一种实现透过散射介质聚焦的离轴数字全息相位共轭方法与流程

本发明涉及散射介质光学成像领域，尤其涉及一种实现透过散射介质聚焦的离轴数字全息相位共轭方法。

背景技术：

日常生活中，云、雾、牛奶、人体组织等均为光散射介质。由于光在散射介质中发生随机散射扰乱了光波面，所以对于其内部目标难以直接实现光学聚焦和成像，是制约医学诊疗中成像深度和分辨率的重要因素。为了调控散射光波面，抑制光散射作用，人们相继提出了波前整形、传输矩阵等多种技术来实现透过散射介质的聚焦和成像。波前整形是利用特定聚焦观测点的信号作为反馈调节入射光场的一种方法，利用变形镜或空间光调制器实现对入射散射介质的光波进行预先调制，从而实现透过散射介质聚焦。传输矩阵是利用光场的矩阵化表示，并将散射介质当做一个特殊矩阵，核心是求解散射介质对应的矩阵参数，从而实现聚焦。

光学相位共轭技术利用光波面的相位共轭调制实现光波的时间反演，使其能够有针对性地补偿波前畸变，抑制散射作用实现聚焦和成像，相比于传统的散射光成像技术，具有响应速度快，实时性强的特点，是目前相关领域的研究热点。

传统的光学相位共轭技术主要利用晶体作为光相位记录和恢复介质，记录时间长，散射光强要求高，是一类模拟调制方式。

技术实现要素：

本发明提供了一种实现透过散射介质聚焦的离轴数字全息相位共轭方法，本发明设计了一种基于离轴数字全息的光学相位共轭系统，该系统基于离轴全息的原理，通过具有角度差的物光散斑和参考光的干涉图案来提取散斑相位，从而实现散射光沿原路返回，抑制散射作用，进而实现透过散射介质的光学聚焦和成像，详见下文描述：

一种实现透过散射介质聚焦的离轴数字全息相位共轭方法，所述方法包括：相位提取和相位共轭还原过程，

其中，相位提取过程基于离轴数字全息原理，搭建相位提取系统，利用相位提取系统获取物光和参考光的离轴全息干涉图，并利用二维傅里叶变换和空间滤波得到相位共轭图；

相位共轭还原过程中参考光照射在加载了相位共轭图的空间光调制器上，产生时间反演光从而实现透过散射介质聚焦；

其中，所述相位提取系统具体为：

激光器发出的一束激光经过光隔离器、1/2波片和偏振片后调节其偏振方向为水平方向，以保证空间光调制器的最大调制效率；

利用第一分光镜将其分为两束激光，一束光作为物光经过第三分光镜、第一物镜、散射片和第二物镜被反射镜反射进入第二分光镜，另一束作为参考光经过第一透镜、滤光片和第二透镜后变为准直扩束光，与物光于第二分光镜处合束，一起进入数字光学相位共轭系统；数字光学相位共轭系统中的相机采集空间光调制器上的干涉图样，对该干涉图样进行频谱分析，通过频域滤波和傅里叶逆变换计算便能得到散斑物光场的共轭相位。

进一步地，所述数字光学相位共轭系统中的相机采集空间光调制器上的干涉图样，对该干涉图样进行频谱分析，通过频域滤波和傅里叶逆变换计算得到散斑物光场的共轭相位。

进一步地，所述时间反演的过程具体为：

在第一分光镜上设置有放置有挡板，调节参考光光强，在空间光调制器上加载散斑共轭相位；

参考光经过空间光调制器相位调制后形成与原散斑相位共轭的光波，即对散射光进行共轭补偿，形成时间反演的光波，反向经过散射板之后，经过第三透镜在检测相机上聚焦；

时间反演光克服散射效应实现透过散射介质聚焦。

本发明提供的技术方案的有益效果是：采用离轴数字全息相位共轭技术，仅通过一幅数字全息干涉图即能够解析出散斑相位并进行相位共轭还原，能够大大缩短相位提取时间，提高相位共轭还原速度，为实现动态散射介质聚焦提供可能。

附图说明

图1为离轴全息数字相位共轭系统相位提取的示意图；

图2为离轴全息数字相位共轭系统共轭还原的示意图；

图3为相机采集到的干涉图；

图4为干涉图对应的傅里叶频谱图；

图5为计算得到的共轭相位图；

图6为透过散射介质的散斑图和相位共轭的聚焦图。

1——激光器；2——隔离器；3——1/2波片；4——偏振片；5、9、10、15——分光镜；6、8、17、21——凸透镜；7——滤光片；11、13——显微物镜；12——散射介质；14——反射镜；16——空间光调制器；18——数字光学相位共轭系统；19、22——相机；20——挡板。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

近年来随着光电子器件的不断发展，一种通过相机和空间光调制器(spatiallightmodulator,slm)分别实现光相位的记录和恢复的数字调制方式逐渐发展起来。与模拟调制方式相比，数字调制方式可控性强、灵敏度高、曝光时间短且无波长和光强限制，具有更广泛的应用前景。

实施例1

本发明实施例提供了一种实现透过散射介质聚焦的离轴数字全息相位共轭方法，参见图1和图2，该方法包括：相位提取和相位共轭还原过程，

其中，相位提取过程主要基于离轴数字全息原理，利用相机获取物光和参考光的离轴全息干涉图，并利用二维傅里叶变换和空间滤波得到相位共轭图。

相位共轭还原过程中参考光照射在加载了相位共轭图的空间光调制器上，产生时间反演光从而实现透过散射介质聚焦。

本发明实施例结合了离轴数字全息原理和相位共轭技术，能够克服散射介质的光散射特性，实现透过散射介质的聚焦，并具有响应速度快，实时性强的特点。

实施例2

下面结合图1-图2、计算公式和实例对实施例1中的方案进行进一步地介绍，详见下文描述：

本发明实施例设计了一种基于离轴数字全息的光学相位共轭系统，该系统原理图如图1和图2所示。该系统基于离轴全息的原理，通过具有角度差的物光和参考光的干涉作用来提取散射光的相位，从而实现散射光沿原路返回，抑制散射作用，进而实现透过散射介质的光学聚焦和成像。

一、离轴全息提取共轭相位的原理如下：

考虑二维平面，假设参考光是一束均匀平面光，其初始相位为垂直入射slm平面，则在slm上其光场分布可以表示为：

其中，a(x,y)为在xy平面参考光幅度的二维分布函数。

使物光与x轴方向呈α角度入射slm平面，则物光光波面可以表示为：

o(x,y)＝b(x,y)e^-j2πξxe^-jφ(x,y)(2)

其中，λ为光波长，b(x,y)为在xy平面物光幅度的二维分布函数。

利用cmos相机采集slm表面的光强信息，考虑二维抽样定理，则上式中α需满足：

α≤αmax＝arccos(λ/2δx)(3)

其中，δx为相机的像素尺寸。其光强分布可以表示为：

其中，为参考光，为物光，为共轭参考光，为共轭物光。

对该光强分布图像做二维傅里叶分析容易得到：

其中，是散斑物光场的频谱，f代表二维傅里叶变换，☆代表相关运算，δ(u,v)为冲激函数。

通过二维傅里叶分析可以看出，分别出现在频谱中的不同位置，设置合适的二维带通滤波器即可以将包含散斑光场的频谱单独提取出来，再进行二维傅里叶逆变换便能够得到散斑物光场的振幅和相位。

其中，u3、u4的位置随角度α的改变而改变，其中心位置决定了二维带通滤波器的中心位置，散斑相位复杂度决定了u3、u4的频谱范围大小，故二维带通滤波器需根据α角和散斑分布进行设置和调整，其为一个经验参数，需要根据实际情况确定。

即利用得到了将该相位分布加载在slm上，再使参考光以共轭角度入射便能够得到直接生成散斑物光场的共轭相位光场。

二、实现散射光相位共轭还原聚焦和成像的过程主要分为两部分。

(1)相位提取

如附图1所示，激光器1发出的一束激光经过光隔离器2、1/2波片3和偏振片4后调节其偏振方向为水平方向，以保证slm16的最大调制效率。之后利用第一分光镜5将其分为两束激光，一束光作为物光经过第三分光镜10、第一物镜11、散射片12和第二物镜13被反射镜14反射进入第二分光镜9，另一束作为参考光经过第一透镜6、滤光片7和第二透镜8后变为准直扩束光，与物光于第二分光镜9处合束，一起进入数字光学相位共轭系统18(digitalopticalphaseconjugation,dopc)。

其中，参考光垂直入射slm16，物光则与参考光呈α角入射，α角需满足式(3)。dopc系统中的cmos相机19采集slm16上的干涉图样，对该干涉图样进行频谱分析，通过频域滤波和傅里叶逆变换计算便能得到散斑物光场的共轭相位。

基于离轴全息的数字光学相位共轭技术，其关键在于分离含有物光场相位的频谱信息。两束光的角度偏差越大，则相邻亮(暗)条纹间距越小，干涉条纹越密。在不超过其相机分辨率即满足式(3)的情况下，尽量增大参考光和物光的角度差，以保证傅里叶变换时各级光频谱能尽量分离。此外，根据式(5)，只要保证参考光和物光的相对入射角度不变，在频率域物光场和中心光场的距离便保持不变。所以固定参考光和物光的相对角度，在频率域围绕物光场设置合适的空间滤波器，则能较好地还原物光场相位。

(2)相位调制及时间反演

时间反演过程见附图2，如图所示放置挡板20，调节参考光光强，在slm16上加载散斑共轭相位。参考光经过slm16相位调制后形成与原散斑相位共轭的光波，即对散射光进行共轭补偿，形成时间反演的光波，反向经过散射板12之后，经过第三透镜21在检测相机22上聚焦。未调制光无法在该检测相机22表面实现聚焦，时间反演光则能克服散射效应实现透过散射介质聚焦。

实施例3

下面结合具体器件的型号对实施例1和2中的方案进行进一步地介绍，详见下文描述：

在相位提取过程中，激光器可以为633nm的hene激光器，第一透镜6焦距为15mm，第二透镜8焦距为250mm，dopc系统18中包括第四分光镜15、slm16、cmos相机19和第三透镜17(f＝100mm)，slm16为holoeye公司的pluto-vis-016，分辨率1920pixel*1080pixel，像素尺寸8μm*8μm，安装在一个六自由度的组合调节架上。cmos相机19为pco.edge3.1，最高分辨率2048pixel*1536pixel，像素尺寸6.5μm*6.5μm。由于slm和cmos相机19像素尺寸不匹配，所以需要调节第三透镜17使得slm16和cmos相机19的平面互为物像关系，以保证slm16和coms相机19像素的一一对准，从而使得coms相机19能够准确提取slm16上的干涉图案。

根据理论计算，凸透镜17的物像关系满足u+v＝f·(m+1)²/m(u:物距，v:像距，f:焦距，m:放大倍数)，由slm16和cmos相机19的像素尺寸可知目标放大倍数为m＝6.5/8＝0.8125。调节第三透镜17的位置使得物像关系满足m，获取cmos相机19上的干涉图。为了直观进行说明，图3是相位提取过程中，在未放置散射片时cmos相机19获得的干涉图样，能明显看到离轴全息产生的亮暗条纹。

对图3进行傅里叶分析可以得到如图4所示的二维傅里叶变化频谱图。选取频谱图中的物光区域，进行逆傅里叶变换计算可以得到如图5所示的共轭相位图，将该相位图加载在slm16上，参考光入射slm16，反射光则为相位共轭光，经过散射介质后再如图2所示，利用检测相机22(即ccd相机)接收时间反演的光波信号。

图6是放置散射片时的实验图。左图是未启用dopc系统18时，ccd相机22上采集到的非相位共轭光散斑图案，此时返回光束直接照在散射板12上，出射光形成散斑点图。右图是启用dopc系统18时，ccd相机22上采集到的相位共轭图，与左图相比可以看出相位共轭光透过散射介质实现了聚焦。

本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。