CN117647507A - 实现散射介质深层成像的复合调节方法及成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种实现散射介质深层成像的复合调节方法及成像系统，属于散射介质光学成像领域。该方法通过计算无散射介质光路系统的传输矩阵可得到能形成弹道光局部聚焦的优化场空间分布，其作为引导星；在散射介质成像时，将优化场空间分布和随机场空间分布组成时间序列并入射散射介质；根据探测器接收场的光场分布获得散射介质的传输矩阵，共轭该传输矩阵得到再现光；再现光沿原光路入射散射介质即可补偿散射介质的散射畸变实现深层成像。本发明可在仅使用一个空间光调制器的情况下实现弹道光序列引导及再现光共轭序列入射，简化光路结构。同时本发明也可在无信标物质引入的情况下实现散射介质深层成像。

Description

实现散射介质深层成像的复合调节方法及成像系统

技术领域

本发明属于散射介质光学成像领域，涉及一种可实现散射介质深层成像的复合调节方法及成像系统。

背景技术

由于生物组织成像、透过浓雾、烟尘或水下环境成像等拥有巨大应用潜力，因此透过强散射介质的成像技术引起了人们的极大兴趣。目前所应用或提出的方法的基本策略是在待测散射介质(或生物组织)内部或后面引入引导星，通过检测引导星对入射信号的响应来获取散射介质的信息从而实现成像。例如，将探测器放置在散射介质后面，利用空间光调制器的不同输入变化对应的探测器的光响应，以计算入射相位或幅度分布，从而在散射介质后面形成散射焦点，同时利用扫描、记忆效应等方法进行成像。然而，探测器放置在散射介质内部/后面无法适应实际应用的需要。因此，必须使用引导星(有时称为信标)将通过散射介质的入射光的响应，发送到散射介质前面的探测器。例如，荧光标签或纳米非线性颗粒通常被放置在散射介质中/后作为引导星，来传递对入射光的响应，最后由散射介质前面的探测器接收信息。

但实际情况下，添加在散射介质中的信标物质不仅会改变散射介质的性质，导致评价信息(例如透射或反射矩阵)的衡量出现误差，还会将介质的评价区域限制在仅有信标物质存在的散射介质区域。同时，时间维度的检测手段(时间门控、OCT(光学相干层析)等)的应用也需要判定或获得信标的深度信息。因此，在不改变散射介质性质的基础下，同时获得散射介质的深度信息是目前研究的重点。

为了避免任何信标物质的引入，人们发明了超声辅助散射聚焦或传输矩阵评估，在其中引入超声波作为引导星。超声波辅助的配置之一是在组织内形成由超声波频率调制的超声波焦点，换句话说，组织内部的超声焦点随着超声波的频率而振动，而超声焦点之外的组织则不振动。当具有光频率的光线通过超声焦点时，其调制结构以光频率和超声频率相加的频率对入射光束进行衍射，而通过超声焦点外的光保持其光学频率。因此，调制光可以对入射光产生响应。超声波辅助的另一种配置是利用光对组织的热效应，组织发出超声波信号作为引导星来发送对入射光的响应。虽然超声辅助作为引导星来评估散射介质，但其应用仅限于组织类散射介质。另一方面，在第一种配置中，超声波焦点通常非常大(>100微米)，这取决于其波长，因此，超声聚焦辅助光学相位映射无法实现组织内部较小尺寸的光学聚焦，失去了光束成像的优势；而在第二种配置中，需要足够的功率来加热组织以产生敏感的超声波信号，但高温会使组织失去活性。

因此，人们致力于探索散射介质(生物组织)的无引导星纯光学成像技术，近年来收获颇丰。例如，利用光学相干层析方法，通过采集散射介质各层反射的弹道光来构建散射介质(生物组织)的反射矩阵，从而实现散射介质中的待测目标的重构。但是，这种重构成像仅仅能获得来自散射介质内部目标处反射的未被散射或平均散射的弹道光信息，重构像的探测深度有限，通过整体位相校正，探测的深度约为十几个散射平均自由程(几百微米)的生物组织成像深度。而在散射介质成像技术中，被散射介质散射的来自目标物体的散射光中，包含散射介质局域空间的大量信息未被利用。

发明内容

鉴于此，本发明的目的在于提供一种用于散射介质深层成像的复合调节方法及成像系统，通过控制及利用通过散射介质的散射光信息实现对散射介质的补偿，同时利用散射介质成像的散射光信息和弹道光信息，从而实现散射介质的高深度、高保真成像。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

方案一、一种实现散射介质深层成像的复合调节方法，其包括以下内容：

S1、在没有散射介质的情况下，测试光路系统的传输矩阵，将该传输矩阵的位相或复振幅共轭后得到能形成弹道光局部聚焦的优化场空间分布，该优化场空间分布即为引导星；

S2、存在散射介质的情况下，将能够实现局部聚焦的优化场空间分布和不能实现局部聚焦的随机场空间分布组成时间序列并入射散射介质，该时间序列经过散射介质并被散射介质后的目标反射后，被探测器接收；对探测信号进行时间解调以去除散射介质背向散射噪声对目标处反射信号的影响；

S3、对于去噪后的探测器接收场的光场分布，通过位相恢复获得散射介质的传输矩阵；共轭散射介质的传输矩阵后获得能够克服或补偿散射介质散射特性的光场空间分布；

S4、将步骤S3中获得的光场空间分布共轭后的光场分布与随机光场分布构成空间-时间序列加载到空间光调制器，得到再现光，再现光沿原光路再次通过散射介质，以补偿散射介质导致的散射畸变，能够加强原弹道光聚焦处的聚焦强度。重复步骤S4，修正位相，提升聚焦位置深度；

S5、探测器接收散射介质后的目标处反射的无散射影响的增强信息；通过聚焦扫描以形成散射介质内或散射介质后的目标的共焦图像或荧光图像。

进一步地，步骤S1中，测试光路系统的传输矩阵的方式为：激光束经准直扩束后入射空间光调制器，在空间光调制器中对不同的图案调制后出射至目标处，根据目标反射得到的强度信号计算得到无散射介质时光路系统的传输矩阵。

进一步地，步骤S2中，对探测信号去噪的方式为：时间序列经过散射介质后，探测器将接收到来自散射介质的未调制背向散射噪声，和散射介质后的目标反射的穿过散射介质的时间调制反射信号，其中时间调制反射信号形成周期响应，背向散射噪声无周期响应，通过对探测器的接收信号进行频谱分析并进行频率锁定检测，即可区分出目标信号和噪声信号，从而实现探测信号的去噪。

方案二、一种实现散射介质深层成像的系统，可基于方案一所述方法实现散射介质的深层成像，该系统包括：

光源；

准直透镜，配置为对光源的光束进行准直；

空间光调制器，配置为对入射光进行调制形成弹道光优化场/随机场时空序列和/或共轭再现光时空序列；

第一反射镜，配置为反射空间光调制器的输出光场；

第一棱镜，配置为透射所述反射镜的光场，并反射来自散射介质和目标的反射信息；

第二棱镜，配置为透射散射介质及目标的反射信息；在该系统实际应用时，第一棱镜可以去除，此时需移动散射介质使其散射光直接由第二棱镜透射，第一棱镜去除后，弹道光照明光路与探测光路分离；

第二反射镜，其配置在第一棱镜和第二棱镜的光路之间；

探测器，配置为接收所述第二棱镜透射的光场；

以及计算机，配置为计算无散射介质时该系统的传输矩阵以及有散射介质时散射介质的传输矩阵，并根据传输矩阵计算所述空间光调制器的调制信号。

可选地，光源、空间光调制器和探测器被配置在散射介质的同一侧，其中空间光调制器和探测器被配置为关于第一棱镜对称。

可选地，空间光调制器为振幅型或相位型调制器件。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明通过弹道光优化场/随机场空间-时间时序调制可在散射介质内目标位置处形成虚拟焦点，作为引导星，既避免了任何信标物质的引入，又解决了超声辅助散射聚焦存在的问题。

(2)本发明可同时利用弹道光和散射光实现散射介质内或散射介质后目标的高于衍射受限聚焦，并通过位相调制进行焦点纵向延伸提升成像深度。

(3)本发明可用于散射介质中荧光材料的多光子吸收激发，只需要在探测前滤去散射的再现光引起的噪声即可实现超分辨荧光成像；也可在实现高于衍射受限焦点反射后，通过空间-时间序列入射检测方法滤去噪声，实现散射介质中(或后)目标(或散射中材料结构)的超分辨反射像。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明实施例提出的实现散射介质深层成像的复合调节方法过程示意图；

图2为光学优化场图案，图2(a)为无散射介质情形系统传输矩阵的检测光场，图2(b)为光学理论优化场图案；

图3为空间-时间序列去背景噪声原理示意图，图3(a)为聚焦-离散照明空间-时间序列，图3(b)为探测器的背景噪声信号和散射介质后的目标信号，进行频谱分析后得到图3(c)；

图4为单空间光调制器实现弹道光序列入射与再现光共轭入射的光路示意图，图4(a)为光路图，图4(b)为实验所测得对称光路的光场分布，图4(c)为对称光路产生的聚焦照明；

图5为验证对称性及一个空间光调制器实现弹道光时空序列引导及共轭再现光时空序列入射的实际光路系统的示意图，也可用作弹道光引导散射介质特性评估；

图6为共轭再现光时空调制通过散射介质实现聚焦及成像检测的光路系统示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本发明主要以透过散射介质的光中的弹道光作为虚拟引导光(或称引导星)对散射介质进行引导，通过评估散射介质的散射特征(即透射及反射传输矩阵)，反向补偿后进行散射介质成像。如图1所示，本发明的一个实施例提出的方法包括：

S1、在没有散射介质的情况下通过计算探测器接收目标处的反射弹道光，从而可测得无散射介质时光路系统的传输矩阵，共轭该传输矩阵的位相或复振幅，即可得到能形成弹道光局部聚焦的优化场空间分布。在进行有散射介质的成像时，该局部聚焦可作为引导星。

针对现有技术中光学相干层析方法利用的是散射介质各层反射的弹道光，随着成像深度的提升，信息含量呈指数衰减，难以实现高深度成像的问题，本实施例通过调制无散射介质时的弹道光，存储能实现弹道光局部聚焦的光学优化场图案，如图2(a)所示，其中图2(b)为理论计算优化场空间分布。将能够实现局部聚焦照明的优化场空间分布和不能形成局部照明的随机场空间分布组成时间序列，使优化场与随机场入射功率保持一致，对于同一散射介质，该序列场入射功率相同，散射响应相同，散射介质的反向散射信号相同。而时间序列内的优化光场分布及随机光场分布可在散射介质后的虚拟目标处形成局部照明的“开”或“关”，即可从时间上实现对来自虚拟目标的反射光的调制。

S2、加入散射介质后，将能够实现局部聚焦照明的优化场空间分布和不能实现局部聚焦照明的随机场空间分布组成时间序列，并将该序列入射散射介质；光场序列经过散射介质被目标反射后，再经过散射介质被探测器接收；对探测信号进行时间解调以去除散射介质背向散射噪声对目标处反射的信号的影响。

散射介质的背向散射噪声会严重降低信号信噪比，现有技术中，可以通过通用的时间门控(Time of Flight，TOF)去除散射噪声，但多次散射噪声无法去除。因此，本实施例通过入射光时间-空间序列调制来解决，其可有效克服背向散射噪声(入射光进入散射介质的背向散射，例如车灯在浓雾中光晕现象等)。位于照明源同一侧的检测器将接收到来自散射介质的未时间调制的背向散射噪声，以及聚焦照明处反射的穿过散射介质的时间调制的反射信号。借助频率锁定检测，即可去除来自散射介质的强烈的背向散射噪声。通过干涉或拟合可获得探测器接收到的来自散射介质后目标处通过散射介质的光场的位相(复振幅)。如图3所示，图3(a)表示的是由优化场空间分布和随机场空间分布组成的时间序列，在这样的时间序列下，探测器接收到的信号如图3(b)所示，来自散射介质后(此处所述的方向应理解为，光源所在的方位为散射介质的前方，目标所在的方位为散射介质的后方)目标处的强度信号将形成周期响应，而得到的背向散射噪声信号无周期响应。对图3(b)的信号进行频谱分析得到图3(c)所示的结果，从图3(c)可明显的区别出目标信号和背向散射噪声。

S3、对于去噪后的探测器接收场的光场分布(实际为由引导星处发出的近似点源(球面波)在通过散射介质后的光场波面变化)，通过位相恢复(与参考光进行干涉通过分部位相法或离轴全息图傅里叶分析或直接位相迭代估算)获得散射介质的散射特性，即传输矩阵；共轭该传输矩阵后获得能够克服或补偿散射介质散射特性的光场空间分布。

S4、若仅使用弹道光信息，随穿透深度的增加，弹道光迅速损耗，阻碍了其成像深度的提升，故本实施例通过计算探测器接收场光场分布的共轭相位，并将其以时空序列方式(即将接收场光场分布的共轭相位和随机光场分布构成空间-时间序列)加载到空间光调制器上得到再现光，再次通过散射介质，即可补偿散射介质带来的散射畸变，即同时利用散射光信息和弹道光信息，将入射光聚焦在原始弹道光微弱的位置形成具有更高强度的焦点，实现超衍射受限聚焦，提升成像质量及效率。可以通过位相调制进行焦点纵向延伸，延伸聚焦位置深度；重复S4形成波通聚焦的扫描，从而形成散射介质后方或散射介质内的目标物体的共焦图像；

S5、收集散射介质后的目标的反射信号并扫描成像，或通过激发散射介质中的荧光体进行多光子荧光成像。也可在实现超衍射聚焦反射后，通过空间-时间序列入射检测方法滤去散射背景噪声，实现散射介质中(或后)目标(或散射中材料结构)的超分辨反射像。

理论上而言，通过弹道光作为引导星进行散射介质散射特性评估，将所得的位相共轭后加载在再现光后进行高效、超衍射受限聚焦，这种补偿散射介质散射特性的聚焦的关键是再现光严格沿原路以时空序列入射散射介质。因此，空间光调制器必须与探测器处于对称位置，以确保探测器上感知的位相共轭后加载到空间光调制器上时能够原路返回，该要求可以通过实测计算进行严格对准、对称。由于存在弹道光序列入射及再现序列入射，一般而言需要两个空间光调制器，一个进行弹道光时空调制入射形成引导星，一个进行再现共轭光时空序列入射进行高效、超衍射受限聚焦。

对此，本发明的一个实施例提出振幅型空间光调制器对称光路，通过使用一个空间光调制器，实现弹道光序列引导及再现光共轭时空调制入射，如图4(a)所示。图4(a)中，M1、M2、M3、M4、M5为反射镜，PBS为偏振敏感棱镜，L1为透镜，λ/2为半波片，其中透镜L1的焦距为200mm。根据数字微镜器件DMD的特性，即其三个稳态+12°(开)、0(不工作)和-12°(关)，DMD接收到触发命令后，可将光源光束(激光二极管LD)发出的光通过微镜阵列的反射分为两束，一束光在信号1激励下由12度角度出射，一束在信号1激励时由-12度角度出射。两束光对应的传输矩阵刚好互补，对应的测得的振幅分布成像如图4(b)所示，左、右光场分布(振幅)分别为12度及-12度出射光束的光场，图4(c)所示为12度及-12度出射光束各自产生的聚焦(聚焦照明)。可见，一个DMD就可以实现两个空间光调制器的效果，共轭输出可产生同样的聚焦效应。

在本发明的一个实施例中，根据图4所示的验证光路，提出了使用一个空间光调制器实现弹道光序列引导及再现光共轭序列入射的实际光路系统，如图5所示，具体地，设置空间光调制器与探测器相对于第一棱镜处于对称位置，于是，探测器检测所得到的位相或振幅共轭后加载在空间光调制器上能够反向准确沿原路通过散射介质实现高效、超衍射受限聚焦。同时，这种装置并不会对弹道光时空序列引导产生影响。

图5所示光路系统中，光源的激光束经准直扩束后入射到空间光调制器(振幅型或相位型)，对不同的图案调制后依次经过反射镜M1、M2、准直透镜和棱镜后透射至目标处，通过目标反射回来得到的强度信号可计算出无散射介质时系统的传输矩阵，将其位相或复振幅共轭后加载到空间光调制器中，即可在目标处获得局部照明(或称局部聚焦)，即图2所示的光场图案。加入散射介质后，将能形成弹道光聚焦的光场作为优化场空间分布，与随机场空间分布(与优化场能量相同)组成一定周期重复的时间序列，通过散射介质后，可在散射介质后方的目标处形成局部照明的“开”或“关”效应，从而实现在时间上调制来自虚拟焦点的反射光。从时间域(频率域)检测而言，位于照明源同侧的检测器将接收到来自散射介质的未调制背向散射噪声以及聚焦照明位置处反射的穿过散射介质的时间调制反射强度信号。借助频率锁定检测，可以准确捕获来自散射介质后的局部照明处光场(相位和幅度)分布。由探测器接收到的光场分布，通过位相恢复(与参考光进行干涉通过分部位相法或离轴全息图傅里叶分析或直接位相迭代估算)获得散射介质的散射特性(传输矩阵)。将其共轭后即可获得能够克服或补偿散射介质散射特性的光场空间分布(即再现光)。将可克服散射介质散射特性的光场的共轭光按照时空序列加载到空间光调制器上，经过如图6所示的光路后通过散射介质形成高效、超衍射受限聚焦。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种实现散射介质深层成像的复合调节方法，其特征在于：该方法包括：

S1、在没有散射介质的情况下，测试光路系统的传输矩阵，将该传输矩阵的位相或复振幅共轭后得到能形成弹道光局部聚焦的优化场空间分布，该优化场空间分布即为引导星；

S2、存在散射介质的情况下，将能够实现局部聚焦的优化场空间分布和不能实现局部聚焦的随机场空间分布组成时间序列并入射散射介质，该时间序列经过散射介质并被散射介质后的目标反射后，被探测器接收；对探测到的信号进行时间解调以去除散射介质背向散射噪声对目标处反射的信号的影响；

S3、对于去噪后的探测器接收场的光场分布，通过位相恢复获得散射介质的传输矩阵；共轭散射介质的传输矩阵后获得能够克服或补偿散射介质散射特性的光场空间分布；

S4、将步骤S3中获得的光场空间分布共轭后的光场分布与随机光场分布构成空间-时间序列加载到空间光调制器，构成再现光，空间-时间序列调制沿原光路再次通过散射介质，以补偿散射介质导致的散射畸变，能够加强原弹道光聚焦处的聚焦强度；通过位相调制进行焦点纵向延伸，提升聚焦位置深度；

S5、探测器接收散射介质后的目标处反射的无散射影响的增强信息；通过聚焦扫描以形成散射介质内或散射介质后的目标的共焦图像或荧光图像。

2.根据权利要求1所述的复合调节方法，其特征在于：步骤S1中，测试光路系统的传输矩阵的方式为：激光束经准直扩束后入射空间光调制器，在空间光调制器中对不同的图案调制后出射至目标处，根据目标反射得到的强度信号计算得到无散射介质时光路系统的传输矩阵。

3.根据权利要求1所述的复合调节方法，其特征在于：步骤S2中，对探测信号去噪的方式为：所述时间序列经过散射介质后，探测器将接收到来自散射介质的未调制散射噪声，和散射介质后的目标反射的穿过散射介质的时间调制反射信号，其中时间调制反射信号形成周期响应，散射噪声无周期响应，通过对探测器的接收信号进行频谱分析并进行频率锁定检测，即区分出目标信号和噪声信号，实现去噪。

4.根据权利要求1所述的复合调节方法，其特征在于：在光路系统中，光源、探测器与空间光调制器设置于所述散射介质的同一侧。

5.根据权利要求1或4所述的复合调节方法，其特征在于：探测器与空间光调制器在光路系统中处于对称位置。

6.一种实现散射介质深层成像的系统，其特征在于：该系统包括：

光源；

准直透镜，配置为对光源的光束进行准直；

空间光调制器，配置为对入射光进行调制形成弹道光优化场/随机场时空序列和/或共轭再现光时序序列；

第一反射镜，配置为反射空间光调制器的输出光场；

第一棱镜，配置为透射所述反射镜的光场，并反射来自散射介质和目标的反射信息；

第二棱镜，配置为透射散射介质及目标的反射信息；

第二反射镜，配置在第一棱镜和第二棱镜的光路之间；

探测器，配置为接收所述第二棱镜透射的光场；以及

计算机，配置为计算无散射介质时该系统的传输矩阵以及有散射介质时散射介质的传输矩阵，并根据传输矩阵计算所述空间光调制器的调制信号。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于：所述光源、空间光调制器和探测器被配置在散射介质的同一侧。

8.根据权利要求6或7所述的系统，其特征在于：空间光调制器和探测器被配置为关于第一棱镜对称。

9.根据权利要求6所述的系统，其特征在于：所述空间光调制器为位相或振幅调制器件。