撰稿 | 劉林仙（山西大學(xué)）

說明 | 本文由論文作者（課題組）投稿

將生物體內(nèi)部光學(xué)成像，就如用眼睛直接透視生物體本身，使人們能夠更為細(xì)致地了解生物體的構(gòu)造、研究生物體內(nèi)部的工作機(jī)制甚至判斷器官是否癌變等等。

然而，生物體存在很強(qiáng)的散射效應(yīng)（名詞解釋>>>），光束在生物體內(nèi)傳播一定距離后，其方向?qū)⑼耆S機(jī)。這幾乎扼殺了直接光學(xué)成像的可能性，除非能通過一種方法將生物體“光學(xué)透明化”，使得光子能夠在生物體內(nèi)部按照預(yù)先設(shè)定的路徑進(jìn)行傳播。

如何將介質(zhì)光學(xué)透明化？

目前最為有效地方法是對(duì)散射光場(chǎng)進(jìn)行光場(chǎng)調(diào)控（波前整形法）。波前整形法是：通過給光場(chǎng)調(diào)控器件（名詞解釋>>>）設(shè)定調(diào)控信號(hào)，對(duì)入射光場(chǎng)的波前信息進(jìn)行高自由度調(diào)控，改變?nèi)肷涔鈭?chǎng)的波前，從而精確地規(guī)劃光子在散射介質(zhì)中的傳播路徑，繼而賦予介質(zhì)“光學(xué)透明化”的屬性。

散射光場(chǎng)調(diào)控的關(guān)鍵是：如何快速準(zhǔn)確地搜索到光場(chǎng)調(diào)控器件的最佳調(diào)控信號(hào)。

光場(chǎng)調(diào)空器件通常具有百萬量級(jí)的調(diào)控單元，這決定了遍歷式搜索方法非常低效。

迭代式波前整形法具有高效的搜索效率，其原理是：以目標(biāo)位置處的光場(chǎng)分布作為反饋信號(hào)，通過迭代優(yōu)化算法優(yōu)化光場(chǎng)調(diào)控器件的調(diào)控信號(hào)，進(jìn)而逐步優(yōu)化入射光場(chǎng)的波前。這種方法所需的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于控制，且便于與各種光學(xué)成像技術(shù)相結(jié)合。

想要在高速動(dòng)態(tài)擾動(dòng)的生物體內(nèi)實(shí)現(xiàn)光束的高對(duì)比度聚焦，迭代式波前整形法必須同時(shí)具備精準(zhǔn)光場(chǎng)調(diào)控能力和快速迭代優(yōu)化能力。

1. 在光場(chǎng)調(diào)控器件方面

數(shù)字微鏡陣列（名詞解釋>>>）兼?zhèn)淠Ｊ綌?shù)大和切換速度快的優(yōu)點(diǎn)，是非常理想的抗散射聚焦光場(chǎng)調(diào)控器件。然而，它的每個(gè)調(diào)控單元僅含有兩種調(diào)控狀態(tài)，僅能對(duì)光場(chǎng)進(jìn)行二值化振幅調(diào)控。這也是數(shù)字微鏡陣列目前最大的瓶頸，導(dǎo)致其調(diào)控離散度大，不具備精準(zhǔn)光場(chǎng)調(diào)控能力，并且嚴(yán)重限制迭代算法的搜索速度。

2. 在迭代算法方面

雖然研究人員提出了遺傳算法（GA）（名詞解釋>>>）、隨機(jī)分區(qū)法、粒子群法等算法，但它們的全局優(yōu)化能力差，極易陷入局部最優(yōu)解（名詞解釋>>>），導(dǎo)致其不具備快速迭代優(yōu)化能力，難以在短時(shí)間內(nèi)將光斑優(yōu)化至需要的亮度。這也決定了這些算法不適用于生物體散射光場(chǎng)調(diào)控。

反饋式波前整形法原理圖

鑒于此，上海交通大學(xué)楊佳苗、山西大學(xué)劉林仙和北京航空航天大學(xué)趙雁雨等人合作提出了一種新的高速散射光場(chǎng)調(diào)控技術(shù)，

運(yùn)用同時(shí)具有百萬調(diào)控單元和數(shù)十微秒調(diào)控速度的數(shù)字微鏡陣列作為光場(chǎng)調(diào)控器件，使用多像素編碼方法打破數(shù)字微鏡陣列二值化調(diào)控造成的超低調(diào)控分辨率的瓶頸，并結(jié)合智能化的優(yōu)化算法最終將散射介質(zhì)內(nèi)的光場(chǎng)調(diào)控速度提高了近200倍，光斑對(duì)比度提高了近20倍，為推動(dòng)生物體“光學(xué)透明化”的進(jìn)程邁出了巨大的一步

。

該成果以 Anti-scattering light focusing by fast wavefront shaping based on multi-pixel encoded digital-micromirror device 為題發(fā)表在 Light: Science & Applications。

在這項(xiàng)工作中，研究人員針對(duì)上述提到的精準(zhǔn)光場(chǎng)調(diào)控能力不足及快速迭代優(yōu)化能力不足這兩方面的問題，分別給出了解決辦法：

1. 針對(duì)精準(zhǔn)光場(chǎng)調(diào)控能力不足的問題

該項(xiàng)研究提出了一種多像素聯(lián)合編碼方法，對(duì)光場(chǎng)振幅實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)控，解決數(shù)字微鏡陣列調(diào)控離散度大的難題。多像素聯(lián)合編碼方法的原理是：將數(shù)字微鏡陣列中的多個(gè)像素組合為一個(gè)調(diào)控單元，用多個(gè)像素的二進(jìn)制碼來編碼一個(gè)0到1之間的實(shí)數(shù)，同時(shí)，這種編碼方法還要具有格雷碼（名詞解釋>>>）特性，即任意兩個(gè)相鄰編碼值只有一位二進(jìn)制數(shù)不同。在此基礎(chǔ)上，才能夠?qū)?shí)數(shù)范圍的高級(jí)優(yōu)化算法應(yīng)用在基于數(shù)字微鏡陣列的波前整形法中。

2. 針對(duì)快速迭代優(yōu)化能力不足的問題

該項(xiàng)研究提出了將可分離的自然進(jìn)化策略（SNES）應(yīng)用于迭代式波前整形法中，能夠更快地全局搜索到數(shù)字微鏡陣列的最佳控制信號(hào)。SNES使用自然梯度來迭代更新控制信號(hào)相對(duì)的高斯特征參數(shù)，自然梯度始終與反饋信號(hào)增加的方向保持一致，可以自適應(yīng)地捕捉反饋信號(hào)的增長(zhǎng)方向，優(yōu)化入射光場(chǎng)的波前。相比遺傳算法，SNES可以阻止震蕩收斂、過早收斂等問題，避免搜索時(shí)陷入局部?jī)?yōu)化。此外，SNES是一種應(yīng)用于實(shí)數(shù)域的連續(xù)迭代算法，相比遺傳算法，其搜索精度更高，搜索速度更快。

研究人員通過數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，展示了所提出方法的先進(jìn)性。對(duì)于散射介質(zhì)后的單點(diǎn)聚焦，所提出的方法相比傳統(tǒng)方法（即基于遺傳算法的二值化波前整形法），將對(duì)比度提高了16倍，優(yōu)化速度提高了179倍，幾乎看不到背景噪聲。同時(shí)，研究人員實(shí)現(xiàn)了對(duì)10個(gè)聚焦光斑的快速均勻亮度優(yōu)化，將其所組成的字母“W”和“S”從背景散斑中清楚地顯現(xiàn)了出來。

單點(diǎn)和多點(diǎn)聚焦實(shí)驗(yàn)結(jié)果

該項(xiàng)研究可以和熒光標(biāo)記物、光聲信號(hào)等引導(dǎo)靶進(jìn)行結(jié)合，克服生物體內(nèi)快速生理變化對(duì)光場(chǎng)動(dòng)態(tài)擾動(dòng)的影響，在強(qiáng)散射生物體內(nèi)獲得高對(duì)比度光學(xué)聚焦光斑，獲取更深層組織中的圖像信息，推動(dòng)生物體“光學(xué)透明化”領(lǐng)域的發(fā)展，并突破光遺傳學(xué)、光治療等領(lǐng)域的瓶頸。

論文信息：

Yang, J., He, Q., Liu, L. et al. Anti-scattering light focusing by fast wavefront shaping based on multi-pixel encoded digital-micromirror device. Light Sci Appl 10, 149 (2021). 

本文第一作者為上海交通大學(xué)副教授楊佳苗，通訊作者為山西大學(xué)副教授劉林仙和北京航空航天大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程高精尖創(chuàng)新中心副教授趙雁雨。

論文地址：

https://doi.org/10.1038/s41377-021-00591-w

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編輯 | 趙陽

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