上海交大杨佳苗团队在强散射介质传输矩阵高精度测量上取得重要进展

　　

近日，上海交通大学电子信息与电气工程学院感知科学与工程学院杨佳苗团队在强散射介质传输矩阵高精度测量上取得重要进展，相关成果以“Complex transmission matrix retrieval for highly scattering medium via regional phase differentiation”（基于区域相位差分的高精度散射介质传输矩阵测量方法）为题发表在光学领域国际著名期刊 《Photonics Research》上。

精准测量散射介质的传输矩阵对于抗散射光学成像、光治疗和光学神经网络等应用具有重要意义。与干涉测量方法相比，非干涉传输矩阵测量方法采用相位恢复算法从散射介质形成的散斑图案中估计传输矩阵的分布，具备较强的抗噪性能，成为散射成像领域备受关注的研究方向。传统的非干涉方法通常使用液晶空间光调制器作为光场调控器件，其刷新频率较低，导致传输矩阵测量耗时，难以在动态散射介质中推广应用。若采用具有高刷新频率的振幅型光场调控器件，则能够大幅缩短传输矩阵的测量时间。然而，由于缺乏相位维度的先验知识，相位恢复算法容易陷入局部最优解，限制了散射介质传输矩阵的测量精度。

创新成果

针对上述问题，杨佳苗团队提出了一种基于区域相位差分的高精度散射介质传输矩阵测量方法。该方法通过施加一系列包含不同相位偏差的区域相位掩模，引起散斑图案分布的相应变化，从而为相位恢复算法提供先验相位约束。该方法通过自动均衡多个相位掩模因子下散射光场间的差异性，有效引导相位恢复算法始终向传输矩阵真值的方向收敛，克服了在采用振幅型光场调控器件时非干涉传输矩阵测量方法所面临的非全局收敛问题，从而实现高精度的传输矩阵测量。

基于区域相位差分的高精度复传输矩阵测量方法原理图

该方法在高精度测量散射介质传输矩阵方面取得了显著提升。课题组以Gerchberg-Saxton (GS)算法作为相位恢复算法，并通过数值模拟对比分析，证明了该方法在相同探测次数下，相比于传统方法，在振幅和相位维度的测量准确度上提高了3个数量级以上。此研究还搭建了实验系统，测量了尺寸为16384×1024尺寸的多片毛玻璃堆叠的传输矩阵。利用测量得到的传输矩阵来预测散斑分布，与真实散斑分布的相关系数达到了0.84，而传统方法的相关系数仅为0.27。

散射介质传输矩阵测量光路及透过强散射介质的高对比度聚焦实验效果

在成功测量散射介质的传输矩阵后，课题组实现了透过强散射介质的高对比度聚焦以及低误码率图像传输。在抗散射聚焦实验中，课题组成功实现了单点和多点聚焦，其峰背比分别达到123和16，相较于传统方法分别提高3.5和3.6倍。在抗散射图像传输实验中，课题组成功恢复了数字、笑脸图像、“SJTU”字母以及随机二值图像，误码率仅为0.4%，相较于传统方法降低了24倍。

透过强散射介质的低误码率图像传输实验效果

上海交大电院感知学院杨佳苗副教授为通讯作者，上海交通大学海洋装备研究院何巧芝助理研究员为第一作者，该工作得到了国家自然科学基金委面上项目等项目的资助。

杨佳苗团队长期致力于光学检测/成像、光场调控、光计算等方面的科学研究，以及相关智能光电仪器设计、制造、集成等技术研发。团队负责人杨佳苗以第一作者/通讯作者在Nature Communications、Science Advances（2篇）、Light: Science & Applications、Optica、Laser & Photonics Reviews等国际著名期刊发表高水平学术论文30余篇。

论文链接：https://doi.org/10.1364/PRJ.513519

课题组网页：https://juopt.sjtu.edu.cn

作者：

电子信息与电气工程学院

供稿单位：

电子信息与电气工程学院