CN117539068A - 透过散射介质调控三维空间光场多自由度信息的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种透过散射介质调控三维空间光场多自由度信息的装置及方法，是通过共轴干涉法准确测量三维偏振传输矩阵，通过调控单一线偏振入射场的复振幅信息透过散射介质同时调控三维空间光场振幅、相位和偏振信息，从而实现了透过散射介质光场信息由少到多自由度的调控。本发明解决了当前波前调控技术只能实现透过散射介质光聚焦、偏振光聚焦等单一自由度信息调控，以及需要同时调控入射场振幅、相位、偏振信息才能实现调控出射场多自由度信息的难题，从而在复杂散射环境中具有广泛的应用前景，可用于活体深度组织细胞光操控、散射光学成像、散射环境光通信等。
Description
技术领域
本发明属于散射环境新型光场调控技术领域，具体是一种透过散射介质调控三维空间光场多自由度信息的装置及方法，用于解决并克服复杂环境中的光学散射问题，可用于活体深度组织细胞光操控、散射光学成像、散射环境光通信等。
背景技术
新型结构光场是目前光学领域的研究前沿和热点，它是指具有特殊空间结构和偏振分布的一类光场。新型结构光场在光学微操控、光通信以及生物医学超分辨成像等领域具有重要的应用价值。然而，区别于透明均一的材料，当光在生物组织、扰动的大气、浑浊的液体等散射介质中传播时，会经过多次光散射。光的多重散射会扰乱光场的三维空间结构和偏振分布，导致透过散射介质后生成具有随机强度和偏振分布的三维散斑光场。因此，光的多重散射将会破坏结构光场的空间结构和偏振分布，这种光学散射现象使得光学微操控、光通信以及生物医学超分辨成像等技术受到很大的环境限制。特别是，极大地限制了光镊技术在活体内的细胞捕获深度，阻碍了生物医学科学家进一步深入研究生命体深度组织的细胞特性和生命学现象。因此，有效解决并克服散射介质中的光学散射问题，将极大地拓宽新型结构光场的应用前景。
散射介质波前调控技术提供了一个解决光学散射问题的有效途径，通过利用空间光调制器或者数字微透镜阵列对入射光波前进行调制，从而实现抵消散射介质本身导致的光的多重散射，达到透过散射介质调控生成目标光场的目的。目前，复杂介质波前调控技术主要包括迭代优化算法、光学相位共轭法和传输矩阵方法。迭代优化算法是根据相机或者其它探测器采集到的散斑强度信息作为反馈信号，利用迭代优化算法，例如遗传算法，逐步优化输入光场的波前分布，实现透过散射介质调控目标光场。然后，当改变目标输出光场时，以上迭代优化过程需要重新循环一次，此方法就会变得十分耗时且不便利。光学相位共轭法是通过把散射光场的振幅和相位信息记录下来，然后反向产生一个相位共轭的光场，调制后的光场沿原光路透过散射介质，从而实现调控生成目标光场。
然而，光学相位共轭法受环境噪声影响比较大，而且需要事先在目标位置生成目标光场作为导星，这在实际应用过程中是不切实际的。传输矩阵方法利用传输矩阵定量地描述出射光场和入射光场之间的的关系，在实际过程中只需要测量散射系统的传输矩阵，结合目标输出光场，通过矩阵运算得到入射光场的波前信息分布，进一步通过调控入射光场的波前信息实现透过散射介质调控目标光场。一旦测量散射系统的传输矩阵，可以实现动态调控任意的目标光场信息。
基于迭代优化算法大多只能透过散射介质实现三维空间光聚焦、三维偏振光聚焦的调控。基于传输矩阵方法通过对入射光场的振幅和相位信息调控可以实现透过散射介质同时调控输出光场的振幅和相位调控。此外，将传输矩阵方法拓展到矢量传输矩阵方法，通过搭建两套光学系统同时调控入射光场两个正交偏振方向上的振幅和相位分布，实现了透过散射介质同时调控输出光场的振幅、相位和偏振分布。该方法需要将入射光场两个正交偏振维度的信息进行严格对准，其系统装置比较复杂和造价昂贵，而且对系统的稳定性要求比较高。
目前，复杂介质波前调控技术还未能实现透过散射介质对三维空间多平面的多自由度信息进行同时调控。在实际的应用中，仅调控单一平面光场的多自由度信息或者多平面的单自由度信息并不能满足实际应用需求。因此，基于散射介质波前调控技术仅对单一平面的光场多自由度信息或者多平面的单自由度信息调控在一定程度上限制了新型结构光场在散射环境中的应用。
发明内容
本发明是为了解决上述现有技术及方法存在的不足之处，提出一种透过散射介质调控三维空间光场多自由度信息的装置及方法，以期能实现在散射环境中光场信息由少到多自由度的调控，从而能显著提升透过散射介质光场调控的可操控性，用于解决并克服复杂环境中的光学散射问题，并能进一步用于活体深度组织细胞光操控、散射光学成像、散射环境光通信等。
本发明为达到上述发明目的，采用如下技术方案：
本发明一种透过散射介质调控三维空间光场多自由度信息的装置的特点在于，包括：激光光源系统、准直扩束系统、激光功率和偏振方向调控系统、反射镜装置、输入光场复振幅调控装置、光散射系统、信号探测装置和主控计算机系统；
所述激光光源系统为He-Ne激光器，用于发出相干激光光源；
所述准直扩束系统由不同焦距的两个透镜组成，用于将所述激光光源进行准直扩束处理，得到扩束后的准直激光束，并输入到所述激光功率和偏振方向调控系统中；
所述激光功率和偏振方向调控系统由半波片、偏振分束镜、挡光板和半波片组成；
通过改变所述半波片的主轴方向，使得所述准直激光束经过所述偏振分束镜后，变为激光强度能连续调控的竖直线偏振光，由所述偏振分束器输出透射激光光束和反射激光光束，其中，反射激光光束被所述挡光板遮挡，通过改变所述半波片的主轴方向，使得透射激光光束经过所述半波片后，变为任意方向的线偏振光并照射所述反射镜装置上，用于改变入射的准直激光束的传输方向，使得反射的激光束能以24°入射角照射到所述输入光场复振幅调控装置中数字微透镜阵列的有效靶面上；
所述主控计算机系统是利用计算机将二值化的全息图加载到所述数字微透镜阵列上，并根据二值化的全息图控制所述数字微透镜阵列，使得经过所述数字微透镜阵列后的光场，依次经过所述光场复振幅调控装置中的第三透镜、小孔、第四透镜后，其中的+1级光束对应为目标调控线偏振光场的复振幅分布，从而利用小孔对第三透镜的焦平面上的+1级光束进行滤波后，从而得到调控后的激光束；
利用所述计算机控制所述数字微透镜阵列在所述第四透镜后，通过同时调制信号光和参考光用于测量光散射系统的三维偏振传输矩阵的任意一个子矩阵，并通过调控入射光场的复振幅分布实现透过散射介质同时调控出射光场的多自由度信息；
所述光散射系统利用散射介质模拟强散射环境，从而将所述调控后的激光束的振幅、相位和偏振信息进行扰乱和耦合，以形成三维空间振幅、相位、偏振随机分布的三维随机散斑场分布；
所述信号探测装置由线偏振片、相机和一维位移台组成，其中，相机被固定在一维位移台上；
所述三维随机散斑场分布经过所述线偏振片后，得到目标单一线偏振方向上的三维随机散斑场分布，并由所述相机采集相应平面的散斑强度信息；
通过调节所述一维位移台的前、后位置和线偏振片的主轴方向，使得所述相机能采集所述三维随机散斑场在不同平面、不同偏振方向上的强度信息并发送给所述计算机。
本发明一种透过散射介质调控三维空间光场多自由度信息的方法的特点在于，是应用于权利要求1所述的透过散射介质调控三维空间光场多自由度信息的装置中，并按如下步骤进行：
步骤1：打开所述激光光源系统发出相干激光光源；
步骤2：通过改变所述光功率和偏振方向调控系统中半波片的主轴方向，使得透射激光光束经过所述光功率和偏振方向调控系统后改变为X线偏振方向的激光光束；
步骤3：打开所述输入光场复振幅调控装置中的数字微透镜阵列；
步骤4：利用所述数字微透镜阵列同时对入射的第n个调制信号光和参考光Er进行调制，并将三步相移0、π/2、π分别叠加到第n个调制信号光/>后，再依次和参考光Er进行干涉后，从而得到透过散射介质输出的三个散斑场强度信息In1、In2和In3；
步骤5：利用式(1)测量所述三维偏振传输矩阵t3D中任意一个子矩阵元t的第n列元素tn：
式(1)中，*表示复共轭，I1、I2和I3分别表示在没有信号光的前提条件下，只对参考光Er进行三步相移0、π/2、π后，依次和所述偏振分束镜的反射激光束干涉后的透过散射介质输出的三个散斑场强度信息；
步骤6：保持经过所述光功率和偏振方向调控系统后的激光光束为X线偏振方向不变，利用所述计算机将测量所述三维偏振传输矩阵t3D中任意一个子矩阵元t的一系列二值化全息图加载并存储在所述数字微透镜阵列上，通过分别改变所述偏振片的主轴方向和所述一维位移台的位置，利用所述计算机控制所述数字微透镜阵列，动态切换事先加载的一系列二值化全息图，从而产生不同目标入射光场的振幅和相位分布，并控制所述相机对散斑强度信息进行同步采集，依次测量第k个平面zk上对应的和/>从而利用式(2)构建基于光散射的三维偏振传输矩阵t3D：
式(2)中，X表示入射光场的线偏振方向，H和V分别表示透过散射介质输出光场两个正交偏振方向；表示出射光为H线偏振方向、入射光为X线偏振方向的第k个平面zk的偏振传输矩阵，/>表示出射光为V线偏振方向、入射光为X线偏振方向的第k个平面zk的偏振传输矩阵；k∈[1,K]；K表示平面的总数量；T表示矩阵的转置运算；
步骤7：定义透过散射介质的三维空间光场在K个平面上的两个正交偏振方向H和V的目标复振幅分布其中，/>和分别表示第k个平面zk上两个正交偏振方向H和V的目标光场复振幅分布；
步骤8：利用式(3)计算需要调制的单一X线偏振入射光场的复振幅分布
式(3)中，T代表矩阵的转置共轭运算；
步骤9：利用超像素编码方法计算出目标入射光场对应的二值化全息图后，通过主控计算机(8)将相应的二值化全息图加载在所述输入光场复振幅调控装置中的数字微透镜阵列(9)上，从而得到透过散射介质调控生成的三维空间光场的振幅、相位和偏振分布即为透过散射介质调控的三维空间光场的多自由度信息，其中，/>和/>分别表示第k个平面zk上两个正交偏振方向H和V上生成的光场复振幅分布。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、现有的散射介质光场调控技术只能透过散射介质对二维平面光场的振幅、相位和偏振分布进行同时调控，本发明正是利用光的多重散射将光的多自由度信息完全扰乱并耦合在一起的特性，提出了三维偏振传输矩阵的方法，基于该方法可实现同时透过散射介质调控三维空间光场不同平面的振幅、相位和偏振分布，从而实现了在散射环境中光场信息由少到多自由度的调控，显著提升了透过散射介质光场调控的可操控性。
2、现有的散射介质光场调控技术依赖于同时调控入射光场振幅、相位和偏振分布才能透过散射介质同时调控出射光场的多自由度信息，本发明只需要对入射任意单一线偏振光场的振幅和相位分布进行调控，即可实现透过散射介质调控三维空间光场的多自由度信息，相比于传统的透过散射介质光场调控系统只需要一半的光学仪器设备，而且透过散射介质的光场调控能力更强；简化了透过散射介质调控光场多自由度信息的装置系统，并降低了系统的成本。
3、相较于传统的双光路干涉测量传输矩阵的方法，本发明使用的共轴干涉法测量三维偏振传输矩阵的方法更加简单，对环境的噪声容忍度更高、不需要依赖于复杂的光学系统，显著提高了光学系统的稳定性和鲁棒性。
4、本发明通过额外测量参考光透过散射系统的振幅和相位分布，提高了共轴干涉法测量三维偏振传输矩阵的准确性。
5、本发明充分利用了具有快速切换特性的数字微透镜阵列同时准确调控入射光场的振幅和相位分布，其最大切换速度为＞20kHz，显著提高了测量散射系统的三维偏振传输矩阵以及透过散射介质调控三维空间目标光场多自由度信息的速度。
6、基于具有快速切换特性的数字微透镜阵列，本发明透过散射介质调控三维空间光场具有很强的可重构性，从而保证了透过散射介质动态调控任意目标的三维空间光场不同平面的振幅、相位和偏振分布。
附图说明
图1为本发明通过调控单一线偏振入射光场的振幅和相位分布透过散射介质调控三维空间光场不同平面的振幅、相位和偏振分布方法的装置示意图；
图2为本发明通过调控单一线偏振入射光场的振幅和相位分布透过散射介质调控三维空间光场不同平面的振幅、相位和偏振分布方法的流程图；
图3为本发明使用的基于共轴干涉法测量三维偏振传输矩阵的流程图；
图4为本发明基于图2装置透过散射介质测量参考光场和目标光场在三维空间不同平面两个正交偏振方向上相位分布的装置示意图；
图中标号：1-激光光源、2-透镜、3-透镜、4-半波片、5-偏振分束镜、6-挡光板、7-半波片、8-反射镜、9-数字微透镜阵列、10-透镜、11-小孔、12-透镜、13-散射介质、14-偏振片、15-相机、16-一维位移台、17-计算机、18-反射镜、19-半波片、20-空间光调制器、21-分束镜、22-挡光板。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作详细说明：
本实施例中，本发明首次提出了一种通过调控单一线偏振入射光场的振幅和相位分布透过散射介质调控三维空间光场不同平面的振幅、相位和偏振分布的方法。相比于传统的传输矩阵方法，本发明首次提出的三维偏振传输矩阵定量地描述了透过散射介质不同平面两个正交偏振方向的复振幅分布与入射光场单一线偏振方向复振幅分布之间的关系。基于三维偏振传输矩阵方法，通过事先测量透过散射介质不同平面与入射偏振方向相关的传输矩阵，进一步结合透过散射介质不同平面光场两个正交偏振方向上的目标复振幅分布，根据复杂的矩阵运算，即可计算出需要调控的对应线偏振入射光场的复振幅分布，进一步通过对入射光场的复振幅分布进行调控，从而实现透过散射介质调控生成三维空间光场在不同平面的振幅、相位和偏振分布。因此，本发明实现了在散射环境中光场信息由少到多自由度的调控，显著提升了透过散射介质光场调控的可操控性。具体的说，如图1所示，一种透过散射介质调控三维空间光场多自由度信息的装置包括：激光光源-1、透镜-2、透镜-3、半波片-4、偏振分束镜-5、挡光板-6、半波片-7、反射镜-8、数字微透镜阵列-9、透镜-10、小孔-11、透镜-12、散射介质-13、偏振片-14、相机-15、一维位移台-16、计算机-17；
激光光源1为He-Ne激光器，用于发出波长为633nm的相干激光光源；
相干激光光源经过透镜焦距分别为25.4mm和300mm的透镜2和透镜3组成的准直扩束系统，准直扩束系统用于将激光光源的光斑直径进行准直扩束处理，使其扩束为光斑直径为20mm的准直激光光束；
准直激光光束经过半波片4和偏振分束镜5后，由偏振分束器5输出透射激光光束和反射激光光束，其中反射激光光束被挡光板6遮挡，通过改变半波片4的主轴方向，使得透射激光光束经过偏振分束镜5后，变为激光强度能连续调控的竖直V线偏振光束，经由偏振分束镜5反射的激光光束在后面的光场相位测量中会有应用；
竖直V线偏振光束经过半波片7后，半波片7在不损失激光光束功率的前提条件下，通过改变半波片7的主轴方向，用于连续改变偏振竖直V线偏振光束的线偏振方向，使得竖直V线偏振光束经过半波片7后，变为任意方向的X线偏振光束，旨在突出本发明无需限制入射光场的线偏振方向；
V线偏振光束照射到反射镜8上，反射镜8用于改变入射的X线偏振光束的传输方向，使得被反射镜8反射的激光光束能以24°入射角照射到输入光场复振幅调控装置中数字微透镜阵列9的有效靶面上；数字微透镜阵列9是一种二值化的光学元器件，利用计算机17结合超像素编码算法计算二值化的全息图，进一步利用计算机17将二值化的全息图加载到数字微透镜阵列9上，并根据二值化的全息图控制数字微透镜阵列9调制入射的X线偏振光束；数字微透镜阵列的像素数为1024×768，像素尺寸大小为5.86μm，经由数字微透镜阵列反射的光束面积大小为6.0mm×4.5mm；
经过数字微透镜阵列9调制后的X线偏振光束，依次经过透镜10、小孔11和透镜12后具有多衍射级次的光场，其中±1级光束对应的光束均为目标调制光场的复振幅分布，本实施例在实验过程中利用其中的+1级光束为目标调制光场的复振幅分布，利用小孔11对透镜10的焦平面上的+1级光束进行滤波后，从而得到目标调制光束的复振幅分布；
数字微透镜阵列9通过同时调制信号光和参考光用于测量散射系统的三维偏振传输矩阵的任意一个子矩阵，以及进一步通过同时调控目标入射光束的复振幅分布实现透过散射介质同时调控出射光场的多自由度信息；
透镜10和透镜12的透镜焦距分别为300mm和60mm，可以进一步将数字微透镜阵列9调控的光束做进一步的缩束处理，经缩束后的目标调制入射光束面积约为1.2mm×0.9mm；
目标调制入射光束经过散射介质13，散射介质13由一种静电纺丝膜组成，利用散射介质13模拟强散射环境，从而将调控后的激光光束的振幅、相位和偏振信息进行完全扰乱和耦合，以形成三维空间振幅、相位、偏振随机分布的三维随机散斑场分布；
三维随机散斑场分布经过线偏振片14后，得到目标单一线偏振方向上的三维随机散斑场分布，由固定在一维位移台16上的相机15采集三维随机散斑场相应平面的散斑强度信息；偏振片14用于选择三维随机散斑场分布在不同偏振方向上的三维散斑场信息，通过改变一维位移台16的前、后位置和线偏振片14的主轴方向，使得相机15能采集三维随机散斑场在不同平面、不同偏振方向上的强度信息；
三维随机散斑场在不同平面、不同偏振方向上的强度信息经由相机15发送到计算机17，计算机17用于记录相应散斑强度信息、动态控制数字微透镜阵列9产生不同目标入射光场的振幅和相位分布、以及触发相机15与数字微透镜阵列9进行信号同步采集。
本实施例中,使用的数字微透镜阵列9由1024×768个独立的像素数组成，但在实际应用过程中不可能用于波前调控的有效输入模式数量为1024×768，这将导致测量传输矩阵的时间非常长，而且计算传输矩阵的时间长、计算量大、占用的计算内存大以及成本高。本实施例只用数字微透镜阵列9中间部分的768×768个像素数调控信号光场，即调控目标光场的复振幅分布，剩余的256×768个像素数调控参考光用于共轴干涉法测量三维偏振传输矩阵。本实施例使用的有效入射模式数量为96×96，其中数字微透镜阵列的每8×8个像素数视为一个有效输入模式。数字微透镜阵列9是一种二值化光学元器件，原则上用来调控光场的振幅分布，结合超像素编码算法计算相应二值化的全息图，将二值化的全息图加载在数字微透镜阵列9上可用于实现同时调控光场的振幅和相位信息。
如图2所示，一种透过散射介质调控三维空间光场多自由度信息的方法是应用于的透过散射介质调控三维空间光场多自由度信息的装置中，并按如下步骤进行：
步骤1：打开激光光源系统发出相干激光光源1；
步骤2：相干激光光源1经过准直扩束系统，准直扩束系统用于将激光光源扩束为准直激光光束；
步骤3：准直激光光束经光功率和偏振方向调控系统，通过改变半波片7的主轴方向，使得透射激光光束经过光功率和偏振方向调控系统后得到激光功率可调和任意X线偏振方向的激光光束；
步骤4：打开输入光场复振幅调控装置，输入光场复振幅调控装置用于同时调控X线偏振激光光束的振幅和相位分布；
步骤5：调制的目标X线偏振入射激光光束经过光散射系统后，形成三维空间振幅、相位、偏振随机分布的三维随机散斑场分布，该三维随机散斑场信息被信号探测装置采集并发送到主控计算机系统；
步骤6：基于输入光场复振幅调控装置、共轴干涉测量传输矩阵方法、信号探测装置和主控计算机来测量散射系统的三维偏振传输矩阵t3D；如图3所示，本实施例中,使用共轴干涉测量传输矩阵的方法用于测量散射系统的三维偏振传输矩阵t3D，这是本发明基于调控单一线偏振入射光场的振幅和相位分布透过散射介质调控三维空间光场不同平面的振幅、相位和偏振分布的前提条件，并按如下步骤进行：
a：基于共轴干涉测量传输矩阵的方法，利用计算机17计算测量传输矩阵的一系列二值化全息图，在本实施例中，使用hadamard基矢作为正交基矢测量传输矩阵，调制的入射模式总数量为N＝96×96＝9216，需要首先生成一个矩阵维度大小为9216×9216的哈达玛矩阵Hadamard，其中矩阵Hadamard的第n列为第n个hadamard入射基矢；
b：利用数字微透镜阵列9同时对入射的第n个调制信号光和参考光Er进行调制，并将三步相移0、π/2、π分别叠加到第n个调制信号光/>后，再依次和参考光Er进行干涉后，从而得到透过散射介质输出的三个散斑场强度信息In1、In2和In3；
c：利用式(1)测量三维偏振传输矩阵t3D中任意一个子矩阵元t的第n列元素tn：
式(1)中，*表示复共轭，I1、I2和I3分别表示在没有信号光的前提条件下，只对参考光Er进行三步相移0、π/2、π后，如图4所示，参考光Er依次和偏振分束镜5的反射激光束干涉后的透过散射介质输出的三个散斑场强度信息；基于式(1)，本发明使用的共轴干涉法需要事先计算3×N+3＝27651张二值化全息图来测量传输矩阵。
d：利用计算机17控制数字微透镜阵列9，并利用计算机17将事先计算好的利用共轴干涉法测量传输矩阵的27651张二值化全息图加载并存储在数字微透镜阵列9上；
e：将半波片7的主轴方向旋转至任意方向，对应的入射光线偏振方向为X；
f：移动一维位移台16的位置至目标z1处，并将线偏振片14的主轴方向旋转至H方向；
g：利用计算机17控制数字微透镜阵列9，数字微透镜阵列9动态切换事先加载的一系列二值化全息图产生不同目标光场的振幅和相位分布，并触发相机15对相应z1平面位置H偏振方向的散斑强度信息进行同步采集；在实验过程中使用的数字微透镜阵列9的最大切换速度为22.27kHz，但是采集散斑强度信息的相机最大切换速度为180Hz，导致测量传输矩阵的时间主要受限于相机15的最大切换速度，实验测量一个传输矩阵大约需要花3min；基于采集到的z1平面位置H偏振方向的一系列散斑强度信息，结合式(1)计算出偏振传输矩阵
h：保持经过光功率和偏振方向调控系统后的激光光束为X线偏振方向不变，并保持一维位移台16在目标z1位置处不变，并将线偏振片14的主轴方向旋转至V方向；利用计算机17控制数字微透镜阵列9，动态切换事先加载的一系列二值化全息图产生不同目标光场的振幅和相位分布，并控制相机15对相应z1平面位置V偏振方向的散斑强度信息进行同步采集；基于采集到的z1平面位置V偏振方向的一系列散斑强度信息，结合式(1)计算出偏振传输矩阵
i：移动一维位移台16的位置至目标平面位置z2处，并将线偏振片14的主轴方向分别旋转至H和V方向，通过散斑测量并计算出目标z2位置的偏振传输矩阵和/>
j：移动一维位移台16的位置至第k个目标平面位置zk处，依次测量另外K-2个目标平面位置zk的偏振传输矩阵和/>测量透过散射介质三维空间多个不同目标平面的偏振传输矩阵共需花6Kmin。
k：利用式(2)构建基于光散射的三维偏振传输矩阵：
式(2)中，X表示入射光场的线偏振方向，H和V分别表示透过散射介质输出光场两个正交偏振方向；表示出射光为H线偏振方向、入射光为X线偏振方向的第k个平面zk的偏振传输矩阵，/>表示出射光为V线偏振方向、入射光为X线偏振方向的第k个平面zk的偏振传输矩阵；k∈[1,K]；K表示平面的总数量；T表示矩阵的转置运算。
步骤7：定义透过散射介质的三维空间光场在K个平面上的两个正交偏振方向H和V的目标复振幅分布其中，/>和分别表示第k个平面zk上两个正交偏振方向H和V的目标光场复振幅分布。
步骤8：基于实验测量得到的三维偏振传输矩阵t3D和目标三维空间不同平面两个正交偏振方向上的复振幅分布利用式(3)计算需要调制的单一X线偏振入射光场的复振幅分布/>
式(3)中，T代表矩阵的转置共轭运算。
步骤9：利用超像素编码方法计算出目标入射光场对应的二值化全息图后，通过主控计算机(8)将相应的二值化全息图加载在输入光场复振幅调控装置中的数字微透镜阵列(9)上，从而得到透过散射介质调控生成的三维空间光场的振幅、相位和偏振分布。
步骤10：实验测量透过散射介质调控生成的三维空间光场的振幅、相位和偏振分布，其中光场的偏振信息完全取决于其两个正交偏振方向的振幅和相位分布，为此实验上准确测量不同目标平面竖直和水平线偏振方向上的振幅和相位分布即可，其中振幅的测量非常简单，只需要测量其强度分布即可，但是相位的测量需要干涉装置才能进行测量，基于图4的装置测量光场的相位分布，这里需要注意的是在测量光场的相位分布过程中需要保证参考光和信号光的线偏振方向一致，通过改变图4装置的半波片19来改变参考光的线偏振方向与信号光的偏振方向保持一致，基于式(4)利用三步相移的方法实现光场振幅和相位分布的测量；
Eout＝(Iout1-Iout3)+i(Iout1+Iout3-2Iout2). (4)
式(4)中，Eout为相应测量目标光场的复振幅分布，I1、I2和I3分别表示对偏振分束镜5的反射激光束进行三步相移0、π/2、π后，如图4所示，与目标平面生成的光场依次干涉后的三个光场强度信息。
步骤11：实验上依次测量第k个平面zk上两个正交偏振方向H和V上生成的光场复振幅分布和/>实验生成的三维空间光场不同平面的复振幅信息为即为透过散射介质调控生成的三维空间光场的多自由度信息。
步骤12：将实验生成的三维空间光场与目标三维空间光场/>进行光场的相关性测量，其场的相关系数用于定量表征透过散射介质调控生成的三维空间光场多自由度信息的准确度。
Claims (2)
1.一种透过散射介质调控三维空间光场多自由度信息的装置，其特征在于，包括：激光光源系统、准直扩束系统、激光功率和偏振方向调控系统、反射镜装置、输入光场复振幅调控装置、光散射系统、信号探测装置和主控计算机系统；
所述激光光源系统为He-Ne激光器，用于发出相干激光光源(1)；
所述准直扩束系统由不同焦距的两个透镜组成，用于将所述激光光源(1)进行准直扩束处理，得到扩束后的准直激光束，并输入到所述激光功率和偏振方向调控系统中；
所述激光功率和偏振方向调控系统由半波片(4)、偏振分束镜(5)、挡光板(6)和半波片(7)组成；
通过改变所述半波片(4)的主轴方向，使得所述准直激光束经过所述偏振分束镜(5)后，变为激光强度能连续调控的竖直线偏振光，由所述偏振分束器(5)输出透射激光光束和反射激光光束，其中，反射激光光束被所述挡光板(6)遮挡，通过改变所述半波片(7)的主轴方向，使得透射激光光束经过所述半波片(7)后，变为任意方向的线偏振光并照射所述反射镜装置上，用于改变入射的准直激光束的传输方向，使得反射的激光束能以24°入射角照射到所述输入光场复振幅调控装置中数字微透镜阵列(9)的有效靶面上；
所述主控计算机系统是利用计算机(17)将二值化的全息图加载到所述数字微透镜阵列(9)上，并根据二值化的全息图控制所述数字微透镜阵列(9)，使得经过所述数字微透镜阵列(9)后的光场，依次经过所述光场复振幅调控装置中的第三透镜(10)、小孔(11)、第四透镜(12)后，其中的+1级光束对应为目标调控线偏振光场的复振幅分布，从而利用小孔(11)对第三透镜(10)的焦平面上的+1级光束进行滤波后，从而得到调控后的激光束；
利用所述计算机(17)控制所述数字微透镜阵列(9)在所述第四透镜(12)后，通过同时调制信号光和参考光用于测量光散射系统的三维偏振传输矩阵的任意一个子矩阵，并通过调控入射光场的复振幅分布实现透过散射介质同时调控出射光场的多自由度信息；
所述光散射系统利用散射介质(13)模拟强散射环境，从而将所述调控后的激光束的振幅、相位和偏振信息进行扰乱和耦合，以形成三维空间振幅、相位、偏振随机分布的三维随机散斑场分布；
所述信号探测装置由线偏振片(14)、相机(15)和一维位移台(16)组成，其中，相机(15)被固定在一维位移台(16)上；
所述三维随机散斑场分布经过所述线偏振片(14)后，得到目标单一线偏振方向上的三维随机散斑场分布，并由所述相机(15)采集相应平面的散斑强度信息；
通过调节所述一维位移台(16)的前、后位置和线偏振片(14)的主轴方向，使得所述相机(15)能采集所述三维随机散斑场在不同平面、不同偏振方向上的强度信息并发送给所述计算机(16)。
2.一种透过散射介质调控三维空间光场多自由度信息的方法，其特征在于，是应用于权利要求1所述的透过散射介质调控三维空间光场多自由度信息的装置中，并按如下步骤进行：
步骤1：打开所述激光光源系统发出相干激光光源(1)；
步骤2：通过改变所述光功率和偏振方向调控系统中半波片(7)的主轴方向，使得透射激光光束经过所述光功率和偏振方向调控系统后改变为X线偏振方向的激光光束；
步骤3：打开所述输入光场复振幅调控装置中的数字微透镜阵列(9)；
步骤4：利用所述数字微透镜阵列(9)同时对入射的第n个调制信号光和参考光Er进行调制，并将三步相移0、π/2、π分别叠加到第n个调制信号光/>后，再依次和参考光Er进行干涉后，从而得到透过散射介质输出的三个散斑场强度信息In1、In2和In3；
步骤5：利用式(1)测量所述三维偏振传输矩阵t3D中任意一个子矩阵元t的第n列元素tn：
式(1)中，*表示复共轭，I1、I2和I3分别表示在没有信号光的前提条件下，只对参考光Er进行三步相移0、π/2、π后，依次和所述偏振分束镜(5)的反射激光束干涉后的透过散射介质输出的三个散斑场强度信息；
步骤6：保持经过所述光功率和偏振方向调控系统后的激光光束为X线偏振方向不变，利用所述计算机(17)将测量所述三维偏振传输矩阵t3D中任意一个子矩阵元t的一系列二值化全息图加载并存储在所述数字微透镜阵列(9)上，通过分别改变所述偏振片(14)的主轴方向和所述一维位移台(16)的位置，利用所述计算机(17)控制所述数字微透镜阵列(9)，动态切换事先加载的一系列二值化全息图，从而产生不同目标入射光场的振幅和相位分布，并控制所述相机(15)对散斑强度信息进行同步采集，依次测量第k个平面zk上对应的和从而利用式(2)构建基于光散射的三维偏振传输矩阵t3D：
式(1)中，X表示入射光场的线偏振方向，H和V分别表示透过散射介质输出光场两个正交偏振方向；表示出射光为H线偏振方向、入射光为X线偏振方向的第k个平面zk的偏振传输矩阵，/>表示出射光为V线偏振方向、入射光为X线偏振方向的第k个平面zk的偏振传输矩阵；k∈[1,K]；K表示平面的总数量；T表示矩阵的转置运算；
步骤7：定义透过散射介质的三维空间光场在K个平面上的两个正交偏振方向H和V的目标复振幅分布其中，/>和/>分别表示第k个平面zk上两个正交偏振方向H和V的目标光场复振幅分布；
步骤8：利用式(3)计算需要调制的单一X线偏振入射光场的复振幅分布
式(3)中，T代表矩阵的转置共轭运算；
步骤9：利用超像素编码方法计算出目标入射光场对应的二值化全息图后，通过主控计算机(8)将相应的二值化全息图加载在所述输入光场复振幅调控装置中的数字微透镜阵列(9)上，从而得到透过散射介质调控生成的三维空间光场的振幅、相位和偏振分布即为透过散射介质调控的三维空间光场的多自由度信息，其中，/>和/>分别表示第k个平面zk上两个正交偏振方向H和V上生成的光场复振幅分布。
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|---|---|---|---|---|
| CN117969677A (zh) * | 2024-03-28 | 2024-05-03 | 之江实验室 | 基于编码相位成像的声场探测方法、系统、设备、介质 |
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2023
- 2023-11-20 CN CN202311545538.6A patent/CN117539068A/zh active Pending
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