的强度值逐渐增强。这个过程是重复的，经过许多轮的迭代后，一个清晰的焦点形成。

基于反馈式的波前整形技术，有许多优化的算法，其中最典型的是逐步序列算法和连续序列算法。这两个算法一次只优化一个矩阵块，因此每次迭代时光斑的对比度较低，使得算法对噪声敏感。为了提高信噪比，一种分块算法被提出，分块算法在迭代时随机选择矩阵块。但是，优化过程会产生大量的冗余使信息最终收敛很慢。受生物进化过程的启发，遗传算法已被证明在低信噪比环境的情况下具有特别的优势，但代价是它的收敛速度缓慢。在本发明中，使用基于反馈的波前整形与哈达玛编码算法(HEA)表明，通过控制在多模光纤中的目标光传输来达到使散斑聚集的目的。哈达玛矩阵被广泛应用于许多领域应用，包括现代电信、数字信号处理和压缩传感。在HEA中，哈达玛矩阵的每一列都用作一列输入基，它从低空间频率的模式开始。不像逐步序列算法和连续序列算法，HEA同时调节一半的矩阵，因此可达到较高的信噪比。对比分块算法中随机选取矩阵块的方式，哈达玛矩阵的列是相互作用正交的。所以，HEA的收敛速度更快，在相同的迭代次数下，可得到比使用分块算法更亮的聚焦点。

进一步的，波前整形技术的公式为：

式中，t(j，k)代表光束经多模光纤后的传输矩阵；经波前整形后，E_in(k)为所求的聚焦电场。

与现有技术相比，有益效果是：本发明提供的一种在多模光纤中实现彩色光定点传输的光场合成方法，能够解决激光通过多模光纤后形成杂乱的散斑而造成成像分辨率低的问题，并在实现彩色光定点传输上提出了效率更高的光场合成算法，对生物组织彩色成像的探索具有重要意义。

附图说明

图1是本发明中实验平台的光路图。

图2是本发明哈德码基的形式图。

图3是本发明光场合成算法流程。

图4是本发明对红，绿两色光聚焦光斑的相位掩膜进行空间分割后的结果图。

图5是本发明对红、绿两色光聚焦光斑的相位掩膜进行电场叠加后的结果图。

图6是本发明在合成彩色光的效率上电场叠加和空间分割两种方法的对比图。

图7是本发明基于电场叠加的光场合成方法，聚焦的红光光斑与绿光光斑的电场权值为1∶1时，叠加的效果图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。

如图3所示，一种在多模光纤中实现彩色光定点传输的光场合成方法，包括以下步骤：

S1.基于反馈式的波前整形技术，采用哈达码编码算法HEA，首先构建一组从低频到高频的哈达玛基，随后将哈达玛基加载到空间光调制器上，分别加载0，π/2，π，3π/2四个相位，计算公式如下：

式中，H_n(k)为由+1和-1元素构成的哈达玛(Hadamard)矩阵(n＝1，2，...，1024)，ψ_n-1(k)是当前n-1阶最优相位掩膜，mπ/2是移相操作符；

S2.根据S1步骤的计算，(H_n(k)+1)/2将H_n(k)中的“+1”和“-1”元素变换成“+1”和“0”，通过该转换，只有当“+1”时是空间光调制器发生调制，当“0”时被固定到零相位作为参考，因此H_n(k)每次通过调节一半的矩阵来改变空间光调制器上的相位值，此时光强度值为：

式中，E_n-1，opt(j)为未被调制光包含n-1阶的最优化电场，E_n，mod(j)为调制光需要的n阶优化电场，t(j，k)代表光束经多模光纤后的传输矩阵；

S3.通过相移来求解滞后角：φ_n＝Arg[(I_n，1(j)-I_n，3(j))+i(I_n，2(j)-I_n，4(j))]；

S4.通过滞后角φ_n更新最优相位：ψ_n(k)＝ψ_n-1(k)+φ_n(H_n(k)+1)/2；

S5.定点彩色光合成：通过对红光，绿光，蓝光分别进行波前整形后，得到红、绿、蓝聚焦光斑的最优电场，即E_{in_red}(j)，E_{in_green}(j)，E_{in_blue}(j)，再通过光场合成方式，即调整红光、绿光、蓝光聚焦电场的权值，得到混合的电场E_mix(j)：

E_mix(j)＝exp(i*angle(α_rE_{in_red}(j)+α_gE_{in_green}(j)+α_bE_{in_blue}(j)))，α_r+α_g+α_r＝1

S6.将混合的电场值E_mix(j)加载回空间光调制器上，经彩色相机反馈成像后即可得到不同的彩色亮斑。

其中，波前整形技术的公式为：

式中，t(j，k)代表光束经多模光纤后的传输矩阵；经波前整形后，E_in(k)为所求的聚焦电场。

实施例1：

如图1至图7所示，基于光的直线传播和反射定理，搭建实验光路平台。实验光路平台包括642nm红光、532nm绿光、450nm蓝光三种不同波长的激光器，半波片，分束器，偏振分束器，反射镜，挡光板，物镜，多模光纤，彩色相机，透镜，空间调制器。半波片结合偏振分束器可对激光的功率进行调节；

分束器可使入射的光斑分成两束功率相等的光束；透镜可用来放大光束；挡光板放置在分束器一端以挡住无用的出射光束，避免对其他光路造成干扰；空间光调制器上有1920*1080个像素点可进行相位调制来调制光斑的电场；物镜与多模光纤结合，用来耦合多模光纤，使经多模光纤后的出射光功率较高；彩色相机放置在多模光纤后，对多模光纤出射后的光斑进行成像。

实验平台分成红光，绿光和蓝光三条光路。首先对642nm红光经多模光纤形成的散斑图案通过彩色相机进行成像，在散斑图像上选取一个目标点，利用反馈式的波前整形技术，即根据散斑的成像信息，使用HEA算法，通过空间调制器对散斑进行相位调制以实现红光散斑在该目标点处聚焦，根据能量守恒定理，此时相机上目标点的强度值为散斑强度值的总和，目标点为一个红色的亮斑。再对绿光，蓝光的散斑依次聚焦。此时通过空间光调制器可得到红、绿、蓝三种单色光聚焦的电场矩阵，对聚焦的电场矩阵利用电场叠加方法，即通过调整红，绿，蓝光斑聚焦的电场矩阵比例进行叠加，经空间光调制器调制后，目标点在彩色相机上可显示出不同的彩色亮斑。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种在多模光纤中实现彩色光定点传输的光场合成方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.基于反馈式的波前整形技术，采用哈达码编码算法HEA，首先构建一组从低频到高频的哈达玛基，随后将哈达玛基加载到空间光调制器上，计算公式如下：

式中，H_n(k)为由+1和-1元素构成的哈达玛矩阵(n＝1，2，...，1024)，ψ_n-1(k)是当前n-1阶最优相位掩膜，mπ/2是移相操作符；

S2.根据S1步骤的计算，(H_n(k)+1)/2将H_n(k)中的“+1”和“-1”元素变换成“+1”和“0”，通过该转换，只有当“+1”时是空间光调制器发生调制，当“0”时被固定到零相位作为参考，因此H_n(k)每次通过调节一半的矩阵来改变空间光调制器上的相位值，此时光强度值为：

式中，E_n-1，opt(j)为未被调制光包含n-1阶的最优化电场，E_n，mod(j)为调制光需要的n阶优化电场，t(j，k)代表光束经多模光纤后的传输矩阵；

S3.通过相移来求解滞后角：φ_n＝Arg[(I_n，1(j)-I_n，3(j))+i(I_n，2(j)-I_n，4(j))]；

S4.通过滞后角φ_n更新最优相位：ψ_n(k)＝ψ_n-1(k)+φ_n(H_n(k)+1)/2；

S5.定点彩色光合成：通过对红光，绿光，蓝光分别进行波前整形后，得到红、绿、蓝聚焦光斑的最优电场，即E_{in_red}(j)，E_{in_green}(j)，E_{in_blue}(j)，再通过光场合成方式，即调整红光、绿光、蓝光聚焦电场的权值，得到混合的电场E_mix(j)：

E_mix(j)＝exp(i*angle(α_rE_{in_red}(j)+α_gE_{in_green}(j)+α_bE_{in_blue}(j)))，α_r+α_g+α_r＝1

S6.将混合的电场值E_mix(j)加载回空间光调制器上，经彩色相机反馈成像后即可得到不同的彩色亮斑。

2.根据权利要求1所述的在多模光纤中实现彩色光定点传输的光场合成方法，其特征在于，所述的S1步骤中，分别加载0，π/2，π，3π/2四个相位，m＝0，1，2，3。

3.根据权利要求2所述的在多模光纤中实现彩色光定点传输的光场合成方法，其特征在于，波前整形技术的公式为：

式中，t(j，k)代表光束经多模光纤后的传输矩阵；经波前整形后，E_in(k)为所求的聚焦电场。

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