如何給光記憶“擴容”?_風聞
中科院之声-中国科学院官方账号-2020-04-01 15:14
散斑自相關成像是一種新興的透過散射介質成像的技術,可以讓你在霧裏清晰“看花”,具有成像系統結構簡單、單曝光速度快、非侵入無損傷等特點,在生物組醫學成像方面具有顯著優勢。
而這一成像方法基於光是有“記憶”這件事兒。
光不僅跑得快,而且還能“記事兒”
你知道嗎?1秒就能繞地球赤道7.5圈的光,不但跑得最快,而且還是有記憶的呢!當入射光照射在散射介質上,出射光子儘管經歷了隨機散射,但仍然保留對初始入射方向的記憶,這就是光學記憶效應。
舉個例子,一束激光照射一塊磨砂玻璃,在磨砂玻璃後面一定距離處放置一張白紙或者一個CCD相機,會看到一副散斑圖(如圖1所示)。圖上亮暗光斑形狀各異、位置隨機,從散斑圖無法推測入射光斑的形狀和位置。
如果保持光斑的入射位置不變,讓激光偏轉一個小的角度,就會發現散斑圖基本保持不變,只是整體位置發生偏移,而且偏移量等於角度和距離的乘積。顯然,從散斑圖整體的偏移可以推測入射光方向的變化,即散斑記住了入射光的方向。 詳細請見《追蹤光的“記憶”》。
圖1 照射磨砂玻璃後的散斑圖。
光的“腦容量”決定了是****只能看到一個指甲,還是能看到整個手掌
像我們人類一樣,光也不是有無限大的腦容量的,其“記憶”範圍也是有限的。當激光偏轉角度比較小時,散斑圖基本保持不變;但當激光偏轉角度增大到一定程度,散斑圖會劇烈變化,和原始散斑圖相似性被破壞,記憶效應也失效。
所以,記憶效應只在一定的角度範圍內成立存在,這個範圍我們稱之為記憶效應範圍。嚴格的理論推導已證明記憶效應範圍與散射介質厚度成反比,同時受散射係數、各項異性因子等參數的影響。
記憶效應的範圍決定了散斑自相關成像的視場,也就是説光的“腦容量”決定了是隻能看到一個指甲,還是能看到整個手掌。要解決視場受限問題,最直接的辦法是為光的“腦容量”擴容。
尋找“記性好”的光子
光子在介質內傳播時會與散射顆粒發生碰撞,每次碰撞都會改變它的傳播方向,碰撞的次數越多,光子的“失憶症”就會越嚴重。要增大記憶效應範圍,最直接的辦法就是挑選“記性好”的光子。
哪些光子的記性好?當然是碰撞次數少的光子。散射次數少的光記憶效應範圍大已經經過嚴格的理論證明。(見圖2)
圖2 激光脈衝在散射介質內傳播,無散射的彈道光飛行時間最短,最早到達,隨後是少次散射的蛇形光,最後是多次散射的彌散光。
如何尋找“記性好”的光子?目前主要有兩種辦法:
一種是時間門,就像進行100米跑選出優勢選手一樣,通過到達時間的先後順序進行篩選。
散射次數少的光子往往飛行距離短,飛行時間短,則到達探測器的時間就早,通過時間門選取較早到達的光可以有效地擴展記憶效應範圍。(見圖3)
圖3 時間門結構示意圖。激光器發出的激光脈衝經過散射介質後用探測器探測,激光器和探測器用同一個控制器觸發工作,時間延遲線控制選取不同時間段的信號。
另一種是空間門,就像從樂譜中區別高低音一樣,通過頻率進行篩選。先到達的少次散射光對應的散斑圖的顆粒大,傅里葉頻譜圖中頻率成分集中在零頻附近(圖4)。隨着散射次數增加,散斑圖的顆粒逐漸變小,高頻成分的比重越來越多,傅里葉頻譜圖上圓環的半徑越來越大。
換言之,利用空間濾波選舉不同的頻率成分,可以實現和時間門類似的效果。並且相比於時間門,空間濾波不需要脈衝光源以及苛刻的時間同步和延遲技術,實驗系統簡單,容易實現。
圖4 激光脈衝經過散射介質後不同散射成分的時空分佈,第一行是相機在不同時刻拍攝到的散斑圖(其中顏色表示相位),第二行是每幅散斑圖對應的傅里葉變換。
通過空間濾波給光記憶“擴容”
空間濾波可以用一個簡單的4f系統加光闌實現(見圖5),即把原來的探測散斑面經過4f系統後再用相機進行拍攝,獲得的就是濾波後的頻率成分形成的散斑。要濾出少次散射光,可以選用低通濾波光闌。光闌半徑越小,濾出的光的散射次數越小,對應的記憶效應範圍越大,成像視場會逐漸擴大。
圖5 4f系統空間濾波結構圖。光闌在第一透鏡的後焦面,即傅里葉頻譜面上選取所需的頻率成分,所選頻率成分經過第二透鏡變換到空間域從而形成濾波後的散斑,再用相機記錄。
圖6是實驗中觀察散斑自相關成像的視場隨空間濾波帶寬的變化。隨着濾波半徑減小,平均散射次數變小,記憶效應範圍變大,視場變大,原來由於記憶效應範圍小而無法恢復的像也可以恢復了。
圖6 空間濾波的散斑自相關成像,上圖是實驗排布圖,下圖是不同濾波半徑下拍攝的散斑圖和從散斑圖恢復的像。
顯然,空間濾波能夠擴展記憶效應範圍,擴大成像視場。4f系統之外還有其他實現形式,結構簡單,易於結合到光路系統設計中,在散射光學成像中具有廣泛的應用前景。
當然魚和熊掌不可兼得。空間濾波在增大記憶效應範圍的同時,散斑顆粒的增大在一定程度上會降低成像的分辨率,空間門一定程度上也有這樣的問題。但當主要目的是透過散射介質識辨目標時,空間濾波仍是一個很好的方法。
相關成果發表於Optics Letters 44, 5997(2019)。
參考文獻:
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[3] Expansionof the FOV in speckle autocorrelation imaging by spatial filtering, OpticsLetters 44, 5997(2019).
**來源:**中國科學院上海光學精密機械研究所