Advanced Imaging主编推荐 | 高速波前调制——基于编码自参考的动态散射抑制

光学散斑是光通过散射介质后产生的随机干涉现象，这些无序的散斑严重干扰了信息的恢复，一直是光学信息传输中的重大挑战。波前整形技术通过使用传输矩阵来描述光的输入和输出之间的关系，从而实现对散射光的精确控制和信息提取。然而，实际应用中，动态环境导致传输矩阵快速变化，增加了波前调制的难度。特别是在长波导结构和活体组织中，内部动态变化与外部因素干扰共同影响了散射过程的稳定性。因此，具有实时适应性的波前整形系统的需求日益迫切。尽管已有研究提出通过加速波前测量来实现快速波前整形，但现有方法仍面临外部参考光依赖和计算复杂度等挑战。开发一种无需外部参考光且能高效、精确表征与控制动态散射过程的波前整形技术成为当前应用的关键。

近期，华东师范大学张诗按、沈乐成教授课题组在Advanced Imaging 2025年第1期上发文“Coded self-referencing wavefront shaping for fast dynamic scattering control”，该论文介绍了一种基于编码自参考的传输矩阵测量方案，旨在解决动态散射环境中的波前调制难题。通过将信号光和参考光编码在同一束光中，能够有效避免传统干涉法中对外部参考光的依赖，同时克服了非干涉相位恢复方法中的计算复杂度问题，实现了高速波前整形方案。该论文提出的方法在光学成像领域展现了巨大的潜力，并能实现在复杂散射环境中显著提升成像质量和实时成像能力。

在传统的基于干涉测量的波前整形系统中，通常需要引入外部参考光来精确测量和恢复散射介质中的传输矩阵。然而，随着复杂介质的动态变化，这种方法往往需要频繁地重新校准参考光，从而增加了系统的复杂性和运行时间。此外，基于共轴干涉的系统需要占用一定的传输通道作为干涉光，导致可用的传输容量减少。而采用相位恢复的非干涉方法虽然避免了参考光的使用，但其计算复杂度较高，限制了系统的实时性和可扩展性。

为了应对该挑战，本研究提出了一种基于编码自参考的传输矩阵测量方案。以Hadamard调制基为例，通过编码信号光和参考光在同一束光中，系统可以有效地在不依赖外部参考光的情况下进行波前整形和传输矩阵的测量，提升了测量效率。

图1 不同传输矩阵测量方案的示意 (a). 基于外部参考光的测量。(b). 基于共轴干涉的测量。(c). 基于相位恢复的测量。(d). 基于编码自参考的测量

整个波前整形过程包括四个主要步骤：首先投射编码波前，接着收集由波前经过复杂介质后的散斑强度，然后计算传输矩阵的各个元素，最后调制最优波前以实现目标效果。在实验过程中，本文针对不同数量的调制单元进行了对比，在两种条件下（256个和1024个可调制单元），系统分别实现了21.90 ms和76.26 ms的总运行时间，平均模式时间分别为85.54 μs和74.47 μs。这些结果表明，该系统具备了在高速动态散射环境中应用的潜力。

表1 不同可调制单元数下的系统运行速度以及平均模式时间比较

编码自参考传输矩阵测量方法具备并行测量多行传输矩阵的能力。在不同的复杂介质中，包括多模光纤和毛玻璃，我们成功地将字母“S”、“Y”和“U”投射。实验结果验证了该方法在大规模传输矩阵控制中的高效性与准确性。

图2 通过多模光纤和毛玻璃散射片实现的多点聚焦

论文进一步展示了所提方案动态散射中的性能。研究发现，散射片的速度越快，散射过程的相关时间越短。为量化这一关系，本文首先建立了相关时间与速度之间的直接映射。实验中，在散射片移动速度分别为0.001 mm/s、0.01 mm/s和0.1 mm/s的情况下实现了光学聚焦。当系统的运行时间与动态散射的相关时间相当时，尽管散射环境发生动态变化，系统仍能成功实现亮度较高的光学聚焦，充分展示其在动态散射环境中的鲁棒性。通过高效地控制动态散射，本研究为未来的光学成像系统提供了一个全新的思路，尤其是在涉及快速变化的复杂介质的应用场景中。

图3 动态散射环境下的聚焦结果

文章的第一作者王峥洋表示：“我们希望这种创新的编码自参考波前整形方法能有效应对动态散射环境中的波前调制挑战。通过将信号光和参考光编码在同一束光中，这一方法不仅摆脱了对外部参考光的依赖，还大幅降低了计算复杂度。实验结果显示，它在多模光纤和复杂散射介质中的实时动态跟踪表现优异，展现出极强的鲁棒性，有望在光学成像、通信、传感等领域发挥重要作用。”