[发明专利]一种光通过散射介质聚焦的单元裂解调制方法

说明书

技术领域

本发明涉及生物成像领域，一种光通过散射介质聚焦的单元裂解调制方法。

背景技术

脑成像技术是生物医学领域一项非常重要的技术，其广泛应用于医学临床实践，对确定受疾病影响的定位、诊断人脑内部的疾病起着十分关键的作用.现有的脑成像方法主要有脑电图、脑磁图、核磁共振成像、光学散射成像。脑电图是将人脑的自发性生物电位放大记录获得的图像，是检测大脑疾病的一种有效方法；脑磁图是通过测量颅脑中极微弱的脑磁波并且记录下来，能够准确诊断多种疾病；核磁共振成像方法利用核磁共振原理对人体采集信号并给出二维或三维图像，具有无损伤的特点。光学散射成像方法由于具有安全、高分辨率以及简单易行的优点，在近年来得到了广泛的应用。但是，由于光学信号其在生物组织中会被严重散射，会使得入射光的波前在经过散射介质之后破坏，在散射介质后面接收到的是一系列的散斑，难以实现对散射介质进行聚焦，从而不能实现成像。为此，近年来人们提出了许多聚焦通过散射介质的相干光的方法，例如共聚焦显微镜法、自适应光学法、空间光调制器法等。其中，利用空间光调制器的方法由于SLM操作的灵活性，在近年来得到长足发展和创新。利用SLM成像的方法包括荧光成像、相位共轭、逐个调节、随机分区调节、透射矩阵方法等。荧光成像方法是在散射介质当中嵌入荧光物质，利用短波长的入射光激发荧光，然后利用SLM对波前的调制作用，可以在介质后面成像。相位共轭方法将散射介质看作一个对入射平面光波进行相位改变的物体，利用SLM对透射光波做相位共轭调制，使得经过SLM反射的光波再次透过介质之后成像。逐个调节方法是对SLM的每一个像素依次从0到2π循环，最后把所有SLM像素设置成为目标处最大光强对应的相位值。这种方法简单明了，容易理解，在操作上也容易实现，取得了良好的效果，但不足之处在于需要多次迭代，所需时间长，信噪比弱，从而对于液体等动态介质不易实现。随机分区调节方法是将SLM随机选出一半数量的单元，统一进行0到2π循环，然后经过多次迭代，最终实现聚焦。这种方法的收敛速度比逐个调节算法快，信噪比也较高，但是由于是随机选择相位调制区域，其收敛方向具有随机性和不确定性。透射矩阵方法是找出散射介质对应的透射矩阵，把光场透过经过介质散射的过程看作一个线性变换过程，入射光场和透射光场之间通过透射矩阵联系起来。此方法能够实现在接收平面任意点聚焦，并且可以产生多个聚焦点。

以上这些模型都能一定程度上实现对通过散射介质的相干光聚焦，都有各自的优缺点，在本发明中提出了另一种调制方式，使得调制的收敛速度快、信噪比高、耗时短。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供一种收敛速度更快、信噪比更高、耗时更短的调制方法，使光通过散射介质后形成聚焦。

本发明采用的技术方案如下：包括最佳相位寻找的步骤和四元裂解方法调制步骤。

其中，最佳相位寻找的步骤为在空间光调制器上进行0~2π的相位变化，对入射平面波进行相位调制，用CCD接收相应的散斑图，计算聚焦处的光强大小，并进行比较，保存最大光强对应的相位值；

四元裂解方法调制步骤包括：每一个单元寻找其使得输出聚焦处强度最大的相位（最优相位），然后将这些单元顺序等分成四份，每个小单元在继承之前的优化相位的同时继续寻找更优的相位分布，依此类推，可将单元细分、优化到更小的单元，甚至空间光调制器的像素。

最佳相位寻找的步骤进一步包括：

步骤A1：使空间光调制器上的独立单元进行0~2π的相位变化，用CCD接收最后的实验结果图；

步骤A2：计算每张实验结果图中聚焦区域的光强大小，比较这些光强值，找出最大光强对应的相位值；

步骤A3：保存最佳相位值，加载到空间光调制器上。

四元裂解方法调制步骤进一步包括：

步骤A1：把空间光调制器的整个区域分为4个独立单元，对每个单元依次进行0~2π的相位变化，同时保持其他单元的相位调制为0，找到每个单元的最佳相位，得到了这一层的最佳相位分布，称这一层为父层；

步骤A2：把父层中的每个单元等分成四份，每一小单元称为子层，首先使子层中的各单元继承父层的相位，同时使子层中的每个单元进行相位变化；当子层中某一个单元寻找到最佳相位后，随后进行下个子单元的最佳相位的寻找，同时把已寻找过的子单元赋值为最佳相位；这样就找到了四分后子层中每个单元的最佳相位分布；

步骤A3：利用同样的方法把各个子单元等分成四份，得到孙层单元，寻找最佳相位分布；依此类推，可将单元细分、优化直至重孙单元直至空间光调制器的像素大小。