一种光束调控方法与流程

本发明属于信息光学，具体涉及一种散射光束的矢量自适应调控方法及系统。

背景技术：

1、光的散射是一种常见的物理现象，但是在光学成像系统中，由于散射效应的存在会导致光场不能进行有效的聚焦，从而使系统成像质量降低，甚至导致不能成像。在实际的应用中，我们感兴趣的光场信息往往隐藏在散射介质之后或者被散射介质包裹，比如在生物医学领域，待测物体常常被散射介质包裹或遮挡，光需要经过具有散射特性的生物组织到达特定位置以实现深组织成像或聚焦手术。

2、光经过一个具有各向异性的散射介质时，会发生多重散射，并随机化散射光场的振幅、相位以及偏振态。由于多重散射耦合了空间复振幅自由度与偏振自由度的信息，使得波前相位调控也可以实现对透过散射介质的矢量光场的偏振控制。由于各向异性散射介质大多具有强散射特性，传统的自适应光学难以适用。基于测量的传输矩阵可以克服散射效应，实现透过散射介质的波前调控以及透过散射介质的聚焦和扫描成像，但该装置复杂，需要逐点扫描，测量不同偏振分量，成本较高，耗时较久。

3、现有技术中，有对变形镜进行调控的技术，但是对变形镜进行调节时，电压单元数较少，当将变形镜的调控方法用于空间光调制器时，具有耗时较久的缺陷；而且变形镜的调控方法只适用于修复低强度湍流对光束的影响，当将该方法用于光束在各向异性散射介质中传输时，对光束的特定偏振态调节的效果较差。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种光束调控方法，旨在解决上述的问题。

2、本是申请实施例公开的光束调控方法，应用于包含发射模块、分束模块、调制模块、合束模块的系统中，其中

3、所述发射模块用于发射激光光束，

4、所述分束模块用于将所述激光光束分束为正交的第一偏振光和第二偏振光，

5、所述调制模块用于对所述第一偏振光和所述第二偏振光进行调制，

6、所述合束模块用于将调制后的第一偏振光和第二偏振光进行合束，得到调制光束；

7、所述方法包括第一阶段循环，所述第一阶段循环中分别对第一偏振光束和第二偏振光束执行如下步骤

8、sa100、根据光斑大小确定调制模块的有效调制区域；

9、sa200、获取调制光束经各向异性散射介质后的实测光斑图像；

10、sa300、根据所述实测光斑图像和理想光斑图像计算用于表征实测光斑图像与理想光斑图像相似度的引导因子和实测光斑图像与理想光斑图像的能量密度比；

11、sa400、根据引导因子和能量密度比计算用于更新zernike多项式系数的复合评价参数；

12、sa500、根据复合评价参数更新zernike多项式系数，根据更新的zernike多项式系数生成对应的zernike相位；将zernike相位施加至调制模块的有效调制区域，对第一偏振光或第二偏振光进行调制；

13、重复步骤sa200至sa500直至获取的实测光斑图像满足第一预设条件。

14、根据本技术前述实施例，所述方法还包括第二阶段循环，所述第二阶段循环包括如下步骤

15、sb100、缩小调制模块的有效调制区域，将缩小后的有效调制区域划分为多个子区域；

16、对每个子区域进行如下调节：

17、sb200、根据当前获取的实测光斑图像计算实测光斑图像与理想光斑图像的能量密度比；根据当前的能量密度比与前一次计算的能量密度比更新zernike多项式系数，根据更新的zernike多项式系数生成对应的zernike相位；将新的zernike相位施加至调制模块的当前调制子区域，对第一偏振光或第二偏振光进行调制，获取新的实测光斑图像；

18、或

19、sb200、利用随机分布函数生成随机数列，利用随机数列更新zernike多项式系数，根据更新的zernike多项式系数生成对应的zernike相位；将新的zernike相位施加至调制模块的当前调制子区域，对第一偏振光或第二偏振光进行调制，获取新的实测光斑图像；根据当前获取的实测光斑图像计算实测光斑图像与理想光斑图像的能量密度比；

20、重复步骤sb200，直至获取的实测光斑图像满足第二预设条件。

21、根据本技术前述任一实施例，所述引导因子的计算公式如下

22、

23、其中，

24、gf表示引导因子，

25、iori表示理想光斑图像中的光斑区域；

26、ii表示实测光斑图像中的光斑区域；

27、e(iori)为光斑区域iori的光强度期望值；

28、为光斑区域iori的光强度二次方的期望值；

29、e(ii)为光斑区域ii的光强度的期望值；

30、为光斑区域ii的光强度二次方的期望值；

31、e(ioriii)为光斑区域iori和光斑区域ii的光强度乘积的期望值；

32、ε为正则化系数。

33、根据本技术前述任一实施例，所述能量密度比的计算公式如下

34、

35、其中，

36、er表示能量密度比；

37、ii(x,y)表示实测光斑图像的(x,y)位置处的光强度值；

38、iori(x,y)表示理想光斑图像的(x,y)位置处的光强度值。

39、根据本技术前述任一实施例，所述步骤sa400包括如下子步骤

40、sa410、利用伯努利随机分布函数生成长度为n的一维随机数列，n为zernike多项式的系数个数；

41、sa420、利用下式更新zernike多项式系数，根据更新的zernike多项式系数生成对应的zernike相位，对第一偏振光或第二偏振光进行调制，获取新的实测光斑图像，根据新的实测光斑图像和理想光斑图像计算引导因子gf+和能量密度比er+，

42、ak+1＝ak+δa

43、其中，

44、ak+1表示新的zernike多项式系数，

45、ak表示前一次计算的zernike多项式系数，

46、δa表示所述一维随机数列；

47、sa430、利用下式更新zernike多项式系数，根据更新的zernike多项式系数生成对应的zernike相位，对第一偏振光或第二偏振光进行调制，获取新的实测光斑图像，根据新的实测光斑图像和理想光斑图像计算引导因子gf-和能量密度比er-，

48、ak+1＝ak-δa

49、sa440、利用gf+、er+、gf-、er-计算复合评价参数。

50、根据本技术前述任一实施例，所述复合评价参数的计算公式如下

51、

52、其中，

53、r表示复合评价参数；

54、γ1和γ2表示增益系数；

55、δgf表示相邻两次计算出的引导因子gf的差值；

56、δer表示相邻两次计算出的能量密度比er的差值。

57、根据本技术前述任一实施例，

58、若当前计算的引导因子与前一次计算的引导因子之差大于阈值tgf，则以最新的引导因子作为引导因子gf，以最新的能量密度比作为能量密度比er，重复执行子步骤sa410、sa420，否则执行子步骤sa430、sa440；

59、和/或。

60、若当前计算的引导因子与前一次计算的引导因子之差大于阈值tgf，则以最新的引导因子作为引导因子gf，以最新的能量密度比作为能量密度比er,重复执行子步骤sa410、sa430，否则执行子步骤sa420、sa440。

61、根据本技术前述任一实施例，步骤sa500中，利用下式更新zernike多项式系数

62、ak+1＝ak+r*δa。

63、

64、根据本技术前述任一实施例，步骤sb200包括如下子步骤

65、sb210、利用伯努利随机分布函数生成长度为n的一维随机数列，n为zernike多项式的系数个数；

66、sb220、利用下式更新zernike多项式系数，根据更新的zernike多项式系数生成对应的zernike相位，对第一偏振光或第二偏振光进行调制，获取新的实测光斑图像，根据新的实测光斑图像和理想光斑图像计算能量密度比，

67、ak+1＝ak+δa

68、其中，

69、ak+1表示新的zernike多项式系数，

70、ak表示前一次计算的zernike多项式系数，

71、δa表示所述一维随机数列；

72、重复执行子步骤sb210、sb220直至当前计算的能量密度比与前一次计算的能量密度比之差小于阈值ter。

73、根据本技术前述任一实施例，步骤sb200还包括如下子步骤

74、sb230、利用下式更新zernike多项式系数，根据更新的zernike多项式系数生成对应的zernike相位，对第一偏振光或第二偏振光进行调制，获取新的实测光斑图像，根据新的实测光斑图像和理想光斑图像计算能量密度比，

75、ak+1＝ak-δa；

76、

77、重复执行步骤sb210、sb230直至当前计算的能量密度比与前一次计算的能量密度比之差小于阈值ter。

78、本发明的有益效果如下：

79、本技术实施例提出了一种引导因子+能量密度比的复合评价指标(复合评价参数)，基于理想光斑的能量分布，可提高实际光斑与理想光斑的相似程度，并且还能提高实际光斑的能量峰值。