(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210623327.9 (22)申请日 2022.06.02 (71)申请人 哈尔滨理工大 学 地址 150000 黑龙江省哈尔滨市南岗区学 府路52号 (72)发明人 于雪莲　杨思敏　潘立辉　殷明诚　 孙贺升　杨孝天　曹泽沛　陈达　 (51)Int.Cl. G01N 21/84(2006.01) G01N 21/01(2006.01) G02B 27/28(2006.01) (54)发明名称 一种基于偏振传输矩阵的透过散射介质聚 焦装置及方法 (57)摘要 本发明公开了一种基于偏振传输矩阵的透 过散射介质聚焦装置及方法， 包括以下步骤： S1、 将散射介质放置在4f系统的频谱面附近， 通过旋 转偏振片选择入射光的偏振状态， 并经过散射介 质形成散斑， 使用CMOS图像传感器采集形成的散 斑图案； S2、 使用hadamard基以及四步相移法来 计算出射光场的相位信息， 测量两个偏振方向的 传输矩阵； S3、 将两个偏振状态的输出光场进行 组合， 并与预设共轭偏振光场进行互相关运算， 对所得偏振角进行二元偏振近似， 从而得到偏振 传输矩阵； S4、 将共轭偏振光场加载于空间光调 制器上， 经过光路回放， 实现透过散射介质聚焦。 本发明所述的偏振传输矩 阵方法可以实现对散 射介质偏振 特性的研究， 能够 有效的恢复散射介 质对偏振信息的扰乱， 实现透过散射介质聚焦。 权利要求书3页 说明书6页 附图2页 CN 114894799 A 2022.08.12 CN 114894799 A 1.一种基于偏振传输矩阵的透过散射介质聚焦装置， 其特征在于， 包括激光器、 衰减 片、 显微物镜、 针孔、 第一凸透镜、 第一反射镜、 第一1/2波片、 第一偏振片、 光阑、 分光棱镜、 空间光调制器、 第二偏振片、 第二凸透镜、 散射介质 、 第三凸透镜、 第三偏振片、 CMOS图像传 感器， 其中： 所述激光器发出的激光由所述衰减片调 整光强， 并利用所述显微物镜和所述针孔进行 空间滤波， 使用所述第一凸透镜准直滤波后生成准直光束， 并由所述第一反射镜反射调整 光高； 使用所述第一1/2波片和所述第一偏振片将滤波后的光束偏振方向调整为垂直线偏 振光， 与所述空间光调制器的调制偏振轴对齐； 所述分光棱镜将光分为两束， 一束光为反射 光， 不在实验中使用； 另一束光为所述分光棱镜的透射光， 经过所述空间光调制器反射至所 述分光棱镜并进入记录光路， 所述第二偏振片进行调偏， 所述第二凸透镜和所述第三凸透 镜构成4f系统， 经 过散射介质由所述第三偏振片检偏， 所述C MOS图像传感器采集图像。 2.如权利要求1所述的一种基于偏振传输矩阵的透过散射介质聚焦装置， 其特征在于， 所述记录光路由依次共轴放置的所述第二偏振片、 所述第二凸透镜、 所述散射介质、 所述第 三凸透镜、 所述第二偏振片、 所述C MOS图像传感器构成。 3.如权力要求1所述的一种基于偏振传输矩阵的透过散射介质聚焦装置， 其特征在于， 所述散射介质为 直径为1 μm的二氧化硅与热 熔胶进行 水浴加热后充分搅拌的混合物。 4.一种基于偏振传输矩阵的透过散射介质聚焦方法， 其特征在于， 所述方法包括以下 四个步骤： S1， 散斑图案获取； S2， 测量两个传输矩阵； S3， 合成偏振传输矩阵； S4， 重建图像； S1： 散斑图案获取过程， 将所述散射介质放置在 所述4f系统的频谱面， 将所述CMOS图像 传感器置于所述4f系统的后方， 入射光经由所述4f系统及位于4f系统频谱面的所述散射介 质后， 在所述4f系统的后方形成空间分布的散斑； 使用所述CMOS图像传感器采集所述散斑 图案； S2： 测量传输矩阵过程， 将所述空间光调制器置于所述4f系统的前方， 在所述空间光调 制器中加载不同的相位图可以实现对入射光波进 行调整， 使用所述Hadamard基以及四步相 移方法来测量传输矩阵元素， 在所述CM OS图像传感器与所述4f系统之间放置所述第二偏振 片， 并旋转所述第二偏振片， 分别测量得到以水平偏振方向入射以及以垂直偏振方向入射 的出射光场E(2)(x',y')； S3： 合成偏振传输矩阵过程， 设回放的共轭偏振光场为 为了得到更好的聚焦 结果， 要使 所述共轭偏振光场 与直接共轭光场E(3)(x',y')之间进 行互相关， 并对 所得线性偏振角进行二元偏振近似， 从而确定所述共 轭偏振光场； S4： 重建图像过程， 将经过算法处理的所述共轭偏振光场 加载于所述空间光 调制器上， 经 过光路回放， 透过 所述散射介质后由所述C MOS图像传感器采集聚焦结果。 5.如权力要求3所述的一种基于偏振传输矩阵的透过散射介质聚焦方法， 其特征在于， 所述S1中， 入射光场为E(1)(x',y')； 所述4f系统由两个焦距 一致的透镜组成； 调整所述空间 光调制器和所述CMOS图像传感器的位置， 通常分别置于所述4f系统的前焦平面和后焦平 面； 所述散射介质置于所述4f系统的频谱面之后， 并细调所述散射介质的位置， 进而改变所 述散斑的粒径大小， 最 终使得所述CM OS图像传感器采样所述散斑过程符合奈奎斯特采样定 律。权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 114894799 A 26.如权力要求3所述的一种基于偏振传输矩阵的透过散射介质聚焦方法， 其特征在于： 所述S2中， 所述Hadamard基的元素为1或者 ‑1； 用所述四步相移算法计算出射光场的相位， 为通过所述CMOS图像传感器采集的光强值， 分别是加载四个不同相位 值为0， π/2， π， 3 π/2的第n个输出模式的强度值， 然后对这四个光强值进行计算： 得到传输矩阵S。 7.如权力要求3所述的一种基于偏振传输矩阵的透过散射介质聚焦方法， 其特征在于， 所述S2中， 旋转所述第二偏振片， 将入射光场调整为水平偏振方向， 记录经过所述散射介质 的出射光场 旋转所述第二偏振片， 将入射光场调整为垂直偏振方向， 记录经过 所述散射介质的出射 光场 其中， H代 表水平偏振方向， V 代表垂直偏振方向。 8.如权力要求3所述的一种基于偏振传输矩阵的透过散射介质聚焦方法， 其特征在于， 所述S3中， 所述直接共轭光场E(3)(x',y')由出射光场 和 的共轭构成， 在第m个空间点处的琼斯矩阵表示为 和 分别为沿水平偏振方 向和垂直偏振方向的相位延迟； 所述共轭偏振光场 在第m个空间点处的琼斯矩阵 设为 令互相关的结果 为0， 可以得到： 式中， Arg[ ]为复数实参的主值。 γm表示为所述共轭偏振光场 的偏振角， γm 的取值范围为( ‑π, π )。 9.如权力要求1所述的一种基于偏振传输矩阵的透过散射介质聚焦方法， 其特征在于， 所述S3中， 对所述共轭偏振光场 的偏振角进行二元偏振近似； 所述空间光调制器 不能调制全2 π 范围内的偏振角， 只能在有限范围进行偏振调制： 至此， 确定 了所述共 轭偏振光场 10.如权力要求1所述的一种基于偏振传输矩阵的透过散射介质聚焦方法， 其特征在 于， 所述S4中， 将所述共轭偏振光场 加载于所述空间光调制器上， 经过所述空间 光调制器调制后的光透过所述4f系统和散射介质， 由所述第三偏振片检偏并由所述CM OS图 像传感器采集聚焦图像： 权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 114894799 A 3