本發(fā)明涉及生物成像領(lǐng)域，一種光通過散射介質(zhì)聚焦的單元裂解調(diào)制方法。

背景技術(shù)：

腦成像技術(shù)是生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域一項(xiàng)非常重要的技術(shù)，其廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)臨床實(shí)踐，對(duì)確定受疾病影響的定位、診斷人腦內(nèi)部的疾病起著十分關(guān)鍵的作用.現(xiàn)有的腦成像方法主要有腦電圖、腦磁圖、核磁共振成像、光學(xué)散射成像。腦電圖是將人腦的自發(fā)性生物電位放大記錄獲得的圖像，是檢測(cè)大腦疾病的一種有效方法；腦磁圖是通過測(cè)量顱腦中極微弱的腦磁波并且記錄下來，能夠準(zhǔn)確診斷多種疾??；核磁共振成像方法利用核磁共振原理對(duì)人體采集信號(hào)并給出二維或三維圖像，具有無損傷的特點(diǎn)。光學(xué)散射成像方法由于具有安全、高分辨率以及簡(jiǎn)單易行的優(yōu)點(diǎn)，在近年來得到了廣泛的應(yīng)用。但是，由于光學(xué)信號(hào)其在生物組織中會(huì)被嚴(yán)重散射，會(huì)使得入射光的波前在經(jīng)過散射介質(zhì)之后破壞，在散射介質(zhì)后面接收到的是一系列的散斑，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)散射介質(zhì)進(jìn)行聚焦，從而不能實(shí)現(xiàn)成像。為此，近年來人們提出了許多聚焦通過散射介質(zhì)的相干光的方法，例如共聚焦顯微鏡法、自適應(yīng)光學(xué)法、空間光調(diào)制器法等。其中，利用空間光調(diào)制器的方法由于SLM操作的靈活性，在近年來得到長(zhǎng)足發(fā)展和創(chuàng)新。利用SLM成像的方法包括熒光成像、相位共軛、逐個(gè)調(diào)節(jié)、隨機(jī)分區(qū)調(diào)節(jié)、透射矩陣方法等。熒光成像方法是在散射介質(zhì)當(dāng)中嵌入熒光物質(zhì)，利用短波長(zhǎng)的入射光激發(fā)熒光，然后利用SLM對(duì)波前的調(diào)制作用，可以在介質(zhì)后面成像。相位共軛方法將散射介質(zhì)看作一個(gè)對(duì)入射平面光波進(jìn)行相位改變的物體，利用SLM對(duì)透射光波做相位共軛調(diào)制，使得經(jīng)過SLM反射的光波再次透過介質(zhì)之后成像。逐個(gè)調(diào)節(jié)方法是對(duì)SLM的每一個(gè)像素依次從0到2π循環(huán)，最后把所有SLM像素設(shè)置成為目標(biāo)處最大光強(qiáng)對(duì)應(yīng)的相位值。這種方法簡(jiǎn)單明了，容易理解，在操作上也容易實(shí)現(xiàn)，取得了良好的效果，但不足之處在于需要多次迭代，所需時(shí)間長(zhǎng)，信噪比弱，從而對(duì)于液體等動(dòng)態(tài)介質(zhì)不易實(shí)現(xiàn)。隨機(jī)分區(qū)調(diào)節(jié)方法是將SLM隨機(jī)選出一半數(shù)量的單元，統(tǒng)一進(jìn)行0到2π循環(huán)，然后經(jīng)過多次迭代，最終實(shí)現(xiàn)聚焦。這種方法的收斂速度比逐個(gè)調(diào)節(jié)算法快，信噪比也較高，但是由于是隨機(jī)選擇相位調(diào)制區(qū)域，其收斂方向具有隨機(jī)性和不確定性。透射矩陣方法是找出散射介質(zhì)對(duì)應(yīng)的透射矩陣，把光場(chǎng)透過經(jīng)過介質(zhì)散射的過程看作一個(gè)線性變換過程，入射光場(chǎng)和透射光場(chǎng)之間通過透射矩陣聯(lián)系起來。此方法能夠?qū)崿F(xiàn)在接收平面任意點(diǎn)聚焦，并且可以產(chǎn)生多個(gè)聚焦點(diǎn)。

以上這些模型都能一定程度上實(shí)現(xiàn)對(duì)通過散射介質(zhì)的相干光聚焦，都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，在本發(fā)明中提出了另一種調(diào)制方式，使得調(diào)制的收斂速度快、信噪比高、耗時(shí)短。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：針對(duì)上述存在的問題，提供一種收斂速度更快、信噪比更高、耗時(shí)更短的調(diào)制方法，使光通過散射介質(zhì)后形成聚焦。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：包括最佳相位尋找的步驟和四元裂解方法調(diào)制步驟。

其中，最佳相位尋找的步驟為在空間光調(diào)制器上進(jìn)行0~2π的相位變化，對(duì)入射平面波進(jìn)行相位調(diào)制，用CCD接收相應(yīng)的散斑圖，計(jì)算聚焦處的光強(qiáng)大小，并進(jìn)行比較，保存最大光強(qiáng)對(duì)應(yīng)的相位值；

四元裂解方法調(diào)制步驟包括：每一個(gè)單元尋找其使得輸出聚焦處強(qiáng)度最大的相位（最優(yōu)相位），然后將這些單元順序等分成四份，每個(gè)小單元在繼承之前的優(yōu)化相位的同時(shí)繼續(xù)尋找更優(yōu)的相位分布，依此類推，可將單元細(xì)分、優(yōu)化到更小的單元，甚至空間光調(diào)制器的像素。

最佳相位尋找的步驟進(jìn)一步包括：

步驟A1：使空間光調(diào)制器上的獨(dú)立單元進(jìn)行0~2π的相位變化，用CCD接收最后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖；

步驟A2：計(jì)算每張實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖中聚焦區(qū)域的光強(qiáng)大小，比較這些光強(qiáng)值，找出最大光強(qiáng)對(duì)應(yīng)的相位值；

步驟A3：保存最佳相位值，加載到空間光調(diào)制器上。

四元裂解方法調(diào)制步驟進(jìn)一步包括：

步驟A1：把空間光調(diào)制器的整個(gè)區(qū)域分為4個(gè)獨(dú)立單元，對(duì)每個(gè)單元依次進(jìn)行0~2π的相位變化，同時(shí)保持其他單元的相位調(diào)制為0，找到每個(gè)單元的最佳相位，得到了這一層的最佳相位分布，稱這一層為父層；

步驟A2：把父層中的每個(gè)單元等分成四份，每一小單元稱為子層，首先使子層中的各單元繼承父層的相位，同時(shí)使子層中的每個(gè)單元進(jìn)行相位變化；當(dāng)子層中某一個(gè)單元尋找到最佳相位后，隨后進(jìn)行下個(gè)子單元的最佳相位的尋找，同時(shí)把已尋找過的子單元賦值為最佳相位；這樣就找到了四分后子層中每個(gè)單元的最佳相位分布；

步驟A3：利用同樣的方法把各個(gè)子單元等分成四份，得到孫層單元，尋找最佳相位分布；依此類推，可將單元細(xì)分、優(yōu)化直至重孫單元直至空間光調(diào)制器的像素大小。

綜上所述，由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明在原有的光通過散射介質(zhì)聚焦方法的基礎(chǔ)上，提出了另一種調(diào)制方式—四元裂解調(diào)制方法。其過程是相鋪相成的，沒有完成上一層的尋找就不能進(jìn)行下一層的尋找，且在進(jìn)行下一層的尋找中，把上一層單元都賦值為最佳相位，這樣就考慮到了被調(diào)制的單元之間的干涉作用，保證了每次的尋找都有高信噪比，尋找的最佳相位更準(zhǔn)確，聚焦效果收斂更快，不需要進(jìn)行多次迭代。經(jīng)過這樣的搜索過程，我們可以看到，隨著獨(dú)立單元的增多，目標(biāo)處的光斑是逐漸變亮，聚焦效果越來越明顯。綜上，本發(fā)明提出的聚焦方法簡(jiǎn)便有效，具有信噪比高和收斂速度快的特點(diǎn)。

附圖說明

本發(fā)明將通過例子并參照附圖的方式說明，其中：

圖1為本發(fā)明方法流程圖。

圖2為使用本發(fā)明方法前向散射實(shí)驗(yàn)光路圖。

圖3為使用本發(fā)明方法后向散射實(shí)驗(yàn)光路圖。

圖4為本發(fā)明方法中四元裂解方法的調(diào)制步驟示意圖。

圖5為本發(fā)明方法對(duì)前向散射光聚焦的結(jié)果示意圖。

圖6為本發(fā)明方法對(duì)后向散射光聚焦的結(jié)果示意圖。

圖7為本發(fā)明方法對(duì)前向散射光聚焦的結(jié)果至高像素示意圖。

圖8為本發(fā)明方法聚焦過程中目標(biāo)出增強(qiáng)倍數(shù)變化曲線。

圖9為本發(fā)明方法增強(qiáng)倍數(shù)隨單元個(gè)數(shù)變化曲線。

圖10為本發(fā)明方法各單元相互干涉的貢獻(xiàn)隨單元個(gè)數(shù)變化曲線。

圖11為本發(fā)明方法聚焦處增強(qiáng)倍數(shù)隨不同位相優(yōu)化方法變化曲線。

圖12為本發(fā)明方法各單元相互干涉的貢獻(xiàn)隨不同位相優(yōu)化方法變化曲線

圖中標(biāo)記：0為把這一塊像素的相位調(diào)制設(shè)置為0；1為把這一塊像素從0到2π循環(huán)；2為把這一塊像素的相位調(diào)制設(shè)置為上一次調(diào)節(jié)當(dāng)中的目標(biāo)處最大光強(qiáng)所對(duì)應(yīng)的相位值；3為激光器；4為平面反射鏡；5為顯微物鏡；6為凸透鏡；7為空間光調(diào)制器；8為樣品；9為CCD；10為分束鏡。 a：‘0’相位板(未調(diào)制)；a1~a4:分別把空間光調(diào)制器分為4,16，64,256個(gè)獨(dú)立單元尋找到的最佳相位板；b加‘0’相位板時(shí)，CCD接收到的散斑；b1~b4分別加載4,16,64,256的最佳相位板時(shí)，CCD接收到的散斑。

具體實(shí)施方式

本說明書中公開的所有特征，或公開的所有方法或過程中的步驟，除了互相排斥的特征和/或步驟以外，均可以以任何方式組合。

本說明書中公開的任一特征，除非特別敘述，均可被其他等效或具有類似目的的替代特征加以替換。即除非特別敘述，每個(gè)特征只是一系列等效或類似特征中的一個(gè)例子而已。

本發(fā)明的聚焦方法包括最佳相位尋找的步驟和四元裂解方法調(diào)制步驟。

更具體的，四元裂解方法是在已有的聚焦方法基礎(chǔ)上提出，本實(shí)施例中利用矩形空間光調(diào)制器，采用本發(fā)明的方法對(duì)入射光波進(jìn)行調(diào)制，分別使經(jīng)過散射介質(zhì)（毛玻璃）的前向散射光（散射光穿過毛玻璃）和后向散射光聚焦（散射光從毛玻璃表面反射）。

前向散射實(shí)驗(yàn)裝置及光路圖如附圖2所示。激光器發(fā)出的光經(jīng)過平面反射鏡、顯微物鏡和一個(gè)凸透鏡擴(kuò)束，使一束半徑很小的激光擴(kuò)束成為半徑較大的平行光，均勻地照射在空間光調(diào)制器上。光波經(jīng)過空間光調(diào)制器調(diào)制后反射，然后經(jīng)過4F系統(tǒng)濾波。經(jīng)4F系統(tǒng)出射的光波用顯微物鏡聚焦到樣品上，經(jīng)樣品散射，然后用另一顯微物鏡將散射光成像到CCD接收平面上，將CCD接收到的信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)，即可從計(jì)算機(jī)讀出空間光調(diào)制器的調(diào)制效果。

后向散射實(shí)驗(yàn)裝置及光路圖如附圖3所示，與前向散射不同的是利用顯微物鏡和一個(gè)透鏡，收集由樣品表面反射的散射光，經(jīng)過分光棱鏡，成像到CCD解接收平面。

如附圖4所示，為四元裂解的具體調(diào)制過程。首先把空間光調(diào)制器分為4個(gè)獨(dú)立單元，對(duì)每個(gè)單元先后進(jìn)行0~2π的相位變化，同時(shí)保持其他單元的相位為0（不進(jìn)行相位變化），找到每個(gè)單元的最佳相位了，我們得到了這一層的最佳相位分布，且稱這一層為父層。隨后，把第父層中的4個(gè)單元進(jìn)行依次順序四分，先把父層中左上角分為4個(gè)更小的區(qū)域，稱為子層，同樣也使子層中的每個(gè)區(qū)域進(jìn)行相位變化，同時(shí)使子層中的其他區(qū)域繼承父層的相位，父層中的其他區(qū)域賦值為父層的最佳相位。當(dāng)子層中其中一個(gè)單元尋找到最佳相位后，隨后進(jìn)行下個(gè)子單元的最佳相位的尋找，同時(shí)把已尋找過的子單元賦值為最佳相位。隨后，再對(duì)父層中右上角進(jìn)行細(xì)分，同樣令子層中的每個(gè)區(qū)域都先后進(jìn)行相位變化，同時(shí)把父層和左上角被細(xì)分后的子層區(qū)域賦值為最佳相位。按照同樣的方法，對(duì)父層中的左下角，右下角進(jìn)行細(xì)分，這樣就找到了細(xì)分后子層中每個(gè)小區(qū)域的最佳相位，最終就得到了子層的相位分布圖—有16個(gè)獨(dú)立單元，且每個(gè)單元都賦值為最佳相位。然后，利用同樣的方法把這16個(gè)獨(dú)立的單元進(jìn)一步細(xì)分，得到四個(gè)孫層單元。依此類推，可將單元細(xì)分、優(yōu)化直至重孫單元直至SLM的像素大小。

由光學(xué)全息理論，對(duì)于空間光調(diào)制器的個(gè)獨(dú)立控制單元，當(dāng)設(shè)置個(gè)單元為最大光強(qiáng)對(duì)應(yīng)的相位時(shí)，接收面的光強(qiáng)

其中為正在調(diào)節(jié)的空間光調(diào)制器單元對(duì)應(yīng)光波的振幅，為此光波的相位，為設(shè)置為最大光波的振幅，為對(duì)應(yīng)的相位。上式當(dāng)中的第三項(xiàng)求和符號(hào)里面的內(nèi)容，即包含了正在調(diào)節(jié)的光與其余光波的干涉信息，當(dāng)k值越大，即設(shè)置的空間光調(diào)制器單元為最大光強(qiáng)的個(gè)數(shù)越多，考慮干涉效應(yīng)越強(qiáng)，調(diào)制的效果越好。

在實(shí)驗(yàn)中，首先把空間光調(diào)制制器上的1920x1080個(gè)像素分別分為2x2、4x4、8x8、16x16個(gè)獨(dú)立單元進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，附圖5為前向散射聚焦結(jié)果，附圖6為后向散射聚焦結(jié)果。因?yàn)槭褂玫氖羌兿辔豢臻g光調(diào)制器，獨(dú)立單元上灰度變化，對(duì)應(yīng)著相位變化，因此相位0~2π的變化對(duì)應(yīng)著灰度0~255的變化。并且把灰度0~255分為8份（也就意味著把相位0~2π分為8份）分別尋找到它們的最佳相位板，如附圖5，6中的a1~a4所示。若加載如圖a的‘0’相位板，那么CCD接受的是一系列散斑，不會(huì)有聚焦現(xiàn)象，如附圖5，6圖中的b所示。分別把尋找到的最佳相位板加載到空間光調(diào)制器上，加載相位板后，目標(biāo)處出現(xiàn)明顯的聚焦現(xiàn)象，并且隨著單元數(shù)量的增加，聚焦效果越來越明顯，如附圖5，6中的b1~b4所示。隨后在前向散射實(shí)驗(yàn)中，對(duì)空間光調(diào)制器上的像素單元進(jìn)一步細(xì)分，分別分為32x32、64x64個(gè)獨(dú)立單元進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，如附圖7為其實(shí)驗(yàn)結(jié)果，同樣觀察到了明顯的聚焦效果。

為了定量地比較觀察增強(qiáng)效果，我們測(cè)量了增強(qiáng)倍數(shù)（空間光調(diào)制器上加載最佳相位板時(shí)目標(biāo)處的光強(qiáng)與沒加相位板時(shí)目標(biāo)處的光強(qiáng)的比值），在前向散射實(shí)驗(yàn)中分別求出把空間光調(diào)制器分為2x2、4x4、8x8、16x16，進(jìn)行了三次實(shí)驗(yàn)，繪制曲線圖如附圖8所示。再把把空間光調(diào)制器分為32x32、64x64個(gè)獨(dú)立單元進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，計(jì)算增強(qiáng)倍數(shù)，繪制曲線圖如附圖9所示。

附圖10為對(duì)應(yīng)圖7中64x64聚焦過程中目標(biāo)區(qū)域的增強(qiáng)倍數(shù)隨測(cè)量時(shí)間變化的曲線圖。從圖10中可以看到，隨著聚焦次數(shù)的增加，增強(qiáng)倍數(shù)不斷上升，但是由于激光器穩(wěn)定性以及環(huán)境的擾動(dòng)等噪聲因素的影響，局部略有下降。

按本發(fā)明方法分別進(jìn)行四次聚焦，做出增強(qiáng)曲線圖，對(duì)所有實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行歸一化處理，然后4次實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行平均，得到的數(shù)據(jù)作出函數(shù)關(guān)系圖如圖11所示. 圖中的誤差線為均方差的計(jì)算結(jié)果. 其中橫坐標(biāo)的數(shù)字對(duì)應(yīng)于考慮不同的數(shù)量的單元之間進(jìn)行干涉. 數(shù)字1代表初始未經(jīng)相位優(yōu)化的情形；數(shù)字2～6分別為2x2單元以0個(gè)，1個(gè)，2個(gè)，3個(gè)單元設(shè)置為亮點(diǎn)進(jìn)行相位優(yōu)化的結(jié)果；數(shù)字7～10分別為4x4單元以1個(gè)，2個(gè)，3個(gè)單元設(shè)置為亮點(diǎn)進(jìn)行相位優(yōu)化的結(jié)果；數(shù)字11～13分別為8x8單元以1個(gè)，2個(gè)，3個(gè)單元設(shè)置為亮點(diǎn)進(jìn)行相位優(yōu)化的結(jié)果。

從圖11中可以清晰地看到，當(dāng)SLM單元個(gè)數(shù)相同時(shí)，兩個(gè)設(shè)置為最亮的增強(qiáng)倍數(shù)大于一個(gè)設(shè)置為最亮的增強(qiáng)倍數(shù)，三個(gè)設(shè)置為最亮的增強(qiáng)倍數(shù)大于兩個(gè)設(shè)置為最亮的增強(qiáng)倍數(shù). 當(dāng)SLM單元個(gè)數(shù)不同時(shí)，SLM單元個(gè)數(shù)越多，增強(qiáng)倍數(shù)越大.所以，考慮干涉效應(yīng)越強(qiáng)烈，目標(biāo)處的聚焦效果越好.

利用每一次優(yōu)化相位板的相位值，計(jì)算干涉的貢獻(xiàn)，作圖如圖12所示。其中橫坐標(biāo)的實(shí)驗(yàn)方式與圖11中的實(shí)驗(yàn)方式一一對(duì)應(yīng)，并且除去起始時(shí)的情形?？v坐標(biāo)代表相互作用的貢獻(xiàn)，并且都進(jìn)行歸一化的結(jié)果。從圖中不難發(fā)現(xiàn)，設(shè)置的SLM為最大光強(qiáng)的單元越多，干涉效應(yīng)越強(qiáng)。分析干涉全息公式可知，SLM單元從k-1個(gè)增加到k個(gè)時(shí)，公式右邊將增加2k個(gè)干涉項(xiàng)。并且還可以發(fā)現(xiàn)，增加SLM單元個(gè)數(shù)時(shí)，干涉貢獻(xiàn)有一個(gè)明顯的跳躍。因?yàn)閷LM單元數(shù)四單元分裂時(shí)，單元數(shù)增加4倍，公式中求和符號(hào)里面的項(xiàng)數(shù)增加8k項(xiàng)。

本發(fā)明并不局限于前述的具體實(shí)施方式。本發(fā)明擴(kuò)展到任何在本說明書中披露的新特征或任何新的組合，以及披露的任一新的方法或過程的步驟或任何新的組合。