CN114924410B - 一种基于小相位调制以及相位补偿的聚焦方法以及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于小相位调制以及相位补偿的聚焦方法以及装置，方法包括小相位调制步骤和相位补偿步骤，小相位调制步骤包括：将空间调制器划分为K个单元，基于N个K维数组构建相位调制矩阵；基于预处理后的相位调制矩阵控制空间调制器进行N次波面调制，并在M个位置获取波强度，并生成强度矩阵；基于预处理后的强度矩阵和相位调制矩阵生成干涉特性矩阵；相位补偿步骤包括：在M个位置中选取m个位置后，将干涉特性矩阵中对应的m行进行带权重相加，得到干涉特性数组；基于相位补偿处理后的干涉特性数组配置空间调制器的调制状态，实现在m个位置的聚焦。本发明解决目前因相位调制量较大而不利于实现高速调节以及多调制单元集成的问题。

Description

一种基于小相位调制以及相位补偿的聚焦方法以及装置
技术领域
本发明涉及计算成像技术领域，具体涉及一种基于小相位调制以及相位补偿的聚焦方法以及装置。
背景技术
当波面具有较复杂的振幅及相位空间分布，或者传播过程中经历散射等无法直接计算波场传播特性的复杂过程时，可以结合波前校正技术来实现波的聚焦。例如在光通过散射介质聚焦问题中，一个典型的方法是使用四步相移干涉法，经过多次相位调制以及测量后可以计算出散射介质的光学传输特性矩阵，进而可以实现任意位置的聚焦，这种方法需要相位调制量达到3π/2，虽然可以使用基于液晶的相位型空间光调制器但存在响应速度慢的固有缺点。另一方面，基于晶体电光效应或者压电效应的相位调制手段具备远高于液晶的响应速率，但其相位调制量与电压成正比，因而往往需要较高的驱动电压，难以实现高速调制以及多调制单元的集成。
发明内容
本发明的目的在于克服上述技术不足，提供一种基于小相位调制以及相位补偿的聚焦方法以及装置，解决目前在基于波前相位校正的聚焦方法中因相位调制量较大而不利于实现高速调节以及多调制单元集成的技术问题。
为达到上述技术目的，本发明采取了以下技术方案：
第一方面，本发明提供一种基于小相位调制以及相位补偿的聚焦方法，包括依次进行的小相位调制步骤和相位补偿步骤，其中，
所述小相位调制步骤包括：
将空间调制器划分为K个单元后，获取N个K维数组，基于N个K维数组构建N×K维的相位调制矩阵，其中，所述相位调制矩阵的各个数值的大小在[-απ,απ]内，α为小于1的正数；
对所述相位调制矩阵进行预处理，基于预处理后的相位调制矩阵，控制所述空间调制器对入射波波面进行N次空间调制，每次空间调制时均在强度测量区域内的M个位置分别获取波强度，N次空间调制后得到M×N维的强度矩阵；
对所述强度矩阵进行预处理，基于所述相位调制矩阵和预处理后的强度矩阵，生成M×K维的干涉特性矩阵；
所述相位补偿步骤包括：
在所述M个波强度测量位置中选取m个待聚焦位置后，将所述干涉特性矩阵中相对应的m行进行带权重相加，得到1×K维的干涉特性数组，其中，所述权重用于控制m个位置的相对聚焦强度；
对所述干涉特性数组进行相位补偿处理，基于所述相位补偿处理后的干涉特性数组配置空间调制器的调制状态，以实现在m个待聚焦位置的聚焦。
在其中一些实施例中，所述N个K维数组包括但不限于随机二值化数组、随机连续数组、以及利用hadmard矩阵、格雷码编码构造的二值化数组。
在其中一些实施例中，所述对所述相位调制矩阵进行预处理，包括：
将所述相位调制矩阵的各个数值均增加或减少固定值，以适配所使用空间调制器件的相位调制区间。
在其中一些实施例中，所述对所述强度矩阵进行预处理，包括：
将所述强度矩阵的各行的各个数值减去该行的各个数值的平均值。
在其中一些实施例中，所述基于所述相位调制矩阵和预处理后的强度矩阵，生成M×K维的干涉特性矩阵，包括：
将所述预处理后的强度矩阵和所述相位调制矩阵相乘，以得到M×K维的干涉特性矩阵。
在其中一些实施例中，所述对所述干涉特性数组进行相位补偿处理，包括：
将所述干涉特性数组中的正数变为0，负数变为π；或者
将所述干涉特性数组中的正数变为π，负数变为0。
在其中一些实施例中，所述α的取值范围为(0，0.5)。
在其中一些实施例中，所述小相位调制步骤和所述相位补偿步骤基于不同的相位型空间调制器进行。
在其中一些实施例中，所述小相位调制步骤和所述相位补偿步骤基于同一个相位型空间调制器进行。
第二方面，本发明还提供一种基于小相位调制以及相位补偿的聚焦装置，包括波的产生源、空间调制器、波的强度探测装置以及执行如上所述的基于小相位调制以及相位补偿的聚焦方法所需要的计算设备，其中，所述波的产生源用于产生入射波，所述空间调制器用于对入射波的波面进行空间调制，所述波的强度探测装置用于探测波的强度，所述计算设备用于生成相位调制矩阵、接收波强度、计算干涉特性矩阵以及干涉特性数组，以及控制空间调制器的调制状态。
与现有技术相比，本发明提供的基于小相位调制以及相位补偿的聚焦装置，通过小相位调制和相位补偿结合，可以使用远低于3π/2的相位调制量，通过多次小相位调制测量波在传播过程中的干涉特性，并通过单次相位调制量为π的相位补偿实现在指定位置的有效聚焦，有利于实现相位调制器件的高速调节以及多调制单元集成，对于实现波在复杂传播条件下的高速聚焦具有重要意义。
附图说明
图1是是本发明提供的基于小相位调制以及相位补偿的聚焦方法的一实施例的流程图；
图2是实施例中的装置示意图；
图3a至图3d是不同权重下散射光在所选择聚焦位置的聚焦效果图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明所涉及的基于小相位调制以及相位补偿的聚焦方法以及装置可用于光学散射聚焦***中。在光学散射聚焦***中，由于散射体对入射光进行了复杂且未知的振幅以及相位调制，出射光波变为散斑的形式，无法形成有效聚焦。因此，可以对光的波前进行相位调制，使不同空间位置的波前在聚焦位置发生相长干涉。相位调制可以由相位型空间光调制器实现,结合本发明的方法可以对每个单元的相位调制量进行优化，以实现在所选择聚焦位置的聚焦。
为了更好的理解本发明，以下结合图1至图3举一具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明：
请参阅图1，本发明实施例提供的基于小相位调制以及相位补偿的聚焦方法，依次进行的小相位调制步骤和相位补偿步骤。
所述小相位调制步骤包括：
S100、将空间调制器划分为K个单元后，获取N个K维数组，基于N个K维数组构建N×K维的相位调制矩阵，其中，所述相位调制矩阵的各个数值的大小在[-απ,απ]内，α为小于1的正数。
请参阅图2，在工作时，氦氖激光器产生中心波长为632.8nm的线偏振光，入射至空间调制器1表面。空间调制器1照明区被划分为K＝64×64＝4096个独立调制单元，每个调制单元可以使照射至其上的光反射并改变相位。反射光经聚焦透镜2聚焦后，入射至毛玻璃3表面并发生散射，聚焦区域大小约为1.2mm×1.2mm。图像传感器4的中心距离聚焦区域约8cm，成像区域大小为5.7mm×4.8mm。计算机5可以接收图像传感器的强度信号，及控制相位型空间光调制器的调制状态。
本实施例中选择利用二值化Hadamard矩阵来获取2048×4096维的二值化相位调制矩阵，即选取维度为4096×4096的Hadamard矩阵的前2048列，数值乘以0.05π，并记录在2048×4096维的相位调制矩阵内。
S200、对所述相位调制矩阵进行预处理，基于预处理后的相位调制矩阵，控制所述空间调制器对入射波波面进行N次空间调制，每次空间调制时均在强度测量区域内的M个位置分别获取波强度，N次空间调制后得到M×N维的强度矩阵。
本实施例中，依次取相位调制矩阵的第1～2048行，将其数值增加0.05π，并将数组形状改变为64×64，分别作为相位型空间调制器各单元的相位调制量进行相位调制。每次空间调制时，均分别在图像传感器的M＝2个待聚焦位置记录光强，每个位置包含相邻的5×5个像素，该位置的光强度为所包含5×5个像素的光强度和。把2048次相位调制后的光强记录在2×2048维的强度矩阵内。
S300、对所述强度矩阵进行预处理，基于所述相位调制矩阵和预处理后的强度矩阵，生成M×K维的干涉特性矩阵。
本实施例中，将强度矩阵进行预处理，即将其各行的各个数值减去该行的各个数值的平均值；将所述预处理后的强度矩阵和所述相位调制矩阵相乘，以得到M×K维的干涉特性矩阵。
所述相位补偿步骤包括：
S400、在所述M个波强度测量位置中选取m个待聚焦位置后，将所述干涉特性矩阵中相对应的m行进行带权重相加，得到1×K维的干涉特性数组，其中，所述权重用于控制m个位置的相对聚焦强度。
本实施例中，将干涉特性矩阵中第1行以及第2行进行带权重相加，得到1×4096维干涉特性数组；具体的，当权重分别设置为[1,0],[0,1],[1,1],[1.5,1]时，聚焦效果分别如图3a至3d所示。
S500、对所述干涉特性数组进行相位补偿处理，基于所述相位补偿处理后的干涉特性数组配置空间调制器的调制状态，以实现在m个待聚焦位置的聚焦。
本实施例中，将干涉特性数组进行二值化，正负值分别变为0以及π；将二值化后的干涉特性数组形状改变为64×64，作为空间光调制器各单元的相位调制量,以控制光在待聚焦位置上的聚焦效果。
在本实施例中，所述小相位调制步骤和所述相位补偿步骤基于同一个相位型空间调制器进行。
本实施例中，通过小相位调制和相位补偿结合，利用多次小相位调制测量介质干涉特性，并通过单次相位调制量为π的相位补偿实现透过散射体的有效聚焦，对于实现透过散射介质的高速聚焦具有重要意义。
基于上述基于小相位调制以及相位补偿的聚焦方法，本发明还相应的提供一种基于小相位调制以及相位补偿的聚焦装置，包括波的产生源、空间调制器、波的强度探测装置以及执行如上述各实施例所述的基于小相位调制以及相位补偿的聚焦方法所需要的计算设备，其中，所述波的产生源用于产生入射波，所述空间调制器用于对入射波的波面进行空间调制，所述波的强度探测装置用于探测波的强度，所述计算设备用于生成相位调制矩阵、接收波强度、计算干涉特性矩阵以及干涉特性数组，以及控制空间调制器的调制状态。
由于上文已对基于小相位调制以及相位补偿的聚焦方法以及装置进行详细描述，在此不再赘述。
以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于小相位调制以及相位补偿的聚焦方法，其特征在于，包括依次进行的小相位调制步骤和相位补偿步骤，其中，
所述小相位调制步骤包括：
将空间调制器划分为K个单元后，获取N个K维数组，基于N个K维数组构建N×K维的相位调制矩阵，其中，所述相位调制矩阵的各个数值的大小在[-απ,απ]内，α为小于1的正数；
对所述相位调制矩阵进行预处理，基于预处理后的相位调制矩阵，控制所述空间调制器对入射波波面进行N次空间调制，每次空间调制时均在强度测量区域内的M个位置分别获取波强度，N次空间调制后得到M×N维的强度矩阵；
对所述强度矩阵进行预处理，基于所述相位调制矩阵和预处理后的强度矩阵，生成M×K维的干涉特性矩阵；
所述相位补偿步骤包括：
在所述M个波强度测量位置中选取m个待聚焦位置后，将所述干涉特性矩阵中相对应的m行进行带权重相加，得到1×K维的干涉特性数组，其中，所述权重用于控制m个位置的相对聚焦强度；
对所述干涉特性数组进行相位补偿处理，基于所述相位补偿处理后的干涉特性数组配置空间调制器的调制状态，以实现在m个待聚焦位置的聚焦；
所述对所述相位调制矩阵进行预处理是指：将所述相位调制矩阵的各个数值均增加或减少固定值，以适配所使用空间调制器的相位调制区间；
所述对所述强度矩阵进行预处理是指：将所述强度矩阵的各行的各个数值减去该行的各个数值的平均值；
所述基于所述相位调制矩阵和预处理后的强度矩阵，生成M×K维的干涉特性矩阵是指：将所述预处理后的强度矩阵和相位调制矩阵相乘，以得到M×K维的干涉特性矩阵；
所述对所述干涉特性数组进行相位补偿处理是指：将所述干涉特性数组中的正数变为0，负数变为π；或者将所述干涉特性数组中的正数变为π，负数变为0。
2.根据权利要求1所述的基于小相位调制以及相位补偿的聚焦方法，其特征在于，所述N个K维数组包括随机二值化数组、随机连续数组以及利用hadamard矩阵、格雷码编码构造的二值化数组。
3.根据权利要求1所述的基于小相位调制以及相位补偿的聚焦方法，其特征在于，所述α的取值范围为(0，0.5)。
4.根据权利要求1所述的基于小相位调制以及相位补偿的聚焦方法，其特征在于，所述小相位调制步骤和所述相位补偿步骤基于不同的相位型空间调制器进行。
5.根据权利要求1所述的基于小相位调制以及相位补偿的聚焦方法，其特征在于，所述小相位调制步骤和所述相位补偿步骤基于同一个相位型空间调制器进行。
6.一种基于小相位调制以及相位补偿的聚焦装置，其特征在于，包括波的产生源、空间调制器、波的强度探测装置以及执行如权利要求1-5任一项所述的基于小相位调制以及相位补偿的聚焦方法所需要的计算设备，其中，所述波的产生源用于产生入射波，所述空间调制器用于对入射波的波面进行空间调制，所述波的强度探测装置用于探测波的强度，所述计算设备用于生成相位调制矩阵、接收波强度、计算干涉特性矩阵以及干涉特性数组，以及控制空间调制器的调制状态。
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