实现散射介质深层成像的复合调节方法及成像系统

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：

1、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。

2、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。

3、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。

4、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。

技术实现思路

1、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。

2、为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、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：

4、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；

5、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；

6、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；

7、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；

8、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。

9、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。

10、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。

11、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：

12、光源；

13、准直透镜，配置为对光源的光束进行准直；

14、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；

15、第一反射镜，配置为反射空间光调制器的输出光场；

16、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；

17、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；

18、第二反射镜，其配置在第一棱镜和第二棱镜的光路之间；

19、探测器，配置为接收所述第二棱镜透射的光场；

20、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。

21、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。

22、可选地，空间光调制器为振幅型或相位型调制器件。

23、本发明的有益效果在于：

24、(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。

25、(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。

26、(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。

27、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。