[发明专利]一种传输矩阵测量方法及系统

说明书

本发明属于光场调控技术领域，更具体地，涉及一种传输矩阵测量方法及系统，所述方法包括利用随机概率密度函数分布生成探测矩阵，并预加载到空间光调制器；激光器发出连续的成像光源，成像光源经第一立方体偏振分束器分束后，得到的部分成像光源经空间光调制器的探测矩阵进行随机概率相位整形后输入散射介质；空间光探测器捕捉经散射介质输出的成像光源，探测得到光强空间分布数组并转换为电信号输入至信号采集处理系统；信号采集处理系统根据探测矩阵与光强空间分布数组构建非线性模型，随后构建关于非线性模型的损失函数模型，迭代逼近损失函数模型的全局最优解，得到待测传输矩阵。本发明可大幅度减少测量次数，计算较为简单，测量速度较高。

技术领域

本发明属于光场调控技术领域，更具体地，涉及一种传输矩阵测量方法及系统。

背景技术

成像本质是将待测样品一一对应的空间信息获取下来进行图像重构，其中光学成像有着高分辨率、高对比度、非侵入式以及无伤害的特点，其应用场景较广泛。而光学成像过程中，会不可避免的在成像前后经过一些复杂介质或系统(如远距离穿云透雾或穿透生物厚组织)，产生各种吸收、折射、衍射或散射的情况，从而破坏成像所以来的一一对应关系，扰乱光学成像的信息，以至于成像失真甚至劣化成无法分辨的散斑。此现象可通过光场调控技术解决，光场调控即通过改变入射光的波前分布情况，从而改变它经过复杂系统的传输路径，实现扰乱的预补偿以及畸变恢复。

目前，光场调控技术有三种类别，即基于反馈的波前整形技术、基于传输矩阵测量的波前整形技术以及基于时间反演测量的波前整形技术。其中，基于反馈的波前整形技术需要在整个过程中不断跟踪，实现过于缓慢，且最终只能得到想要的波前控制分布而无法对复杂系统进行深入研究；基于时间反演测量的波前整形技术整体系统搭建复杂，只能得到散射畸变前的波前分布而无法对复杂系统进行深入研究；而基于矩阵测量的波前整形技术可以深入了解并把控散射介质，得到散射畸变扰乱后的一一对应关系，也就是传输矩阵，测量出传输矩阵后，可在测量后端实现成像解码或者任意光产场分布。

目前，对于相干光学成像，处理振幅之外还着重于对相位进行图像重构或操控，相位信息不仅广泛应用于表面扫描、适应性光学、超快光学等领域上，在生物医药成像领域中也有重大意义。然而，光学固有的超高速震荡(可达上千太赫兹)远远超过目前商业应用中最高的测量带框，使目前的信号直接测量获取振幅分布难以实现。而传统的传输矩阵测量需要通过空间光调制器进行输入端的波前调制，并记录对应输出端的光场分布，从而求解出光学复杂系统中一一对应的相干光线性响应关系。其中，在输出端的光场测量，都需要引入而外的干涉壁进行拍频相干，从而恢复直接检测所不能恢复的相位。复振幅光场的测量，则需要运用相位调制中的三步相移、四步相移等进行计算获取，这样的系统会较为复杂，会大大增加测量耗时，重建速度难以提升，并且都不可避免地依赖额外的相干光的引入，这对于一些无法引用外部干涉路的系统，如活体组织内窥镜、长距离光纤传输系统等都无法获得广泛应用；而若去除外部干涉臂，使用共轴干涉光进行探测，则会由于牺牲部分传输模式而难以对完整的传输矩阵进行准确测量，这在一些模式数有限的少模光纤中更为严重。

为解决上述技术问题，现有技术中通过无外部全息相干的直接检测来对完整的传输矩阵进行预估，其不需要外部干涉臂，仅仅依靠内部复杂系统中的模式串扰的自相干关系，即可从中恢复出完整的传输矩阵。但是直接检测会丢失相位信息，其响应关系会从线性响应关系变为复杂的非线性系统，此时一般通过建立该非线性系统转化为准凸优化的模型，运用解凸优化问题的思想进行迭代预估。在信息量的角度上，如果需要完整重建自由度具有N个通道的传输矩阵，由于光场复振幅的振幅与相位信息，一般需要2N个未知信息的获取。因此实际所构建的输入输出关系当中，理论极限需要2N个独立的方程关系才可以进行求解。而由于非线性的存在，使得输入与输出关系需要更多次不同的测量来对整体关系进行迭代评估，一般需要远大于2N个独立的测量关系。测量次数的提升以及沉重的计算负担，大大降低了传输矩阵的测量速度，难以跟踪复杂系统随时间变化的速度，另外，低效率的计算迭代需要更高的计算空间，因此也无法对较大的传输矩阵进行恢复。

发明内容