一种经过多级散射层聚焦的光束波前相位优化方法

摘要

本发明涉及一种经过多级散射层聚焦的光束波前相位优化方法。现有技术采用逐个像素点优化的方法，优化过程所需时间长，优化效率低。本发明基于聚焦光束为轴对称的特性，采用以中心像素点的对称中心为圆心，以像素点矩形的长边为半径增加的步长，依次增加圆形区域半径的圆环形区域优化方法，并且在每轮优化过程结束时，将所优化的像素点相位设置成优化量，在进行下轮圆环形区域优化。本发明方法具有优化过程所需时间短、优化效率高，在目标焦点区域的光强度增幅程度大，能达到超分辨特性优化的特点。

说明书

技术领域

本发明属于光学技术领域，涉及一种波前相位优化方法，特别是一种经过多级散射层聚焦的光束波前相位优化方法，主要用于光学显微成像、光学微加工、超分辨等领域。

技术背景

在白色颜料、生物组织和纸张等多级散射层中，由于折射率的空间波动引起了光得多级散射，导致光束发散，不能聚焦。在经典成像系统中，因为降低了系统的分辨能力，光束经过多级散射层时发生的多级散射是不利因素。当多级散射层位于透镜后，散射将导致无焦斑形成。随着光学的发展，光波的波前相位和偏振特性得到了一定的重视，并且经过研究发现，波前相位和偏振可以显著影响光束的传播和聚焦特性。特别是在近五年内，矢量光学发展迅速，通过将入射光束波前分布和多级散射层相匹配，在光束多级散射层后会在目标区域可以形成了光场增强相互干涉，此时，尽管发生了光的多级散射，光束仍然可以聚焦，这种奇特的现象具有重要的理论研究意义和广泛的应用前景。

调节光束波前相位多采用相位型空间光调制器。在先技术中的优化光学系统如下，光源发射出的光束依次经过相位型空间光调制器和多级散射层，被设置在目标焦点区域的光电探测器接收，系统控制单元与相位型空间光调制器和光电探测器相连，光电探测器探测到的光电信号传到系统控制单元，作为波前相位优化方法的反馈输入，系统控制单元根据波前相位优化方法设定相位型空间光调制器上的每个像素点的相位，得到经过多级散射层在目标焦点区域可以产生光会聚的光束波前相位分布。多级散射层相匹配的光束波前相位分布的一种现有优化方法是，首先将相位型空间光调制器上的所有像素点的相位初始化为0；然后，调节相位型空间光调制器上的第一个像素点的相位从0依次增加2π/n，直至2π，其中n＝2⁸，每一次增加这个像素点的相位，系统控制单元都检测光电探测器探测到的光电信号，记录相位从0增加到2π过程中，最大光电信号对应的第一个像素点的相位值，将第一个像素点的相位初始化为0；再调节相位型空间光调制器上的第二个像素点的相位从0依次增加2π，找到最大光电信号对应的第二个像素点的相位值，再将第二个像素点的相位初始化为0；按照相位型空间光调制器行列顺序，重复上述过程，依次找到相位型空间光调制器上的每个像素点的最大光电信号对应的相位值；最后，将相位型空间光调制器上的所有像素点的相位值设置为最大光电信号对应的相位值，多级散射层聚焦的光束波前相位优化过程结束。此优化方法虽然具有一定的优点，但是存在本质不足，每一次相位从0依次增加2π过程中只优化一个像素点，并且没有考虑实际光束通常为轴对称特性，所以，优化过程所需时间长，优化效率低，在目标焦点区域的光强度增幅程度不高，不能达到超分辨特性的优化。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种经过多级散射层聚焦的光束波前相位优化方法，具有优化过程所需时间短，优化效率高，在目标焦点区域的光强度增幅程度大，能达到超分辨特性优化的特点。

本发明方法的基本构思是：基于聚焦光束为轴对称的特性，首先将相位型空间光调制器上的所有像素点的相位初始化为0；然后，调节光束中心区域对应的相位型空间光调制器上的中心像素点的相位从0依次增加2π/n，直至2π，其中n＝2^m，m为大于等于8的整数，每一次增加这个中心像素点的相位时，系统控制单元都检测光电探测器探测到的光电信号，记录相位从0增加到2π过程中，最大光电信号对应的中心像素点的相位值，并将中心像素点的相位设定为优化后的相位量；然后，以中心像素点的对称中心为圆心，以像素点矩形的长边为半径增加的步长，形成的圆形区域，内的半径从每次增加一个步长，与中心像素点相位优化过程相同，将圆形区域内未优化的相位点的相位优化，并设定为优化后的相位量；直至圆形区域直径大于入射光斑直径，相位优化过程停止，此时目标焦点区域光强达到极大值，实现光束经过多级散射层的超分辨聚焦。

本发明方法具体是：光源发射出的光束依次经过相位型空间光调制器和多级散射层，被设置在目标焦点区域的光电探测器接收，系统控制单元与相位型空间光调制器和光电探测器相连，光电探测器探测到的光电信号传到系统控制单元，作为波前相位优化方法的反馈输入，系统控制单元根据波前相位优化方法设定相位型空间光调制器上的每个像素点的相位。

本发明方法的具体步骤如下，

(1)将相位型空间光调制器上的所有像素点的相位初始化为0；

(2)调节光束中心区域对应的相位型空间光调制器上的中心像素点的相位从0依次增加2π/n，直至2π，其中n＝2^m，m为大于等于8的整数，每一次增加这个中心像素点的相位时，系统控制单元都检测光电探测器探测到的光电信号，记录相位从0增加到2π过程中，最大光电信号对应的中心像素点的相位值，并将中心像素点的相位设定为优化后的相位量，将其优化标记；

(3)以中心像素点的对称中心为圆心，以像素点矩形长边的1.5倍长度为半径，形成的圆形区域，将完全包含在圆形区域内且尚未优化标记的像素点的相位从0依次增加2π/n，直至2π，其中n＝2^m，m为大于等于8的整数，每一次增加像素点的相位时，系统控制单元都检测光电探测器探测到的光电信号，记录相位从0增加到2π过程中，最大光电信号对应的像素点的相位值，并将这些像素点的相位设定为优化后的相位量，将其进行优化标记；

(4)以像素点矩形的长边为半径增加的步长，依次增加圆形区域半径，每次圆形区域半径增加一步，均将完全包含在圆形区域内且无优化标记的像素点的相位从0依次增加2π/n，直至2π，其中n＝2^m，m为大于等于8的整数，每一次增加像素点的相位时，系统控制单元都检测光电探测器探测到的光电信号，记录相位从0增加到2π过程中，最大光电信号对应的像素点的相位值，并将这些像素点的相位设定为优化后的相位量，将其进行优化标记；

(5)当圆形区域直径大于入射光斑直径时，相位优化过程停止，相位型空间光调制器上入射光束覆盖区域的像素点的相位值优化完成，通过相位型空间光调制器的光束完成了经过多级散射层聚焦的波前相位优化。

本发明的优点在于：在中心像素点被优化后，每一轮圆形区域内被优化像素点的数目均大于1，并且随着圆形区域半径的增大，同一批次被优化的像素点数目迅速增多，与逐一像素点优化方法比较，本质上使整个光束波前相位优化过程时间显著加快，具有优化过程所需时间短、优化效率高的显著特点，显著拓展了多级散射层的应用范围，可以将多级散射层聚焦和成像特性应用到动态散射使用情况中，在动态和高速聚焦和成像系统中得以应用。本优化方法考虑到了入射光束的轴对称特性，并且在新一轮优化过程开始前已经将优化过的像素点相位设定成优化所得的相位值，使得目标焦点区域的光强显著地提高，光强增幅程度大，并且目标焦点区域能达到超分辨特性。

附图说明

图1为经过多级散射层聚焦的光束波前相位优化光学系统示意图；

图2为本发明的第一步优化像素情况分布示意图；

图3为本发明的第二步优化像素情况分布示意图；

图4为本发明的第三步优化像素情况分布示意图；

图5为本发明的第四步优化像素情况分布示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1为经过多级散射层聚焦的光束波前相位优化光学系统示意图，是进行优化的硬件基础。光源1发射出的光束依次经过相位型空间光调制器2和多级散射层3，被设置在目标焦点区域的光电探测器4接收，系统控制单元5与相位型空间光调制器2和光电探测器4相连，光电探测器4探测到的光电信号传到系统控制单元5，作为波前相位优化方法的反馈输入，系统控制单元5根据波前相位优化方法设定相位型空间光调制器2上的每个像素点的相位，得到经过多级散射层3在目标焦点区域可以产生光会聚的光束波前相位分布。

该光学系统中，光源1采用配置有准直扩束镜的氦氖激光器，工作波长为632.8nm、功率为10mW、光束直径为10mm；相位型空间光调制器2采用基于液晶的相位型空间光调制器，工作模式为透射型，像素阵列为1024x768、每个像素点尺寸为18μmX18μm；多级散射层3采用厚度为6μm的锌白颜料层，多级散射散射体为氧化锌纳米颗粒；光电探测器4采用电荷耦合器件，即通常称之为的CCD；系统控制单元5采用工控机；系统控制单元5和相位型空间光调制器2通过通用VGA接口连接；系统控制单元5和光电探测器4采用通用USB接口连接。

基于上述光学系统，一种经过多级散射层聚焦的光束波前相位优化方法的具体方法步骤如下，

(1)将相位型空间光调制器2上的所有像素点的相位初始化为0；

(2)调节光束中心区域对应的相位型空间光调制器2上的中心像素点的相位从0依次增加2π/n，直至2π，其中n＝2^m，本实施例中m＝8，即n＝2⁸＝256。如图2所示，R为极坐标系表示情况下的径向坐标，斜线填充区表示设定了优化后的相位值。每一次增加这个中心像素点的相位时，系统控制单元5都检测光电探测器4探测到的光电信号，记录相位从0增加到2π过程中，最大光电信号对应的中心像素点的相位值，并将中心像素点的相位设定为优化后的相位量，将其进行优化标记；

(3)以中心像素点的对称中心为圆心，以像素点矩形长边的1.5倍长度为半径，形成的圆形区域，将完全包含在圆形区域内并且无优化标记的像素点的相位从0依次增加2π/n，直至2π。本实施例中，相位型空间光调制器2的像素点尺寸为18μmX18μm，正方形是矩形的一个特例，也是一种矩形，所以此处像素点矩形长边18μm，D表示为矩形长边，故D＝18μm。如图3所示，每一次增加像素点的相位时，系统控制单元5都检测光电探测器4探测到的光电信号，记录相位从0增加到2π过程中，最大光电信号对应的像素点的相位值，并将这些像素点的相位设定为优化后的相位量，将其进行优化标记；

(4)以像素点矩形的长边为半径增加的步长，依次增加圆形区域半径，每次圆形区域半径增加一步，均将完全包含在圆形区域内并且无优化标记的像素点的相位从0依次增加2π/n，每一次增加像素点的相位时，系统控制单元5都检测光电探测器4探测到的光电信号，记录相位从0增加到2π过程中，最大光电信号对应的像素点的相位值，并将这些像素点的相位设定为优化后的相位量，将其进行优化标记，图4和图5示意性地分别给出了第三步和第四步像素优化情况分布示意图；

(5)当圆形区域直径大于入射光斑直径，本实施例中当R大于10mm时，相位优化过程停止，相位型空间光调制器2上入射光束覆盖区域的像素点的相位值优化完成，通过相位型空间光调制器2的光束完成了经过多级散射层聚焦的波前相位优化。

本实施例完成了经过多级散射层聚焦的光束波前相位优化，与在先技术中的逐个像素点优化方法进行了比较，相同情况下，该优化方法将优化过程所需时间缩短两个数量级，优化过程时间显著加快，优化效率显著提高；同时目标焦点区域的光强增大约5倍，焦点光强显著提高，光强增幅程度十分明显，并且，目标焦点区域光斑尺寸缩小，光斑的全高半宽量为逐个像素点优化情况下的3/4，实现了更好的超分辨特性。