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)學領(lǐng)域一項非常重要的技術(shù)，其廣泛應用于醫(yī)學臨床實踐，對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，是檢測大腦疾病的一種有效方法；腦磁圖是通過測量顱腦中極微弱的腦磁波并且記錄下來，能夠準確診斷多種疾??；核磁共振成像方法利用核磁共振原理對人體采集信號并給出二維或三維圖像，具有無損傷的特點。光學散射成像方法由于具有安全、高分辨率以及簡單易行的優(yōu)點，在近年來得到了廣泛的應用。但是，由于光學信號其在生物組織中會被嚴重散射，會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，難以實現(xiàn)對散射介質(zhì)進行聚焦，從而不能實現(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、自適應光學法、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、逐個調(diào)節(jié)、隨機分區(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)當中嵌入熒光物質(zhì)，利用短波長的入射光激發(fā)熒光，然后利用SLM對波前的調(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)看作一個對入射平面光波進行相位改變的物體，利用SLM對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。逐個調(diào)節(jié)方法是對SLM的每一個像素依次從0到2π循環(huán)，最后把所有SLM像素設置成為目標處最大光強對應的相位值。這種方法簡單明了，容易理解，在操作上也容易實現(xiàn)，取得了良好的效果，但不足之處在于需要多次迭代，所需時間長，信噪比弱，從而對于液體等動態(tài)介質(zhì)不易實現(xiàn)。隨機分區(qū)調(diào)節(jié)方法是將SLM隨機選出一半數(shù)量的單元，統(tǒng)一進行0到2π循環(huán)，然后經(jīng)過多次迭代，最終實現(xiàn)聚焦。這種方法的收斂速度比逐個調(diào)節(jié)算法快，信噪比也較高，但是由于是隨機選擇相位調(diào)制區(qū)域，其收斂方向具有隨機性和不確定性。透射矩陣方法是找出散射介質(zhì)對應的透射矩陣，把光場透過經(jīng)過介質(zhì)散射的過程看作一個線性變換過程，入射光場和透射光場之間通過透射矩陣聯(lián)系起來。此方法能夠?qū)崿F(xiàn)在接收平面任意點聚焦，并且可以產(chǎn)生多個聚焦點。

以上這些模型都能一定程度上實現(xiàn)對通過散射介質(zhì)的相干光聚焦，都有各自的優(yōu)缺點，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、耗時短。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：針對上述存在的問題，提供一種收斂速度更快、信噪比更高、耗時更短的調(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)制器上進行0~2π的相位變化，對入射平面波進行相位調(diào)制，用CCD接收相應的散斑圖，計算聚焦處的光強大小，并進行比較，保存最大光強對應的相位值；

四元裂解方法調(diào)制步驟包括：每一個單元尋找其使得輸出聚焦處強度最大的相位（最優(yōu)相位），然后將這些單元順序等分成四份，每個小單元在繼承之前的優(yōu)化相位的同時繼續(xù)尋找更優(yōu)的相位分布，依此類推，可將單元細分、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一步包括：

步驟A1：使空間光調(diào)制器上的獨立單元進行0~2π的相位變化，用CCD接收最后的實驗結(jié)果圖；

步驟A2：計算每張實驗結(jié)果圖中聚焦區(qū)域的光強大小，比較這些光強值，找出最大光強對應的相位值；

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)制步驟進一步包括：

步驟A1：把空間光調(diào)制器的整個區(qū)域分為4個獨立單元，對每個單元依次進行0~2π的相位變化，同時保持其他單元的相位調(diào)制為0，找到每個單元的最佳相位，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，同時使子層中的每個單元進行相位變化；當子層中某一個單元尋找到最佳相位后，隨后進行下個子單元的最佳相位的尋找，同時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單元的最佳相位分布；

步驟A3：利用同樣的方法把各個子單元等分成四份，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行下一層的尋找，且在進行下一層的尋找中，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確，聚焦效果收斂更快，不需要進行多次迭代。經(jīng)過這樣的搜索過程，我們可以看到，隨著獨立單元的增多，目標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便有效，具有信噪比高和收斂速度快的特點。

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)明方法前向散射實驗光路圖。

圖3為使用本發(fā)明方法后向散射實驗光路圖。

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)明方法對前向散射光聚焦的結(jié)果示意圖。

圖6為本發(fā)明方法對后向散射光聚焦的結(jié)果示意圖。

圖7為本發(fā)明方法對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出增強倍數(shù)變化曲線。

圖9為本發(fā)明方法增強倍數(shù)隨單元個數(shù)變化曲線。

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

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

圖中標記：0為把這一塊像素的相位調(diào)制設置為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)制設置為上一次調(diào)節(jié)當中的目標處最大光強所對應的相位值；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個獨立單元尋找到的最佳相位板；b加‘0’相位板時，CCD接收到的散斑；b1~b4分別加載4,16,64,256的最佳相位板時，CCD接收到的散斑。

具體實施方式

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，每個特征只是一系列等效或類似特征中的一個例子而已。

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上提出，本實施例中利用矩形空間光調(diào)制器，采用本發(fā)明的方法對入射光波進行調(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）。

前向散射實驗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、顯微物鏡和一個凸透鏡擴束，使一束半徑很小的激光擴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接收到的信號輸入計算機，即可從計算機讀出空間光調(diào)制器的調(diào)制效果。

后向散射實驗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個獨立單元，對每個單元先后進行0~2π的相位變化，同時保持其他單元的相位為0（不進行相位變化），找到每個單元的最佳相位了，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個單元進行依次順序四分，先把父層中左上角分為4個更小的區(qū)域，稱為子層，同樣也使子層中的每個區(qū)域進行相位變化，同時使子層中的其他區(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。當子層中其中一個單元尋找到最佳相位后，隨后進行下個子單元的最佳相位的尋找，同時把已尋找過的子單元賦值為最佳相位。隨后，再對父層中右上角進行細分，同樣令子層中的每個區(qū)域都先后進行相位變化，同時把父層和左上角被細分后的子層區(qū)域賦值為最佳相位。按照同樣的方法，對父層中的左下角，右下角進行細分，這樣就找到了細分后子層中每個小區(qū)域的最佳相位，最終就得到了子層的相位分布圖—有16個獨立單元，且每個單元都賦值為最佳相位。然后，利用同樣的方法把這16個獨立的單元進一步細分，得到四個孫層單元。依此類推，可將單元細分、優(yōu)化直至重孫單元直至SLM的像素大小。

由光學全息理論，對于空間光調(diào)制器的個獨立控制單元，當設置個單元為最大光強對應的相位時，接收面的光強

其中為正在調(diào)節(jié)的空間光調(diào)制器單元對應光波的振幅，為此光波的相位，為設置為最大光波的振幅，為對應的相位。上式當中的第三項求和符號里面的內(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k值越大，即設置的空間光調(diào)制器單元為最大光強的個數(shù)越多，考慮干涉效應越強，調(diào)制的效果越好。

在實驗中，首先把空間光調(diào)制制器上的1920x1080個像素分別分為2x2、4x4、8x8、16x16個獨立單元進行實驗，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。因為使用的是純相位空間光調(diào)制器，獨立單元上灰度變化，對應著相位變化，因此相位0~2π的變化對應著灰度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。隨后在前向散射實驗中，對空間光調(diào)制器上的像素單元進一步細分，分別分為32x32、64x64個獨立單元進行實驗，如附圖7為其實驗結(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效果，我們測量了增強倍數(shù)（空間光調(diào)制器上加載最佳相位板時目標處的光強與沒加相位板時目標處的光強的比值），在前向散射實驗中分別求出把空間光調(diào)制器分為2x2、4x4、8x8、16x16，進行了三次實驗，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個獨立單元進行實驗，計算增強倍數(shù)，繪制曲線圖如附圖9所示。

附圖10為對應圖7中64x64聚焦過程中目標區(qū)域的增強倍數(shù)隨測量時間變化的曲線圖。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)境的擾動等噪聲因素的影響，局部略有下降。

按本發(fā)明方法分別進行四次聚焦，做出增強曲線圖，對所有實驗結(jié)果進行歸一化處理，然后4次實驗結(jié)果進行平均，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算結(jié)果. 其中橫坐標的數(shù)字對應于考慮不同的數(shù)量的單元之間進行干涉. 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，1個，2個，3個單元設置為亮點進行相位優(yōu)化的結(jié)果；數(shù)字7～10分別為4x4單元以1個，2個，3個單元設置為亮點進行相位優(yōu)化的結(jié)果；數(shù)字11～13分別為8x8單元以1個，2個，3個單元設置為亮點進行相位優(yōu)化的結(jié)果。

從圖11中可以清晰地看到，當SLM單元個數(shù)相同時，兩個設置為最亮的增強倍數(shù)大于一個設置為最亮的增強倍數(shù)，三個設置為最亮的增強倍數(shù)大于兩個設置為最亮的增強倍數(shù). 當SLM單元個數(shù)不同時，SLM單元個數(shù)越多，增強倍數(shù)越大.所以，考慮干涉效應越強烈，目標處的聚焦效果越好.

利用每一次優(yōu)化相位板的相位值，計算干涉的貢獻，作圖如圖12所示。其中橫坐標的實驗方式與圖11中的實驗方式一一對應，并且除去起始時的情形?？v坐標代表相互作用的貢獻，并且都進行歸一化的結(jié)果。從圖中不難發(fā)現(xiàn)，設置的SLM為最大光強的單元越多，干涉效應越強。分析干涉全息公式可知，SLM單元從k-1個增加到k個時，公式右邊將增加2k個干涉項。并且還可以發(fā)現(xiàn)，增加SLM單元個數(shù)時，干涉貢獻有一個明顯的跳躍。因為將SLM單元數(shù)四單元分裂時，單元數(shù)增加4倍，公式中求和符號里面的項數(shù)增加8k項。

本發(fā)明并不局限于前述的具體實施方式。本發(fā)明擴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。