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基于二值化传输矩阵透过散射介质的光聚焦.pdf

发布时间：2022-05-30 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：7.07M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    第４７卷　第２期 ２０２０年２月 　 中　国　激　光 CHINESEJOURNALOFLASERS Vol．４７,No．２ February,２０２０ 基于二值化传输矩阵透过散射介质的光聚焦 斯科１,２,３∗,汤黎明１,２,杜吉超１,２,吴晨雪１,２,徐晓滨３,胡乐佳１,２,陈佳佳１,２,龚薇３ １浙江大学医学院附属第一医院神经生物学系现代光学仪器国家重点实验室,浙江 杭州３１００５８; ２浙江大学光电科学与工程学院,浙江 杭州３１００２７; ３浙江大学脑科学与脑医学学院,浙江 杭州３１００５８ 摘要　提出一种光透过散射介质的散斑恢复算法,可实现大视场任意位置的聚 焦.通 过 仿 真 模 拟 光 路 测 量 散 射 介 质的传输矩阵并进行二值化处理,再利用数字微镜器件 对 入 射 光 进 行 二 值 振 幅 调 制,实 现 透 过 散 射 介 质 的 单 点 或 多点聚焦.由于不同聚焦位置的独立性,所提算法 能 够 实 现 大 视 场 任 意 位 置 聚 焦.仿 真 结 果 表 明:聚 焦 位 置 的 光 强增强因子随着采样数目的增加而增加;与传统三步相移法相比,在采样数 目 减 少１/３的 情 况 下,所 提 算 法 能 够 获 得５５％的增强比,比三步相移法高１２％.所提算法对透过散射介质实现大视 场 范 围 扫 描 聚 焦 有 重 要 意 义,在 生 物 医学成像领域具有广阔应用前景. 关键词　生物光学;散射;传输矩阵;贝叶斯定理;聚焦 中图分类号　O４３６　　　　　　文献标志码　A　　　 doi:１０．３７８８/CJL２０２０４７．０２０７０３８ LightFocusingThroughScatteringMediumBasedonBinaryTransmissionMatrix SiKe１ ２ ３∗ TangLiming１ ２ DuJichao１ ２ WuChenxue１ ２ XuXiaobin３ HuLejia１ ２ ChenJiajia１ ２ GongWei３ １StateKeyLaboratoryofModernOpticalInstrumentation DepartmentofNeurobiology theFirstAffiliatedHospital SchoolofMedicine ZhejiangUniversity Hangzhou Zhejiang３１００５８ China ２CollegeofOpticalScienceandEngineering ZhejiangUniversity Hangzhou Zhejiang３１００２７ China ３SchoolofBrainScienceandBrainMedicine ZhejiangUniversity Hangzhou Zhejiang３１００５８ China Abstract　Inthispaper aspecklerecoveryalgorithmforlightthroughscatteringmediathatcanachievefocusingat anypositioninalargefieldofviewisproposed敭Thetransmissionmatrixofthescatteringmediumismeasuredand binarizedbysimulatingtheopticalpath andthedigitalmicroＧmirrordeviceisusedtomodulatethebinaryamplitudeofthe incidentlighttoachievesingleＧpointormultiＧpointfocusingthroughthescatteringmedium敭Duetotheindependenceof differentfocuspositions thealgorithmcanachievelargefieldＧofＧviewfocusingatanyposition敭Thesimulationresultsshow thattheintensityenhancementfactorofthefocuspositionincreaseswiththeincreaseinthesamplingnumber敭Compared withthetraditionalthreeＧstepphaseshiftmethod anenhancementratioof５５％canbeobtainedbytheproposedalgorithm whenthenumberofsamplingisreducedby１ ３ whichis１２％higherthanthatbythethreeＧstepphaseshiftmethod敭The proposedalgorithmexhibitsgreatsignificanceforrealizinglargefieldＧofＧviewscanningandfocusingthroughthescattering medium makingitapplicableinthefieldofbiomedicalimaging敭 Keywords　bioＧphotonics scattering transmissionmatrix Bayesiantheorem focusing OCIScodes　２９０敭４２１０ ２９０敭２５５８ ２９０敭５８２０ １　引　　言 在光学成像中,由于散射介质的折射率空间分 布不均匀,光在经过 散 射 介 质 时 光 强 与 相 位 的 变 化 　　收稿日期:２０１９Ｇ１０Ｇ０８;修回日期:２０１９Ｇ１１Ｇ１５;录用日期:２０１９Ｇ１２Ｇ１６ 　 ∗EＧmail:kesi＠zju．edu．cn ０２０７０３８Ｇ１ 基金项目:国家自然科学基金(８１７７１８７７,６１９７５１７８)、浙江省自然科学基金(LZ１７F０５０００１,LR２０F０５０００２) 异常复杂,给 光 学 系 统 成 像 质 量 带 来 极 大 的 影 响. 近年来发布的克服光学散射的研究[１Ｇ３]表明,利用波 前校正器件对入射 光 进 行 调 制,可 以 实 现 透 过 散 射 介质的光学聚焦,该 方 法 已 在 光 学 成 像 领 域 中 起 到
    中　　　国　　　激　　　光 主 要 的 波 前 校 正 器 件 有 液 晶 空 间 光 调 制 器 很大的作用,尤其是在生物医学成像领域[４].目前, (SLM)[５Ｇ７]、可 变 形 镜 (DM)[８] 和 数 字 微 镜 器 件 (DMD)[９].２００７ 年,Vellekoop 等[１０]利 用SLM 补 偿入射光的相位畸 变,实 现 了 透 过 散 射 介 质 的 单 点 聚焦与多点聚焦,并 证 实 了 最 大 增 强 因 子 仅 与 入 射 光通道数目相关,且 增 强 因 子 随 着 入 射 光 通 道 数 目 的增 加 而 增 大.２０１０ 年,Popoff等[１１]利 用 传 输 矩 阵的方法实现了透 过 散 射 介 质 的 聚 焦,他 们 将 入 射 到SLM 表面的光划分为外围参考区域光与 中 心 调 制区域光,外 围 参 考 区 域 加 载 相 位 保 持 不 变,中 心 调制区域每一个子分区上依次加载０、π/２、π、３π/２ 的相位,最 后 通 过 四 步 相 移 法 计 算 出 每 一 个 子 分 区的 相 位,从 而 测 量 出 散 射 介 质 的 传 输 矩 阵. ２０１２年,Conkey等[１２]利用遗传算法对 入 射 光 进 行 波前整形,成功实 现 透 过 强 散 射 介 质 的 聚 焦,并 证 实了遗传算法 在 低 信 噪 比 环 境 下 的 优 异 性.２０１４ 年,Zhang等[１３]同 样 采 用 遗 传 算 法,用 DMD 代 替 SLM,实现了对入射 光 波 前 的 二 值 振 幅 调 制,调 高 了 聚 焦 效 率.２０１５ 年,Drémeau 等[９]同 样 使 用 DMD 作为空间光调 制 器 件,利 用 相 位 恢 复 算 法 对 散射介质 的 传 输 矩 阵 进 行 测 量,这 种 方 法 从 优 化 理论出发,利 用 统 计 学 方 法 将 从 每 一 个 聚 焦 位 置 采集到的 多 组 数 据 作 为 传 输 矩 阵 相 应 行 的 估 计, 由于传输 矩 阵 不 同 行 之 间 具 有 统 计 独 立 性,因 此 常 用 的 测 量 传 输 矩 阵 的 方 法 有 四 步 相 移 干 涉 利用这些方法虽然能够测量出包含相位信息的传输 可以利用 并 行 计 算 加 快 全 传 输 矩 阵 的 计 算 速 度. ２０１８年,赵广智等[１４]采 用 模 式 分 解 理 论 对 多 模 光 纤传输矩阵进行测量,通 过 DMD 对 多 模 光 纤 的 入 射波前进 行 二 值 振 幅 调 制,实 现 了 透 过 多 模 光 纤 出射光斑的扫描与聚焦. 法[１１,１５Ｇ１６]、迭 代 相 位 恢 复 法[９]、波 前 整 形 法[１７]等. 矩阵,但 这 些 相 位 信 息 对 于 振 幅 调 制 DMD 来 说 是 冗余的[１８].本文 提 出 一 种 针 对 散 射 介 质 的 二 值 化 传输矩 阵 计 算 方 法,利 用 DMD 对 入 射 光 进 行 二 值 振幅调制,实现 透 过 散 射 介 质 的 任 意 位 置 聚 焦.为 验证算法可行性,本 文 将 该 算 法 应 用 于 多 层 随 机 相 位屏的散射校正,得到了良好的聚焦效果. ２　仿真系统设计 二值化传输 矩 阵 测 量 系 统 原 理 图 如 图１(a)所 示.氦氖 激 光 器 发 出 波 长 为６３３nm 的 激 光,经 第 一组４f系统(L１＋L２)准直扩束后照射到 DMD 表 面,DMD 调 制 后 的 光 束 经 第 二 个４f 系 统(L３＋ OBJ１)投影 到 散 射 介 质(SM)上,散 射 介 质 放 置 在 OBJ１后１/２焦距处,并在L３ 焦点处放置一个孔阑 以滤除DMD 调制产生的非零级次.透过散射介质 的散射光 被 第 三 组４f 系 统(OBJ２＋TL)收 集 到 CMOS相机感光面,由相机记录光束信息. 图１ 仿真系统示意图及聚焦原理图.(a)仿真系统示意图;(b)仿真参数示意图; (c)DMD 未调制时透过散射介质的散射;(d)DMD 调制时透过散射介质的聚焦 Fig敭１ Schematicofsimulationsystemandfocusing敭 a Schematicofsimulationsystem b schematicofsimulationparameters c scatteringthroughscatteringmediumwithoutDMDmodulation d focusingthroughscatteringmediumwithDMDmodulation ０２０７０３８Ｇ２
    中　　　国　　　激　　　光 传输矩阵可用于表征光学系统入射光场与出射 　　本文采用标量衍射场角谱理论对光束传播进行 模拟仿真[１９],如图１(b)所示,DMD 位于L３透镜前 焦面处,L３ 与 L４ 的 焦 距 都 为f,L４ 为 物 镜 OBJ１ 的等效透 镜,散 射 介 质SM 放 置 在 L４ 后１/２ 焦 距 处,CMOS记录 下 L４ 后 焦 面 的 光 强 分 布. 物 镜 数 值孔径为０．１,将２０层总厚度为０．１５mm 的随机相 位屏作为散射介质,其 相 位 值 随 机 分 布 在０ 和 最 大 相位之间,通过改变最大相位来调整散射强度.假设 每层散射介质之间光束能自由传播,那么就可以用光 波的复振幅与相位分布的乘积来模拟散射过程. DMD上 加 载 的 输 入 图 案 由 MATLAB 计 算 生 成,在整个调 制 区 域 内,DMD 上 像 素 单 元 的“开”与 “关”状态的占比各为５０％,以保证每次输入不同图案 时输 入 的 总 光 强 一 致.DMD 调 制 区 域 总 尺 寸 为 ６４pixel×６４pixel,每２pixel×２pixel区域组成一个 大的调制单元,因而总的调制自由度N 为３２×３２,相 机接收面总像素数M 为１００pixel×１００pixel. ３　算法原理 光场之间的关系,一旦测量出散射介质的传输矩阵, 就可以通过调制入射光场实现任意出射光场.入射 到散射介质表面的光场复振 幅Ein和 出 射 光 场 复 振 幅Eout之间的关系可用复传输矩阵T表示,用tmn表 示传输矩阵T中的每一个元素,其实际物理意义为 输入光场复振 幅 的 第n个 模 式 对 输 出 光 场 复 振 幅 第m 个(mth)模式的影响.数学关系式为 (１) ３．１　二值化传输矩阵 当使用DMD 作为空间光调制器件调节入射光 场时,透过散射介质 被 相 机 采 集 到 的 光 场 可 表 示 为 每一 个 DMD 像 素 单 元 对 应 的 出 射 光 场 的 线 性 叠 加,其中传 输 矩 阵T 第m 行 对 应 相 机 的 第m 个 像 素.假定DMD 输入 像 素 的 单 元 数 为 N,用 以 采 集 散射光场的相机像素单元数为 M,那么相机的第m 个像素采集到的 光 场Em 就 是 所 有 输 入 光 场En 乘 以传输矩阵单元tmn的叠加[２０]: tmnEn. (２) DMD 上的像 素 单 元 只 有“开”和“关”两 种 状 态,在 均匀照明的情况下,忽略光强损失,令像素单元处于 “开”状态时En＝１,“关”状 态 时En＝０.目 标 位 置 出射光场可以用对应于DMD 上“开”状态的像素单 元的传输矩阵单元tmn叠 加 表 示.对 于 无 序 散 射 介 Em ＝∑N Eout＝TEin. n＝１ ０２０７０３８Ｇ３ 质,tmn在统计学上 独 立 且 服 从 圆 高 斯 分 布[１０],传 输 矩阵T第m 行 中 实 部 符 号 相 同 的 部 分 元 素 会 在 相 机的第m 个像素处发生相长干涉,从而使得对应入 射光经散射 介 质 后 在 该 处 发 生 聚 焦. 但T 中 元 素 包含正负实部两部 分,不 同 实 部 符 号 对 应 不 同 的 干 涉效应,不同干涉效 应 的 相 互 叠 加 导 致 不 同 聚 焦 位 置光强分布不 均,光 强 呈 散 斑 状 分 布,如 图１(c)所 示.根据实部符号 的 不 同,将tmn分 为 两 部 分:相 长 (实部大于零)和相消(实部 小 于 零),根 据 这 一 划 分 对复传输矩阵T进行二值化(实部大于零对应矩阵 元素为１,小于零对应矩阵元素为０).如图１(d)所 示,通 过 DMD 的 调 制 功 能 将 对 应 于 相 消 部 分 的 像 素单元置为“关”状 态(En＝０),即 可 实 现 光 束 在 第 m 个像素单元处的聚焦. ３．２　基于贝叶斯定理的二值化算法 根据贝叶斯定理,在事件A 发生的前提下事件 B 发生的概率P(B|A)的计算式为 (３) 事件 A 发 生 的 概 率P(A)可 由 全 概 率 公 式 计 算 得到: (４) 事件A 和事 件B 同 时 发 生 的 概 率P(AB)的 计 算 (５) P(A)＝P(A|B)＋P(A|B－), P(AB)＝P(A|B)×P(B). P(B|A)＝P(AB)/P(A), 基 于 贝 叶 斯 定 理 的 二 值 化 算 法 的 原 理 如 式中:B－ 代表事件B 的补集. 图２(a)所示. 假 定 输 入Ｇ输 出 对 的 总 采 集 数 目(即 DMD 上加载的各不相同的输入图案数)为K,DMD 上每一个像素单 元 都 与 第 m 个 相 机 像 素 单 元 有 对 应关系,这种对应关系就是传输矩阵.如图２(b)所 示,第m 个相机像素单元有K 个强度数据值,对第 m 个像素单元预 先 设 定 一 个 光 强 阈 值 Hm(一 般 为 第m 个像 素 对 应 的K 个 强 度 值 中 最 大 强 度 值 的 ４/５),根据这K 个强 度 值 是 否 大 于Hm,将 这 K 个 强度值分为相长 干 涉(事 件C,大 于 Hm)和 相 消 干 涉(事件D,不 大 于 Hm)两 部 分.那 么 传 输 矩 阵 单 元tmn产生相长干涉的概率就可以表达为 式为 P(C|T)mn＝ P(T|C)mn×P(C)m P(T|C)mn×P(C)m ＋P(T|D)mn×P(D)m, (６) 式中:P(C)m＝Kc/K,P(D)m＝Kd/K,Kc 为 第 m 个像素单元的K 个强度值属于C 的次数,Kd 为 属于D 的次数;P(T|C)mn＝kc/Kc,P(T|D)mn＝
    中　　　国　　　激　　　光 kd/Kd,kc 表 示 第 m 个 像 素 单 元 位 于C 部 分 时 DMD 上第n个像 素 处 于“开”状 态 的 次 数,kd 表 示 第m 个像素单元位 于D 部 分 时 DMD 上 第n个 像 素处于“开”状 态 的 次 数. 那 么 P(C|T)mn就 表 示 当DMD 上第n个 像 素 处 于“开”状 态 时,相 机 的 第 m 个 像 素 位 于 C 部 分 的 概 率. 同 样 可 得 P(D|T)mn的计算式为 P(T|C)mn×P(C)m ＋P(T|D)mn×P(D)m, (７) P(T|D)mn×P(D)m P(D|T)mn＝ 式中:P(D|T)mn表 示 当 DMD 上 第n个 像 素 处 于 “开”状 态 时,相 机 的 第 m 个 像 素 位 于 D 部 分 的 概率. 下面利 用 P(C|T)mn和P(D|T)mn计 算 出 对 应出射光斑在 相 机 的 第m 个 像 素 处 聚 焦 所 需 要 的 DMD 输入图案.当 DMD 上 的 第n个 像 素 同 时 满 足以下两个条件时,将该像素置为“开”状态,其余像 素默认 为“关”状 态:１)P(C|T)mn大 于P(C|T)m 的中位 数;２)P (D|T)mn小 于P (D|T)m 的 中 位 数.其中P(C|T)m 和P(D|T)m 分别为DMD 上 全部N 个像素的P(C|T)mn和P(D|T)mn的集合. 图２ 二值化算法原理示意图.(a)输入输出对应图;(b)第m 个像素单元强度划分图 Fig敭２ Schematicofbinaryalgorithm敭 a inputandoutputmap b intensitydivisionofmthpixelunit 焦效果,随着采样 数 目 的 增 加,增 强 因 子 线 性 增 加, 但所需要的采样时间也会线性增加.由于 DMD 最 大刷新频率(２２kHz)远 高 于 常 见 的 纯 相 位 型SLM (６０Hz),在 相 同 采 样 数 目 下 采 样 时 间 会 低 于 传 统 三步相移法所需要的时间.在保证聚焦效果的前提 下,为 减 少 计 算 时 间,后 续 均 采 用 K＝２N 进 行 仿真. ４．２　单点聚焦结果 单点聚焦的仿真结果如图４所示.像素位置从 左上开始标号 为１,依 次 从 上 往 下、从 左 往 右 递 增, 成像面１００pixel×１００pixel的 标 号 依 次 对 应１~ １００００.由于散射效应,未经DMD 调制的入射光在 经过散射介质后的散射光如图４(a)所示,呈散斑状 分布.为了补偿散 射,通 过 测 量 二 值 化 传 输 矩 阵 可 以快速计算出对应于某一聚焦位置的DMD 输入图 案,图４(c)为对应于第５０５０ 个像素(聚焦位置)时, DMD 上加载 的 二 值 化 图 案,白 色 区 域 代 表 该 像 素 单元置为“开”状 态,黑 色 为“关”状 态. 在 DMD 上 加载该计算结果实 现 对 入 射 光 振 幅 的 调 制,可 以 得 到第５０５０个像素处的聚焦结果,如图４(b)所示,此 时 光 强 增 长 因 子 为９０．５,达 到 最 大 增 强 因 子 的 ０２０７０３８Ｇ４ ４　仿真结果与分析 ４．１　聚焦效果评价 指标[２１],光强增强因子η的定义式为 本文采用光强增强因子η作为聚焦效果的评价 η＝ Irefocus Ireference, (８) 式中:Irefocus为经DMD 调制后在目标 位 置 处 得 到 的 聚焦点光强;Ireference为参考光强.DMD 上调制区域 像素单元“开”、“关”状态的比例为１∶１,因而Ireference 可以用DMD 调制区域像素单元全置为“开”状态时 得到的统计平均光强(所 有 像 素 位 置 光 强 求 和 除 以 像素数)的１/２ 来 代 替.考 虑 到 DMD 为 纯 振 幅 调 制器件,其最大增强因子ηmax[２２]为 ö ２ －１ ø (９) 采集K 幅 输 入Ｇ输 出 对 来 验 证 本 文 算 法 的 聚 焦 效 果,如图３所示,在 采 样 数 目 为２N 时,最 大 增 强 因 子为１６３,增强因子为９０．５,可达到最大增强因子的 ５５％,这一数 值 已 经 大 于 利 用SLM 通 过 三 步 相 移 法(采样数目为３N)所达到的４９．１％增强比[２３].图 ３(b)和图３(c)分别表示采样数为 N 和４N 时的聚 ηmax＝１＋ N ÷/π. æ ç è
    中　　　国　　　激　　　光 图３ 本文算法的聚焦效果.(a)增强因子与采样数的关系曲线;(b)采样数为 N 时的聚焦效果;(c)采样数为４N 时的聚焦效果 Fig敭３ Focusingeffectofproposedalgorithm敭 a Relationshipbetweenenhancementfactorandnumberofsampling b focusingeffectwithnumberofsamplingofN c focusingeffectwithnumberofsamplingof４N 图４ 单点聚焦的仿真模拟结果.(a)DMD 未调制时的散斑图; (b)第５０５０个像素位置的单点聚焦图;(c)DMD 上加载的调制图案;(d)图４(b)中虚线位置的光强剖面图 Fig敭４ Simulationresultsofsinglepointfocusing敭 a SpecklepatternwithoutDMDmodulation b singlepoint focusingat５０５０thpixel c modulationpatternloadedonDMD d intensityprofileofdashlineinFig敭４ b ５５％.图４(d)为该聚焦点沿图４(b)虚线 方 向 的 归 一化光强剖面图,聚焦点直径约为４２μm. 数据采集完成后,本文提出的二值化传输矩阵 测量算法生成一张聚焦输入图案需要０．０８s(１００次 计算结果的平均,intelcorei５Ｇ７５００处理器,８GB 内 存),如果减小扫描区域,计算时间也会相应降低,图 ５所示为不同像素位置的聚焦效果. ４．３　多点聚焦结果 单点聚焦,计算出在 不 同 位 置 聚 焦 所 需 的 输 入 图 案 后,对相应输入图案进行“与”运算,还可以得到对应 于 多 点 聚 焦 的 输 入 图 案,从 而 实 现 多 点 聚 焦. 图６(a)、(b)分 别 为 相 距 较 远 的 两 个 聚 焦 位 置(第 １２２５个像素和 第８４７５ 个 像 素)以 及 相 距 较 近 的 两 基于二值化传输矩阵的测量算法不仅能够实现 基于贝叶斯理论和全概率公式提出了一种针对 个聚焦位置(第１２２５个像素和第２０２５个像素)的两 点聚焦结果.图６(c)所示 为 图６(b)中 蓝 色 虚 线 所 在 位 置 的 归 一 化 光 强 剖 面 图,可 以 看 出,当 相 隔 １００μm时,两个聚焦点依旧可以清楚分辨. ５　结　　论 散射介质的二值化传输矩阵测量算法.以 DMD 为 波前校正器件,在其上面加载２０４８幅“开”Ｇ“关”(比 例为 ５０∶５０)的 随 机 二 值 化 图 案 (图 案 大 小 为 ３２pixel×３２pixel),并在成像面采集相对应的输出 图案(大小为１００pixel×１００pixel),从而得到２０４８ 对“输入Ｇ输出”. 然 后 通 过 贝 叶 斯 公 式 计 算 每 一 个 聚焦位置处发生相 长 干 涉 和 相 消 干 涉 的 条 件 概 率, ０２０７０３８Ｇ５
    中　　　国　　　激　　　光 图５ 不同像素位置处的聚焦结果.(a)第１２２５个像素;(b)第１７５０个像素;(c)第１７７５个像素; (d)第５０２５个像素;(e)第５０５０个像素;(f)第５０７５个像素;(g)第８４２５个像素;(h)第８４５０个像素;(i)第８４７５个像素 Fig敭５ Focusingresultsatdifferentpixelpositions敭 a １２２５thpixel b １７５０thpixel c １７７５thpixel d ５０２５thpixel e ５０５０thpixel f ５０７５thpixel g ８４２５thpixel h ８４５０thpixel i ８４７５thpixel 图６ 多点聚焦结果.(a)第１２２５个像素和第８４７５个像素聚焦位置的两点聚焦结果; (b)第１２２５个像素和第２０２５个像素的聚焦位置的两点聚焦结果;(c)图６(b)中虚线位置的光强剖面图 Fig敭６ ResultsofmultiＧpointfocusing敭 a TwoＧpointfocusingat１２２５thand８４７５thpixel b twoＧpointfocusing at１２２５thand２０２５thpixel c intensityprofileofdashlineinFig敭６ b 强分配相关,也 是 后 续 需 要 解 决 的 问 题.需 要 注 意 的是,DMD 高 刷 新 频 率 的 特 性 能 使 相 机 在 合 理 的 时间内采集更多的 图 像,而 本 文 已 经 证 实 随 着 采 集 数目的增加,聚焦点增强因子也线性增加,这能够弥 补纯振幅调制增 强 因 子 较 低 的 缺 点.可 见,本 文 提 法有望用于透过散 射 介 质 的 扫 描 聚 焦,这 对 研 究 散 射介质特性以及生物成像具有重要意义. 出的这种基于贝叶斯理论的二值化传输矩阵测量方 参 考 文 献 １ 　VellekoopIM LagendijkA MoskAP敭Exploiting disorderforperfectfocusing J 敭NaturePhotonics ２０１０ ４ ５ ３２０Ｇ３２２敭 ２ 　Vellekoop I M Mosk A P敭 Universal optimal 从而获得二值化的传输矩阵.最后通过设立概率阈 值得到 对 应 于 某 一 聚 焦 位 置 的 DMD 输 入 图 案,在 DMD 上加载该输入图案就 可 以 让 光 透 过 该 散 射 介 质在其指定聚焦位置处聚焦.本文方法从数据采集 完成到求出DMD 输入图案的时间为０．０８s,在采样 数目减少了１/３ 的 前 提 下,增 强 比 可 达 到５５％,比 传统的三步相移法 所 能 达 到 的 最 大 增 强 比 大１２ 个 百分点.但值得注 意 的 是,本 文 采 取 的 振 幅 调 制 方 式所能达到的最大增强因子会比纯相位型的低π２/ ２[２２].同时,该方 法 还 能 通 过 对 两 幅 单 点 聚 焦 输 入 图进行“与”运算,在成像面实现多点聚焦,在相隔仅 为１００μm 的情 况 下 依 旧 具 备 良 好 的 分 辨 能 力,但 存在一处聚焦点光 强 较 强、另 一 处 聚 焦 点 较 弱 的 现 象,这与算法中仅考 虑 聚 焦 位 置 而 未 考 虑 聚 焦 点 光 ０２０７０３８Ｇ６
    中　　　国　　　激　　　光 transmissionoflightthroughdisorderedmaterials J 敭 PhysicalReviewLetters ２００８ １０１ １２ １２０６０１敭 ３ 　CuiM敭Parallelwavefrontoptimization methodfor focusinglightthroughrandomscatteringmedia J 敭 OpticsLetters ２０１１ ３６ ６ ８７０Ｇ８７２敭 ４ 　Kim M Choi W Choi Y etal敭Transmission matrixofascatteringmediumanditsapplicationsin biophotonics J 敭OpticsExpress ２０１５ ２３ １０ １２６４８Ｇ１２６６８敭 ５ 　HuangH L ChenZY SunCZ etal敭Focusing laserbeamsthroughopaquescattering media J 敭 ChineseJournalofLasers ２０１５ ４２ ６ ３０Ｇ３５敭 　　　黄惠玲 陈子阳 孙存志 等敭激 光 光 束 经 过 不 透 明 散射介质 的 聚 焦 J 敭中 国 激 光 ２０１５ ４２ ６ ３０Ｇ ３５敭 ６ 　ZhaoQ ShiX GongW etal敭LargefieldＧofＧview and deep tissue optical microＧimaging based on parallelwavefrontcorrectionalgorithm J 敭Chinese JournalofLasers ２０１８ ４５ １２ １２０７００１敭 　　　赵琪 石鑫 龚薇 等敭基于并行 波 前 校 正 算 法 的 大 视场深穿透光 学 显 微 成 像 J 敭中 国 激 光 ２０１８ ４５ １２ １２０７００１敭 ７ 　Cheng Y Huang D J Fan W敭Beam shaping capabilityofamplitudespatiallight modulatorby electricaladdressing J 敭ChineseJournalofLasers ２０１７ ４４ ４ ０４０５００１敭 　　　程煜 黄大杰 范薇敭电寻址振幅型空间光调 制 器 的 光 束 整 形 能 力 J 敭 中 国 激 光 ２０１７ ４４ ４ ０４０５００１敭 ８ 　Shain W J Vickers N A Goldberg B B etal敭 ExtendeddepthＧofＧfieldmicroscopywithahighＧspeed deformablemirror J 敭OpticsLetters ２０１７ ４２ ５ ９９５Ｇ９９８敭 ９ 　DrémeauA LiutkusA MartinaD etal敭ReferenceＧ lessmeasurementofthetransmission matrixofa highlyscattering materialusingaDMDandphase retrievaltechniques J 敭OpticsExpress ２０１５ ２３ ９ １１８９８Ｇ１１９１１敭 １０ 　VellekoopIM MoskAP敭Focusingcoherentlight throughopaquestronglyscatteringmedia J 敭Optics Letters ２００７ ３２ １６ ２３０９Ｇ２３１１敭 １１ 　PopoffS M Lerosey G Carminati R et al敭 Measuringthetransmission matrixin optics an approachtothestudyandcontroloflightpropagation indisordered media J 敭PhysicalReview Letters ２０１０ １０４ １０ １００６０１敭 １２ 　ConkeyDB BrownAN CaravacaＧAguirreA M et al敭 Genetic algorithm optimization for focusing throughturbid mediain noisyenvironments J 敭 OpticsExpress ２０１２ ２０ ５ ４８４０Ｇ４８４９敭 １３ 　ZhangXL KnerP敭Binarywavefrontoptimization usingageneticalgorithm J 敭Journalof Optics ２０１４ １６ １２ １２５７０４敭 １４ 　ZhaoGZ GengY ChenH etal敭A methodfor focusingandscanninglightthroughmultimodefiber basedonbinaryamplitudemodulationDMDtechnique J 敭ActaOpticaSinica ２０１８ ３８ ９ ０９１１００４敭 　　　赵广智 耿燚 陈 慧 等敭一 种 基 于 DMD 二 值 振 幅 调制的多模光纤出射光斑 聚 焦 扫 描 技 术 J 敭光 学 学 报 ２０１８ ３８ ９ ０９１１００４敭 １５ 　SunXY WangJN LiW etal敭Dynamictarget imagingthroughscattering mediabasedonoptical transmissionmatrix J 敭ChineseJournalofLasers ２０１８ ４５ １２ １２０５００１敭 　　　孙雪莹 王剑南 李伟 等敭基于 光 学 传 输 矩 阵 实 现 透过散射介质的动态目标成像 J 敭中国激 光 ２０１８ ４５ １２ １２０５００１敭 １６ 　ZhaoM ZhaoMJ SunC W etal敭Measurement and light focusing by transmission matrices of scatteringmediabasedonphaseＧonlymodulation J 敭 ActaOpticaSinica ２０１８ ３８ １ ０１２９００１敭 　　　赵明 赵美晶 孙程伟 等敭基于 纯 相 位 调 制 的 散 射 介质传输矩阵测量与光波聚焦 J 敭光学学 报 ２０１８ ３８ １ ０１２９００１敭 １７ 　YoonJ LeeK ParkJ etal敭Measuringoptical transmission matrices by wavefrontshaping J 敭 OpticsExpress ２０１５ ２３ ８ １０１５８Ｇ１０１６７敭 １８ 　JangJ Lim J Yu H etal敭Complex wavefront shapingforoptimaldepthＧselectivefocusinginoptical coherencetomography J 敭OpticsExpress ２０１３ ２１ ３ ２８９０Ｇ２９０２敭 １９ 　SiK FiolkaR CuiM敭Fluorescenceimagingbeyond theballisticregimebyultrasoundＧpulseＧguideddigital phaseconjugation J 敭NaturePhotonics ２０１２ ６ １０ ６５７Ｇ６６１敭 ２０ 　ZhaoTR DengL WangW etal敭Bayes′theoremＧ based binary algorithm for fast referenceＧless calibrationofamultimodefiber J 敭OpticsExpress ２０１８ ２６ １６ ２０３６８Ｇ２０３７８敭 ２１ 　AkbulutD HuismanTJ vanPuttenE G etal敭 Focusinglightthroughrandom photonic mediaby binaryamplitude modulation J 敭OpticsExpress ２０１１ １９ ５ ４０１７Ｇ４０２９敭 ２２ 　VellekoopI M敭FeedbackＧbased wavefrontshaping J 敭OpticsExpress ２０１５ ２３ ９ １２１８９Ｇ１２２０６敭 ２３ 　WangJN LiW LiuJT etal敭Measuringoptical transmissionmatrixbasedonthreestepsphaseshift interferometryandfocusing J 敭ChineseJournalof Lasers ２０１８ ４５ ８ ０８０４００７敭 　　　王剑南 李伟 刘杰涛 等敭基于 三 步 相 移 干 涉 法 的 光学传输矩阵 测 量 与 聚 焦 J 敭中 国 激 光 ２０１８ ４５ ８ ０８０４００７敭 ０２０７０３８Ｇ７
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