基于遗传算法的反馈型波前整形多点光聚焦技术研究
当光透过牛奶、浓雾、云层、涂料、生物组织等无序介质时，很难看清事物。因为光在经由这些折射率不均的介质时发生散射作用致使原先的波前产生畸变，从而失去事物原有的信息。目前，这种光透过无序介质发生散射的现象在许多领域中都是亟待解决的问题，如卫星探测、航天飞行、航海探索、生物医学成像等。近年来发展起来的波前整形技术有望解决该问题。 波前整形是一种极具前景的光场调控技术。它可以通过对入射光波前的振幅或者相位进行调制，以实现光透过散射介质的重新聚焦或成像。波前整形技术最大优势在于可以应用在较厚的强散射介质中，并且经过算法优化获得的光聚焦点具有超衍射极限分辨率，最高可达纳米级别。迄今为止，在众多学者的探索研究下波前整形技术已有了大量的新应用，如光学捕获、超分辨率成像、内窥镜、密码学、光动力治疗、光遗传学以及光通信等等。 在波前整形研究领域，不断提高光控性能一直是研究者努力的目标。过去的许多研究主要集中于单点聚焦，而关于多点聚焦的研究还很少。实际上，在一些特定领域中多点聚焦比单点聚焦更有意义。尤其在光遗传学中（光遗传学有望解决帕金森症、抑郁症、癫痫、阿兹海默症等神经系统疾病），利用多点聚焦技术可以控制光束透过生物组织生成任意所需的激活图案，结合光化学探针可实现同时激活多个深层神经元细胞，从而控制神经元连接及光敏蛋白基因的表达。 多点聚焦实际上是一个多目标优化问题。多点聚焦优化与单点聚焦优化有所不同，它不仅要考虑聚焦点的强度，还有聚焦点强度的均匀性。然而，现有的一些反馈型波前整形的多点聚焦方法是通过对单目标优化遗传算法的适应度函数进行更改来实现，并且都存在诸多缺陷，无法实现完美的多点聚焦，即同时保证聚焦点的强度和均匀度都足够好。因此，本文研究的最主要目的在于开发一种更适用于多点光聚焦的反馈型优化算法以实现尽可能完美的多点光聚焦。此外，本文还针对反馈型波前整形的系统及多点光聚焦的应用进行了一系列的研究。本文主要的工作内容概述如下: 1.反馈型波前整形系统优化速度的提高不仅有利于算法的研究开发，更有助于该技术的推广和应用。为此，本文采用MATLAB和LabVIEW联合编程的手段搭建了一套反馈型波前整形自动控制闭环系统，主要解决了其中的掩模显屏，图片采集与时序同步三大难题。该系统的运行速度由过去的5Hz提高到了11Hz，并且该系统还具有可视化效果好、操作简单等优点。 2.增强因子是用来评价聚焦效果的一个重要指标，更高的增强因子也就意味着更好的聚焦效果（更高的信噪比）。本文基于单点聚焦的遗传算法同时结合传输矩阵模型分析了相位优化和振幅优化的根本区别，并提出SBR判别式来代替传统的TPI判别式作为遗传算法的适应度函数，从而使振幅优化相对增强因子的理论值增加了4～7个百分点。模拟结果表明，该判别式的改进可以有效地提高基于振幅优化的单点聚焦或多点聚焦的增强因子。 3.在波前整形领域，目前仍未见有真正意义上的多目标优化算法应用于多点光聚焦。带精英策略的非支配排序遗传算法(NSGA2)是当前最好的多目标优化算法之一。本文首次提出了一种新的基于混合优化方案的NSGA2，并称之为混合型非支配排序遗传算法(NSGA2-H)。其中，混合因子H和几何平均判别式的引入使得该算法不仅可以确保所有的聚焦点具有可接受的均匀度，还能获得尽可能高的增强因子。均匀强度聚焦以及定制强度聚焦的模拟与实验结果皆表明，NSGA2-H在多点光聚焦中具有很强的光控能力。 4.多色光聚焦和三维空间聚焦是多点光聚焦的两个重要的拓展功能应用。本文利用NSGA2-H进行了多色光聚焦和三维空间聚焦的实验研究，其中还包括可行性的原理分析及系统的改造等相关工作。实验的结果一方面证明了在频域和空域中多点光聚焦的可行性，另一方面也进一步反映了NSGA2-H在多点光聚焦优化中的优异表现。
光场调控;波前整形;自动控制闭环系统;遗传算法;适应度函数;多点光聚焦
北京化工大学
博士
控制科学与工程
丁迎春
2020
中文
TP18;O439
2020-11-17（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）