基于相位掩模增強的散射介質(zhì)傳輸矩陣測量方法和裝置制造方法及圖紙

本發(fā)明專利技術(shù)涉及一種基于相位掩模增強的散射介質(zhì)傳輸矩陣測量方法和裝置，方法包括：生成準(zhǔn)直光束并分隔為多個子光束，對各個子光束施加所需相位延遲量，然后合并為一束光，來施加相位掩模因子；改變光束的振幅分布，分別輸入多個調(diào)控圖案，得到多個調(diào)控光場；將各個調(diào)控光場依次輸入散射介質(zhì)，形成多個散斑圖案，并獲取振幅分布；調(diào)整相位掩模因子，重復(fù)執(zhí)行上述步驟；根據(jù)獲取的振幅分布，迭代解算散射介質(zhì)傳輸矩陣。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明專利技術(shù)提出通過外植入相位掩模控制模塊，增加對相位的約束條件，克服了傳統(tǒng)振幅型空間光調(diào)制器的非干涉散射介質(zhì)傳輸矩陣測量方法難以準(zhǔn)確測量傳輸矩陣相位維度信息的難題，具有測量精度高、測量速度快等優(yōu)點。速度快等優(yōu)點。速度快等優(yōu)點。

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
基于相位掩模增強的散射介質(zhì)傳輸矩陣測量方法和裝置


[0001]本專利技術(shù)涉及散射介質(zhì)光場調(diào)控
，尤其是涉及基于相位掩模增強的散射介質(zhì)傳輸矩陣測量方法和裝置。

技術(shù)介紹

[0002]強散射介質(zhì)內(nèi)部折射率分布不均導(dǎo)致光子的傳播軌跡發(fā)生多次偏轉(zhuǎn)，故光束經(jīng)強散射介質(zhì)擾亂后會快速變?yōu)闊o序分布的散斑。近些年，研究人員發(fā)現(xiàn)光束在散射過程中并非是無規(guī)律隨機傳播，而是根據(jù)散射介質(zhì)內(nèi)的固有傳輸通道進(jìn)行定向傳播。利用這一特性，基于波前整形法的生物抗散射光學(xué)聚焦、成像等技術(shù)被依次提出。散射介質(zhì)的固有傳輸通道通常由具有M
×
N個復(fù)數(shù)元素的傳輸矩陣來表示，它能夠?qū)⑤斎攵薔個光場單元與輸出端M個光場單元之間的線性耦合關(guān)系進(jìn)行精確的量化表征。因此，傳輸矩陣這一概念自被提出就受到了大量地應(yīng)用。例如，研究人員通過測量傳輸矩陣實現(xiàn)了光學(xué)成像在分辨率上的突破，實現(xiàn)了光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在算力上的大幅提高，以及實現(xiàn)了計算光譜技術(shù)在光譜維度和空間維度之間的高效解耦。
[0003]若要精確描述光束透過散射介質(zhì)的傳播過程，就需要對大復(fù)數(shù)元素的傳輸矩陣進(jìn)行高精度測量。目前，傳輸矩陣測量方法主要分為參考臂干涉法、自參考干涉法及無干涉法等三類方法。前兩類方法的原理是以哈達(dá)瑪基等正交基作為輸入光場，利用參考光移相干涉法測量散射介質(zhì)后方的復(fù)振幅分布，從而通過簡單矩陣變換求解散射介質(zhì)傳輸矩陣，其中參考光可從額外參考臂或同一光路引入。但是，移相干涉法易受到空氣擾動、光子散粒噪聲、機械振動等因素的干擾，在復(fù)振幅光場測量過程中肉眼可見劇烈抖動，導(dǎo)致傳輸矩陣測量精度嚴(yán)重受限。無干涉法只需按照隨機概率分布調(diào)控出一系列具有不同振幅或相位分布的輸入光場，并測量各輸入光場所對應(yīng)的散射光強分布，即可通過Gerchberg
?
Saxton算法、變分貝葉斯期望最大化算法、SDP、EKF
?
MSSM、GAMP、prVAMP等相位恢復(fù)算法計算出傳輸矩陣。此類方法具有抗噪能力強、測量精度高的突出優(yōu)勢，是目前散射介質(zhì)傳輸矩陣測量領(lǐng)域的熱點研究方向。
[0004]數(shù)字微鏡陣列等振幅型光場調(diào)控器件在調(diào)控速度上具有約千倍的提升，且在調(diào)控的光譜寬度、偏振敏感性和穩(wěn)定性上都具有天然的優(yōu)勢，在散射光場調(diào)控技術(shù)應(yīng)用層面的突破中發(fā)揮重要作用。但是，當(dāng)此類振幅型空間光調(diào)制器應(yīng)用于無干涉?zhèn)鬏斁仃嚋y量方法時，由于缺少了相位維度的已知約束，相位恢復(fù)算法的非凸優(yōu)化問題變得非常突出，在迭代過程中極易收斂至局部最優(yōu)，導(dǎo)致測量精度不高。綜上，如何通過振幅型光場調(diào)制器件實現(xiàn)散射介質(zhì)傳輸矩陣的準(zhǔn)確測量，是散射介質(zhì)光場調(diào)控
亟待解決的難題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

[0005]本專利技術(shù)的目的就是為了克服現(xiàn)有振幅型光場調(diào)制器件的非干涉散射介質(zhì)傳輸矩陣測量方法由于缺少了相位維度的已知約束導(dǎo)致測量精度不高的缺陷而提供一種基于相位掩模增強的散射介質(zhì)傳輸矩陣測量方法和裝置，通過外植入相位掩模控制模塊為振幅型
空間光調(diào)制器所調(diào)控光場施加額外的相位掩模因子，并在散射介質(zhì)傳輸矩陣迭代優(yōu)化算法的逐代計算過程中，均衡不同相位掩模因子作用下的散斑圖案差異值來為迭代優(yōu)化算法提供充分的收斂約束，引導(dǎo)算法始終向傳輸矩陣真值方向收斂，進(jìn)而高精度地計算出傳輸矩陣。本專利技術(shù)大大提高了振幅型空間光調(diào)制器對散射介質(zhì)傳輸矩陣的測量精度。
[0006]本專利技術(shù)的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：
[0007]一種基于相位掩模增強的散射介質(zhì)傳輸矩陣測量方法，包括以下步驟：
[0008]步驟1：生成準(zhǔn)直光束，將該準(zhǔn)直光束按照L個不同空間區(qū)域分隔為L個獨立傳播的子光束，對L
?
1個子光束施加所需相位延遲量，然后將所有子光束合并為一束光，來施加相位掩模因子Φ1；
[0009]步驟2：將施加了相位掩模因子的光束輸入預(yù)先獲取的光場調(diào)控模塊中，并向該光場調(diào)控模塊依次輸入P個調(diào)控圖案，根據(jù)輸入的調(diào)控圖案依次改變施加了相位掩模因子的光束的振幅分布，得到P個不同的調(diào)控光場；將各個調(diào)控光場依次輸入散射介質(zhì)，經(jīng)散射介質(zhì)擾亂后形成P個不同的散斑圖案，采集各個散斑圖案的強度分布，計算各個散斑圖案的振幅分布；
[0010]步驟3：重復(fù)步驟1
?
步驟2，并分別將所述相位掩模因子調(diào)整為Φ2、Φ3、
…
、Φ
K
，計算對應(yīng)的散斑圖案振幅分布，所述L、P和K均為正整數(shù)；
[0011]步驟4：根據(jù)分別與各個相位掩模因子對應(yīng)的調(diào)控圖案和散斑圖案振幅分布，通過迭代優(yōu)化算法解算散射介質(zhì)傳輸矩陣。
[0012]進(jìn)一步地，所述散射介質(zhì)傳輸矩陣的求解過程包括以下步驟：
[0013]步驟a1：初始化散射介質(zhì)傳輸矩陣D，該散射介質(zhì)傳輸矩陣D中包含M
×
N個隨機分布的復(fù)數(shù)元素，所述M、N均為正整數(shù)；
[0014]步驟a2：將相位掩模因子Φ1按行復(fù)制P次，變?yōu)槌叽鐬镻
×
N的相位掩模矩陣Θ1；根據(jù)調(diào)控圖案和與相位掩模因子Φ1相對應(yīng)的散斑圖案振幅分布，設(shè)定探測矩陣X和觀測矩陣Y，其中，X＝[X1,X2,
…
,X
P
]T
，尺寸為P
×
N，其中符號T表示轉(zhuǎn)置；尺寸為P
×
M；
[0015]步驟a3：根據(jù)所述探測矩陣X和初始化散射介質(zhì)傳輸矩陣D計算觀測矩陣估計值其中符號
°
表示點乘，符號H表示矩陣的共軛轉(zhuǎn)置；
[0016]步驟a4：保持所述觀測矩陣估計值的相位分布不變，將的振幅分布替換為觀測矩陣Y的振幅分布，得到其中符號∠代表相位；
[0017]步驟a5：由和探測矩陣X計算散射介質(zhì)傳輸矩陣其中符號表示矩陣的偽逆；
[0018]步驟a6：重復(fù)依次執(zhí)行步驟a2
?
步驟a5，計算相位掩模因子Θ2、Θ3、
…
、Θ
K
對應(yīng)的散射介質(zhì)傳輸矩陣D2、D3、
…
、D
K
；
[0019]步驟a7：對各個求取的散射介質(zhì)傳輸矩陣取平均值來更新散射介質(zhì)傳輸矩陣D，從而完成一次迭代計算；
[0020]步驟a8：重復(fù)依次執(zhí)行步驟a2
?
步驟a7，不斷對散射介質(zhì)傳輸矩陣D進(jìn)行優(yōu)化更新，直至迭代次數(shù)達(dá)到預(yù)設(shè)的第一迭代閾值，或者散射介質(zhì)傳輸矩陣D與上輪迭代結(jié)果的差異
值小于預(yù)設(shè)的第一差異閾值，則獲取最終的散射介質(zhì)傳輸矩陣D。
[0021]進(jìn)一步地，所述散射介質(zhì)傳輸矩陣的求解過程包括以下步驟：
[0022]步驟b1：根據(jù)調(diào)控圖案和與相位掩模因子Φ1相對應(yīng)的散斑圖案振幅分布，設(shè)定探測矩陣X＝[X1,X2,
…
,X
P
]T
，尺寸為P
×
N；設(shè)定觀測矩陣尺寸為P
×
M；
[0023]步驟b2：設(shè)定初始參數(shù)，包括傳輸矩陣第1行數(shù)值d1的方差傳輸矩陣D第1行的初始值d1＝[d
1i
]i＝{1,2,本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護點】

【技術(shù)特征摘要】
1.一種基于相位掩模增強的散射介質(zhì)傳輸矩陣測量方法，其特征在于，包括以下步驟：步驟1：生成準(zhǔn)直光束，將該準(zhǔn)直光束按照L個不同空間區(qū)域分隔為L個獨立傳播的子光束，對L
?
1個子光束施加所需相位延遲量，然后將所有子光束合并為一束光，來施加相位掩模因子Φ1；步驟2：將施加了相位掩模因子的光束輸入預(yù)先獲取的光場調(diào)控模塊中，并向該光場調(diào)控模塊依次輸入P個調(diào)控圖案，根據(jù)輸入的調(diào)控圖案依次改變施加了相位掩模因子的光束的振幅分布，得到P個不同的調(diào)控光場；將各個調(diào)控光場依次輸入散射介質(zhì)，經(jīng)散射介質(zhì)擾亂后形成P個不同的散斑圖案，采集各個散斑圖案的強度分布，計算各個散斑圖案的振幅分布；步驟3：重復(fù)步驟1
?
步驟2，并分別將所述相位掩模因子調(diào)整為Φ2、Φ3、
…
、Φ
K
，計算對應(yīng)的散斑圖案振幅分布，所述L、P和K均為正整數(shù)；步驟4：根據(jù)分別與各個相位掩模因子對應(yīng)的調(diào)控圖案和散斑圖案振幅分布，通過迭代優(yōu)化算法解算散射介質(zhì)傳輸矩陣。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于相位掩模增強的散射介質(zhì)傳輸矩陣測量方法，其特征在于，所述散射介質(zhì)傳輸矩陣的求解過程包括以下步驟：步驟a1：初始化散射介質(zhì)傳輸矩陣D，該散射介質(zhì)傳輸矩陣D中包含M
×
N個隨機分布的復(fù)數(shù)元素，所述M、N均為正整數(shù)；步驟a2：將相位掩模因子Φ1按行復(fù)制P次，變?yōu)槌叽鐬镻
×
N的相位掩模矩陣Θ1；根據(jù)調(diào)控圖案和與相位掩模因子Φ1相對應(yīng)的散斑圖案振幅分布，設(shè)定探測矩陣X和觀測矩陣Y，其中，X＝[X1,X2,
…
,X
P
]
T
，尺寸為P
×
N，其中符號T表示轉(zhuǎn)置；尺寸為P
×
M；步驟a3：根據(jù)所述探測矩陣X和初始化散射介質(zhì)傳輸矩陣D計算觀測矩陣估計值其中符號
°
表示點乘，符號H表示矩陣的共軛轉(zhuǎn)置；步驟a4：保持所述觀測矩陣估計值的相位分布不變，將的振幅分布替換為觀測矩陣Y的振幅分布，得到其中符號∠代表相位；步驟a5：由和探測矩陣X計算散射介質(zhì)傳輸矩陣其中符號表示矩陣的偽逆；步驟a6：重復(fù)依次執(zhí)行步驟a2
?
步驟a5，計算相位掩模因子Θ2、Θ3、
…
、Θ
K
對應(yīng)的散射介質(zhì)傳輸矩陣D2、D3、
…
、D
K
；步驟a7：對各個求取的散射介質(zhì)傳輸矩陣取平均值來更新散射介質(zhì)傳輸矩陣D，從而完成一次迭代計算；步驟a8：重復(fù)依次執(zhí)行步驟a2
?
步驟a7，不斷對散射介質(zhì)傳輸矩陣D進(jìn)行優(yōu)化更新，直至迭代次數(shù)達(dá)到預(yù)設(shè)的第一迭代閾值，或者散射介質(zhì)傳輸矩陣D與上輪迭代結(jié)果的差異值小于預(yù)設(shè)的第一差異閾值，則獲取最終的散射介質(zhì)傳輸矩陣D。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于相位掩模增強的散射介質(zhì)傳輸矩陣測量方法，其特征在于，所述散射介質(zhì)傳輸矩陣的求解過程包括以下步驟：步驟b1：根據(jù)調(diào)控圖案和與相位掩模因子Φ1相對應(yīng)的散斑圖案振幅分布，設(shè)定探測矩
陣X＝[X1,X2,
…
,X
P
]
T
，尺寸為P
×
N；設(shè)定觀測矩陣尺寸為P
×
M；步驟b2：設(shè)定初始參數(shù)，包括傳輸矩陣第1行數(shù)值d1的方差傳輸矩陣D第1行的初始值d1＝[d
1i
]
i＝{1,2,
…
,N}
、觀測矩陣Y第1列的缺失相位、觀測矩陣Y第1列的缺失相位后驗分布的均值m＝[m
i
]
i＝{1,2,
…
,N}
以及方差Δ＝[Δ
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]
i＝{1,2,
…
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；步驟b3：將相位掩模因子Φ1按行復(fù)制P次，變?yōu)槌叽鐬镻
×
N的相位掩模矩陣Θ1；取觀測矩陣Y中的第一列元素y
p1
(p＝{1,2,<...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：楊佳苗，何巧芝，李秋苑，劉林仙，邵榮君，曲元，
申請(專利權(quán))人：上海交通大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：