基于并行自适应光学校正的多层共轭像差校正系统和方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于并行自适应光学校正的多层共轭像差校正系统和方法。本发明专利技术采用多个空间光调制器，利用四焦距系统依次将空间光调制器光学共轭至散射介质的各个分层，每一个空间光调制器负责校正对应的分层，且每一个空间光调制器依次运用一次并行自适应光学校正算法，散射介质由浅至深被空间光调制器逐步共轭校正，最终我们可以实现较大厚度的散射介质光斑校正。本发明专利技术能够实现对深层散射介质的像差校正，使成像深度更深，突破了传统自适应光学成像深度的限制。

Multilevel conjugate aberration correction system and method based on parallel adaptive optical correction

The invention discloses a multi-layer conjugate aberration correction system and method based on parallel adaptive optical correction. The invention adopts a plurality of spatial light modulator using four focal system in turn various hierarchical spatial light modulator to conjugate optical scattering medium, a hierarchical spatial light modulator for the corresponding correction, and each spatial light modulator followed by the use of a parallel adaptive optical correction algorithm, scattering from shallow to deep space light modulator gradually conjugate correction, we can achieve the final spot scattering medium large thickness correction. The invention can correct the aberration of the deep scattering medium, which makes the imaging depth deeper and breaks through the limitation of the traditional adaptive optical imaging depth.

【技术实现步骤摘要】
基于并行自适应光学校正的多层共轭像差校正系统和方法
本专利技术属于显微成像领域的深层散射介质成像方法，特别涉及了一种基于并行自适应光学校正的多层共轭像差校正系统和方法。
技术介绍
在生物医学研究领域，光学显微镜是一种不可或缺的研究工具。但是当我们观察一些生物样品时(比如细胞，亚细胞器，血管等)，这些生物组织的折射率非均匀性会使入射光发生散射，从而使成像范围限制在浅层，使活体成像极具挑战性。但是在生物医学显微成像领域中，深层组织所包含的信息是我们更想要探索的，因此为了获得更深层的信息，校正并聚焦浑浊介质内部的光线成为了存在已久的目标。为了达到该目标，我们需要知道入射光波作为一个电场在散射介质内传播到达目标平面这一过程中的相位和振幅，根据对这些参数的获取、处理和校正，使入射光束能穿透得更深，从而达到更深处的成像。在生物组织深层成像时，入射光束经物镜会聚，随后会穿过一定厚度的组织(在仿真模型中称之为散射介质)，最终焦平面上的光斑会发生散射。一般我们使用AO(自适应光学)的方法对由散射介质引入的像差进行校正，但随着散射介质厚度的增加，单个SLM(空间光调制器)不足以校正散射介质引入的像差，此时我们需要使用多个SLM来进行分层校正，以达到较好的校正结果。
技术实现思路
为了解决
技术介绍
中存在的深度成像问题，本专利技术提供了一种基于并行自适应光学校正的多层共轭像差校正系统和方法。该像差校正技术将光瞳面的相干光学自适应算法发展并运用到光学共轭平面，并将散射介质通过光学共轭分层的方式进行像差校正。本专利技术能够通过将散射介质按一定比例分为两层及多层，每层的光学共轭面上对应放置一个SLM(空间光调制器)，并利用并行自适应光学校正算法对每层散射介质引入的像差进行分步校正的方法，实现对散射介质的深层聚焦及成像。本专利技术是在生物组织深层成像时，入射光束经物镜会聚，随后会穿过一定厚度的组织(在仿真模型中称之为散射介质)，最终在焦平面上产生散射光斑。一般我们使用AO(自适应光学)的方法对由散射介质引入的像差进行校正，但随着散射介质厚度的增加，单个SLM(空间光调制器)不足以校正散射介质引入的像差，此时我们需要使用多个SLM来进行分层校正，以达到较好的校正结果。本专利技术采用的技术方案是针对深层散射介质成像过程采用以下步骤：一、一种基于并行自适应光学校正的多层共轭像差校正系统：系统包括沿光路方向依次布置的第一透镜L1、第二空间光调制器SLM2、第二透镜L2、第三透镜L3、第一空间光调制器SLM1、第四透镜L4和物镜L5，物镜L5前方设有散射介质，散射介质包括厚度不同的前半层和后半层的两层；入射光依次经第一透镜L1、第二空间光调制器SLM2、第二透镜L2、第三透镜L3、第一空间光调制器SLM1、第四透镜L4和物镜L5后聚焦到散射介质的后端面。所述的第一透镜L1和第二透镜L2构成一个4F光学系统，第三透镜L3和第四透镜L4构成一个4F光学系统。其中，透镜焦距选取需根据高斯公式，使第一空间光调制器SLM1和第二空间光调制器SLM2所用到的像素数目一致。所述的第一空间光调制器SLM1与散射介质的前半层关于由第四透镜L4和物镜L5组成的平行透镜组光学共轭，散射介质的后半层关于由第四透镜L4和物镜L5组成的平行透镜组共轭的虚像与第二空间光调制器SLM2再关于由第二透镜L2和第三透镜L3组成的平行透镜组共轭。即散射介质的后半层和虚像关于由第四透镜L4和物镜L5组成的平行透镜组共轭，第二空间光调制器SLM2和虚像关于由第二透镜L2和第三透镜L3组成的平行透镜组共轭。所述的物镜L5的后焦点位于散射介质的后半层的后端面上。二、一种基于并行自适应光学校正的多层共轭像差校正方法：1)入射的平行光束依次经过第一透镜L1、第二空间光调制器SLM2、第二透镜L2、第三透镜L3、第一空间光调制器SLM1、第四透镜L4，后再经物镜L5聚焦入射到散射介质中，再经散射介质达到焦平面形成散射焦斑，在焦平面处用光电倍增管PMT实时探测得到散射焦斑中心光强I1随时间的变化数据；本步骤中，第二空间光调制器SLM2关闭置零用作反射镜(不加载波前相位分布)，第一空间光调制器SLM1开启并根据并行自适应光学校正算法加载不同频率分布的相位；本步骤中，散射介质仅放置有前半层，光束经前半层后被引出在空气中传输到达焦平面，焦平面为垂直于光轴的物镜L5的后焦点所在平面，并且前半层后端面和焦平面之间的距离为后半层的厚度d2；2)对步骤1)获得的散射焦斑中心光强I1随时间的变化数据进行傅里叶变换，求取傅里叶变换后的复数角度得到校正相位分布P1；3)入射的平行光束依次经过第一透镜L1、第二空间光调制器SLM2、第二透镜L2、第三透镜L3、第一空间光调制器SLM1、第四透镜L4，后再经物镜L5聚焦入射到散射介质中，再经散射介质达到焦平面形成散射焦斑，在焦平面处用光电倍增管PMT实时探测得到散射焦斑中心光强I2随时间的变化数据；本步骤中，第二空间光调制器SLM2根据并行自适应光学校正算法加载不同频率分布的相位，第一空间光调制器SLM1开启并加载有校正相位分布P1并保持不变；本步骤中，散射介质放置有前半层和后半层的两层，光束经整个散射介质传输到达焦平面，焦平面为垂直于光轴的物镜L5的后焦点所在平面并与后半层的后端面重合；4)对步骤3)获得的散射焦斑中心光强I2随时间的变化数据进行傅里叶变换，求取傅里叶变换后的复数角度得到校正相位分布P2；5)入射的平行光束依次经过第一透镜L1、第二空间光调制器SLM2、第二透镜L2、第三透镜L3、第一空间光调制器SLM1、第四透镜L4，后再经物镜L5聚焦入射到散射介质中，再经散射介质达到焦平面形成最终光斑；本步骤中，第二空间光调制器SLM2开启并加载有校正相位分布P2，第一空间光调制器SLM1开启并加载有校正相位分布P1；本步骤中，散射介质放置有前半层和后半层的两层，前半层的厚度为d1，后半层的厚度为d2，光束经整个散射介质传输到达焦平面，焦平面为垂直于光轴的物镜L5的后焦点所在平面并与后半层的后端面重合。所述步骤1)和3)中，第一透镜L1和第二透镜L2构成一个4F光学系统，第三透镜L3和第四透镜L4构成一个4F光学系统。所述步骤1)中，第一空间光调制器SLM1与散射介质的前半层关于由第四透镜L4和物镜L5组成的平行透镜组光学共轭。所述步骤3)中，第一空间光调制器SLM1与散射介质的前半层关于由第四透镜L4和物镜L5组成的平行透镜组光学共轭，散射介质的后半层关于由第四透镜L4和物镜L5组成的平行透镜组共轭的虚像与第二空间光调制器SLM2再关于由第二透镜L2和第三透镜L3组成的平行透镜组共轭。所述的并行自适应光学校正算法具体是：取用空间光调制器(SLM)上M*M的像素用于像差校正。首先将空间光调制器上的M×M的像素点分为N×N个子区(即SLM具有N*N个光学自由度)，将N×N个子区分为国际象棋的黑白相间棋盘格状，黑白两色各自作为一个初始相位模板，每个子区包含M/N×M/N个像素点；当其中一个颜色区域作为初始相位模板时，如图5所示，另一个颜色区域全部置零，初始相位模板中的各个子区各自等间隔递减的加载相位，并且所有子区的频率按照以下公式确定：ωi＝ωO-Δω×i其中，N×N为子区个数本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于并行自适应光学校正的多层共轭像差校正系统，其特征在于包括沿光路方向依次布置的第一透镜L1、第二空间光调制器SLM2、第二透镜L2、第三透镜L3、第一空间光调制器SLM1、第四透镜L4和物镜L5，物镜L5前方设有散射介质，散射介质包括厚度不同的前半层和后半层的两层；入射光依次经第一透镜L1、第二空间光调制器SLM2、第二透镜L2、第三透镜L3、第一空间光调制器SLM1、第四透镜L4和物镜L5后聚焦到散射介质的后端面。

【技术特征摘要】
1.一种基于并行自适应光学校正的多层共轭像差校正系统，其特征在于包括沿光路方向依次布置的第一透镜L1、第二空间光调制器SLM2、第二透镜L2、第三透镜L3、第一空间光调制器SLM1、第四透镜L4和物镜L5，物镜L5前方设有散射介质，散射介质包括厚度不同的前半层和后半层的两层；入射光依次经第一透镜L1、第二空间光调制器SLM2、第二透镜L2、第三透镜L3、第一空间光调制器SLM1、第四透镜L4和物镜L5后聚焦到散射介质的后端面。2.根据权利要求1所述的一种基于并行自适应光学校正的多层共轭像差校正系统，其特征在于：所述的第一透镜L1和第二透镜L2构成一个4F光学系统，第三透镜L3和第四透镜L4构成一个4F光学系统。3.根据权利要求1所述的一种基于并行自适应光学校正的多层共轭像差校正系统，其特征在于：所述的第一空间光调制器SLM1与散射介质的前半层关于由第四透镜L4和物镜L5组成的平行透镜组光学共轭，散射介质的后半层关于由第四透镜L4和物镜L5组成的平行透镜组共轭的虚像与第二空间光调制器SLM2再关于由第二透镜L2和第三透镜L3组成的平行透镜组共轭。4.根据权利要求1所述的一种基于并行自适应光学校正的多层共轭像差校正系统，其特征在于：所述的物镜L5的后焦点位于散射介质的后半层的后端面上。5.应用于权利要求1-4任一所述的一种基于并行自适应光学校正的多层共轭像差校正方法，其特征在于包括以下步骤：1)入射的平行光束依次经过第一透镜L1、第二空间光调制器SLM2、第二透镜L2、第三透镜L3、第一空间光调制器SLM1、第四透镜L4，后再经物镜L5聚焦入射到散射介质中，再经散射介质到达焦平面形成散射焦斑，在焦平面处用光电倍增管PMT实时探测得到散射焦斑中心光强I1随时间的变化数据；本步骤中，第二空间光调制器SLM2关闭置零用作反射镜(不加载波前相位分布)，第一空间光调制器SLM1开启并根据并行自适应光学校正算法加载不同频率分布的相位；本步骤中，散射介质仅放置有前半层，光束经前半层后被引出在空气中传输到达焦平面，焦平面为垂直于光轴的物镜L5的后焦点所在平面，并且前半层后端面和焦平面之间的距离为后半层的厚度；2)对步骤1)获得的散射焦斑中心光强I1随时间的变化数据进行傅里叶变换，求取傅里叶变换后的复数角度得到校正相位分布P1；3)入射的平行光束依次经过第一透镜L1、第二空间光调制器SLM2、第二透镜L2、第三透镜L3、第一空间光调制器SLM1、第四透镜L4，后再经物镜L5聚焦入射到散射介质中，再经散射介质达到焦平面形成散射焦斑，在焦平面处用光电倍增管PMT实时探测得到散射焦斑中心光强I2随时间的变化数据；本步骤中，第二空间光调制器SLM2根据并行自适应光学校正算法加载不...

【专利技术属性】
技术研发人员：斯科，龚薇，章一叶，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33