无序介质中的光场调控及成像方法研究现状

2021-11-29王宇航王梓豪刘恺欣

科技与创新 2021年21期

王宇航，王梓豪，刘恺欣

（南京理工大学，江苏南京 210094）

无序介质在我们的生活中普遍存在，小到常见的牛奶、墙面、纸张、油漆，大到生物组织、大气、海洋、亚波长颗粒等都是无序介质。与在确定性均匀介质中的传播不同，光波在无序介质中的自由传播会受到介质内部随机分布的颗粒的阻碍，从而发生多次散射，导致光的波矢方向和相位发生随机改变，最终使得出射光场形成一系列散斑，入射光无法通过成像从而传递信息。事实上，入射光所携带的信息并没有丢失，无序介质对入射波前只是进行了编码，利用特定方法还是可以获得完整且有效的入射光信息。

近年来，随着科技的发展和光学实验仪器的进步，以及各行业领域对无序介质成像技术的迫切需求，光如何经过无序介质成像的问题越来越受到重视，所研究的光场调控技术逐渐完善，获得的出射光信息也更为精确。

1 重要意义

1.1 生物医学成像

成像与医疗领域在很早就密切相关联，目前常用的X射线成像、核磁共振成像等方法对人体仍有一定危害，并且所得图像的分辨率也不高。生物组织也是无序介质，通过无序介质的光场调控技术可以直接获得人体内部的成像，从而避开采用对人体有害的检测手段。

1.2 肿瘤诊断和治疗

无序介质的光场调控技术可以实现光在生物组织内部的聚焦，对一些患病部位，可以直接利用生物组织内部激光聚焦手术进行精确切除，大大简化了治疗步骤、降低了手术难度。

1.3 探测领域

大气、海洋同样是无序介质的一种，在包括海洋探测、大气探测等探测领域，利用无序介质中的光场调控技术，不仅能够简化操作步骤，还可以得到更为准确的结果。

2 光经过无序介质的成像方法

无序介质的光场调控技术就是通过调控入射光的相位、偏振、相干性等的自由度，实现光波特征与介质散射过程的最优匹配，使得光从无序介质出射后可以克服介质散射的不利因素，可以进一步实现聚焦、成像等要求。总的来说，经过无序介质的光场调控技术可以概括为传输矩阵法和波前整形术两种。

2.1 传输矩阵测量法

传输矩阵可以定量地、完备地描述光在无序介质中的传输过程，利用传输矩阵可以将出射光波精确解码得到入射光波得到的信息，或者对入射光场进行调控得到理想的出射光场。

利用传输矩阵法进行无序介质的光场调控，首先需要根据光的传输特性建立无序介质的传输矩阵模型，其次利用全场干涉测量和四步相移法的原理，利用SLM（空间光调制器）和哈达玛矩阵对入射波前进行调制，运用CCD 对出射光场进行测量，从而测得样本精确的传输矩阵。在已知无序介质样本的传输矩阵之后，可以利用SLM 通过对入射波前的调制从而实现经过无序介质的出射光场的聚焦或者成像。但是无序介质的传输矩阵并不能够计算得出，只能通过实验测量得到，并且精度越高的传输矩阵测量所花费的时间和精力越多。

2.2 波前整形术

波前整形技术不需要测量传输矩阵，以出射光场的光强信息作为反馈信号，利用SLM 迭代优化入射波前的相位信息，直至在出射光场聚焦或成像。目前常见的波前整形思想有两种，分别是顺序优化和分区优化，在此基础上也衍生出了许多其他算法。

2.2.1 顺序优化方法

顺序优化法是用CCD 探测出射光场的光强作为反馈信号，用SLM 控制入射光场的每一个像素，使其相位从0 到2π变化，当CCD 接收到的目标点的光强最大时保持该像素此时相位不变，并将此时的相位存储为该像素最优相位值。如此循环，遍历入射光场的所有像素，直至找到每个像素使出射目标点光强最大的最优相位，使所有像素保持其最优相位，最终便可实现出射光场在目标点的聚焦。

虽然这种方法能够得到较好的聚焦效果，聚焦点光强也令人满意。但是由于顺序优化法是逐个像素的优化调制，计算量比较大，故需要的优化时间较长。

2.2.2 分区优化思想

与顺序优化方法相同，分区优化法也是波前整形技术的一种，与之不同的是，顺序优化算法属于遍历算法，计算量极大，而分区优化法在此方面则有显著改进。

分区优化法是利用MATLAB 控制SLM，将入射光场随机地分成两部分，采用四步相移，即相移步长为π/2，一个区域施以全场相移，另一区域则保持不变，并用CCD 记录每次相移后出射光场的目标点光强，计算得出并保存使出射光场目标点处光强最大的相移值。之后对该分区施以本次计算得到的相移值，得到单次迭代后出射光场目标点处最大的光强值。利用SLM，多次随机选择分区，重复上述迭代过程，最终可以实现出射光场目标点处的聚焦。

随着迭代次数的增多，目标点处的光强逐步增大直至逐渐饱和，饱和后得到的聚焦点光强与顺序优化法相差不多，但大大减少了计算量。

2.2.3 启发式优化算法

顺序优化和分区优化都能够通过调制波前实现无序介质中光的聚焦。但在生物医学等领域，由于材料往往在毫秒级的时间尺度上变化，噪声较大，要求算法具有较快的收敛速度，较快的实现聚焦，同时不宜受噪声干扰。适用于大规模优化问题的启发式优化算法被引入到无序介质光场调控的研究中。

2012 年，CONKEY 等提出了一种基于遗传算法的波前整形方法[5]。该方法首先随机生成每个初始相位掩模构成相位掩模群，并通过评价函数进行排序；然后从种群随机选取两个亲本进行繁殖，生成子代，序数较高的相位掩模有更高的选择概率，通过随机改变子代的一组输入模式的相位来引入突变；之后将子代加入种群，进行评价和排序，通过繁殖和突变对相位掩模迭代优化，使子代逐渐接近最优相位掩模。

粒子群算法[6]及模拟退火算法[7]等方法也相继用于波前调制。使用粒子群算法优化入射波前，将一组随机相位掩模作为初始粒子群，目标通道的强度作为适应度函数，每个粒子都会根据自己的经验以及其他粒子的经验来调整其运动，以寻找最优解。由于粒子群算法是一种全局优化算法，最终目标输出通道实现了120 倍的增强，并且其聚焦速度也高于遗传算法。基于模拟退火算法的波前调制方法，则在目标输出通道得到了更高的增强，相较于原始强度实现了160 余倍的增强，以及更快的收敛速度。

上述基于启发式优化算法的波前整形方法，在2 000 余次迭代后即可得到较好的聚焦结果，聚焦速度远优于前述算法。在高噪声的环境下仍保持较快的收敛速度和较高的输出通道增益，表现出了良好的抗噪性。但在无噪声环境下所能得到的增益低于顺序优化方法。