撰稿 | 劉林仙（山西大學）

說明 | 本文由論文作者（課題組）投稿

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

然而，生物體存在很強的散射效應（名詞解釋>>>），光束在生物體內傳播一定距離后，其方向將完全隨機。這幾乎扼殺了直接光學成像的可能性，除非能通過一種方法將生物體“光學透明化”，使得光子能夠在生物體內部按照預先設定的路徑進行傳播。

如何將介質光學透明化？

目前最為有效地方法是對散射光場進行光場調控（波前整形法）。波前整形法是：通過給光場調控器件（名詞解釋>>>）設定調控信號，對入射光場的波前信息進行高自由度調控，改變入射光場的波前，從而精確地規劃光子在散射介質中的傳播路徑，繼而賦予介質“光學透明化”的屬性。

散射光場調控的關鍵是：如何快速準確地搜索到光場調控器件的最佳調控信號。

光場調空器件通常具有百萬量級的調控單元，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：以目標位置處的光場分布作為反饋信號，通過迭代優化算法優化光場調控器件的調控信號，進而逐步優化入射光場的波前。這種方法所需的光學系統結構簡單，易于控制，且便于與各種光學成像技術相結合。

想要在高速動態擾動的生物體內實現光束的高對比度聚焦，迭代式波前整形法必須同時具備精準光場調控能力和快速迭代優化能力。

1. 在光場調控器件方面

數字微鏡陣列（名詞解釋>>>）兼備模式數大和切換速度快的優點，是非常理想的抗散射聚焦光場調控器件。然而，它的每個調控單元僅含有兩種調控狀態，僅能對光場進行二值化振幅調控。這也是數字微鏡陣列目前最大的瓶頸，導致其調控離散度大，不具備精準光場調控能力，并且嚴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>>>）、隨機分區法、粒子群法等算法，但它們的全局優化能力差，極易陷入局部最優解（名詞解釋>>>），導致其不具備快速迭代優化能力，難以在短時間內將光斑優化至需要的亮度。這也決定了這些算法不適用于生物體散射光場調控。

反饋式波前整形法原理圖

鑒于此，上海交通大學楊佳苗、山西大學劉林仙和北京航空航天大學趙雁雨等人合作提出了一種新的高速散射光場調控技術，運用同時具有百萬調控單元和數十微秒調控速度的數字微鏡陣列作為光場調控器件，使用多像素編碼方法打破數字微鏡陣列二值化調控造成的超低調控分辨率的瓶頸，并結合智能化的優化算法最終將散射介質內的光場調控速度提高了近200倍，光斑對比度提高了近20倍，為推動生物體“光學透明化”的進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 為題發表在 Light: Science & Applications。

在這項工作中，研究人員針對上述提到的精準光場調控能力不足及快速迭代優化能力不足這兩方面的問題，分別給出了解決辦法：

1. 針對精準光場調控能力不足的問題

該項研究提出了一種多像素聯合編碼方法，對光場振幅實現連續調控，解決數字微鏡陣列調控離散度大的難題。多像素聯合編碼方法的原理是：將數字微鏡陣列中的多個像素組合為一個調控單元，用多個像素的二進制碼來編碼一個0到1之間的實數，同時，這種編碼方法還要具有格雷碼（名詞解釋>>>）特性，即任意兩個相鄰編碼值只有一位二進制數不同。在此基礎上，才能夠將實數范圍的高級優化算法應用在基于數字微鏡陣列的波前整形法中。

2. 針對快速迭代優化能力不足的問題

該項研究提出了將可分離的自然進化策略（SNES）應用于迭代式波前整形法中，能夠更快地全局搜索到數字微鏡陣列的最佳控制信號。SNES使用自然梯度來迭代更新控制信號相對的高斯特征參數，自然梯度始終與反饋信號增加的方向保持一致，可以自適應地捕捉反饋信號的增長方向，優化入射光場的波前。相比遺傳算法，SNES可以阻止震蕩收斂、過早收斂等問題，避免搜索時陷入局部優化。此外，SNES是一種應用于實數域的連續迭代算法，相比遺傳算法，其搜索精度更高，搜索速度更快。

研究人員通過數值模擬及實驗驗證，展示了所提出方法的先進性。對于散射介質后的單點聚焦，所提出的方法相比傳統方法（即基于遺傳算法的二值化波前整形法），將對比度提高了16倍，優化速度提高了179倍，幾乎看不到背景噪聲。同時，研究人員實現了對10個聚焦光斑的快速均勻亮度優化，將其所組成的字母“W”和“S”從背景散斑中清楚地顯現了出來。

單點和多點聚焦實驗結果

該項研究可以和熒光標記物、光聲信號等引導靶進行結合，克服生物體內快速生理變化對光場動態擾動的影響，在強散射生物體內獲得高對比度光學聚焦光斑，獲取更深層組織中的圖像信息，推動生物體“光學透明化”領域的發展，并突破光遺傳學、光治療等領域的瓶頸。

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副教授楊佳苗，通訊作者為山西大學副教授劉林仙和北京航空航天大學生物醫學工程高精尖創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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