CN108801982A - 一种测量半透明介质各向异性散射特性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种快速确定半透明介质各向异性散射特性的计算方法，该算法以平行光通过以半透明介质后光斑的聚焦性能作为参考，通过调整相位型空间光调制器的相位调制量实现对光斑聚焦性能的改善，直至光斑收敛至可调整范围的最小值，此时空间光调制器上所加载的相位调制数据代表了半透明介质的各项异性散射性能。本发明具有优点如下：对测量所需要的仪器设备要求简单，在处理过程中无需要复杂的算法，简化了成像步骤，克服了现有测量技术需要大型波前探测器或复制精密的机械位移装置的局限；本发明可以获取任何非透明介质的散射特性，通过简单的机械装置改造可以实现大型目标的扫描处理，在物质特性测定、医学影像等技术领域均有巨大应用潜力。

Description

一种测量半透明介质各向异性散射特性的方法

技术领域

本发明涉及光波前整形、可见光的非透明介质透视、计算光学、各向异性散射特征测量等技术领域。

背景技术

利用可见光实现非透明介质的透视成像将为医学影像学、特种侦察、物质探测、抢险救灾以及物质各向散射特征的提取等应用提供良好的技术支撑。

可见光之所以无法透过非透明介质，主要原因有两个方面：

首先是光强不足，由于非透明介质对可见光具有较强的衰减吸收或反射性能，因此透过非透明介质的光子数量或光强能力极低，无法用一般探测器或眼睛获得相应的透射响应。

其次是各向散射异性，由于非透明介质自身的结构因素将造成入射的平行光在出射后无法保持平行而变为杂散光，这些杂散光是无法利用简单的凸透镜结构进行聚焦的，而一般的光学成像***均采用凸透镜组合实现聚焦处理。

根据以上分析，只需要应对上述两个主要障碍即可实现可见光对非透明介质的透射。针对第一个障碍只需要加大入射光的功率即可实现有足够多的光子或光功率投射透射出来。针对第二个障碍则需要改变入射光的波前，使之不再是平行平面的光束而是与非透明介质各向异性散射特性相反的波前，实现与之互补，从而保证出射的光仍然可以是平行光。

本项发明则为测量非透明介质的各向异性散射特性所提出，利用空间光调制器实现对光波前的调制，通过测量弥散光斑的变化形成反馈，控制对空间光调制器的相位调整。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种测量半透明介质各向异性散射特性的方法。

根据本发明提供的一种测量半透明介质各向异性散射特性的方法，包括如下步骤：

步骤1：利用激光器，通过小孔滤波、光束准直和扩束形成等相位面的平行平面激光光束；

步骤2：将平行平面激光光束入射至空间光调制器再经由空间光调制器反射至凸透镜；

步骤3：在凸透镜焦点处放置CCD相机获取聚焦后的光斑，此时将获得聚焦效果良好的光斑；

步骤4：在凸透镜与空间光调制器之间的任意位置放置半透明介质，此时将获得一个相比于步骤3更加发散的光斑；

步骤5：对空间光调制器上的每一个像素进行相位由0～2π的调节；

步骤6：选取调节过程中光斑强度最大值时所对应的相位作为该像素的取值；

步骤7：重复步骤5和步骤6，直至遍历全部像素；

步骤8：通过对比步骤3和步骤7所得到的光斑扩散函数，可以对空间光调制器上所获得的半透明介质各向异性散射特征的精度进行评价。

优选地，所述步骤1包括：

建立一个具有一定波束宽度的平行平面激光光束，利用该平行平面激光光束作为测定半透明介质各向异性散射特征的参考光源。

优选地，所述步骤2包括：

将出射的平行平面激光束入射至空间光调制器再由空间光调制器反射至后续的光路***中。

优选地，所述步骤3包括：

利用凸透镜对没有半透明介质条件下的平行平面激光光束进行聚焦，并测定聚焦光斑的特性，将之作为后续处理的参考。

优选地，所述步骤4包括：

加载半透明介质后，由于其存在各向异性的散射特征，凸透镜的入射光不再平行，进而导致聚焦后的光斑发生弥散，如果空间光调制器可以将半透明介质的各向异性散射特征进行补偿，那么弥散的光斑将可以再次聚焦起来，形成良好的聚焦光斑。

优选地，所述步骤5、步骤6和步骤7包括：

对每个像素进行0～2π的调整，选择对应于光斑最亮时所采用的相位为最优相位，并以此方法遍历所有像素，直至全部完成像素的调优。

优选地，所述步骤8包括：

以最终获得的、在加载半透明介质条件下的光斑扩散函数作为测量质量的标志，该光斑扩散函数越接近步骤3所得到的结果，说明测量精度越高。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明提供的测量半透明介质各向异性散射特性的方法对测量所需要的仪器设备要求极为简单，只需激光源和CCD相机以及配套的计算机设备，在处理过程中无需要复杂的算法，从而简化了成像步骤，克服了现有测量技术需要大型波前探测器或复制精密的机械位移装置的局限；

2、本发明提供的测量半透明介质各向异性散射特性的方法可以获取任何非透明介质的散射特性，通过简单的机械装置改造可以实现大型目标的扫描处理，在物质特性测定、医学影像等技术领域均有巨大应用潜力。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明提供的测量半透明介质各向异性散射特性的方法的流程图；

图2为本发明提供的测量半透明介质各向异性散射特性的方法中的光路结构图。

图中：1-激光器；2-滤波小孔；3-准直扩束***；4-分光棱镜；5-空间光调制器；6-待测样本；7-凸透镜；8-CCD相机。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1和图2所示，根据本发明提供的测量半透明介质各向异性散射特性的方法，包括如下步骤：

步骤1：利用激光器1，光束依次通过滤波小孔1、准直扩束***3形成等相位面的平行平面激光光束；步骤2：将平行平面激光光束入射至空间光调制器5再经由空间光调制器5反射至凸透镜7；步骤3：在凸透镜7焦点处放置CCD相机8获取聚焦后的光斑，此时将获得聚焦效果良好的光斑；步骤4：在凸透镜7与空间光调制器5之间的任意位置放置半透明介质，此时将获得一个相比于步骤3更加发散的光斑；步骤5：对空间光调制器5上的每一个像素进行相位由0～2π的调节；步骤6：选取调节过程中光斑强度最大值时所对应的相位作为该像素的取值；步骤7：重复步骤5和步骤6，直至遍历全部像素；步骤8：通过对比步骤3和步骤7所得到的光斑扩散函数，可以对空间光调制器5上所获得的半透明介质各向异性散射特征的精度进行评价。

进一步地，所述步骤1包括：建立一个具有一定波束宽度的平行平面激光光束，利用该平行平面激光光束作为测定半透明介质各向异性散射特征的参考光源。

进一步地，所述步骤2包括：将出射的平行平面激光束入射至空间光调制器5再由空间光调制器5反射至后续的光路***中。

进一步地，所述步骤3包括：利用凸透镜7对没有半透明介质条件下的平行平面激光光束进行聚焦，并测定聚焦光斑的特性，将之作为后续处理的参考。

进一步地，所述步骤4包括：加载半透明介质后，由于其存在各向异性的散射特征，凸透镜的入射光不再平行，进而导致聚焦后的光斑发生弥散，如果空间光调制器5可以将半透明介质的各向异性散射特征进行补偿，那么弥散的光斑将可以再次聚焦起来，形成良好的聚焦光斑。

进一步地，所述步骤5、步骤6和步骤7包括：对每个像素进行0～2π的调整，选择对应于光斑最亮时所采用的相位为最优相位，并以此方法遍历所有像素，直至全部完成像素的调优。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (7)

1.一种测量半透明介质各向异性散射特性的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：利用激光器，通过小孔滤波、光束准直和扩束形成等相位面的平行平面激光光束；

步骤2：将平行平面激光光束入射至空间光调制器再经由空间光调制器反射至凸透镜；

步骤3：在凸透镜焦点处放置CCD相机获取聚焦后的光斑，此时将获得聚焦效果良好的光斑；

步骤4：在凸透镜与空间光调制器之间的任意位置放置半透明介质，此时将获得一个相比于步骤3更加发散的光斑；

步骤5：对空间光调制器上的每一个像素进行相位由0～2π的调节；

步骤6：选取调节过程中光斑强度最大值时所对应的相位作为该像素的取值；

步骤7：重复步骤5和步骤6，直至遍历全部像素；

步骤8：通过对比步骤3和步骤7所得到的光斑扩散函数，可以对空间光调制器上所获得的半透明介质各向异性散射特征的精度进行评价。

2.根据权利要求1所述的一种测量半透明介质各向异性散射特性的方法，其特征在于，所述步骤1包括：

建立一个具有一定波束宽度的平行平面激光光束，利用该平行平面激光光束作为测定半透明介质各向异性散射特征的参考光源。

3.根据权利要求2所述的一种测量半透明介质各向异性散射特性的方法，其特征在于，所述步骤2包括：

将出射的平行平面激光束入射至空间光调制器再由空间光调制器反射至后续的光路***中。

4.根据权利要求3所述的一种测量半透明介质各向异性散射特性的方法，其特征在于，所述步骤3包括：

利用凸透镜对没有半透明介质条件下的平行平面激光光束进行聚焦，并测定聚焦光斑的特性，将之作为后续处理的参考。

5.根据权利要求4所述的一种测量半透明介质各向异性散射特性的方法，其特征在于，所述步骤4包括：

加载半透明介质后，由于其存在各向异性的散射特征，凸透镜的入射光不再平行，进而导致聚焦后的光斑发生弥散，如果空间光调制器可以将半透明介质的各向异性散射特征进行补偿，那么弥散的光斑将可以再次聚焦起来，形成良好的聚焦光斑。

6.根据权利要求5所述的一种测量半透明介质各向异性散射特性的方法，其特征在于，所述步骤5、步骤6和步骤7包括：

对每个像素进行0～2π的调整，选择对应于光斑最亮时所采用的相位为最优相位，并以此方法遍历所有像素，直至全部完成像素的调优。

7.根据权利要求5所述的一种测量半透明介质各向异性散射特性的方法，其特征在于，所述步骤8包括：

以最终获得的、在加载半透明介质条件下的光斑扩散函数作为测量质量的标志，该光斑扩散函数越接近步骤3所得到的结果，说明测量精度越高。