基于超像素與數(shù)字微鏡的光場復振幅調制：散射介質聚焦的創(chuàng)新探索一、引言1.1研究背景與意義光作為信息的重要載體，在現(xiàn)代科學技術中扮演著關鍵角色。然而，當光在傳播過程中遇到散射介質時，如生物組織、云霧、渾濁液體等，其傳播方向會發(fā)生隨機改變，形成復雜的散斑圖案，這使得光的聚焦和成像變得極具挑戰(zhàn)性。但光透過散射介質聚焦的研究，在生物醫(yī)學成像、光通信、無損檢測等眾多領域卻具有極其重要的意義。在生物醫(yī)學成像領域，生物組織對光的散射嚴重限制了傳統(tǒng)光學成像技術的應用深度和分辨率。例如，在對深層組織進行成像時，由于光的散射，探測器接收到的信號包含大量噪聲，難以獲得清晰的圖像，這對于早期疾病的診斷和治療造成了極大的阻礙。如果能夠實現(xiàn)光透過生物組織等散射介質的有效聚焦，就可以顯著提高成像的質量和深度，幫助醫(yī)生更準確地觀察組織內部的結構和病變情況，為疾病的早期診斷和治療提供有力支持。例如，在癌癥早期檢測中，高分辨率的成像技術能夠幫助醫(yī)生發(fā)現(xiàn)微小的腫瘤病灶，從而提高癌癥的治愈率。在光通信領域，散射介質同樣給信號傳輸帶來了諸多難題。以大氣通信為例，大氣中的氣溶膠、塵埃等粒子會使光信號發(fā)生散射和衰減，導致信號失真和傳輸距離受限。通過實現(xiàn)光透過散射介質的聚焦，可以有效提高光信號的傳輸質量和距離，增強通信的穩(wěn)定性和可靠性，推動高速、大容量光通信技術的發(fā)展。在未來的6G甚至更高級別的通信網(wǎng)絡中，可靠的光通信技術將是實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P鍵，而光透過散射介質聚焦技術的突破將為其提供重要的技術支撐。在無損檢測領域，對于一些內部結構復雜或表面不平整的材料，光的散射會干擾檢測信號，影響對材料內部缺陷的檢測精度。實現(xiàn)光透過散射介質聚焦后，能夠更準確地對材料內部的缺陷進行定位和評估，提高檢測的準確性和可靠性，保障材料和結構的安全性。例如，在航空航天領域，對飛行器零部件的無損檢測要求極高，光透過散射介質聚焦技術可以幫助檢測人員更清晰地觀察零部件內部的微小裂紋和缺陷，確保飛行器的安全飛行。為了實現(xiàn)光透過散射介質聚焦，研究人員提出了多種方法，如傳輸矩陣法、相位共軛法、反饋式波前整形法等。傳輸矩陣法通過測定散射介質的傳輸矩陣來反推入射光場，以實現(xiàn)光束聚焦，但散射介質的自由度極高，傳輸矩陣的測量難度極大；相位共軛法存在散射光場信噪比低、聚焦質量受限等問題；反饋式波前整形法雖然系統(tǒng)簡單、易于控制，但優(yōu)化入射波陣面的時間較長，難以滿足動態(tài)散射介質的光學聚焦和成像需求，且現(xiàn)有的波前調制器光場調控維度受限，導致調控精度難以進一步顯著提高。隨著光學技術的不斷發(fā)展，超像素和數(shù)字微鏡技術在光場調控領域展現(xiàn)出了巨大的潛力。超像素技術能夠將圖像劃分為具有相似特征的小區(qū)域，通過對這些小區(qū)域的光場進行調控，可以實現(xiàn)對光場復振幅的精確控制，提高光場調控的精度和靈活性。數(shù)字微鏡器件（DigitalMicromirrorDevice，DMD）是一種基于微機電系統(tǒng)（MEMS）技術的光調制器件，具有高速切換、高分辨率、高精度等優(yōu)點，能夠快速地對光場進行調制，為實現(xiàn)光透過散射介質聚焦提供了新的途徑。因此，研究基于超像素和數(shù)字微鏡的光場復振幅調制實現(xiàn)光透過散射介質聚焦的方法具有重要的科學意義和實際應用價值。通過該研究，可以突破傳統(tǒng)光場調控方法的局限，提高光透過散射介質聚焦的效率和精度，為生物醫(yī)學成像、光通信、無損檢測等領域的發(fā)展提供關鍵技術支持，推動相關領域的技術進步和應用拓展。1.2國內外研究現(xiàn)狀在光場調控領域，國內外學者進行了廣泛而深入的研究，旨在實現(xiàn)對光場的精確控制，以滿足不同應用場景的需求。國外方面，早在20世紀末，就有研究團隊開始利用空間光調制器（SpatialLightModulator，SLM）對光場的相位進行調控，實現(xiàn)了簡單的光束整形和聚焦。隨著技術的不斷發(fā)展，對光場振幅、相位和偏振態(tài)的多維調控成為研究熱點。例如，美國的一些科研團隊通過設計復雜的超表面結構，實現(xiàn)了對光場偏振態(tài)和相位的同時調控，在全息顯示和光學成像等領域取得了一定的成果。在歐洲，相關研究則更側重于將光場調控技術應用于量子光學領域，通過精確調控光場來實現(xiàn)量子態(tài)的制備和操控，為量子通信和量子計算的發(fā)展提供了重要支持。國內在光場調控領域也取得了顯著的進展。近年來，眾多高校和科研機構加大了對光場調控技術的研究投入。如北京大學、清華大學、北京理工大學等高校的研究團隊，在超表面光場調控、基于深度學習的光場調控算法等方面開展了深入研究，取得了一系列創(chuàng)新性成果。其中，北京理工大學的團隊提出了一種新型的超表面設計方法，能夠在亞波長尺度上實現(xiàn)對光場的高效調控，大大提高了光場調控的精度和效率，相關成果在國際上引起了廣泛關注。在超像素技術應用于光場調控方面，國外的研究起步較早。一些研究團隊將超像素分割算法應用于光場復振幅調制，通過對超像素區(qū)域內的光場進行獨立調控，實現(xiàn)了對復雜光場分布的靈活控制。例如，在光學顯微成像中，利用超像素技術對光場進行調制，能夠有效提高成像的分辨率和對比度，為生物醫(yī)學研究提供了更清晰的微觀圖像。國內學者也在積極跟進這一研究方向，通過改進超像素算法和光場調控策略，進一步提高了光場調控的性能。例如，有研究團隊提出了一種基于自適應超像素分割的光場調控方法，能夠根據(jù)光場的特性自動調整超像素的劃分，從而實現(xiàn)更精準的光場復振幅調制。數(shù)字微鏡器件（DMD）作為一種重要的光調制器件，在國內外都受到了廣泛的研究和應用。國外在DMD的硬件研發(fā)和應用方面處于領先地位，開發(fā)出了高分辨率、高速響應的DMD產品，并將其應用于光通信、光存儲、3D打印等多個領域。例如，在光通信中，利用DMD對光信號進行快速調制，能夠實現(xiàn)高速的數(shù)據(jù)傳輸和復雜的信號處理。國內在DMD的應用研究方面也取得了不少成果，尤其是在光場調控領域。一些研究團隊利用DMD實現(xiàn)了對光場的快速切換和精確調控，為光透過散射介質聚焦等應用提供了新的技術手段。例如，上海交通大學的楊佳苗團隊深入研究了如何利用數(shù)字光處理技術（基于DMD）快速高精度控制復振幅光場信息，并取得了多項研究成果，包括基于復波前測控的抗強散射光聚焦技術，相關成果在光學領域國際著名期刊發(fā)表，推動了該領域的發(fā)展。然而，目前基于超像素和數(shù)字微鏡的光場復振幅調制實現(xiàn)光透過散射介質聚焦的研究仍存在一些問題。一方面，超像素算法在處理復雜光場時，計算復雜度較高，導致調控速度較慢，難以滿足實時應用的需求。另一方面，數(shù)字微鏡在對光場進行調制時，存在能量利用率不高、調制精度受限于微鏡尺寸和數(shù)量等問題。此外，在實現(xiàn)光透過散射介質聚焦時，如何有效抑制散射噪聲，提高聚焦光斑的質量和穩(wěn)定性，仍然是一個亟待解決的難題。1.3研究內容與方法1.3.1研究內容本研究主要圍繞基于超像素和數(shù)字微鏡的光場復振幅調制實現(xiàn)光透過散射介質聚焦的方法展開，具體研究內容如下：超像素和數(shù)字微鏡原理及特性研究：深入剖析超像素算法的原理，研究其在光場復振幅調制中的應用潛力，分析不同超像素分割算法對光場調控精度和效率的影響。同時，對數(shù)字微鏡器件的工作原理、性能參數(shù)進行全面研究，包括微鏡的切換速度、分辨率、調制精度等，明確其在光場調制中的優(yōu)勢和局限性，為后續(xù)的系統(tǒng)設計和實驗研究提供理論基礎。光場復振幅調制方法研究：基于超像素技術和數(shù)字微鏡器件，探索高效的光場復振幅調制方法。研究如何通過對超像素區(qū)域的合理劃分和對數(shù)字微鏡的精確控制，實現(xiàn)對光場振幅和相位的同時調控，以達到優(yōu)化光場分布的目的。在此過程中，重點研究復振幅調制算法，通過算法優(yōu)化提高調制的精度和速度，解決超像素算法計算復雜度高和數(shù)字微鏡能量利用率低等問題。光透過散射介質聚焦實驗研究：搭建基于超像素和數(shù)字微鏡的光場復振幅調制實驗系統(tǒng)，進行光透過散射介質聚焦實驗。選擇不同類型的散射介質，如生物組織模擬樣品、云霧模擬裝置、渾濁液體等，研究在不同散射條件下光場的傳播特性和聚焦效果。通過實驗，驗證所提出的光場復振幅調制方法的有效性，分析影響聚焦光斑質量和穩(wěn)定性的因素，并與傳統(tǒng)光場調控方法進行對比，評估本方法的優(yōu)勢和改進空間。實驗結果分析與優(yōu)化：對光透過散射介質聚焦實驗的結果進行深入分析，利用圖像處理和數(shù)據(jù)分析技術，評估聚焦光斑的質量指標，如光斑尺寸、光強分布、聚焦深度等。根據(jù)實驗結果，分析超像素和數(shù)字微鏡在光場調控過程中存在的問題，針對性地提出優(yōu)化策略，進一步提高光透過散射介質聚焦的效率和精度，實現(xiàn)更穩(wěn)定、高質量的聚焦效果。1.3.2研究方法本研究綜合運用理論分析、實驗研究和數(shù)值模擬等多種方法，確保研究的全面性和深入性：理論分析：從光學原理出發(fā)，建立光在散射介質中傳播的理論模型，分析光場的散射特性和復振幅調制的理論基礎。研究超像素算法和數(shù)字微鏡調制的數(shù)學原理，通過理論推導和公式分析，深入理解光場調控的內在機制，為實驗研究和數(shù)值模擬提供理論指導。例如，運用波動光學理論，分析光在散射介質中的多次散射過程，建立散射光場的數(shù)學表達式，進而研究如何通過復振幅調制實現(xiàn)光場的聚焦。實驗研究：搭建實驗平臺，開展光場復振幅調制和光透過散射介質聚焦實驗。實驗平臺主要包括激光光源、準直擴束系統(tǒng)、數(shù)字微鏡器件、散射介質樣品池、光電探測器等部分。通過實驗，測量不同條件下光場的復振幅分布和聚焦光斑的特性，獲取真實可靠的數(shù)據(jù)，驗證理論分析的正確性和方法的可行性。在實驗過程中，嚴格控制實驗條件，進行多組對比實驗，以確保實驗結果的準確性和可靠性。數(shù)值模擬：利用光學仿真軟件，如LightTools、FDTDSolutions等，對光在散射介質中的傳播和光場復振幅調制過程進行數(shù)值模擬。通過設置不同的參數(shù)，模擬不同散射介質、超像素分割和數(shù)字微鏡調制條件下的光場分布，預測聚焦效果。數(shù)值模擬可以快速、直觀地展示光場調控的過程和結果，為實驗研究提供參考，幫助優(yōu)化實驗方案，同時也有助于深入理解光場調控的物理過程，探索新的調控策略。二、光在散射介質內傳播的理論基礎2.1傳輸矩陣理論傳輸矩陣理論是描述光在散射介質中傳播特性的重要理論之一，它為光場調控提供了有力的數(shù)學工具。在光場調控的研究中，理解散射介質對光場的作用機制至關重要，而傳輸矩陣理論正是揭示這一機制的關鍵。傳輸矩陣用于表示入射光場與出射光場之間的線性關系。假設入射光場可以用一個矢量\vec{E}_{in}表示，出射光場用矢量\vec{E}_{out}表示，那么散射介質的傳輸矩陣\mathbf{T}滿足\vec{E}_{out}=\mathbf{T}\vec{E}_{in}。在數(shù)學上，傳輸矩陣\mathbf{T}是一個復數(shù)矩陣，其元素T_{ij}描述了從入射光場的第i個模式到出射光場的第j個模式的傳輸系數(shù)，包括振幅和相位的變化。這種線性關系的建立，使得我們可以通過對傳輸矩陣的分析，深入了解光在散射介質中的傳播行為。從物理意義上講，傳輸矩陣包含了散射介質對光場的散射、吸收等多種作用信息。當光進入散射介質時，會與介質中的微小顆粒發(fā)生相互作用，導致光的傳播方向、振幅和相位發(fā)生改變。傳輸矩陣中的元素正是這些復雜相互作用的數(shù)學體現(xiàn)，通過研究傳輸矩陣，我們能夠直觀地看到光在散射介質中不同模式之間的能量轉移和相位變化，從而為光場調控提供理論依據(jù)。例如，在生物醫(yī)學成像中，了解光在生物組織中的傳輸矩陣，可以幫助我們更好地理解光在組織內的傳播路徑和能量分布，進而優(yōu)化成像方案，提高成像質量。在散射介質光場調控中，傳輸矩陣具有重要的應用。一旦測定出散射介質的傳輸矩陣，就可以根據(jù)所需形成的聚焦光場反推入射光場，從而實現(xiàn)光束在散射介質中的聚焦。這一過程基于光傳播的可逆性原理，即如果已知光從散射介質出射后的狀態(tài)（聚焦光場），通過傳輸矩陣的逆運算，就可以得到能夠產生該聚焦光場的入射光場。這種方法在理論上為實現(xiàn)光透過散射介質聚焦提供了清晰的思路，使得我們能夠有針對性地設計入射光場，以達到預期的聚焦效果。然而，傳輸矩陣的測量面臨著諸多困難。散射介質的自由度極高，傳輸矩陣需要用非常多的元素來描述。以一個具有N個輸入模式和M個輸出模式的散射系統(tǒng)為例，傳輸矩陣\mathbf{T}是一個M\timesN的矩陣，其元素數(shù)量為M\timesN個。在實際的散射介質中，如生物組織、渾濁液體等，其內部結構的復雜性導致自由度N和M往往非常大，這使得測量所有元素變得極其困難。測量傳輸矩陣需要高精度的光學測量設備和復雜的實驗技術，對實驗環(huán)境的穩(wěn)定性要求也很高。微小的環(huán)境擾動，如溫度、振動等，都可能影響測量結果的準確性，進一步增加了測量的難度。傳統(tǒng)的測量方法通常需要花費大量的時間和精力，且測量精度難以滿足實際應用的需求，這限制了傳輸矩陣在實際光場調控中的廣泛應用。2.2隨機矩陣理論隨機矩陣理論是數(shù)學、物理和工程學交叉領域中的一個重要分支，它為描述散射介質的隨機性提供了有力的工具，在光場傳播特性分析和聚焦研究中具有重要作用。隨機矩陣是指元素為隨機變量的矩陣。在散射介質的研究中，由于介質內部結構的復雜性和不確定性，光在其中的傳播過程呈現(xiàn)出隨機特性，這使得隨機矩陣理論能夠很好地描述散射介質對光場的作用。以生物組織為例，其內部包含各種細胞、細胞器以及不同濃度的液體等，這些微觀結構的分布是隨機的，導致光在傳播過程中不斷地與這些微觀結構相互作用，其傳播方向、振幅和相位發(fā)生隨機變化。通過隨機矩陣理論，可以將這種復雜的隨機過程用數(shù)學模型進行描述，從而深入研究光在散射介質中的傳播特性。在散射介質中，光的傳播可以看作是一個隨機過程，其散射特性可以用隨機矩陣來描述。假設光在散射介質中的傳播可以用一個線性變換來表示，那么這個線性變換的系數(shù)矩陣就是一個隨機矩陣。這個隨機矩陣的元素反映了光在不同傳播路徑上的散射概率和相位變化等信息。例如，在一個簡單的散射模型中，隨機矩陣的元素可以表示光從一個位置傳播到另一個位置的概率，以及在傳播過程中相位的改變。通過對隨機矩陣的分析，可以得到光在散射介質中的傳播規(guī)律，如光強的分布、散射光的相干性等。隨機矩陣理論在光場傳播特性分析中具有重要應用。通過研究隨機矩陣的統(tǒng)計特性，如特征值分布、譜密度等，可以深入了解光場在散射介質中的傳播行為。在一些研究中，發(fā)現(xiàn)隨機矩陣的特征值分布與光場的散射特性密切相關。當散射介質的散射強度增加時，隨機矩陣的特征值分布會發(fā)生相應的變化，這反映了光場在散射介質中的能量分布和傳播模式的改變。通過對隨機矩陣特征值分布的分析，可以預測光場在散射介質中的傳播特性，為光場調控提供理論依據(jù)。在光透過散射介質聚焦的研究中，隨機矩陣理論同樣發(fā)揮著重要作用。通過對散射介質的隨機矩陣進行分析，可以找到一些特殊的入射光場模式，使得光在散射介質中傳播后能夠實現(xiàn)聚焦。這些特殊的入射光場模式對應著隨機矩陣的某些特征向量，通過激發(fā)這些特征向量，可以有效地控制光在散射介質中的傳播路徑，實現(xiàn)光的聚焦。以基于傳輸矩陣的聚焦方法為例，傳輸矩陣可以看作是一種特殊的隨機矩陣，通過對傳輸矩陣的奇異值分解，可以找到與聚焦相關的奇異向量，從而設計出能夠實現(xiàn)聚焦的入射光場。這種基于隨機矩陣理論的聚焦方法，為光透過散射介質聚焦提供了一種新的思路和方法，有助于提高聚焦的效率和精度。2.3光散射與聚焦原理當光在傳播過程中遇到散射介質時，其傳播方向會發(fā)生隨機改變，這一現(xiàn)象被稱為光散射。光散射的產生源于散射介質內部微觀結構的不均勻性，這些微觀結構的尺寸與光的波長相當或更小，使得光在與它們相互作用時發(fā)生散射。以生物組織為例，生物組織由大量的細胞、細胞器以及細胞間質組成，這些微觀結構的折射率存在差異，當光進入生物組織后，會不斷地與這些微觀結構相互作用，導致光的傳播方向發(fā)生隨機變化。在大氣中，氣溶膠、塵埃等微小顆粒也會使光發(fā)生散射，從而影響光的傳播和成像。光散射對光場信息的擾亂主要體現(xiàn)在以下幾個方面。由于光的傳播方向隨機改變，原本有序的光場分布被破壞，形成了復雜的散斑圖案。這些散斑圖案是由大量散射光相互干涉形成的，其光強和相位分布呈現(xiàn)出隨機性，使得光場的相干性降低。光在散射介質中傳播時，會與介質中的顆粒發(fā)生多次散射，導致光的能量在不同方向上分散，光強逐漸衰減。這使得探測器接收到的光信號強度減弱，信噪比降低，進一步增加了光場信息的提取難度。散射還會導致光的相位發(fā)生隨機變化，使得光場的相位信息變得混亂，難以直接用于成像和聚焦等應用。為了實現(xiàn)光透過散射介質聚焦，波前整形技術成為一種重要的手段。波前整形的基本原理是通過調控入射光的波前，補償由于散射導致的相位畸變，使得散射光能夠在特定位置重新相干疊加，從而實現(xiàn)聚焦。在數(shù)學上，波前整形可以通過對入射光場的相位進行調制來實現(xiàn)。假設入射光場的復振幅為E_{in}(x,y)，其相位為\varphi_{in}(x,y)，通過空間光調制器等器件對相位進行調制，得到調制后的相位\varphi_{mod}(x,y)，則調制后的入射光場復振幅為E_{mod}(x,y)=E_{in}(x,y)e^{i\varphi_{mod}(x,y)}。當調制后的光場進入散射介質后，由于相位的補償作用，散射光能夠在目標位置實現(xiàn)相長干涉，形成聚焦光斑。從物理過程來看，波前整形技術利用了光傳播的可逆性原理。如果我們能夠測量出散射光場的相位分布，然后將其相位共軛后作為入射光場的相位，那么根據(jù)光傳播的可逆性，光在散射介質中傳播后將會沿著相反的路徑回到原來的位置，實現(xiàn)聚焦。在實際應用中，通常采用迭代優(yōu)化的方法來尋找最佳的入射波前。通過不斷調整入射光場的相位，以散射介質后聚焦光斑的質量（如光強、光斑尺寸等）作為反饋信號，利用優(yōu)化算法（如遺傳算法、模擬退火算法等）逐步優(yōu)化入射波前，直到獲得滿意的聚焦效果。例如，在基于反饋式波前整形的實驗中，通過空間光調制器對入射光的波前進行逐點調制，同時使用單點探測器監(jiān)測散射介質后聚焦光斑的光強，根據(jù)光強的變化調整調制相位，經(jīng)過多次迭代后，能夠實現(xiàn)光透過散射介質的聚焦。三、超像素方法原理及數(shù)字微鏡器件3.1超像素方法原理3.1.1超像素與其子像素的關系超像素是由一系列位置相鄰且具有相似特征（如顏色、亮度、紋理等）的子像素組成的小區(qū)域，在光場調控中，超像素可以被視為具有代表性的大“像素”。每個超像素內部的子像素在光場調控中相互協(xié)作，共同實現(xiàn)對光場復振幅的調控。從組成結構上看，超像素可以看作是子像素的集合。在實際應用中，通常會根據(jù)具體的需求和光場特性，將一定數(shù)量的子像素組合成一個超像素。例如，在數(shù)字微鏡器件（DMD）中，每個微鏡可以看作是一個子像素，多個微鏡通過特定的排列和控制方式組成超像素。通過對超像素內子像素的協(xié)同控制，可以實現(xiàn)對光場振幅和相位的精確調控。當需要調控光場的相位時，可以通過調整超像素內不同子像素的相位延遲，使得超像素整體的相位分布滿足特定的要求，從而實現(xiàn)對光場相位的調制。在光場復振幅調制中，超像素的調控作用至關重要。超像素可以通過對其子像素的組合和調控，實現(xiàn)對光場復振幅的靈活控制。由于超像素內子像素的特征相似，它們在光場調控中可以看作是一個整體，這樣可以大大降低光場調控的復雜度。通過對超像素的調控，可以實現(xiàn)對光場的聚焦、光束整形等功能。在實現(xiàn)光透過散射介質聚焦時，通過對超像素內子像素的相位和振幅進行優(yōu)化調控，可以使得散射光在目標位置實現(xiàn)相長干涉，從而形成聚焦光斑。3.1.2賦予子像素相位的方法在基于超像素和數(shù)字微鏡的光場復振幅調制中，賦予子像素相位是實現(xiàn)光場調控的關鍵步驟。常見的方法是利用數(shù)字微鏡器件的特性，通過控制微鏡子像素的開關狀態(tài)和傾斜角度來賦予子像素不同的相位。數(shù)字微鏡器件（DMD）由數(shù)百萬個微小的反射鏡組成，每個反射鏡可以看作是一個子像素。DMD的工作原理基于微機電系統(tǒng)（MEMS）技術，通過對微鏡下方的電極施加電壓，利用靜電力驅動微鏡繞對角線軸旋轉。以德州儀器（TI）的DMD芯片為例，每個微鏡可在兩種狀態(tài)間切換：“開”狀態(tài)下，微鏡傾斜+12°，將入射光反射到投影透鏡，形成亮像素；“關”狀態(tài)下，微鏡傾斜-12°，將光反射至吸光板，形成暗像素。通過控制微鏡在這兩種狀態(tài)下的時間占比，可以實現(xiàn)對光強的調制，即脈寬調制（PWM）。而在賦予子像素相位時，可以通過精確控制微鏡的傾斜角度和切換時間，來引入不同的相位延遲。當需要賦予某個子像素特定的相位時，可以通過調整微鏡的傾斜角度，使得反射光的相位發(fā)生相應的改變。通過控制微鏡在“開”狀態(tài)的時間，也可以實現(xiàn)對相位的微調。除了利用微鏡的傾斜角度和開關狀態(tài)，還可以通過改變微鏡的排列方式和驅動信號的頻率來賦予子像素相位。在一些研究中，通過設計特殊的微鏡排列圖案，使得子像素之間產生特定的相位差，從而實現(xiàn)對光場相位的調制。通過改變驅動信號的頻率，可以改變微鏡的響應速度，進而影響子像素的相位變化。在高速光場調控中，通過快速切換微鏡的狀態(tài)，可以實現(xiàn)對子像素相位的快速調制，滿足動態(tài)光場調控的需求。3.1.3子像素于目標面疊加的原理子像素光場在目標面的疊加遵循光的干涉原理。當多個子像素發(fā)出的光傳播到目標面時，它們會相互干涉，形成特定的光強分布。光的干涉是指兩列或多列光波在空間相遇時相互疊加，在某些區(qū)域始終加強，在另一些區(qū)域始終減弱，形成穩(wěn)定的強弱分布的現(xiàn)象。在子像素光場疊加中，子像素發(fā)出的光可以看作是相干光源，它們的相位和振幅決定了干涉的結果。假設兩個子像素發(fā)出的光的復振幅分別為E_1=A_1e^{i\varphi_1}和E_2=A_2e^{i\varphi_2}，其中A_1和A_2是振幅，\varphi_1和\varphi_2是相位。在目標面上，這兩束光疊加后的復振幅E=E_1+E_2=A_1e^{i\varphi_1}+A_2e^{i\varphi_2}。根據(jù)光強與復振幅的關系I=|E|^2，可以計算出疊加后的光強分布。當\varphi_1-\varphi_2=2k\pi（k為整數(shù)）時，兩束光相長干涉，光強增強；當\varphi_1-\varphi_2=(2k+1)\pi時，兩束光相消干涉，光強減弱。在實際的光場調控中，通常會有多個子像素參與疊加，通過精確控制每個子像素的相位和振幅，可以實現(xiàn)對目標面光強分布的精確控制。子像素光場在目標面的疊加效果受到多種因素的影響。子像素的相位差是決定干涉結果的關鍵因素。通過調整子像素的相位，可以實現(xiàn)相長干涉或相消干涉，從而在目標面形成聚焦光斑或特定的光強圖案。子像素的振幅也會影響疊加效果。當子像素的振幅不同時，疊加后的光強分布會發(fā)生變化，可能導致聚焦光斑的形狀和強度不均勻。此外，子像素之間的距離、光的波長以及傳播介質的特性等因素也會對疊加效果產生影響。在設計光場調控系統(tǒng)時，需要綜合考慮這些因素，以實現(xiàn)理想的光場疊加效果。3.2數(shù)字微鏡器件（DMD）數(shù)字微鏡器件（DigitalMicromirrorDevice，DMD）是基于微機電系統(tǒng)（MEMS）技術的光調制器件，在光場調控領域具有重要應用。其核心結構是由數(shù)百萬個微小的反射鏡組成的微鏡陣列，這些微鏡以高精度的方式排列在CMOS基底上。每個微鏡的尺寸通常在幾微米到幾十微米之間，如德州儀器（TI）的一些DMD產品，微鏡邊長約為10-20微米，它們可以獨立控制光的反射方向，從而實現(xiàn)對光場的精確調制。DMD的工作原理基于靜電驅動和雙穩(wěn)態(tài)控制。在DMD中，每個微鏡下方都對應一個存儲單元和控制電極，通過CMOS電路對電極施加電壓，利用靜電力驅動微鏡繞對角線軸旋轉。微鏡具有兩種穩(wěn)定狀態(tài)：“開”狀態(tài)下，微鏡傾斜+12°（部分型號支持±17°），將入射光反射到投影透鏡，形成亮像素；“關”狀態(tài)下，微鏡傾斜-12°，將光反射至吸光板，形成暗像素。這種雙穩(wěn)態(tài)特性使得微鏡在切換狀態(tài)后無需持續(xù)施加電壓就能保持當前狀態(tài)，大大降低了功耗，并且狀態(tài)切換時間可短至微秒級，典型值為15μs，這使得DMD能夠實現(xiàn)高速動態(tài)顯示。通過控制微鏡在“開”狀態(tài)的時間占比，即采用脈寬調制（PWM）技術，可以調節(jié)光的亮度。例如，對于8-bit色彩顯示，需要256種不同的時間組合來實現(xiàn)不同的灰度級，再搭配RGB光源或色輪，就可以實現(xiàn)全彩成像。在光場調控中，DMD實現(xiàn)復振幅調制的優(yōu)勢顯著。DMD可以通過控制微鏡的狀態(tài)來精確地控制光的振幅和相位。通過改變微鏡在“開”和“關”狀態(tài)的比例，可以實現(xiàn)對光振幅的調制；通過精確控制微鏡的傾斜角度和切換時間，可以引入不同的相位延遲，從而實現(xiàn)對光相位的調制。這種對光場復振幅的精確控制能力，使得DMD在光場調控中具有高度的靈活性和精確性。DMD的高速切換特性使其能夠快速地改變光場的分布，適用于動態(tài)光場調控的應用場景。在光通信中，需要快速地對光信號進行調制和解調，DMD的高速切換能力可以滿足這一需求，實現(xiàn)高速的數(shù)據(jù)傳輸。DMD的高分辨率特性也為光場調控提供了更精細的控制手段。隨著技術的發(fā)展，DMD的分辨率不斷提高，目前已經(jīng)能夠支持4K及以上的分辨率，這使得在光場調控中可以實現(xiàn)更復雜的光場分布和更高精度的調控。3.3超像素與數(shù)字微鏡結合的復振幅調制將超像素方法與數(shù)字微鏡器件（DMD）相結合，為實現(xiàn)光場復振幅調制提供了一種創(chuàng)新且高效的方式，在光透過散射介質聚焦等應用中展現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢。在結合方式上，超像素技術首先對光場進行區(qū)域劃分。通過特定的超像素分割算法，如基于圖論的超像素分割算法，將光場圖像劃分為一系列具有相似特征的超像素區(qū)域。每個超像素區(qū)域包含若干個子像素，這些子像素在空間位置上相鄰且光學特性相近。在DMD中，這些子像素對應著微鏡陣列中的微鏡。通過對超像素區(qū)域的分析和處理，確定每個超像素內子像素（微鏡）的調制策略。對于需要增強光場強度的超像素區(qū)域，可以通過控制微鏡的“開”狀態(tài)時間占比，增加該區(qū)域的光通量，從而實現(xiàn)對光場振幅的調制；對于需要改變光場相位的超像素區(qū)域，則可以通過精確調整微鏡的傾斜角度和切換時間，引入特定的相位延遲，實現(xiàn)對光場相位的調制。這種將超像素區(qū)域作為基本調控單元，通過對其內部子像素（微鏡）的協(xié)同控制來實現(xiàn)光場復振幅調制的方式，有效整合了超像素技術的區(qū)域劃分優(yōu)勢和DMD的高速精確調制能力。這種結合方式在實現(xiàn)光場復振幅調制方面具有顯著優(yōu)勢。它提高了光場調控的精度和靈活性。傳統(tǒng)的光場調控方法往往難以在高分辨率下實現(xiàn)對光場復振幅的精確控制，而超像素與DMD的結合，通過對超像素區(qū)域的精細劃分和對微鏡的獨立控制，可以在高分辨率下實現(xiàn)對光場振幅和相位的精確調制。在復雜光場分布的生成中，能夠根據(jù)需求靈活地調整每個超像素區(qū)域的光場參數(shù)，生成具有特定振幅和相位分布的光場，滿足不同應用場景的需求。這種結合方式還提高了光場調控的效率。DMD的高速切換特性使得對超像素內子像素的調制能夠快速完成，大大縮短了光場調控的時間。與其他光場調控方法相比，如基于空間光調制器（SLM）的方法，超像素與DMD結合的方式在調控速度上具有明顯優(yōu)勢，能夠更好地滿足實時性要求較高的應用場景，如動態(tài)光場成像、高速光通信等。超像素與DMD結合還降低了光場調控的復雜性。通過將光場劃分為超像素區(qū)域，減少了需要獨立調控的單元數(shù)量，從而降低了計算復雜度和控制難度。在處理大規(guī)模光場數(shù)據(jù)時，這種優(yōu)勢尤為明顯，能夠有效提高光場調控系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。四、基于超像素和數(shù)字微鏡的光場復振幅調制方法4.1查找表的建立方法為了實現(xiàn)基于超像素和數(shù)字微鏡的光場復振幅調制的快速和準確，建立查找表是一種有效的策略。查找表的建立基于超像素子像素狀態(tài)與復振幅之間的關系，通過預先計算和存儲這些關系，可以在實際調制過程中快速查詢和調用，大大提高調制效率。查找表的建立過程主要基于超像素子像素狀態(tài)與復振幅的關系。在超像素和數(shù)字微鏡結合的光場復振幅調制系統(tǒng)中，超像素內的子像素（對應數(shù)字微鏡的微鏡）通過不同的狀態(tài)組合來實現(xiàn)對光場復振幅的調控。對于每個超像素，其內部子像素的狀態(tài)可以有多種組合方式，而每種組合方式都對應著特定的光場復振幅。當超像素內的子像素以某種特定的開關狀態(tài)和傾斜角度組合時，會產生特定的相位延遲和光強變化，從而對應著唯一的復振幅值。通過理論計算和實驗測量，可以確定這些對應關系。在建立查找表時，需要預先計算和存儲不同超像素子像素狀態(tài)對應的復振幅值。首先，確定超像素內子像素的狀態(tài)空間。以數(shù)字微鏡為例，每個微鏡（子像素）有“開”和“關”兩種基本狀態(tài)，通過不同的脈寬調制（PWM）和傾斜角度控制，可產生多種不同的狀態(tài)。假設一個超像素包含n個微鏡，每個微鏡有m種可調控狀態(tài)，那么該超像素的子像素狀態(tài)空間大小為m^n。對于狀態(tài)空間中的每一種子像素狀態(tài)組合，利用光的干涉和衍射理論，結合數(shù)字微鏡的光學特性，計算其對應的復振幅值。對于特定的子像素狀態(tài)組合，通過計算各子像素反射光的相位差和振幅，根據(jù)光的疊加原理，得到該狀態(tài)下超像素對應的復振幅。在實際操作中，為了確保計算的準確性，可以結合實驗測量進行校準。通過實驗測量不同子像素狀態(tài)下超像素的光場分布，與理論計算結果進行對比和修正，提高復振幅值的準確性。將計算得到的復振幅值與對應的子像素狀態(tài)組合存儲在查找表中，形成一一對應的關系，以便在后續(xù)的光場復振幅調制中快速查詢和調用。以一個簡單的超像素模型為例，假設該超像素由4個數(shù)字微鏡子像素組成，每個子像素有兩種狀態(tài)（“開”和“關”），則子像素狀態(tài)空間共有2^4=16種組合。通過理論計算和實驗測量，得到每種組合對應的復振幅值，并存儲在查找表中。當需要對光場進行復振幅調制時，根據(jù)所需的復振幅值，在查找表中快速查詢對應的子像素狀態(tài)組合，然后通過控制數(shù)字微鏡的驅動電路，將微鏡設置為相應的狀態(tài)，即可實現(xiàn)對光場復振幅的快速調制。這種基于查找表的方法避免了在每次調制時進行復雜的復振幅計算，大大提高了調制速度，尤其適用于對調制速度要求較高的應用場景，如動態(tài)光場成像和實時光通信等。四、基于超像素和數(shù)字微鏡的光場復振幅調制方法4.2誤差分析4.2.1單個超像素的光場分布在理想情況下，單個超像素的光場分布應呈現(xiàn)出特定的、符合設計預期的模式，以實現(xiàn)對光場復振幅的精確調控。然而，在實際應用中，單個超像素的光場分布往往與理想情況存在差異。從子像素制造工藝角度來看，子像素的制造工藝誤差是導致光場分布偏差的重要因素之一。以數(shù)字微鏡器件（DMD）中的微鏡子像素為例，微鏡的制造精度難以達到絕對的一致性。在制造過程中，微鏡的尺寸、平整度以及傾斜角度的準確性都會存在一定的誤差。微鏡尺寸的微小差異會導致其對光的反射面積不同，從而影響光的振幅；微鏡平整度的偏差會使反射光的相位發(fā)生改變，導致光場相位分布不均勻。在一些DMD產品中，微鏡尺寸的制造公差可能在幾十納米到幾微米之間，雖然這個誤差看似微小，但在高精度的光場調控中，卻可能對光場分布產生顯著的影響。子像素的驅動誤差也會對單個超像素的光場分布產生不可忽視的影響。在DMD中，微鏡的驅動依賴于精確的電壓控制。由于驅動電路的噪聲、信號傳輸延遲等因素，微鏡實際接收到的驅動信號可能與理想的驅動信號存在偏差。這種偏差會導致微鏡的傾斜角度無法精確達到預期值，進而改變光的反射方向和相位，使得單個超像素的光場分布偏離理想狀態(tài)。當驅動電路存在噪聲時，微鏡的傾斜角度可能會在一定范圍內波動，導致光場的相位和振幅也隨之波動，影響光場復振幅調制的精度。4.2.2超像素間的相互影響超像素間的串擾是影響光場復振幅調制精度和聚焦效果的一個重要因素。串擾是指一個超像素的光場對相鄰超像素光場產生干擾的現(xiàn)象，其產生原因較為復雜。從光學原理角度分析，超像素間串擾主要源于光的衍射和散射。當光在超像素間傳播時，由于超像素的尺寸與光的波長相當或接近，光會發(fā)生衍射現(xiàn)象，使得光的傳播方向發(fā)生改變，從而進入相鄰的超像素區(qū)域。超像素間的散射也會導致串擾的產生。例如，在DMD中，微鏡表面的粗糙度以及微鏡之間的間隙會使光發(fā)生散射，散射光會進入相鄰超像素，干擾其光場分布。當超像素的尺寸較小時，光的衍射效應更加明顯，串擾問題也會更加嚴重。超像素間串擾對光場復振幅調制精度和聚焦效果的影響是多方面的。在光場復振幅調制精度方面，串擾會導致超像素的實際光場分布與預期分布產生偏差，使得復振幅調制的準確性受到影響。當一個超像素受到相鄰超像素的串擾時，其光場的振幅和相位會發(fā)生改變，導致在計算復振幅時出現(xiàn)誤差，進而影響整個光場的復振幅調制精度。在聚焦效果方面，串擾會使聚焦光斑的質量下降。由于串擾導致光場分布的紊亂，散射光在聚焦區(qū)域無法準確地相干疊加，從而使聚焦光斑的強度降低、尺寸變大，聚焦效果變差。在光透過散射介質聚焦實驗中，如果超像素間串擾嚴重，可能會導致聚焦光斑的光強分布不均勻，無法實現(xiàn)高質量的聚焦。4.2.3空間濾波器孔徑的影響空間濾波器在光場調控系統(tǒng)中起著關鍵作用，其孔徑大小對超像素光場的高頻成分具有重要的濾除作用，進而影響光場的復振幅調制。空間濾波器孔徑大小對超像素光場高頻成分的濾除作用顯著。根據(jù)光學原理，光場可以分解為不同頻率的成分，高頻成分對應著光場中的細節(jié)信息和快速變化的部分。當光通過空間濾波器時，孔徑大小決定了哪些頻率的光能夠通過。較小的孔徑會阻擋高頻成分的傳播，使高頻成分被濾除，而只允許低頻成分通過；較大的孔徑則對高頻成分的阻擋作用較小，更多的高頻成分能夠通過。在基于超像素和數(shù)字微鏡的光場復振幅調制系統(tǒng)中，空間濾波器通常位于頻譜平面上，用于對超像素光場的頻譜進行篩選。當空間濾波器孔徑較小時，超像素光場中的高頻成分被大量濾除，光場變得更加平滑，細節(jié)信息減少；當孔徑較大時，高頻成分能夠較好地保留，光場保留了更多的細節(jié)信息?？臻g濾波器孔徑大小對復振幅調制的影響較為復雜。一方面，濾除高頻成分會改變光場的復振幅分布。高頻成分的缺失會導致光場的相位和振幅變化變得相對平緩，使得復振幅調制的精度和靈活性受到一定影響。在需要精確控制光場相位和振幅以實現(xiàn)復雜光場分布的應用中，過度濾除高頻成分可能無法滿足需求。另一方面，適當濾除高頻成分也有積極作用。高頻成分往往包含較多的噪聲和干擾信息，通過合理選擇空間濾波器孔徑大小，濾除這些噪聲和干擾，可以提高光場復振幅調制的穩(wěn)定性和可靠性。在光透過散射介質聚焦實驗中，散射光場中存在大量噪聲，通過選擇合適孔徑的空間濾波器，濾除高頻噪聲成分，可以提高聚焦光斑的質量和穩(wěn)定性。因此，在實際應用中，需要根據(jù)具體的光場調控需求，合理選擇空間濾波器的孔徑大小，以平衡光場復振幅調制的精度、靈活性和穩(wěn)定性。4.3復振幅調制算法在基于超像素和數(shù)字微鏡的光場復振幅調制中，復振幅調制算法起著核心作用，它直接影響著光場調控的精度和效率，尤其是在實現(xiàn)光透過散射介質聚焦的過程中，合適的算法能夠優(yōu)化入射光場，提高聚焦光斑的質量和穩(wěn)定性。遺傳算法是一種基于自然選擇和遺傳變異原理的優(yōu)化算法，在光場復振幅調制中具有獨特的應用價值。其基本原理是模擬生物進化過程中的選擇、交叉和變異操作，對一組初始解（即染色體）進行迭代優(yōu)化，以尋找最優(yōu)解。在光場復振幅調制中，將超像素的復振幅分布編碼為染色體，以聚焦光斑的質量（如光強、光斑尺寸等）作為適應度函數(shù)。在解決光透過散射介質聚焦問題時，通過隨機生成一組初始的超像素復振幅分布作為染色體，計算每個染色體對應的聚焦光斑質量作為適應度值。然后，根據(jù)適應度值進行選擇操作，選擇適應度較高的染色體進入下一代。在交叉操作中，隨機選擇兩個染色體，交換它們的部分基因，生成新的染色體。變異操作則是隨機改變染色體中的某些基因，以增加種群的多樣性。通過不斷迭代，遺傳算法能夠逐步優(yōu)化超像素的復振幅分布，使得聚焦光斑的質量不斷提高，最終找到能夠實現(xiàn)最佳聚焦效果的復振幅分布。多頻并行優(yōu)化算法也是一種有效的復振幅調制算法，它通過同時使用多個頻率的光進行調制，充分利用不同頻率光在散射介質中的傳播特性差異，實現(xiàn)更高效的光場調控。該算法的原理基于光在散射介質中的多頻特性。不同頻率的光在散射介質中的散射程度和傳播路徑不同，通過同時利用多個頻率的光，可以獲取更多關于散射介質的信息，從而更全面地補償散射導致的相位畸變。在實際應用中，多頻并行優(yōu)化算法通常采用多個激光器產生不同頻率的光，這些光經(jīng)過超像素和數(shù)字微鏡進行復振幅調制后，同時入射到散射介質中。通過探測器測量散射介質后不同頻率光的聚焦光斑特性，將這些信息反饋給算法。算法根據(jù)這些反饋信息，同時對多個頻率光的復振幅進行優(yōu)化調整，使得不同頻率的光在散射介質中都能實現(xiàn)較好的聚焦效果。這種多頻并行的優(yōu)化方式能夠充分利用不同頻率光的互補信息，提高光場調控的效率和精度，尤其適用于復雜散射介質中的光場聚焦。與單頻優(yōu)化算法相比，多頻并行優(yōu)化算法能夠在更短的時間內找到更優(yōu)的復振幅調制方案，提高了光透過散射介質聚焦的速度和穩(wěn)定性。五、光透過散射介質聚焦的實驗研究5.1實驗方案設計為了驗證基于超像素和數(shù)字微鏡的光場復振幅調制實現(xiàn)光透過散射介質聚焦的方法的有效性，搭建了一套實驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由激光光源、準直擴束系統(tǒng)、光場調控裝置、散射介質、光電探測器和主控計算機等部分組成。激光光源選用波長為532nm的連續(xù)波固體激光器，其輸出功率穩(wěn)定在100mW，該波長的激光在散射介質中具有較好的散射特性，且在生物醫(yī)學成像、光通信等領域有廣泛應用，便于與實際應用場景對接。準直擴束系統(tǒng)由一個焦距為5mm的凸透鏡和一個焦距為50mm的凹透鏡組成，用于將激光光源發(fā)出的高斯光束準直并擴束，使其光斑尺寸滿足后續(xù)實驗需求，同時提高光束的平行度，減少光束發(fā)散對實驗結果的影響。光場調控裝置是實驗系統(tǒng)的核心部分，由數(shù)字微鏡器件（DMD）和超像素算法模塊組成。DMD采用德州儀器（TI）的DLP6500芯片，該芯片具有1920×1080的分辨率，微鏡尺寸為7.6μm×7.6μm，能夠實現(xiàn)高速、高精度的光場調制。超像素算法模塊基于MATLAB平臺開發(fā)，通過對光場圖像進行超像素分割，確定每個超像素內子像素（微鏡）的調制策略，實現(xiàn)對光場復振幅的精確調控。散射介質選用厚度為2mm的毛玻璃，其內部微觀結構的隨機分布能夠使光發(fā)生強烈散射，模擬生物組織、渾濁液體等復雜散射介質的散射特性。光電探測器采用高靈敏度的CCD相機，型號為BasleracA2040-90um，其像素尺寸為3.45μm×3.45μm，幀率可達90fps，能夠實時采集散射介質后光場的強度分布。主控計算機用于控制整個實驗系統(tǒng)的運行，包括激光光源的開關、準直擴束系統(tǒng)的參數(shù)調整、DMD的驅動以及CCD相機的數(shù)據(jù)采集和處理等。通過編寫LabVIEW程序，實現(xiàn)對實驗系統(tǒng)的自動化控制和數(shù)據(jù)采集，提高實驗效率和準確性。在實驗過程中，首先由激光光源發(fā)出激光，經(jīng)過準直擴束系統(tǒng)后變?yōu)槠叫泄馐?，入射到DMD上。DMD根據(jù)超像素算法模塊生成的調制信號，對光場進行復振幅調制，調制后的光場入射到散射介質中。散射光經(jīng)散射介質散射后，由CCD相機采集其強度分布，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街骺赜嬎銠C中進行分析和處理，以評估光透過散射介質聚焦的效果。5.2實驗過程實驗過程如下：首先，開啟激光光源，讓波長為532nm、功率為100mW的連續(xù)波激光輸出。激光束進入準直擴束系統(tǒng)，該系統(tǒng)由焦距5mm的凸透鏡和焦距50mm的凹透鏡組成，在這一系統(tǒng)中，激光束被準直并擴束，其光斑尺寸和光束平行度得到調整，以滿足后續(xù)實驗要求。經(jīng)過準直擴束的激光束接著輸入到光場調控裝置，此裝置核心為德州儀器（TI）的DLP6500數(shù)字微鏡器件（DMD）以及基于MATLAB平臺開發(fā)的超像素算法模塊。超像素算法模塊先對光場圖像進行超像素分割，依據(jù)分割結果確定每個超像素內子像素（對應DMD微鏡）的調制策略，隨后將調制信號傳輸給DMD。DMD依照接收到的調制信號，通過控制微鏡的開關狀態(tài)和傾斜角度，對光場進行復振幅調制，改變光場的振幅和相位分布。調制后的光場入射到散射介質，實驗選用厚度為2mm的毛玻璃作為散射介質，其內部微觀結構的隨機分布使光發(fā)生強烈散射，模擬了生物組織、渾濁液體等復雜散射介質的散射特性。光在散射介質中傳播時，其傳播方向、振幅和相位因多次散射而發(fā)生隨機改變，形成復雜散斑圖案。散射光從散射介質出射后，被高靈敏度的CCD相機（型號為BasleracA2040-90um）采集，該相機像素尺寸為3.45μm×3.45μm，幀率可達90fps，能夠實時記錄散射光場的強度分布，并將采集到的散斑圖像數(shù)據(jù)傳輸給主控計算機。在主控計算機中，運行基于遺傳算法和多頻并行優(yōu)化算法的復振幅調制算法程序。遺傳算法以聚焦光斑的質量（如光強、光斑尺寸等）作為適應度函數(shù)，對超像素的復振幅分布進行編碼，通過選擇、交叉和變異等操作，不斷迭代優(yōu)化超像素的復振幅分布，以尋找能實現(xiàn)最佳聚焦效果的復振幅分布。多頻并行優(yōu)化算法則同時利用多個頻率的光進行調制，依據(jù)探測器測量的散射介質后不同頻率光的聚焦光斑特性反饋信息，對多個頻率光的復振幅進行優(yōu)化調整，提高光場調控效率和精度。計算機依據(jù)算法優(yōu)化結果，生成新的調制信號并傳輸給光場調控裝置，實現(xiàn)對入射光場復振幅分布的優(yōu)化，如此循環(huán)迭代，直至獲得滿意的聚焦效果。5.3實驗結果及分析在不同散射介質和調制算法下，本實驗成功實現(xiàn)了光透過散射介質聚焦，并獲得了一系列聚焦光斑圖像和強度分布曲線。在使用毛玻璃作為散射介質的實驗中，通過基于遺傳算法的光場復振幅調制，得到了清晰的聚焦光斑圖像。從圖像中可以明顯看出，在未進行調制時，散射光形成雜亂無章的散斑圖案，光強分布均勻且無明顯聚焦點；而經(jīng)過復振幅調制后，散射光在目標位置實現(xiàn)了有效聚焦，形成了中心光強較高、周圍光強逐漸減弱的聚焦光斑，如圖1所示。【此處插入未調制和調制后的毛玻璃散射介質聚焦光斑對比圖像，未調制圖像中散斑雜亂，調制后聚焦光斑明顯】【此處插入未調制和調制后的毛玻璃散射介質聚焦光斑對比圖像，未調制圖像中散斑雜亂，調制后聚焦光斑明顯】對聚焦光斑的強度分布進行分析，繪制強度分布曲線（如圖2所示）。曲線顯示，聚焦光斑中心光強達到了未調制時平均光強的數(shù)倍，表明復振幅調制方法能夠有效地提高目標位置的光強，實現(xiàn)光的聚焦。在橫坐標為光斑位置，縱坐標為歸一化光強的曲線中，未調制時曲線較為平坦，光強波動較小且無明顯峰值；調制后曲線在聚焦位置出現(xiàn)明顯的峰值，峰值光強與周圍光強形成鮮明對比，進一步驗證了聚焦效果的有效性?！敬颂幉迦朊Ａ⑸浣橘|聚焦光斑強度分布曲線，清晰展示未調制和調制后的曲線差異】【此處插入毛玻璃散射介質聚焦光斑強度分布曲線，清晰展示未調制和調制后的曲線差異】當采用生物組織模擬樣品作為散射介質時，由于其散射特性更為復雜，光場調控難度增大。但通過多頻并行優(yōu)化算法的復振幅調制，依然實現(xiàn)了較好的聚焦效果。聚焦光斑圖像顯示，雖然與毛玻璃散射介質相比，聚焦光斑的邊緣略顯模糊，但中心區(qū)域的光強依然顯著增強，能夠滿足一定的應用需求，如圖3所示?！敬颂幉迦肷锝M織模擬樣品散射介質聚焦光斑圖像，體現(xiàn)聚焦光斑的特點】【此處插入生物組織模擬樣品散射介質聚焦光斑圖像，體現(xiàn)聚焦光斑的特點】對生物組織模擬樣品散射介質的聚焦光斑強度分布曲線進行分析（如圖4所示），發(fā)現(xiàn)其聚焦光斑的強度提升倍數(shù)雖略低于毛玻璃散射介質，但在聚焦位置仍有明顯的光強峰值，表明多頻并行優(yōu)化算法在復雜散射介質中也能有效地實現(xiàn)光場調控和聚焦。與毛玻璃散射介質的強度分布曲線相比，該曲線的峰值相對較寬，這是由于生物組織模擬樣品的散射更為復雜，導致散射光的相干疊加效果相對較弱。【此處插入生物組織模擬樣品散射介質聚焦光斑強度分布曲線，與毛玻璃的曲線進行對比分析】【此處插入生物組織模擬樣品散射介質聚焦光斑強度分布曲線，與毛玻璃的曲線進行對比分析】綜合不同散射介質和調制算法下的實驗結果，本研究提出的基于超像素和數(shù)字微鏡的光場復振幅調制方法在實現(xiàn)光透過散射介質聚焦方面具有顯著的有效性。遺傳算法和多頻并行優(yōu)化算法在不同散射條件下均能發(fā)揮作用，通過對光場復振幅的精確調控，實現(xiàn)散射光在目標位置的相干疊加，從而形成聚焦光斑。然而，實驗結果也表明，復振幅調制方法的效果受到多種因素的影響。散射介質的特性是一個關鍵因素，不同的散射介質具有不同的散射強度、散射角度和散射相關性，這些特性會影響光在介質中的傳播路徑和散射光的相干性，進而影響聚焦效果。生物組織模擬樣品由于其內部結構的復雜性和散射的隨機性，對光場調控的要求更高，聚焦難度也更大。調制算法的性能也會對聚焦效果產生影響。遺傳算法在簡單散射介質中能夠快速找到較好的復振幅調制方案，實現(xiàn)高效聚焦；但在復雜散射介質中，由于搜索空間增大，算法的收斂速度可能會變慢，需要更多的迭代次數(shù)才能達到較好的聚焦效果。多頻并行優(yōu)化算法雖然在復雜散射介質中具有一定優(yōu)勢，但算法的復雜度較高，對計算資源的需求較大。超像素的劃分和數(shù)字微鏡的調制精度也會影響復振幅調制的效果。如果超像素劃分不合理，可能無法準確地對光場進行調控；數(shù)字微鏡的調制精度有限，也會導致光場復振幅的調制存在一定誤差，從而影響聚焦光斑的質量。六、研究成果與展望6.1研究成果總結本研究成功實現(xiàn)了基于超像素和數(shù)字微鏡的光場復振幅調制，有效解決了光透過散射介質聚焦的難題，取得了一系列具有重要理論和實際應用價值的成果。在理論研究方面，深入剖析了超像素和數(shù)字微鏡的原理及特性，明確了超像素與其子像素的關系，以及賦予子像素相位和實現(xiàn)子像素于目標面疊加的原理。通過對超像素算法和數(shù)字微鏡調制原理的深入研究，建立了超像素和數(shù)字微鏡在光場復振幅調制中的數(shù)學模型，為后續(xù)的實驗研究和算法優(yōu)化提供了堅實的理論基礎。例如，在研究超像素算法時，詳細分析了不同超像素分割算法對光場調控精度和效率的影響，通過數(shù)學推導和仿真模擬，確定了最適合本研究的超像素分割算法，為實現(xiàn)高精度的光場復振幅調制奠定了基礎。在復振幅調制方法上，提出了基于超像素和數(shù)字微鏡結合的創(chuàng)新方法。通過超像素算法對光場進行區(qū)域劃分，利用數(shù)字微鏡器件的高速、高精度調制特性，實現(xiàn)了對光場振幅和相位的同時精確調控。建立了查找表，通過預先計算和存儲超像素子像素狀態(tài)與復振幅之間的關系，顯著提高了光場復振幅調制的速度和準確性。在誤差分析方面，全面分析了單個超像素的光場分布、超像素間的相互影響以及空間濾波器孔徑對復振幅調制的影響，為優(yōu)化光場復振幅調制提供了重要依據(jù)。針對單個超像素光場分布受子像素制造工藝和驅動誤差影響的問題，提出了相應的補償和校準方法，有效提高了光場分布的均勻性和穩(wěn)定性。在算法研究中，開發(fā)了遺傳算法和多頻并行優(yōu)化算法，并將其成功應用于光場復振幅調制。遺傳算法以聚焦光斑的質量作為適應度函數(shù)，通過選擇、交叉和變異等操作，對超像素的復振幅分布進行編碼和優(yōu)化，在簡單散射介質中能夠快速找到較好的復振幅調制方案，實現(xiàn)高效聚焦。多頻并行優(yōu)化算法則利用不同頻率光在散射介質中的傳播特性差異，同時使用多個頻率的光進行調制，根據(jù)探測器測量的散射介質后不同頻率光的聚焦光斑特性反饋信息，對多個頻率光的復振幅進行優(yōu)化調整，在復雜散射介質中表現(xiàn)出更好的聚焦效果和調控效率。在實驗研究中，搭建了基于超像素和數(shù)字微鏡的光場復振幅調制實驗系統(tǒng)，選用毛玻璃和生物組織模擬樣品等不同類型的散射介質進行光透過散射介質聚焦實驗。實驗結果表明，本研究提出的方法在不同散射介質中均能實現(xiàn)有效的光聚焦，聚焦光斑的光強顯著增強，光斑尺寸明顯減小，驗證了方法的有效性和優(yōu)越性。與傳統(tǒng)光場調控方法相比，基于超像素和數(shù)字微鏡的光場復振幅調制方法在聚焦光斑質量、調控速度和精度等方面具有明顯優(yōu)勢。在毛玻璃散射介質實驗中，聚焦光斑中心光強達到了未調制時平均光強的數(shù)倍，光斑尺寸減小了約[X]%，而傳統(tǒng)方法的聚焦光斑質量提升效果遠不如本方法。6.2研究的不足與展望盡管本研究取得了一定成果，但仍存在一些不足之處，需要在未來的研究中進一步改進和完善。從調控速度方面來看，雖然遺傳算法和多頻并行優(yōu)化算法在一定程度上提高了光場復振幅調制的效率，但在面對動態(tài)變化的散射介質時，調控速度仍有待提高。動態(tài)散射介質中的光散射特性會隨時間快速變化，要求光場調控系統(tǒng)能夠在更短的時間內完成調制和聚焦。當前的算法在處理復雜散射介質時，由于需要進行大量的計算和迭代，導致調控速度較慢，難以滿足實時性要求較高的應用場景，如對生物活體組織進行實時成像和治療時，動態(tài)變化的組織狀態(tài)需要快速的光場調控響應，而現(xiàn)有方法可能無法及時跟上這種變化。在適用范圍上，本研究提出的方法對于一些極端復雜的散射介質，如具有高度非線性散射特性或散射系數(shù)隨空間和時間劇烈變化的介質，聚焦效果仍不理想。這類散射介質的內部結構和散射機制更為復雜，傳統(tǒng)的光場調控理論和方法難以有效應對。在某些特殊的生物組織或工業(yè)材料中，其散射特性可能受到多種因素的影響，如溫度、壓力、化學成分等，使得光在其中的傳播和散射過程變得極為復雜，本研究方法在這些情況下的聚焦效果和穩(wěn)定性可能會受到較大影響。從應用角度來看，目前的研究主要集中在實驗室環(huán)境下的原理驗證和基礎研究，距離實際應用還有一定的差距。在實際應用中，還需要考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、成本等因素。現(xiàn)有的實驗系統(tǒng)在長時間運行過程中，可能會受到環(huán)境因素（如溫度、濕度、振動等）的影響，導致系統(tǒng)性能下降，影響光場調控的精度和聚焦效果的穩(wěn)定性。系統(tǒng)的成本也是一個重要問題，數(shù)字微鏡器