CN114460045A - 散射介质光学传输矩阵的测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种散射介质光学传输矩阵的测量方法,该方法包括:将入射光束的水平偏振分量和垂直偏振分量分别作为信号光束和参考光束经过半波片入射散射介质;旋转半波片调制信号光束和参考光束的比例,消除参考光束的影响,检索散射介质光学传输矩阵的最优解。上述散射介质光学传输矩阵的测量方法,在测量散射介质光学传输矩阵时具有明显的增强效果,将入射光束的水平偏振分量和垂直偏振分量分别作为信号光束和参考光束,采用共路传播全场相移干涉法在测量光学传输矩阵时可以完全消除参考光束的影响,在测量光学传输矩阵时检索效率更高,样本需求更低,信号光束和参考光束共路传输,可以降低系统误差。
Description
技术领域
本发明涉及光学测量技术领域,特别是涉及一种散射介质光学传输矩阵的测量方法。
背景技术
光学成像一直是人们获取信息的重要方式之一,尤其是在生物医学成像方面具有重要意义。然而在诸如大气、海洋、生物组织等复杂环境中,由于折射率分布不均匀,光子被复杂环境介质中与光波长同样量级的粒子进行多次作用后不再沿直线传播,其传播方向发生偏离,向四周传播开,输出光场也因多重散射而使随机性增强,这种现象称为散射,与光子发生相互作用的介质称为随机散射介质。因此,研究如何在随机散射介质存在的情况下实现透过随机散射介质的成像,使光能够进一步为人类所应用具有非常重要的意义。
散射介质光学传输矩阵可以用来表征入射光场经过散射介质后的输出光场与入射光场之间的变换关系,在获得光学传输矩阵后,散射介质对入射光场的变换能够等效为已知的光学元件,进而实现对散射介质输出光场的调控。利用光学传输矩阵还可以解决许多实际问题,例如根据随机矩阵理论,特定模式的输入波在经过散射介质后不会发生能量损失,从而实现对传输光能量的控制;在复色光的聚焦应用中,已知光学传输矩阵的散射介质能够等效为已知的光学元件以实现聚焦;除此之外,还可以利用光学传输矩阵对散射介质的性质进行研究,利用散射介质的光学传输矩阵以及图像重建技术可以实现目标重构,快速准确地得到任意图像经过散射介质后的重建结果。
在对散射介质的研究过程中,光学传输矩阵不仅对于散射介质的散射特性研究具有重要意义,而且将对生物医学成像等领域起到巨大的推动作用。然而由于缺少可以直接对散射介质输出光场的相位进行记录的设备,光学传输矩阵的测量依然面临较大困难。一般的测量光学传输矩阵的方法可以分为两类:第一类是利用相位恢复算法检索散射介质输出光场的相位进而测量光学传输矩阵,但是,相位恢复算法需要大量的样本数据和迭代时间,不利于光学传输矩阵的快速测量。第二类是通过干涉的方法恢复散射介质输出光场的相位进而测量光学传输矩阵,但是,该方法需要额外引入一条参考光路,参考光的负面影响难以消除,增加了系统误差,降低了系统的稳定性。
发明内容
基于此,有必要针对一般的测量光学传输矩阵的方法需要大量的样本数据和迭代时间,以及难以消除参考光路的影响的问题,提供一种散射介质光学传输矩阵的测量方法。
一种散射介质光学传输矩阵的测量方法,所述方法包括:
将入射光束的水平偏振分量和垂直偏振分量分别作为信号光束和参考光束经过半波片入射散射介质;
旋转半波片调制所述信号光束和参考光束的比例,消除参考光束的影响,检索所述散射介质光学传输矩阵的最优解。
进一步的,还包括:
在所述入射光束经过所述半波片后,入射散射介质之前,通过空间光调制器改变加载的哈达玛基灰度图像改变信号光束相位。
进一步的,所述空间光调制器与空气的界面与所述入射光束互相垂直。
进一步的,所述空间光调制器液晶显示屏面积大于入射光束面积,所述空间光调制器液晶显示屏与入射光束重合部分为调制区域,未重合部分为非调制区域。
进一步的,所述空间光调制器调制深度为2πrad,灰阶范围为0~255。
进一步的,还包括:
在所述半波片的前端设置偏振片,使所述入射光束经过偏振片进入所述半波片,所述偏振片和半波片的中心轴与所述入射光束的中心轴重合。
进一步的,还包括:
在所述散射介质前端设置有物镜,所述物镜的中心轴与所述入射光束的中心轴重合,所述散射介质与空气的界面与所述物镜的焦平面重合。
进一步的,所述散射介质为光纤、磨砂玻璃散射片、大气、海洋或生物组织。
进一步的,所述旋转半波片调制所述信号光束和参考光束的比例,消除参考光束的影响,检索所述散射介质光学传输矩阵的最优解,包括:
采集散射介质的输出干涉光场强度,采用共路传播全场相移干涉法恢复散射介质的输出信号光场,根据输入光场与散射介质的输出信号光场计算散射介质光学传输矩阵。
式中,eiα表示空间光调制器加载的输入相位信息每次偏移的一个常数相位,i表示虚数单位,α分别为0,π/2,π和3π/2,sm表示第m个输出通道上对应于参考光束的复振幅,表示sm的厄米共轭,表示第n个输入通道上对应于信号光束的输入光场,kmn表示连接第n个输入通道和第m个输出通道的系数,表示对括号内取其实部,N表示输入通道的总数;
利用输入光场Ein与散射介质的输出信号光场Eout计算散射介质光学传输矩阵K:
计算出的散射介质光学传输矩阵是一个复数矩阵,表示为:
式中,knm表示连接第n个输入通道和第m个输出通道的复系数。
上述散射介质光学传输矩阵的测量方法,在测量散射介质光学传输矩阵时具有明显的增强效果,将入射光束的水平偏振分量和垂直偏振分量分别作为信号光束和参考光束,通过调制信号光束相位并利用共路传播全场相移干涉法来求解计算散射介质的光学传输矩阵。采用共路传播全场相移干涉法在测量光学传输矩阵时可以完全消除参考光束的影响,在测量光学传输矩阵时检索效率更高,样本需求更低,信号光束和参考光束共路传输,可以降低系统误差。信号调制区域为信号光束的全部光场,避免造成信号光束能量的损失。测量光学传输矩阵所需的信号光束、参考光束以及信号光束和参考光束的比例,可以通过调制入射光束的水平偏振分量和垂直偏振分量来快速、准确的实现。通过调制信号光束和参考光束的比例,可以检索散射介质光学传输矩阵的最优值。
附图说明
图1为一个实施例的散射介质光学传输矩阵的测量方法流程图;
图2为利用共路传播全场相移干涉法测量散射介质光学传输矩阵的原理示意图;
图3为利用共路传播全场相移干涉法测量散射介质光学传输矩阵的装置示意图;
图4为散射介质光学传输矩阵测量值的奇异值分布图;
图5为散射介质光学传输矩阵测量值实部的统计分布图;
图6为散射介质光学传输矩阵测量值虚部的统计分布图;
图7为利用散射介质光学传输矩阵测量值进行散射介质输出光场聚焦的实验在未聚焦时散射介质后的输出光场;
图8为利用散射介质光学传输矩阵测量值进行散射介质输出光场聚焦的实验在聚焦时散射介质后的输出光场。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
如图1所示,在一个实施例中,一种散射介质光学传输矩阵的测量方法,包括以下步骤:
步骤S110,将入射光束的水平偏振分量和垂直偏振分量分别作为信号光束和参考光束经过半波片入射散射介质。结合图2散射介质光学传输矩阵的测量原理示意图,利用共路传播全场相移干涉法进行测量,入射光束具有水平偏振分量14和垂直偏振分量15,透过散射介质16,得到输出光场17。入射光束具体采用线偏振光,入射光波长可选择为λ=1550纳米。
参照图3所示,在半波片5的前端设置偏振片4,使入射光束经过偏振片4进入半波片5,偏振片4和半波片5的中心轴与入射光束的中心轴重合。在入射光束经过半波片5后,入射散射介质16之前,通过空间光调制器8改变加载的哈达玛基灰度图像改变信号光束相位。信号光束14和参考光束15入射到空间光调制器8的液晶显示器上,采用哈达玛基对信号光束14的相位进行调制,对信号光束14的振幅不进行额外调制,参考光束15不进行调制。空间光调制器8调制深度为2πrad,灰阶范围为0到255。空间光调制器8与空气的界面与入射光束互相垂直。空间光调制器8液晶显示屏面积大于入射光束面积,空间光调制器8液晶显示屏与入射光束重合部分为调制区域,未重合部分为非调制区域,调制区域为信号光束14的全部光场。在散射介质16前端设置有物镜9,物镜9的中心轴与入射光束的中心轴重合。参考光束15和调制后的信号光束14进入物镜9中被聚焦在散射介质16和空气的界面,散射介质16和空气的界面与物镜9的焦平面重合;在散射介质16和空气的界面处,由于散射介质16的折射率大于空气的折射率,因此当入射光束的入射角大于全反射临界角时,参考光束15和调制后的信号光束14将发生全反射。共路传播全场相移干涉法具有普适性,可以对不同散射介质16的光学传输矩阵进行测量,散射介质16包括但不限于光纤、磨砂玻璃散射片、大气、海洋和生物组织。
采用激光器1产生的光经过第一透镜2和第二透镜3,并经过偏振片4形成入射光束,该入射光束经过半波片5入射到反射镜6,经过反射镜6的反射进入分束器7,进入分束器7的入射光束经过空间光调制器8后,途径物镜9进入散射介质16,从散射介质16出射的光束依次经过另一物镜11和另一偏振片12进入CCD相机13。
步骤S120,旋转半波片调制信号光束和参考光束的比例,消除参考光束的影响,检索散射介质光学传输矩阵的最优解。具体的,CCD相机13采集散射介质的输出干涉光场强度,采用共路传播全场相移干涉法恢复散射介质的输出信号光场,根据输入光场与散射介质的输出信号光场计算散射介质光学传输矩阵。
式中,sm表示第m个输出通道上对应于参考光束的复振幅,表示sm的厄米共轭,表示第n个输入通道上对应于信号光束的输入光场,kmn表示连接第n个输入通道和第m个输出通道的系数,表示对括号内取其实部,N表示输入通道的总数。
利用输入光场Ein与散射介质的输出信号光场Eout计算散射介质光学传输矩阵K:
计算出的散射介质光学传输矩阵是一个复数矩阵,表示为:
式中,knm表示连接第n个输入通道和第m个输出通道的复系数。散射介质光学传输矩阵K可以在数值上和实验上进行验证,数值计算结果表明,散射介质光学传输矩阵的奇异值分布如图4所示,服从标准的四分之一圆分布。散射介质光学传输矩阵实部和虚部的统计分布如图5和图6所示,服从标准的高斯分布。实验结果表明,计算出的散射介质光学传输矩阵可以对散射介质16的输出光场分布进行调控,未进行调制时散射介质16的随机输出光场图7所示,利用散射介质光学传输矩阵进行调制后散射介质16的输出光场如图8所示。
上述散射介质光学传输矩阵的测量方法,在测量散射介质光学传输矩阵时具有明显的增强效果,将入射光束的水平偏振分量和垂直偏振分量分别作为信号光束和参考光束,通过调制信号光束相位并利用共路传播全场相移干涉法来求解计算散射介质的光学传输矩阵。采用共路传播全场相移干涉法在测量光学传输矩阵时可以完全消除参考光束的影响,在测量光学传输矩阵时检索效率更高,样本需求更低,信号光束和参考光束共路传输,可以降低系统误差。信号调制区域为信号光束的全部光场,避免造成信号光束能量的损失。测量光学传输矩阵所需的信号光束、参考光束以及信号光束和参考光束的比例,可以通过调制入射光束的水平偏振分量和垂直偏振分量来快速、准确的实现。通过调制信号光束和参考光束的比例,可以检索散射介质光学传输矩阵的最优值。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式,其描述较为具体和详细,但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本发明的保护范围。因此,本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种散射介质光学传输矩阵的测量方法,其特征在于,所述方法包括:
将入射光束的水平偏振分量和垂直偏振分量分别作为信号光束和参考光束经过半波片入射散射介质;
旋转半波片调制所述信号光束和参考光束的比例,消除参考光束的影响,检索所述散射介质光学传输矩阵的最优解。
2.根据权利要求1所述的散射介质光学传输矩阵的测量方法,其特征在于,还包括:
在所述入射光束经过所述半波片后,入射散射介质之前,通过空间光调制器改变加载的哈达玛基灰度图像改变信号光束相位。
3.根据权利要求2所述的散射介质光学传输矩阵的测量方法,其特征在于,所述空间光调制器与空气的界面与所述入射光束互相垂直。
4.根据权利要求2所述的散射介质光学传输矩阵的测量方法,其特征在于,所述空间光调制器液晶显示屏面积大于入射光束面积,所述空间光调制器液晶显示屏与入射光束重合部分为调制区域,未重合部分为非调制区域。
5.根据权利要求2所述的散射介质光学传输矩阵的测量方法,其特征在于,所述空间光调制器调制深度为2πrad,灰阶范围为0~255。
6.根据权利要求1所述的散射介质光学传输矩阵的测量方法,其特征在于,还包括:
在所述半波片的前端设置偏振片,使所述入射光束经过偏振片进入所述半波片,所述偏振片和半波片的中心轴与所述入射光束的中心轴重合。
7.根据权利要求1所述的散射介质光学传输矩阵的测量方法,其特征在于,还包括:
在所述散射介质前端设置有物镜,所述物镜的中心轴与所述入射光束的中心轴重合,所述散射介质与空气的界面与所述物镜的焦平面重合。
8.根据权利要求1至7中任意一项所述的散射介质光学传输矩阵的测量方法,其特征在于,所述散射介质为光纤、磨砂玻璃散射片、大气、海洋或生物组织。
9.根据权利要求1所述的散射介质光学传输矩阵的测量方法,其特征在于,所述旋转半波片调制所述信号光束和参考光束的比例,消除参考光束的影响,检索所述散射介质光学传输矩阵的最优解,包括:
采集散射介质的输出干涉光场强度,采用共路传播全场相移干涉法恢复散射介质的输出信号光场,根据输入光场与散射介质的输出信号光场计算散射介质光学传输矩阵。
式中,eiα表示空间光调制器加载的输入相位信息每次偏移的一个常数相位,i表示虚数单位,α分别为0,π/2,π和3π/2,sm表示第m个输出通道上对应于参考光束的复振幅,表示sm的厄米共轭,表示第n个输入通道上对应于信号光束的输入光场,kmn表示连接第n个输入通道和第m个输出通道的系数,表示对括号内取其实部,N表示输入通道的总数;
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PB01 | Publication | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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