基于相位掩模增强的散射介质传输矩阵测量方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种基于相位掩模增强的散射介质传输矩阵测量方法和装置，方法包括：生成准直光束并分隔为多个子光束，对各个子光束施加所需相位延迟量，然后合并为一束光，来施加相位掩模因子；改变光束的振幅分布，分别输入多个调控图案，得到多个调控光场；将各个调控光场依次输入散射介质，形成多个散斑图案，并获取振幅分布；调整相位掩模因子，重复执行上述步骤；根据获取的振幅分布，迭代解算散射介质传输矩阵。与现有技术相比，本发明专利技术提出通过外植入相位掩模控制模块，增加对相位的约束条件，克服了传统振幅型空间光调制器的非干涉散射介质传输矩阵测量方法难以准确测量传输矩阵相位维度信息的难题，具有测量精度高、测量速度快等优点。速度快等优点。速度快等优点。

【技术实现步骤摘要】
基于相位掩模增强的散射介质传输矩阵测量方法和装置


[0001]本专利技术涉及散射介质光场调控
，尤其是涉及基于相位掩模增强的散射介质传输矩阵测量方法和装置。

技术介绍

[0002]强散射介质内部折射率分布不均导致光子的传播轨迹发生多次偏转，故光束经强散射介质扰乱后会快速变为无序分布的散斑。近些年，研究人员发现光束在散射过程中并非是无规律随机传播，而是根据散射介质内的固有传输通道进行定向传播。利用这一特性，基于波前整形法的生物抗散射光学聚焦、成像等技术被依次提出。散射介质的固有传输通道通常由具有M
×
N个复数元素的传输矩阵来表示，它能够将输入端N个光场单元与输出端M个光场单元之间的线性耦合关系进行精确的量化表征。因此，传输矩阵这一概念自被提出就受到了大量地应用。例如，研究人员通过测量传输矩阵实现了光学成像在分辨率上的突破，实现了光学神经网络在算力上的大幅提高，以及实现了计算光谱技术在光谱维度和空间维度之间的高效解耦。
[0003]若要精确描述光束透过散射介质的传播过程，就需要对大复数元素的传输矩阵进行高精度测量。目前，传输矩阵测量方法主要分为参考臂干涉法、自参考干涉法及无干涉法等三类方法。前两类方法的原理是以哈达玛基等正交基作为输入光场，利用参考光移相干涉法测量散射介质后方的复振幅分布，从而通过简单矩阵变换求解散射介质传输矩阵，其中参考光可从额外参考臂或同一光路引入。但是，移相干涉法易受到空气扰动、光子散粒噪声、机械振动等因素的干扰，在复振幅光场测量过程中肉眼可见剧烈抖动，导致传输矩阵测量精度严重受限。无干涉法只需按照随机概率分布调控出一系列具有不同振幅或相位分布的输入光场，并测量各输入光场所对应的散射光强分布，即可通过Gerchberg
‑
Saxton算法、变分贝叶斯期望最大化算法、SDP、EKF
‑
MSSM、GAMP、prVAMP等相位恢复算法计算出传输矩阵。此类方法具有抗噪能力强、测量精度高的突出优势，是目前散射介质传输矩阵测量领域的热点研究方向。
[0004]数字微镜阵列等振幅型光场调控器件在调控速度上具有约千倍的提升，且在调控的光谱宽度、偏振敏感性和稳定性上都具有天然的优势，在散射光场调控技术应用层面的突破中发挥重要作用。但是，当此类振幅型空间光调制器应用于无干涉传输矩阵测量方法时，由于缺少了相位维度的已知约束，相位恢复算法的非凸优化问题变得非常突出，在迭代过程中极易收敛至局部最优，导致测量精度不高。综上，如何通过振幅型光场调制器件实现散射介质传输矩阵的准确测量，是散射介质光场调控
亟待解决的难题。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的就是为了克服现有振幅型光场调制器件的非干涉散射介质传输矩阵测量方法由于缺少了相位维度的已知约束导致测量精度不高的缺陷而提供一种基于相位掩模增强的散射介质传输矩阵测量方法和装置，通过外植入相位掩模控制模块为振幅型
空间光调制器所调控光场施加额外的相位掩模因子，并在散射介质传输矩阵迭代优化算法的逐代计算过程中，均衡不同相位掩模因子作用下的散斑图案差异值来为迭代优化算法提供充分的收敛约束，引导算法始终向传输矩阵真值方向收敛，进而高精度地计算出传输矩阵。本专利技术大大提高了振幅型空间光调制器对散射介质传输矩阵的测量精度。
[0006]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0007]一种基于相位掩模增强的散射介质传输矩阵测量方法，包括以下步骤：
[0008]步骤1：生成准直光束，将该准直光束按照L个不同空间区域分隔为L个独立传播的子光束，对L
‑
1个子光束施加所需相位延迟量，然后将所有子光束合并为一束光，来施加相位掩模因子Φ1；
[0009]步骤2：将施加了相位掩模因子的光束输入预先获取的光场调控模块中，并向该光场调控模块依次输入P个调控图案，根据输入的调控图案依次改变施加了相位掩模因子的光束的振幅分布，得到P个不同的调控光场；将各个调控光场依次输入散射介质，经散射介质扰乱后形成P个不同的散斑图案，采集各个散斑图案的强度分布，计算各个散斑图案的振幅分布；
[0010]步骤3：重复步骤1
‑
步骤2，并分别将所述相位掩模因子调整为Φ2、Φ3、
…
、Φ
K
，计算对应的散斑图案振幅分布，所述L、P和K均为正整数；
[0011]步骤4：根据分别与各个相位掩模因子对应的调控图案和散斑图案振幅分布，通过迭代优化算法解算散射介质传输矩阵。
[0012]进一步地，所述散射介质传输矩阵的求解过程包括以下步骤：
[0013]步骤a1：初始化散射介质传输矩阵D，该散射介质传输矩阵D中包含M
×
N个随机分布的复数元素，所述M、N均为正整数；
[0014]步骤a2：将相位掩模因子Φ1按行复制P次，变为尺寸为P
×
N的相位掩模矩阵Θ1；根据调控图案和与相位掩模因子Φ1相对应的散斑图案振幅分布，设定探测矩阵X和观测矩阵Y，其中，X＝[X1,X2,
…
,X
P
]T
，尺寸为P
×
N，其中符号T表示转置；尺寸为P
×
M；
[0015]步骤a3：根据所述探测矩阵X和初始化散射介质传输矩阵D计算观测矩阵估计值其中符号
°
表示点乘，符号H表示矩阵的共轭转置；
[0016]步骤a4：保持所述观测矩阵估计值的相位分布不变，将的振幅分布替换为观测矩阵Y的振幅分布，得到其中符号∠代表相位；
[0017]步骤a5：由和探测矩阵X计算散射介质传输矩阵其中符号表示矩阵的伪逆；
[0018]步骤a6：重复依次执行步骤a2
‑
步骤a5，计算相位掩模因子Θ2、Θ3、
…
、Θ
K
对应的散射介质传输矩阵D2、D3、
…
、D
K
；
[0019]步骤a7：对各个求取的散射介质传输矩阵取平均值来更新散射介质传输矩阵D，从而完成一次迭代计算；
[0020]步骤a8：重复依次执行步骤a2
‑
步骤a7，不断对散射介质传输矩阵D进行优化更新，直至迭代次数达到预设的第一迭代阈值，或者散射介质传输矩阵D与上轮迭代结果的差异
值小于预设的第一差异阈值，则获取最终的散射介质传输矩阵D。
[0021]进一步地，所述散射介质传输矩阵的求解过程包括以下步骤：
[0022]步骤b1：根据调控图案和与相位掩模因子Φ1相对应的散斑图案振幅分布，设定探测矩阵X＝[X1,X2,
…
,X
P
]T
，尺寸为P
×
N；设定观测矩阵尺寸为P
×
M；
[0023]步骤b2：设定初始参数，包括传输矩阵第1行数值d1的方差传输矩阵D第1行的初始值d1＝[d
1i
]i＝{1,2,本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于相位掩模增强的散射介质传输矩阵测量方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：生成准直光束，将该准直光束按照L个不同空间区域分隔为L个独立传播的子光束，对L
‑
1个子光束施加所需相位延迟量，然后将所有子光束合并为一束光，来施加相位掩模因子Φ1；步骤2：将施加了相位掩模因子的光束输入预先获取的光场调控模块中，并向该光场调控模块依次输入P个调控图案，根据输入的调控图案依次改变施加了相位掩模因子的光束的振幅分布，得到P个不同的调控光场；将各个调控光场依次输入散射介质，经散射介质扰乱后形成P个不同的散斑图案，采集各个散斑图案的强度分布，计算各个散斑图案的振幅分布；步骤3：重复步骤1
‑
步骤2，并分别将所述相位掩模因子调整为Φ2、Φ3、
…
、Φ
K
，计算对应的散斑图案振幅分布，所述L、P和K均为正整数；步骤4：根据分别与各个相位掩模因子对应的调控图案和散斑图案振幅分布，通过迭代优化算法解算散射介质传输矩阵。2.根据权利要求1所述的一种基于相位掩模增强的散射介质传输矩阵测量方法，其特征在于，所述散射介质传输矩阵的求解过程包括以下步骤：步骤a1：初始化散射介质传输矩阵D，该散射介质传输矩阵D中包含M
×
N个随机分布的复数元素，所述M、N均为正整数；步骤a2：将相位掩模因子Φ1按行复制P次，变为尺寸为P
×
N的相位掩模矩阵Θ1；根据调控图案和与相位掩模因子Φ1相对应的散斑图案振幅分布，设定探测矩阵X和观测矩阵Y，其中，X＝[X1,X2,
…
,X
P
]
T
，尺寸为P
×
N，其中符号T表示转置；尺寸为P
×
M；步骤a3：根据所述探测矩阵X和初始化散射介质传输矩阵D计算观测矩阵估计值其中符号
°
表示点乘，符号H表示矩阵的共轭转置；步骤a4：保持所述观测矩阵估计值的相位分布不变，将的振幅分布替换为观测矩阵Y的振幅分布，得到其中符号∠代表相位；步骤a5：由和探测矩阵X计算散射介质传输矩阵其中符号表示矩阵的伪逆；步骤a6：重复依次执行步骤a2
‑
步骤a5，计算相位掩模因子Θ2、Θ3、
…
、Θ
K
对应的散射介质传输矩阵D2、D3、
…
、D
K
；步骤a7：对各个求取的散射介质传输矩阵取平均值来更新散射介质传输矩阵D，从而完成一次迭代计算；步骤a8：重复依次执行步骤a2
‑
步骤a7，不断对散射介质传输矩阵D进行优化更新，直至迭代次数达到预设的第一迭代阈值，或者散射介质传输矩阵D与上轮迭代结果的差异值小于预设的第一差异阈值，则获取最终的散射介质传输矩阵D。3.根据权利要求1所述的一种基于相位掩模增强的散射介质传输矩阵测量方法，其特征在于，所述散射介质传输矩阵的求解过程包括以下步骤：步骤b1：根据调控图案和与相位掩模因子Φ1相对应的散斑图案振幅分布，设定探测矩
阵X＝[X1,X2,
…
,X
P
]
T
，尺寸为P
×
N；设定观测矩阵尺寸为P
×
M；步骤b2：设定初始参数，包括传输矩阵第1行数值d1的方差传输矩阵D第1行的初始值d1＝[d
1i
]
i＝{1,2,
…
,N}
、观测矩阵Y第1列的缺失相位、观测矩阵Y第1列的缺失相位后验分布的均值m＝[m
i
]
i＝{1,2,
…
,N}
以及方差Δ＝[Δ
i
]
i＝{1,2,
…
,N}
；步骤b3：将相位掩模因子Φ1按行复制P次，变为尺寸为P
×
N的相位掩模矩阵Θ1；取观测矩阵Y中的第一列元素y
p1
(p＝{1,2,<...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨佳苗，何巧芝，李秋苑，刘林仙，邵荣君，曲元，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：