一种随机介质散射势强度分布的测量方法及测量装置

1.本发明涉及光学散射成像技术领域，具体是指一种随机介质散射势强度分布的测量方法及测量装置。


背景技术：

2.生物组织、人体组织以及其他透明或半透明材料一般具有折射率随空间位置分布不均匀的特点，同时这种折射率分布一般事先未知，所以光学上称为随机介质。这类介质的光学特性与结构信息完全包含在折射率分布函数当中，也就是包含在散射势函数之中。如果能使用某种手段获取散射势的信息，即完成了对介质的成像。使用电磁波为媒介可以无接触式地获得散射势的信息。该类方法使用声波、微波、x射线实现了实用化的成像技术。然而声波的分辨率受限于波长尺度，x射线对组织有潜在的损伤，而可见光附近波长的电磁波可以克服分辨率不足和安全性不高的困难。
3.而且，以上光学成像方法一般需要获取光与介质相互作用后产生的散射场的复振幅信息，需要借助于复杂、耗时的干涉技术作为基础。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种随机介质散射势强度分布的测量方法及测量装置，具有实现强、测试便捷和准确性高的特点。
5.本发明可以通过以下技术方案来实现：
6.本发明公开了一种随机介质散射势强度分布的测量方法，包括以下步骤：
7.s1、特定入射光角度散射光强的采集：激光光源发出覆盖待测散射样品的光束，该光束经过散射样品散射后形成朝不同方向的各个角度散射光场，分别采集各个角度散射光强，完成特定入射光角度散射光强的采集；
8.s2、多角度入射光散射光强的采集：变换入射光角度，重复步骤s1特定入射光角度散射光强的采集过程，完成不同入射角度入射光散射光强的采集；
9.s3、散射势强度分布计算，结合步骤s2多角度入射光散射光强的采集所得的数据，计算光强平均值和光强涨落的相关性，确定随机介质散射势强度分布。
10.进一步地，在步骤s1特定入射光角度散射光强的采集中，激光光源发出的激光经过准直并扩展成面积可覆盖待测散射样品的光束。
11.进一步地，在步骤s1特定入射光角度散射光强的采集中，光强探测器在全立体角旋转机构带动下采集各个角度散射光强。
12.进一步地，在步骤s2多角度入射光散射光强的采集中，激光光源和扩束与准直系统在可连续转动机构(6)的带动下完成不同入射角度入射光散射光强的采集。
13.进一步地，不同入射角度探测光强的平均值即为散射介质不同实现的系综平均值的近似值。该平均值为:
14.15.式中，《
·
》i表示在入射角度测量集合中取平均，《
·
》e表示取系综平均，为光强的平均值。
16.进一步地，散射势强度分布s(r)的计算方法为：
17.设光强探测器距离选定的坐标系原点距离为r，在由单位矢量u确定的角度上的光强是i(ru)，由此定义在两个不同角度u1和u2上测量光强涨落的相关性函数：
[0018][0019]
对于波长为λ，角频率为ω的入射光，设介质的介电常数分布为∈(r)，则介质的散射势函数为f(r)＝k2(∈(r)-1)，而它的散射势强度定义为：
[0020]
s(r)＝《f
*
(r)f(r)》
[0021]
其中k＝2/λ是入射光的波数；
[0022]
一阶波恩近似下的散射理论给出散射光强相关性与介质散射势强度的关系为：
[0023][0024]
其中为s的三维傅里叶变换；
[0025]
利用光强探测器在不同方向上的测量光强数据，并根据上式，即可得到散射势强度分布的傅里叶谱的绝对值部分；
[0026]
再利用相位恢复算法，即可求出的相位部分，获得了的完整信息；
[0027]
对进行傅里叶变换，即可得到散射势强度分布s(r)。
[0028]
本发明的另外一个方面，在于保护使用上述随机介质散射势强度分布的测量方法的测量装置，包括激光光源、扩束与准直系统、光强探测器和全立体角旋转机构；激光光源发出的激光经过扩束与准直系统准直并扩展成面积可覆盖待测散射样品的光束；该光束经过散射样品散射后形成朝各个方向的散射光场；光强探测器在全立体角旋转机构带动下，依次在各个角度采集散射光强。
[0029]
进一步地，该测量装置还包括可连续转动机构，激光光源和扩束与准直系统在可连续转动机构的带动下，变换入射光角度，进行多角度入射光散射光强的采集。
[0030]
进一步地，激光光源为连续型激光器。
[0031]
本发明一种随机介质散射势强度分布的测量方法及测量装置，具有如下的有益效果：
[0032]
第一、实现性强，本发明的光路搭建简单，测量光路元件数量少，结构紧凑，具有较强的实现性；
[0033]
第二、采集便捷，本发明不需要采集散射光场的复振幅信息，只需光强探测器获取光强信息。有效简化数据采集过程的操作，也避免过多参数采集产生的测量误差；
[0034]
第三、准确性高，本发明利用获取的光强信息结合较为成熟的相位恢复技术实现对散射势强度分布函数的重建，实现散射远场光强涨落信息与散射势强度分布的结合，提升其准确性。。
附图说明
[0035]
附图1为本发明一种随机介质散射势强度分布的测量方法的流程图；
[0036]
附图2为本发明一种随机介质散射势强度分布的测量装置的组成示意图；
[0037]
附图中的标记包括：激光光源1、扩束与准直系统2、待测散射样品3、光强探测器4、全立体角旋转机构5、可连续转动机构6。
具体实施方式
[0038]
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合实施例及附图对本发明产品作进一步详细的说明。
[0039]
如图1所示，本发明公开了一种随机介质散射势强度分布的测量方法，包括以下步骤：
[0040]
s1、特定入射光角度散射光强的采集：激光光源发出覆盖待测散射样品的光束，该光束经过散射样品散射后形成朝不同方向的各个角度散射光场，分别采集各个角度散射光强，完成特定入射光角度散射光强的采集；
[0041]
s2、多角度入射光散射光强的采集：变换入射光角度，重复步骤s1特定入射光角度散射光强的采集过程，完成不同入射角度入射光散射光强的采集；
[0042]
s3、散射势强度分布计算，结合步骤s2多角度入射光散射光强的采集所得的数据，计算光强平均值和光强涨落的相关性，确定随机介质散射势强度分布。
[0043]
进一步地，在步骤s1特定入射光角度散射光强的采集中，激光光源发出的激光经过准直并扩展成面积可覆盖待测散射样品的光束。
[0044]
进一步地，在步骤s1特定入射光角度散射光强的采集中，光强探测器在全立体角旋转机构带动下采集各个角度散射光强。
[0045]
进一步地，在步骤s2多角度入射光散射光强的采集中，激光光源和扩束与准直系统在可连续转动机构(6)的带动下完成不同入射角度入射光散射光强的采集。
[0046]
进一步地，不同入射角度探测光强的平均值即为散射介质不同实现的系综平均值的近似值。该平均值为:
[0047][0048]
式中，《
·
》i表示在入射角度测量集合中取平均，《
·
》e表示取系综平均，为光强的平均值。
[0049]
进一步地，散射势强度分布s(r)的计算方法为：
[0050]
设光强探测器距离选定的坐标系原点距离为r，在由单位矢量u确定的角度上的光强是i(ru)，由此定义在两个不同角度u1和u2上测量光强涨落的相关性函数：
[0051][0052]
对于波长为λ，角频率为ω的入射光，设介质的介电常数分布为∈(r)，则介质的散射势函数为f(r)＝k2(∈(r)-1)，而它的散射势强度定义为：
[0053]
s(r)＝《f
*
(r)f(r)》
[0054]
其中k＝2π/λ是入射光的波数；
[0055]
一阶波恩近似下的散射理论给出散射光强相关性与介质散射势强度的关系为：
[0056]
[0057]
其中为s的三维傅里叶变换；
[0058]
利用光强探测器在不同方向上的测量光强数据，并根据上式，即可得到散射势强度分布的傅里叶谱的绝对值部分；
[0059]
再利用相位恢复算法，即可求出的相位部分，获得了的完整信息；
[0060]
对进行傅里叶变换，即可得到散射势强度分布s(r)。
[0061]
如图2所示，本发明的另外一个方面，在于保护使用上述随机介质散射势强度分布的测量方法的测量装置，包括激光光源1、扩束与准直系统2、光强探测器4和全立体角旋转机构5；激光光源1发出的激光经过扩束与准直系统2准直并扩展成面积可覆盖待测散射样品3的光束；该光束经过散射样品3散射后形成朝各个方向的散射光场；光强探测器4在全立体角旋转机构5带动下，依次在各个角度采集散射光强。
[0062]
如图2所示，该测量装置还包括可连续转动机构6，激光光源1和扩束与准直系统2在可连续转动机构6的带动下，变换入射光角度，进行多角度入射光散射光强的采集。
[0063]
具体地，激光光源为连续型激光器。
[0064]
上述实施例仅为本发明的具体实施例，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些显而易见的替换形式均属于本发明的保护范围。