一种透过散射介质的复杂光场的调控方法及装置

技术领域

本发明涉及光场调控领域，特别是指一种透过散射介质的复杂光场的调控方法及装置。

背景技术

当光的传播在经过如生物组织、多模光纤等散射介质时会发生散射，散射光之间的随机干涉使得入射光形成一种散斑，这种现象使得生物医学成像、光治疗以及光通信等技术领域受到了极大的限制。因此，若能够减弱光散射现象对入射光波的影响，将有效提升光学技术在强散射介质中的应用前景。

波前整形技术的出现为减弱光散射现象提供了有效的技术手段。这种技术可以将入射光场调制为一种特殊的波前，目前已经实现了在散射介质后重建出不同的幅值目标例如一个二维图像或聚焦光斑。波前整形技术主要包括传输矩阵法、相位共轭法、基于迭代优化的反馈法。其中传输矩阵法通过建立入射光场和出射光场之间的线性关系，测定出散射矩阵的传输矩阵，即可根据目标光场反推出入射光场的波前信息，从而实现波前整形。然而传输矩阵法只能局限于某种确定的散射介质，对于动态散射介质的传输矩阵的测量较为困难。相位共轭法是通过测量散射介质后的散射光场，将散射光场相位共轭后反向传输经过散射介质，在散射介质后还原为初始的入射光场，但实现相位共轭往往需要精密校准的光路，且容易受到环境噪声的影响。基于迭代优化的反馈式波前整形法是对经过散射介质的光场进行预先调制，将调制后的光强信号作为反馈信号，不断调控入射光场，实现在散射介质后光场呈目标光强图分布或聚焦，这种方法装置简单，易于控制，且表现出较强的抗干扰能力。

然而目前的波前整形技术大多数仅实现了对散射介质后的入射光场的仅振幅或仅相位的单一维度的聚焦光斑的调控。一方面这样的仅振幅或相位的单一维度的调控方式带来的光场调控维度受限将丢失所调控光场的重要的相位或振幅信息。另一方面单一模式的聚焦光斑的调控目标不足以应对光场调控技术在其他领域的应用，例如在光捕获领域中含有螺旋相位的涡旋光可以自动地旋转而捕获粒子。由此可见仅振幅或仅相位的单一维度的调控方式和单一模式的聚焦光斑的调控目标仍一定程度限制了光场调控用于任意复杂光场的生成技术。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出一种透过散射介质的复杂光场的调控方法及装置，能够在散射介质下实现同时独立调控入射光场的振幅信息和相位信息，凭借高分辨率的波前成像系统和智能元启发式优化算法，基于入射光场与任意设定的目标光场的复振幅相关度及包括振幅相关度和相位相关度来评估光场的调控质量，不断优化入射光场的复振幅分布，最终实现透过散射介质的复杂光场的调控。因此本发明能够有效弥补在经过散射介质后光场调控技术在调控维度和调控目标的局限性。

本发明采用如下技术方案：

一方面，一种透过散射介质的复杂光场的调控方法，包括：

打开激光光源；

对激光器发出的光束进行准直、偏振和扩束处理后入射到光场调控装置；

所述光场调控装置加载掩膜对入射光场进行调制；

调制后的入射光场透过散射介质形成未知的散斑光场并输入到波前成像系统作为输入信号；

所述波前成像系统计算输出透过散射介质的入射光场的复振幅信息，所述复振幅信息包括振幅信息和相位信息；

所述入射光场的复振幅信息与目标光场的复振幅信息的相关度作为元启发式优化算法评估光场调控质量的标准，所述元启发式优化算法按照特定的优化模式反馈输出优化信息，从而不断优化入射光场的复振幅分布，最终实现对透过散射介质的复杂光场的调控。

优选的，所述光场调控装置为液晶空间光调制器，选取液晶空间光调制器中心区域的H×W为有效调控区域，其中每h×w个相邻像素组成一个超像素，则有效调控区域等分为

优选的，所述波前成像系统计算输出透过散射介质的入射光场的复振幅信息的方法主要包括：

由多张不相关的相位图样调制未知散斑光场；

记录由多张相位图样所调制未知散斑光场对应的光强分布；

基于GS相位恢复算法从多组相位图样和与之对应的光强信息中计算出未知光场的复振幅信息。

优选的，所述元启发式优化算法包括基于种群策略的优化模式，将多个掩膜作为优化变量，在该策略下称为种群；掩膜可行域作为约束条件；入射光场的复振幅信息与目标光场的复振幅信息之间的相关度即分别包括振幅相关度和相位相关度作为目标函数；基于种群策略的优化模式的元启发式优化算法通过特定算子规则可实现在约束条件下使得目标函数达到最优值，具体步骤如下：

步骤a1、光场调控装置加载随机生成的N个掩膜，经散射介质后由波前成像系统计算输出由N个掩膜调制的入射光场的复振幅信息，将入射光场与目标光场的之间的振幅相关度和相位相关度作为K个目标函数，并计算所对应的目标函数值；

步骤a2、根据目标函数值，基于特定的排序方法对种群变量进行优劣排序，即对N个掩膜对入射光场的调控质量进行优劣排序，并从中选取Z个优胜个体；

步骤a3、种群中的个体按照一定产生规则读取优胜个体并更新自身状态，生成一个新的掩膜种群；

步骤a4、重复步骤a1-a3，直到满足预设优化目标或优化进程达到收敛，最终在光场调控装置加载优化后的掩膜将得到优化后的入射光场呈现出目标振幅和目标相位的分布。

优选的，所述元启发式优化算法包括基于单一解策略的优化模式，将单个掩膜作为优化变量；相位可行域作为约束条件，在约束条件内穷举或随机改变掩膜作为候选解；入射光场的复振幅信息与目标光场的复振幅信息之间的相关程度即分别包括振幅相关度和相位相关度作为目标函数，具体步骤如下：

步骤b1、光场调控装置加载随机生成的1个初始掩膜，经散射介质后由波前成像系统计算输出由该掩膜调制的入射光场的复振幅信息，将调制后的入射光场与目标光场的之间的振幅相关度和相位相关度作为K个目标函数，并计算所对应的目标函数值。

步骤b2、按照特定的生成规则产生M个候选解，即更新M个掩膜。

步骤b3、将更新的M个掩膜候选解加载到光场调控装置中对入射光场进行调制，在经过散射介质后由波前成像系统计算M个相应掩膜调制后的入射光场的复振幅信息，并计算出M个掩膜变量所对应的目标函数值。

步骤b4、比较M个掩膜候选解与本次迭代中的初始掩膜的目标函数值大小，判别接受候选解，将其中最优掩膜设定为本次迭代中的局部最优掩膜并设定为下一次迭代的初始掩膜。

步骤b5、重复步骤b1-b4，直到满足预设优化目标或优化进程达到收敛，最终在光场调控装置中加载优化后的掩膜将得到优化后的入射光场呈现出目标振幅和目标相位的分布。

另一方面，一种透过散射介质的复杂光场的调控装置，包括激光器、准直扩束系统、光场调控装置、散射介质、波前成像系统和元启发式优化模块；所述激光器发出的光源通过所述准直扩束系统后形成一定口径大小的准直光束入射到光场调控装置；所述光场调控装置加载掩膜对入射光场进行复振幅调控；所述散射介质对调制后的光场扰乱后形成未知的散斑光场；所述波前成像系统计算输出未知散斑光场的复振幅信息即包括振幅信息和相位信息；所述元启发式优化模块基于入射光场与目标光场的复振幅信息即包括振幅和相位之间的相关度来评估光场的调控质量，从而实现对透过散射介质的复杂光场的调控。

优选的，所述光场调控装置包括第一空间光调制器和透镜；通过第一空间光调制器的超像素调控法对入射光场进行复振幅调控后通过透镜输出到散射介质；第一空间光调制器分辨率为S×T，每一个像素大小为εμm可呈现256个灰度级，选择第一空间光调制器中心区域的S′×T′为有效调控区域，其中该区域的每s×t个相邻像素组成一个超像素，则有效调控区域等分为

优选的，所述波前成像系统包括分光镜、第二空间光调制器、相机和相位恢复模块；所述散斑光场作为波前成像系统的的输入信号，输入信号首先经过分光镜入射到第二空间光调制器平面；第二空间光调制器加载相位图样后，含调制信息的输入信号再经由分光镜折射到相机平面并由相机采集相对应的光场强度信息；相位恢复模块通过第二空间光调制器加载的相位图样信息和相机采集到的光强信息计算出未知散斑光场的复振幅信息即振幅信息和相位信息。

由上述对本发明的描述可知，发明与现有技术相比，具有如下有益效果：

(1)现有技术的光场调控技术未经过散射介质调控，本发明在经过散射介质后实现对复杂光场的调控，为光场调控技术克服强散射提供了有效技术手段；

(2)现有技术的经过散射介质的光场调控技术只针对仅振幅或仅相位来进行调控，本发明可同时独立实现对经过散射介质的入射光场的复振幅调控即振幅和相位的二维调控，增加了光场的调控维度；

(3)现有技术的经过散射介质的光场调控技术只关注于光束聚焦的单一调控目标，本发明可实现经过散射介质的任意复杂光场的调控，显著提升了光场调控技术的可拓展性；

(4)本发明通过波前成像系统，高速、高分辨率地实现了对未知光场的复振幅信息的恢复，可为光场调控技术提供一种精准重建透过散射介质的入射光场的复振幅信息的方法及装置，有效规避了在复杂光场调控中丢失光场的幅值或相位信息；

(5)本发明通过元启发式优化算法实现了同时对透过散射介质的复杂光场的幅值和相位的独立调控，大幅提升了复杂光场的调控质量。

附图说明

图1为本发明实施例的透过散射介质的复杂光场的调控方法的流程图；

图2为本发明实施例的透过散射介质的复杂光场的调控装置的结构图；

图3为本发明实施例的透过散射介质的复杂光场的调控装置的详细结构图；

图4为本发明实施例中波前成像系统的方法示意图；

图5为本发明实施例的基于种群策略的优化模式的元启发式优化算法流程图；

图6为基于本发明实施例实现透过散射介质的复杂光场的调控结果图，其中，图6(a)为在拓扑荷数3的涡旋光的目标光场设定下入射光场的振幅优化结果图；图6(b)为在拓扑荷数3的涡旋光的目标光场设定下入射光场的相位优化结果图；图6(c)为在振幅分布呈“伞状”及相位分布呈“云朵”状的目标光场设定下入射光场的振幅优化结果图；图6(d)为在振幅分布呈“伞状”及相位分布呈“云朵”状的目标光场设定下入射光场的相位优化结果图；

图7为本发明实施例中在拓扑荷数3的涡旋光的目标光场设定下透过散射介质的复杂光场的调控优化过程图；

图8为本发明基于单一解策略的优化模式的元启发式优化算法流程图；

其中，10、激光器；11、准直扩束系统；12、光场调控装置；13、第一空间光调制器；14、透镜；15、散射介质；16、波前成像系统；17、分光镜；18、第二空间光调制器；19、相机；20、第二空间光调制器加载的相位信息；21、相机采集的光强信息；22、相位恢复模块；23、波前成像系统恢复输出的入射光场的振幅信息；24、波前成像系统恢复输出的入射光场的相位信息；25、元启发式优化模块；26、元启发式优化算法输出的优化信息。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例1

参见图1所示，本发明一种透过散射介质的复杂光场的调控方法，包括：

打开激光光源；

对激光器发出的光束进行准直、偏振和扩束处理后入射到光场调控装置；

所述光场调控装置加载相位掩膜对入射光场进行调制；

调制后的入射光场透过散射介质形成未知的散斑光场并输入到波前成像系统作为输入信号；

所述波前成像系统计算输出透过散射介质的入射光场的复振幅信息，所述复振幅信息包括振幅信息和相位信息；

所述入射光场的复振幅信息与目标光场的复振幅信息的相关度作为元启发式优化算法评估光场调控质量的标准，所述元启发式优化算法按照特定的优化模式反馈输出优化信息，从而不断优化入射光场的复振幅分布，最终实现对透过散射介质的复杂光场的调控。

对应的，参见图2和图3所示，一种透过散射介质的复杂光场的调控装置，包括激光器10、准直扩束系统11、光场调控装置12、散射介质15、波前成像系统16和元启发式优化模块25。所述光场调控装置12包含第一空间光调制器13和透镜14；波前成像16系统包括分光镜17、第二空间光调制器18、相机19、相位恢复模块22；元启发式优化模块25中存储有元启发式优化算法并可运行，所述元启发式优化算法为多目标遗传算法。本实例中所用的透过散射介质的复杂光场的调控装置工作原理为：激光光源发出1064nm的激光经准直扩束系统后入射到光场调控装置；光场调控装置加载相位掩膜对入射光场进行调制；调制后的光场经过散射介质扰乱后形成未知的散斑光场；散斑光场作为波前成像系统中的输入信号，由波前成像系统中的相位恢复模块22(相位恢复模块22中存储有相位恢复算法并可运行)通过第二空间光调制器加载的相位图样信息20和相机采集到空域光强信息21计算出散斑光场的复振幅信息即振幅信息23和相位信息24；元启发式优化模块基于入射光场和目标光场之间的振幅和相位的相关度评估光场的调控质量，输出优化后的相位掩膜26，经过多次优化迭代，最终使得入射光场呈目标振幅和目标相位分布，实现对透过散射介质的复杂光场的调控。

本实施例中光场调控装置12通过第一空间光调制器的超像素调控法对入射光场进行复振幅调控。其具体方法为：第一空间光调制器分辨率为1920×1080，每一个像素大小为8μm可呈现256个灰度级,选择第一空间光调制器中心区域的210×210为有效调控区域，其中该区域的每6×6个相邻像素组成一个超像素，则有效调控区域等分为35×35个单元，其它区域始终设置为0。因此加载到该空间光调制器的相位掩膜大小为35×35，掩膜中像素值的可行域设定为{0,0.05π×1,0.10π,0.15π,......,1.95π}，并将其归一化到0-255加载到第一空间光调制器中对光场进行调制。

本实施例中波前成像系统16提供了一种高速、无参考光、高分辨率的相位恢复方法及装置，如图4所示，其具体方法及装置为：未知散斑光场u入射到波前成像系统后，第二空间光调制器加载随机相位图样Φ，具体地当加载第j张相位图样

其中，P

该算法基于Gerchberg-Saxton(GS)算法通过第二空间光调制器和相机平面的信息的交替映射来恢复出未知光场u。

本实施例中元启发式优化算法为基于种群策略的优化模式具体表现为多目标遗传算法，算法流程图如图5所示。将48个相位掩膜作为优化变量，在该策略下也可称之为种群；设定相位可行域{0,0.05π×1,0.10π,0.15π,......,1.95π}作为约束条件；入射光场的复振幅信息与目标光场的复振幅信息之间的相关程度即分别包括振幅相关度和相位相关度作为两个目标函数，其中目标函数值同时越接近1，则表示入射光场的复振幅分布与目标光场越相似。基于多目标遗传算法则可实现在约束条件下使得目标函数达到最优值。其具体步骤为：

步骤1：光场调控装置依次加载随机生成的48个35×35的相位掩膜，经散射介质后由波前成像系统计算输出由48个相位掩膜调制的入射光场的复振幅信息与所对应的目标函数值。

步骤2：根据目标函数值，基于Pareto排序方法对种群变量进行优劣排序，即对48个相位掩膜对入射光场的调控质量进行优劣排序。

步骤3：按照优劣排序从中选取2个优胜个体：ma与pa。

步骤4：设定交叉规则为：随机生成一个大小为35×35的二值化模板T，按照公式offspring＝T×ma+(1-T)×pa，生成1个新的相位掩膜offspring；设定突变规则：根据公式

步骤5：重复步骤1-3，直到满足预设优化目标或优化进程达到收敛，最终光场调控装置加载优化后的相位掩膜将得到优化后的入射光场呈现出目标振幅和目标相位的分布。

图6为本实施例中透过散射介质的复杂光场的调控结果。

图7为本实施例中透过散射介质的复杂光场的调控优化过程。

实施例2

与实施例1不同的是，本实施例中主元启发式优化模块包括的主元启发式优化算法为基于单一解策略的优化模式，如图8所示。将单个相位掩膜作为优化变量；设定相位可行域{0,0.05π×1,0.10π,0.15π,......,1.95π}作为约束条件，在约束条件内穷举或随机改变相位掩膜作为候选解；入射光场的复振幅信息与目标光场的复振幅信息之间的相关程度即分别包括振幅相关度和相位相关度作为目标函数，其具体步骤为：

步骤1：光场调控装置加载随机生成的1个35×35的初始相位掩膜，经散射介质后由波前成像系统输出由该相位掩膜调制的入射光场的复振幅信息，将入射光场与目标光场的之间的振幅相关度和相位相关度分别设定0.5的权重并线性加权后作为1个目标函数，最终得出该相位掩膜所对应的一个目标函数值。

步骤2：设定生成规则为:依次选取相位可行域中{0,0.05π×1,0.10π,0.15π,......,1.95π}的一个相位值替换坐标(1,1)处的像素值，由此可共生成39个候选解，即更新39个候选相位掩膜。

步骤3：将更新的39个候选相位掩膜依次加载到光场调控装置中对入射光场进行调制，在经过散射介质后由波前成像系统计算入射光场的复振幅信息，并计算出相应的目标函数值。

步骤4：依次比较39个候选相位掩膜变量与本次迭代中的初始相位掩膜的目标函数值大小，若前者大于后者，则将初始相位掩膜坐标(1,1)处的像素值替换为候选相位掩膜的像素值，反之则保留初始相位掩膜(1,1)坐标处的像素值，最终将得到(1,1)坐标处的局部最优相位掩膜，并将此局部最优相位掩膜设定为下一次循环的初始相位掩膜。

步骤5：重复步骤1-4，直至遍历完35×35个所有单元，在光场调控装置中加载最优相位掩膜将得到优化后的入射光场呈现出目标振幅和目标相位的分布。

上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。