CN114778539A - 一种传输矩阵测量方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于光场调控技术领域，更具体地，涉及一种传输矩阵测量方法及系统，所述方法包括利用随机概率密度函数分布生成探测矩阵，并预加载到空间光调制器；激光器发出连续的成像光源，成像光源经第一立方体偏振分束器分束后，得到的部分成像光源经空间光调制器的探测矩阵进行随机概率相位整形后输入散射介质；空间光探测器捕捉经散射介质输出的成像光源，探测得到光强空间分布数组并转换为电信号输入至信号采集处理系统；信号采集处理系统根据探测矩阵与光强空间分布数组构建非线性模型，随后构建关于非线性模型的损失函数模型，迭代逼近损失函数模型的全局最优解，得到待测传输矩阵。本发明可大幅度减少测量次数，计算较为简单，测量速度较高。

Description

一种传输矩阵测量方法及系统
技术领域
本发明属于光场调控技术领域，更具体地，涉及一种传输矩阵测量方法及系统。
背景技术
成像本质是将待测样品一一对应的空间信息获取下来进行图像重构，其中光学成像有着高分辨率、高对比度、非侵入式以及无伤害的特点，其应用场景较广泛。而光学成像过程中，会不可避免的在成像前后经过一些复杂介质或系统(如远距离穿云透雾或穿透生物厚组织)，产生各种吸收、折射、衍射或散射的情况，从而破坏成像所以来的一一对应关系，扰乱光学成像的信息，以至于成像失真甚至劣化成无法分辨的散斑。此现象可通过光场调控技术解决，光场调控即通过改变入射光的波前分布情况，从而改变它经过复杂系统的传输路径，实现扰乱的预补偿以及畸变恢复。
目前，光场调控技术有三种类别，即基于反馈的波前整形技术、基于传输矩阵测量的波前整形技术以及基于时间反演测量的波前整形技术。其中，基于反馈的波前整形技术需要在整个过程中不断跟踪，实现过于缓慢，且最终只能得到想要的波前控制分布而无法对复杂系统进行深入研究；基于时间反演测量的波前整形技术整体系统搭建复杂，只能得到散射畸变前的波前分布而无法对复杂系统进行深入研究；而基于矩阵测量的波前整形技术可以深入了解并把控散射介质，得到散射畸变扰乱后的一一对应关系，也就是传输矩阵，测量出传输矩阵后，可在测量后端实现成像解码或者任意光产场分布。
目前，对于相干光学成像，处理振幅之外还着重于对相位进行图像重构或操控，相位信息不仅广泛应用于表面扫描、适应性光学、超快光学等领域上，在生物医药成像领域中也有重大意义。然而，光学固有的超高速震荡(可达上千太赫兹)远远超过目前商业应用中最高的测量带框，使目前的信号直接测量获取振幅分布难以实现。而传统的传输矩阵测量需要通过空间光调制器进行输入端的波前调制，并记录对应输出端的光场分布，从而求解出光学复杂系统中一一对应的相干光线性响应关系。其中，在输出端的光场测量，都需要引入而外的干涉壁进行拍频相干，从而恢复直接检测所不能恢复的相位。复振幅光场的测量，则需要运用相位调制中的三步相移、四步相移等进行计算获取，这样的系统会较为复杂，会大大增加测量耗时，重建速度难以提升，并且都不可避免地依赖额外的相干光的引入，这对于一些无法引用外部干涉路的系统，如活体组织内窥镜、长距离光纤传输系统等都无法获得广泛应用；而若去除外部干涉臂，使用共轴干涉光进行探测，则会由于牺牲部分传输模式而难以对完整的传输矩阵进行准确测量，这在一些模式数有限的少模光纤中更为严重。
为解决上述技术问题，现有技术中通过无外部全息相干的直接检测来对完整的传输矩阵进行预估，其不需要外部干涉臂，仅仅依靠内部复杂系统中的模式串扰的自相干关系，即可从中恢复出完整的传输矩阵。但是直接检测会丢失相位信息，其响应关系会从线性响应关系变为复杂的非线性系统，此时一般通过建立该非线性系统转化为准凸优化的模型，运用解凸优化问题的思想进行迭代预估。在信息量的角度上，如果需要完整重建自由度具有N个通道的传输矩阵，由于光场复振幅的振幅与相位信息，一般需要2N个未知信息的获取。因此实际所构建的输入输出关系当中，理论极限需要2N个独立的方程关系才可以进行求解。而由于非线性的存在，使得输入与输出关系需要更多次不同的测量来对整体关系进行迭代评估，一般需要远大于2N个独立的测量关系。测量次数的提升以及沉重的计算负担，大大降低了传输矩阵的测量速度，难以跟踪复杂系统随时间变化的速度，另外，低效率的计算迭代需要更高的计算空间，因此也无法对较大的传输矩阵进行恢复。
发明内容
本发明为克服上述现有技术中的至少一个缺陷，提供一种传输矩阵测量方法及系统，其可大幅度减少测量次数，计算较为简单，测量速度较高，适用于大规模传输矩阵的测量，以实现光学上克服散射介质扰乱的图像重构以及输出端任意光场分布的调控。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
提供一种传输矩阵测量方法，包括以下步骤：
信号采集处理系统利用随机概率密度函数分布生成探测矩阵，并预加载到空间光调制器；
激光器发出连续的成像光源；
成像光源经第一立方体偏振分束器分束后，一部分成像光源输入第一光挡被阻挡，另一部分成像光源经空间光调制器的探测矩阵进行概率相位整形后输入散射介质；
空间光探测器捕捉经散射介质输出的成像光源，探测得到光强空间分布数组并转换为电信号输入至信号采集处理系统；
信号采集处理系统根据探测矩阵与光强空间分布数组构建非线性模型，随后构建关于非线性模型的损失函数模型，迭代逼近损失函数模型的全局最优解，得到待测传输矩阵。
本方案中通过探测矩阵经过相位的概率密度函数分布的整形后改变了统计特性，使得所构建的非线性模型趋向于光滑，以对抗非外部全息相干方法内部固有的非线性效应，从而大幅度减少测量次数，提升测量速度，缩短测量耗时。
优选地，上述的随机概率密度函数分布为窄带均匀随机分布函数或随机高斯分布函数。
优选地，上述的空间光调制器的调制策略为像素捆绑超像素。
优选地，上述的构建关于非线性模型的损失函数模型具体为基于振幅流的基础构建损失函数模型。
优选地，上述的迭代逼近损失函数模型的全局最优解具体为利用梯度下降法进行迭代更新，得到全局最优解。
还提供一种传输矩阵测量系统，包括顺次连接的激光器、第一立方体偏振分束器、空间光调制器、散射介质、空间光探测器，还包括第一光挡及与空间光调制器及空间光探测器均电连接的信号采集处理系统，第一光挡与第一立方体偏振分束器相连；
激光器用于发出连续的成像光源；
第一立方体偏振分束器用于对成像光源进行分束并滤除不需要的偏振光，以得到纯净偏振光，提高测量效果；
空间光调制器用于预加载探测矩阵并对成像光源进行随机概率相位整形；
散射介质用于对成像光源实现相干畸变散斑；
空间光探测器用于对成像光源进行探测获取光强空间分布数组；
信号采集处理系统用于生成探测矩阵并预加载到空间光调制器中，以及根据探测矩阵、光强空间分布数组构建非线性模型，随后构建关于非线性模型的损失函数模型，迭代逼近损失函数模型的全局最优解，得到待测传输矩阵。
本方案中不需要引入外部干涉臂，其适应场景更广，且由于可通过空间光调制器对探测矩阵进行概率整形，可大大减少测量次数，提高测量速度。
优选地，还包括高倍物镜以及光学透镜系统，高倍物镜设置于散射介质的输入端，光学透镜系统设置于分束器的输入端。
优选地，还包括半波片，半波片设置于激光器的输出端。
优选地，还包括起偏器和检偏器，起偏器设置于高倍物镜的输入端，检偏器设置于散射介质的输出端。
优选地，还包括光阑，光阑设置于检偏器的输入端。
与现有技术相比，有益效果是：
本发明不需要引入外部参考光，且不会因为输出端不同位置直流相干强度的不同导致信噪比差别，进而保证测量效果的稳定；
本发明直接从整个数学模型的非凸性构建过程下手，从源头上对输入的成像光源探测矩阵的相位分布进行概率整形处理，构建出更偏向于准凸优化性质的数学模型，以对抗非外部全息相干方法内部固有的非线性效应，从而大幅度减少测量次数，加快测量速度；
本发明利用简单的梯度下降法即可逼近全局最优解，得到传输矩阵，大大降低了迭代计算耗时。
附图说明
图1是本发明实施例1传输矩阵测量系统的光路连接示意图；
图2是本发明实施例1传输矩阵测量系统的电路连接示意框图；
图3是本发明实施例2传输矩阵测量系统的光路连接示意图；
图4是本发明实施例3传输矩阵测量方法的流程示意框图。
其中，箭头方向为光传播方向；1-激光器，2-第一立方体偏振分束器，3-第二立方体偏振分束器，4-空间光调制器，5-散射介质，6-空间光探测器，7-第一光挡，8-第二光挡，9-信号采集处理系统，10-高倍物镜，11-光学透镜系统，12-半波片，13-起偏器，14-检偏器，15-光阑。
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。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”“长”“短”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的具体描述：
实施例1：
如图1及图2所示为一种传输矩阵测量系统的第一实施例，包括激光器1、第一立方体偏振分束器3、空间光调制器4、散射介质5、空间光探测器6，还包括第一光挡8及与空间光调制器4及空间光探测器6均电连接的信号采集处理系统9；
本实施例中还包括用于改变光路方向的若干反射镜，以使得系统更为紧凑，此为本领域技术人员容易想到的内容，这里不再详述。
本实施例中的散射介质5为传输光纤；当然，本实施例同样适用于生物组织或氧化锌散射颗粒涂层或具有高阶目数的毛玻璃衍射片。
本实施例中的空间光调制器4为反射型的空间光调制器4。
另外，本实施例中还包括第二立方体偏振分束器2和第二光挡7，本实施例中还包括半波片12、高倍物镜10以及光学透镜系统11。半波片12设置于激光器1的输出端，第二立方体偏振分束器2设置于半波片12的输出端，光学透镜系统11设置于第二立方体偏振分束器2的第一输出端，第二光挡7设置于第二立方体偏振分束器2的第二输出端，第一立方体偏振分束器3设置于光学透镜系统11的输出端，空间光调制器4设置于第一立方体偏振分束器3的第一输出端，第一光挡8设置于第一立方体偏振分束器3的第二输出端，散射介质5设置于第一立方体偏振分束器3的第三输出端。
本实施例中高倍物镜10以及光学透镜系统11的设置，是为了应对散射介质5为传输光纤的情况，当散射介质5为生物组织或氧化锌散射颗粒涂层或具有高阶目数的毛玻璃衍射片等其他类型时，可省略高倍物镜10以及相应光学透镜系统11。
本实施例中的半波片12设置，是为了对成像光源进行能量强度以及线偏方向的调节，使得成像光源能量以及工作偏振达到最佳状态。
本实施例中还包括起偏器13和检偏器14，起偏器13设置于高倍物镜10的输入端，检偏器14设置于散射介质5的输出端。这样可以把工作偏振外的未经调制的闲散光或者未能成功顺利耦合进散射介质5的闲散光进行滤除，以避免影响求解的传输矩阵准确率。
激光器1发出成像光源经反射镜反射后进入半波片12进行能量调节，之后进入第二立方体偏振分束器2内进行分束以及滤偏，分束出来的部分成像光源经过光学透镜系统11准直后进入第一立方体偏振分束器3分束以及滤偏，分束后的部分成像光源进入空间光调制器4内调制后返回第一立方体偏振分束器3中进行分束，然后经过起偏器13以及高倍物镜10，输入散射介质5，成像光源在散射介质5内进行一系列的折射、散射以及吸收、模式串扰后以散斑分布情况输入空间光探测器6进行探测。
本实施例中的空间光调制器4用于预加载探测矩阵并对成像光源进行随机概率相位整形；
本实施例中的散射介质5用于对成像光源实现相干畸变散斑；
本实施例中的空间光探测器6用于对成像光源进行探测获取光强空间分布数组；
本实施例中的信号采集处理系统9用于生成探测矩阵并预加载到空间光调制器4中，以及根据探测矩阵、光强空间分布数组构建非线性模型，随后构建关于非线性模型的损失函数模型，迭代逼近损失函数模型的全局最优解，得到待测传输矩阵。
其中，本实施例中的空间光调制器4为数字微镜阵列设备，采用数字微镜阵列设备时可利用Lee hologram(李型全息图)方法或者Mosk superpixel(莫斯科超像素)方法进行空间编码实现相位调制，当然，这仅为参考的实施方式，不能理解为对本方案的限定，具体实施过程中采用基于电光晶体的相位空间光调制器4也能实现本方案的功能。
本实施例中的空间光探测器6为并行测量多像素的CCD相机，当然也可以采用CMOS相机或单像素光探测器，这里不作限定。
实施例2：
如图3所示为一种传输矩阵测量系统的第二实施例，本实施例与实施例2的区别仅在于，本实施例中还包括光阑15，光阑15设置于检偏器14的输入端。这样可以进行空间滤波与阻挡，确保空间光调制器4成功调制的输入光成分均成功参与散射介质5的光学传输中，而没有受到空间光调制器4调制的光信号没有参与散射系统5的光学传输中，避免影响构建出来的非线性模型而降低传输矩阵的求解准确率。其中，光阑15可根据空间光调制器4预加载的相位图案决定合适大小以及形状，此为本领域技术人员根据本实施例容易得到的内容，这里不再详述。
实施例3：
如图4所示为一种传输矩阵测量方法的第一实施例，其应用实施例1或实施例2中的传输矩阵测量系统，包括以下步骤：
S1：信号采集处理系统利用随机概率密度函数分布生成探测矩阵，并预加载到空间光调制器；
S2：激光器发出连续的成像光源，成像光源经第一立方体偏振分束器分束后，一部分成像光源输入第一光挡被阻挡，另一部分成像光源输入空间光调制器；以滤除不需要的偏振光，使得输出的成像光源为纯净的偏振光；
S3：成像光源经空间光调制器的探测矩阵进行随机概率相位整形后输入散射介质；
S4：空间光探测器捕捉经散射介质输出的成像光源，探测得到光强空间分布数组并转换为电信号输入至信号采集处理系统；
S5：信号采集处理系统根据探测矩阵与光强空间分布数组构建非线性模型；
S6：构建关于非线性模型的损失函数模型；
S7：迭代逼近损失函数模型的全局最优解，得到待测传输矩阵。
本实施例中通过探测矩阵经过相位的概率密度函数分布的整形后改变了统计特性，使得所构建的非线性模型趋向于光滑，以对抗非外部全息相干方法内部固有的非线性效应，从而大幅度减少测量次数，提升测量速度，缩短测量耗时。
本实施例步骤S1中的随机概率密度函数分布为窄带均匀随机分布或高斯随机分布。值得注意的是，本实施例中采用窄带均匀随机分布或高斯随机分布仅为参考的实施方式，具体实施过程中采用拉普拉斯随机分布或者玻尔兹曼随机分布等其他任意参数合适的相位随机分布也可以实现本方案的功能，这里不再详述。
本实施例中的空间光调制器的调制策略为像素捆绑超像素。具体地，本实施例中选择60*60个像素进行捆绑为超像素，挑选中间10*12个超像素总共120个独立输入通道作为调制结构光耦合，因此每个输出通道需要测量求解的准确传输矩阵规模为N＝120，未知信息数理论为2N＝240，这样在某些多模散射光纤测量系统下可以避免空间高频成分导致发散而使得耦合难度骤增。但实际若无系统限制，其像素捆绑超像素策略可以并不唯一，本实施过程的策略仅为参考的实施方式。
其中，本实施例中的过采样率为3.5，这样可以确保传输矩阵测量的正确率，因此本实施例中的测量速度可大大减少。当然，若仅需要成功克服散射介质实现结构端的图像传输或输出端的任意光场分布调控，可选择过采样率为2，依然可以在大量减少测量次数的情况下完成任意输出光场控制。
本实施例步骤S5中的信号采集处理系统根据探测矩阵与光强空间分布数组构建非线性模型，具体为：ψ＝|PTx|，其中ψ为非线性模型，PT为探测矩阵的转置矩阵，由步骤S1的相位概率分布整形所决定，x为造成成像光源散射的散射矩阵。
本实施例步骤S6中的构建关于非线性模型的损失函数模型具体为根据最小二乘法法则以及基于振幅流的基础构建损失函数模型。具体地，所构建的损失函数模型为：
Figure BDA0003602266190000081
其中，m为非线性模型的数量，ψi为第i个非线性模型，Pi为成像光源，Z为损失函数模型的因子。
本实施例步骤S7中的迭代逼近损失函数模型的全局最优解具体为利用梯度下降法进行迭代更新，得到全局最优解。具体地，包括以下步骤：
S71：使用正交性提升方法获取初始估算值z0；
S72：更新迭代
Figure BDA0003602266190000091
其中，μ为步长；zt为最小二乘法凸结构的第t次估算值，
Figure BDA0003602266190000092
为第t次迭代估算值对应的梯度方向导数以及大小；
S73：计算对应损失函数
Figure BDA0003602266190000093
并更新判定
Figure BDA0003602266190000094
S74：判断损失函数是否满足
Figure BDA0003602266190000095
若是，则输出zt+1作为测量得到的传输矩阵，结束迭代；若否则进入步骤S75；
S75：更新判定是否连续5次迭代满足crt＞0，若是，则使得zt+1＝-4；输出zt+1作为测量得到的传输矩阵，若否，则返回步骤S73。
本实施例步骤S72中，由于损失函数模型中的损失函数
Figure BDA0003602266190000096
不具有复数域的解析性，因此需假设一开区间集合S，使得其中的近似损失函数具有可导性且可收敛接近原式损失函数，对集合S进行求导，即第t次迭代估算的梯度方向导数定义为
Figure BDA0003602266190000097
即
Figure BDA0003602266190000098
可改写为：
Figure BDA0003602266190000099
其中，
Figure BDA00036022661900000910
为近似损失函数，
Figure BDA00036022661900000911
为近似损失函数的导数，zk为最小二乘法凸结构的k次估算值。
本实施例步骤S71中使用正交性提升方法获取初始估算值z0具体为构建最大正交似然矩阵
Figure BDA00036022661900000912
其中，
Figure BDA00036022661900000913
而
Figure BDA00036022661900000914
是
Figure BDA00036022661900000915
数组中最大的
Figure BDA00036022661900000916
个值的次序下标。而z0则为最大正交似然矩阵
Figure BDA00036022661900000917
的奇异值分解中的最大特征向量。
可以理解的是，若要对成像光源的整个输出面各个位置进行恢复，则可进行并行计算处理，以实现同时恢复。
本实施例中通过探测矩阵经过相位的概率密度函数分布的整形后改变了统计特性，使得所构建的非线性模型趋向于光滑，以对抗非外部全息相干方法内部固有的非线性效应，从而大幅度减少测量次数，提升测量速度，缩短测量耗时。
本发明是参照本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图或方框图来描述的，应理解可由计算机程序指令实现流程图或方框图中的每一流程或方框、以及流程图或方框图中的流程或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
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 (10)

1.一种传输矩阵测量系统，其特征在于，包括顺次连接的激光器、第一立方体偏振分束器、空间光调制器、散射介质、空间光探测器，还包括第一光挡及与空间光调制器及空间光探测器均电连接的信号采集处理系统，所述第一光挡与所述第一立方体偏振分束器的一个输出端相连。
2.根据权利要求1所述的一种传输矩阵测量系统，其特征在于，还包括高倍物镜以及光学透镜系统，所述高倍物镜设置于所述散射介质的输入端，所述光学透镜系统设置于所述第一立方体偏振分束器的输入端。
3.根据权利要求1所述的一种传输矩阵测量系统，其特征在于，还包括半波片，所述半波片设置于所述激光器的输出端。
4.根据权利要求2或3所述的一种传输矩阵测量系统，其特征在于，还包括起偏器和检偏器，所述起偏器设置于所述高倍物镜的输入端，所述检偏器设置于散射介质的输出端。
5.根据权利要求4所述的一种传输矩阵测量系统，其特征在于，还包括光阑，所述光阑设置于所述检偏器的输入端。
6.一种传输矩阵测量方法，包括以下步骤：
信号采集处理系统利用随机概率密度函数分布生成探测矩阵，并预加载到空间光调制器；
激光器发出连续的成像光源；
成像光源经第一立方体偏振分束器分束后，一部分成像光源输入第一光挡被阻挡，另一部分成像光源经空间光调制器的探测矩阵进行随机概率相位整形后输入散射介质；
空间光探测器捕捉经散射介质输出的成像光源，探测得到光强空间分布数组并转换为电信号输入至信号采集处理系统；
信号采集处理系统根据所述探测矩阵与光强空间分布数组构建非线性模型，随后构建关于非线性模型的损失函数模型，迭代逼近所述损失函数模型的全局最优解，得到待测传输矩阵。
7.根据权利要求6所述的一种传输矩阵测量方法，其特征在于，所述随机概率密度函数分布为窄带均匀随机分布、高斯随机分布、拉普拉斯随机分布、玻尔兹曼随机分布中的一种。
8.根据权利要求6所述的一种传输矩阵测量方法，其特征在于，所述空间光调制器的调制策略为像素捆绑超像素。
9.根据权利要求6所述的一种传输矩阵测量方法，其特征在于，所述构建关于非线性模型的损失函数模型具体为基于振幅流的基础构建损失函数模型。
10.根据权利要求6至9任一项所述的一种传输矩阵测量方法，其特征在于，所述迭代逼近所述损失函数模型的全局最优解具体为利用梯度下降法进行迭代更新，得到全局最优解。
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