本發(fā)明涉及一種強(qiáng)散射介質(zhì)傳輸矩陣測量方法及求取強(qiáng)散射介質(zhì)傳輸矩陣所搭建的光路裝置。

背景技術(shù)：

目前，人們對波的傳播的研究基本都是基于均勻介質(zhì)或者弱散射介質(zhì)，然而，自然生活中有許多介質(zhì)都是強(qiáng)散射介質(zhì)，例如渾濁液體，云，人的皮膚等。當(dāng)光進(jìn)入強(qiáng)散射介質(zhì)時(shí)，光束就被散射到各個(gè)方向，導(dǎo)致透過光束變得雜亂無章，無法辨別。

然而，通過測量強(qiáng)散射介質(zhì)的傳輸矩陣，建立散射介質(zhì)的輸入和輸出關(guān)系，則通過對入射到強(qiáng)散射介質(zhì)的光波的波前進(jìn)行調(diào)整，削弱或抵消強(qiáng)散射介質(zhì)對光束的散射，實(shí)現(xiàn)透過強(qiáng)散射介質(zhì)的聚焦和透過強(qiáng)散射介質(zhì)的圖像反演。

當(dāng)光束入射到介質(zhì)時(shí)，它的出射光和入射光之間滿足如下關(guān)系：

其中，為在第n個(gè)方向上入射到散射介質(zhì)的輸入復(fù)振幅，為光束穿過介質(zhì)的輸出平面上第m個(gè)位置上的復(fù)振幅，E_in為入射的復(fù)振幅向量，K為散射介質(zhì)的復(fù)數(shù)傳輸矩陣。

傳輸矩陣K是描述散射介質(zhì)輸入輸出特性的矩陣。散射介質(zhì)傳輸矩陣的測量難點(diǎn)在于：

1)散射介質(zhì)傳輸矩陣為復(fù)數(shù)矩陣，而探測器僅能接收光強(qiáng)信號(hào)，而不包含其中的相位信息，采用現(xiàn)有的方法無法恢復(fù)其相位信息，所以也就無法求得介質(zhì)的復(fù)數(shù)傳輸矩陣。

2)散射介質(zhì)傳輸矩陣是一個(gè)多輸入多輸出系統(tǒng)，改變?nèi)我廨斎氩ㄊ笗?huì)影響多個(gè)出射波矢，同樣每個(gè)出射波矢由多個(gè)輸入波矢所決定，所以這就需要測量每一個(gè)入射波矢對每一個(gè)出射波矢的影響，這樣的工作量是很龐大的，并且需要一種儀器能實(shí)現(xiàn)對每個(gè)入射波矢的單獨(dú)控制。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

根據(jù)上述提出的技術(shù)問題，而提供一種強(qiáng)散射介質(zhì)傳輸矩陣測量方法及光路裝置，用于解決現(xiàn)有的傳輸矩陣測量方法，無法恢復(fù)其相位信息，無法求得介質(zhì)的復(fù)數(shù)傳輸矩陣，工作量龐大的缺點(diǎn)。本發(fā)明采用的技術(shù)手段如下：

一種強(qiáng)散射介質(zhì)傳輸矩陣測量方法，包括以下步驟：

S1、搭建具有空間光調(diào)制器的光路裝置。

S2、在空間光調(diào)制器中加載不同的相位圖能夠?qū)崿F(xiàn)對不同角度入射的輸入光波復(fù)振幅的調(diào)整。

設(shè)定在第n個(gè)入射波矢中改變相位，通過在空間光調(diào)制器的相應(yīng)位置上加載相位數(shù)據(jù)。

在每個(gè)入射波矢方向，分別加載相位角α為0，π/2，π和3π/2，同時(shí)同步采集對應(yīng)的所有出射波輸出光強(qiáng)和

S3、將和數(shù)值代入公式(8)：

公式中和E隨入射激光振幅E呈正比例變化，為了消除入射激光振幅的變化，利用光電探測器同步采集每次輸入的激光光強(qiáng)I＝|E|²，其中和E通過歸一化消除。

利用公式(8)求解出對應(yīng)于入射波為n方向的傳輸矩陣k_mn。

S4、重復(fù)上述步驟，依次改變每一個(gè)入射波矢的相位，采集對應(yīng)的所有出射波的輸出光強(qiáng)，得到樣品的整個(gè)復(fù)數(shù)傳輸矩陣K。

作為優(yōu)選步驟S2中所述的光路裝置中光強(qiáng)信息的采集具有以下步驟：

S11、搭建光路，保證所有光學(xué)元件處于相同高度，接通激光器電源，調(diào)整擴(kuò)束鏡，使得激光輸出為平面波；調(diào)節(jié)偏振片Ⅰ同時(shí)觀察透過的光束光強(qiáng)，找到使透過光強(qiáng)最大的位置固定偏振片Ⅰ。

S12、打開空間光調(diào)制器并使其正常工作，轉(zhuǎn)動(dòng)半波片，觀察空間光調(diào)制器(7)反射光束，找到使反射圖像最清晰的位置固定半波片。

S13、調(diào)節(jié)物鏡Ⅰ，使光束聚焦在所測試的散射樣品上。

S14、調(diào)節(jié)物鏡Ⅱ，使透過測試樣品的光束成像在相機(jī)上。

S15、打開相機(jī)的驅(qū)動(dòng)程序，調(diào)節(jié)相機(jī)曝光時(shí)間使成像清晰，轉(zhuǎn)動(dòng)偏振片Ⅱ，同時(shí)觀察相機(jī)采集圖像的光強(qiáng)，找到光強(qiáng)最大的位置固定偏振片Ⅱ。

S16、打開電腦中相機(jī)和空間光調(diào)制器同步控制采集程序，空間光調(diào)制器分別加載預(yù)設(shè)調(diào)整相位，相機(jī)同步采集調(diào)整后相位的輸出光強(qiáng)，同時(shí)光電探測器采集激光器輸入的平均光強(qiáng)。

作為優(yōu)選所述的空間光調(diào)制器為反射式的純相位型空間光調(diào)制器，分辨率為512×512，在工作中進(jìn)行像素合并處理，實(shí)現(xiàn)對N＝16×16的輸入光波進(jìn)行相位調(diào)整。

作為優(yōu)選所述的的激光器為高相干性的單縱模激光器。

作為優(yōu)選所述的物鏡Ⅰ和物鏡Ⅱ?yàn)楦弑讹@微物鏡，數(shù)值孔徑NA為0.65，物鏡Ⅰ和物鏡Ⅱ放置于六維調(diào)節(jié)臺(tái)上。

作為優(yōu)選所述的光電探測器是可變增益放大光電探測器。

作為優(yōu)選所述的相機(jī)為高量化位數(shù)相機(jī)，相機(jī)采集光斑范圍設(shè)定為50像元×50像元，此時(shí)所求解的傳輸矩陣維度為2500×256。

作為優(yōu)選測量的散射介質(zhì)樣品為納米氧化鋅粉末，將其均勻涂抹在薄玻璃片上。

一種光路裝置，包括：用于發(fā)射光束的激光器、偏振片Ⅰ、偏振片Ⅱ、用于調(diào)整光束方向的半波片、用于將光束擴(kuò)束的擴(kuò)束鏡、用于偏振作用的分束晶體、用于采集并消除光強(qiáng)起伏的光電探測器、用于純相位調(diào)制的空間光調(diào)制器、用于控制鏡頭透光量的光圈、放置于六維調(diào)節(jié)位移臺(tái)上的物鏡Ⅰ、放置于六維調(diào)節(jié)位移臺(tái)上的物鏡Ⅱ、鏡筒以及用于采集圖像的相機(jī)；所述激光器發(fā)射的光束依次經(jīng)過偏振片Ⅰ、半波片、擴(kuò)束鏡和分束晶體。

經(jīng)過分束晶體的光束分別射向光電探測器和空間光調(diào)制器；射向空間光調(diào)制器的光束依次經(jīng)過空間光調(diào)制器和分束晶體反射，通過光圈射入至物鏡Ⅰ；經(jīng)過物鏡Ⅰ的光束聚焦至測試樣品，然后經(jīng)過物鏡Ⅱ的出射光束，最后經(jīng)過一個(gè)偏振片Ⅱ，射向相機(jī)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明所述的強(qiáng)散射介質(zhì)傳輸矩陣測量方法及光路裝置，利用純相位型空間光調(diào)制器對輸入光進(jìn)行精密相位調(diào)整，實(shí)現(xiàn)對每一束入射波矢進(jìn)行四種特定相位的調(diào)整，同時(shí)用相機(jī)采集對應(yīng)的光強(qiáng)信息，并通過光強(qiáng)信息求解復(fù)數(shù)的傳輸矩陣。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。

圖1是本發(fā)明光路裝置示意圖。

圖2是本發(fā)明入射光波(n＝1)位相角改變時(shí)相機(jī)采集光強(qiáng)視圖。

圖3是本發(fā)明樣品散射傳輸矩陣視圖。

圖中：1、激光器，2、偏振片Ⅰ，3、半波片，4、擴(kuò)束鏡，5、分束晶體，6、光電探測器，7、空間光調(diào)制器，8、光圈，9、物鏡Ⅰ，10、測試樣品，11、物鏡Ⅱ，12、偏振片Ⅱ，13、鏡筒，14、相機(jī)。

具體實(shí)施方式

如圖1到圖3所示，一種強(qiáng)散射介質(zhì)傳輸矩陣測量方法，包括以下步驟：

S1、搭建具有空間光調(diào)制器7的光路裝置；所述的空間光調(diào)制器7為反射式的純相位型空間光調(diào)制器，分辨率為512×512，在工作中進(jìn)行像素合并處理，實(shí)現(xiàn)對N＝16×16的輸入光波進(jìn)行相位調(diào)整。

S2、在空間光調(diào)制器7中加載不同的相位圖能夠?qū)崿F(xiàn)對不同角度入射的輸入光波復(fù)振幅的調(diào)整。

設(shè)定在第n個(gè)入射波矢中改變相位，通過在空間光調(diào)制器7的相應(yīng)位置上加載相位數(shù)據(jù)。

在每個(gè)入射波矢方向，分別加載相位角α為0，π/2，π和3π/2，同時(shí)同步采集對應(yīng)的所有出射波輸出光強(qiáng)和

步驟S2中所述的光路裝置中光強(qiáng)信息的采集具有以下步驟：

S11、搭建光路，保證所有光學(xué)元件處于相同高度，接通激光器1電源，調(diào)整擴(kuò)束鏡，使得激光輸出為平面波；調(diào)節(jié)偏振片Ⅰ2同時(shí)觀察透過的光束光強(qiáng)，找到使透過光強(qiáng)最大的位置固定偏振片Ⅰ2；所述的的激光器1為高相干性的單縱模激光器。

S12、打開空間光調(diào)制器7并使其正常工作，轉(zhuǎn)動(dòng)半波片3，觀察空間光調(diào)制器7反射光束，找到使反射圖像最清晰的位置固定半波片3。

S13、調(diào)節(jié)物鏡Ⅰ9，使光束聚焦在所測試的散射樣品10上；測量的散射樣品10為納米氧化鋅粉末，將其均勻涂抹在薄玻璃片上。

S14、調(diào)節(jié)物鏡Ⅱ11，使透過測試樣品10的光束成像在相機(jī)14上；所述的物鏡Ⅰ9和物鏡Ⅱ11為40倍顯微物鏡，數(shù)值孔徑NA為0.65，物鏡Ⅰ9和物鏡Ⅱ11放置于六維調(diào)節(jié)臺(tái)上。

所述的相機(jī)14為高量化位數(shù)相機(jī)，相機(jī)14采集光斑范圍設(shè)定為50像元×50像元，此時(shí)所求解的傳輸矩陣維度為2500×256。

S15、打開相機(jī)14的驅(qū)動(dòng)程序，調(diào)節(jié)相機(jī)14曝光時(shí)間使成像清晰，轉(zhuǎn)動(dòng)偏振片Ⅱ12，同時(shí)觀察相機(jī)14采集圖像的光強(qiáng)，找到光強(qiáng)最大的位置固定偏振片Ⅱ12。

S16、打開電腦中相機(jī)14和空間光調(diào)制器7同步控制采集程序，空間光調(diào)制器7分別加載預(yù)設(shè)調(diào)整相位，相機(jī)14同步采集調(diào)整后相位的輸出光強(qiáng)，同時(shí)光電探測器6采集激光器輸入的平均光強(qiáng)。所述的光電探測器6是可變增益放大光電探測器。

如圖2所示，給出了n＝1時(shí)，入射光波位相角分別增加α＝0，π/2，π，3π/2時(shí)，相機(jī)(14)采集的光強(qiáng)，此時(shí)光電探測器(6)采集的電壓分別為3.33V，3.33V，3.35V和3.34V，利用上述數(shù)據(jù)通過式(8)對測量矩陣中第一列數(shù)據(jù)的解算；再分別另n＝2,3……N，改變?nèi)肷涔獠ㄏ辔?，重?fù)上述的測量過程，即可獲得散射樣品的傳輸矩陣。如圖3所示，分別為測量得到的傳輸矩陣的強(qiáng)度圖和位相圖。

S3、將和數(shù)值代入公式(8)：

利用公式(8)求解出對應(yīng)于入射波為n方向的傳輸矩陣k_mn。

步驟S3中的公式(8)為下述步驟求?。?/p>

S31、設(shè)定入射波為均勻平面波E，第n個(gè)入射波的相位增加位相角α?xí)r，則有此時(shí)第m個(gè)出射波的光強(qiáng)用下面的公式表示：

S32、設(shè)定代表第m個(gè)出射波的振幅的變化，則式(2)寫成：

S33、分別改變第n個(gè)入射波中的相位α為0，π/2，π和3π/2，記錄第m個(gè)出射波的光強(qiáng)和則根據(jù)式(3)這四個(gè)光強(qiáng)表示為：

S34、利用上述四個(gè)公式，用這些光強(qiáng)來求解式(3)的第三項(xiàng)，得：

公式中和E隨入射激光振幅E呈正比例變化，為了消除入射激光振幅的變化，利用光電探測器同步采集每次輸入的激光光強(qiáng)I＝|E|²。

此時(shí)，利用公式(8)能夠求解出對應(yīng)于入射波為n方向的傳輸矩陣k_mn，其中和E通過歸一化消除。

S4、重復(fù)上述步驟，依次改變每一個(gè)入射波矢的相位，采集對應(yīng)的所有出射波的輸出光強(qiáng)，得到樣品的整個(gè)復(fù)數(shù)傳輸矩陣K。

如圖1所示，一種光路裝置，包括：用于發(fā)射光束的激光器1、偏振片Ⅰ2、偏振片Ⅱ12、用于調(diào)整光束方向的半波片3、用于將光束擴(kuò)束的擴(kuò)束鏡4、用于偏振作用的分束晶體5、用于采集并消除光強(qiáng)起伏的光電探測器6、用于純相位調(diào)制的空間光調(diào)制器7、用于控制鏡頭透光量的光圈8、放置于六維調(diào)節(jié)位移臺(tái)上的物鏡Ⅰ9、放置于六維調(diào)節(jié)位移臺(tái)上的物鏡Ⅱ11、鏡筒13以及用于采集圖像的相機(jī)14；

所述激光器1發(fā)射的光束依次經(jīng)過偏振片Ⅰ2、半波片3、擴(kuò)束鏡4和分束晶體5；經(jīng)過分束晶體5的光束分別射向光電探測器6和空間光調(diào)制器7；射向空間光調(diào)制器7的光束依次經(jīng)過空間光調(diào)制器7和分束晶體5反射，通過光圈8射入至物鏡Ⅰ9；經(jīng)過物鏡Ⅰ9的光束聚焦至測試樣品10，然后經(jīng)過物鏡Ⅱ11的出射光束，最后經(jīng)過一個(gè)偏振片Ⅱ12，射向相機(jī)13。

所述的擴(kuò)束鏡4為3倍擴(kuò)束鏡。

所述的光電探測器6能夠求取輸入光的平均光強(qiáng)，以消除光強(qiáng)的起伏。

本發(fā)明所述的光路裝置，是用以給定輸入矩陣采集對應(yīng)輸出矩陣的光路設(shè)計(jì)圖。

光路裝置工作時(shí)，激光器1發(fā)射光束經(jīng)過偏振片Ⅰ2和半波片3產(chǎn)生滿足空間光調(diào)制器要求的線偏振光，并經(jīng)過擴(kuò)束鏡4后進(jìn)行擴(kuò)束。分束晶體5將光束分為兩部分，一束光被光電探測器6采集用以消除實(shí)驗(yàn)中的光強(qiáng)起伏；另一束光入射到空間光調(diào)制器7中實(shí)現(xiàn)對入射光波相位的調(diào)整?？臻g光調(diào)制器7調(diào)制后光束經(jīng)過分束晶體5和可變光圈8后，入射到物鏡Ⅰ9，此物鏡將光束聚焦到強(qiáng)散射樣品10，物鏡Ⅱ11將出射光束經(jīng)偏振片Ⅱ12成像在相機(jī)14)像面上，相機(jī)14采集到的圖像信息即為式(2)中所對應(yīng)的光強(qiáng)。

按照上述原理，在給定的方向n的輸入光波復(fù)振幅中分別增加相位角α＝0，π/2，π，3π/2，并采集對應(yīng)的光強(qiáng)信息，即每個(gè)輸出波矢對應(yīng)此輸入波矢四種不同相位的光強(qiáng)信息，根據(jù)式(8)解算傳輸矩陣元素k_mn。按照上述測量方法，依次改變輸入波矢的方向，重復(fù)上述過程，完成傳輸矩陣K的求解。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案及其發(fā)明構(gòu)思加以等同替換或改變，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。