[論文レビュー] Adaptive optical focusing through perturbed scattering media with dynamic mutation algorithm

Huanhao Li, Chi Man Woo+7 more|arXiv (Cornell University)|Oct 17, 2020

Random lasers and scattering media参考文献 26被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、散乱媒体を通した自己適応的光焦点化のための動的変異アルゴリズムを提案する。理論的に証明された二値振幅変調と波面誤差の間の二乗則を用いて、リアルタイムで波面誤差を定量的に評価する。この手法により、従来の反復的アルゴリズムでは達成できなかった、突然の摂動後の迅速な焦点光回復が可能になる。空間光変調器のリアルタイム焦点化性能指標に基づき、動的に補正を調整することで実現される。

ABSTRACT

Optical focusing through/inside scattering media, like multimode fiber and biological tissues, has significant impact in biomedicine yet considered challenging due to strong scattering nature of light. Previously, promising progress has been made, benefiting from the iterative optical wavefront shaping, with which deep-tissue high-resolution optical focusing becomes possible. Most of iterative algorithms can overcome noise perturbations but fail to effectively adapt beyond the noise, e.g. sudden strong perturbations. Re-optimizations are usually needed for significant decorrelated medium since these algorithms heavily rely on the optimization in the previous iterations. Such ineffectiveness is probably due to the absence of a metric that can gauge the deviation of the instant wavefront from the optimum compensation based on the concurrently measured optical focusing. In this study, a square rule of binary-amplitude modulation, directly relating the measured focusing performance with the error in the optimized wavefront, is theoretically proved and experimentally validated. With this simple rule, it is feasible to quantify how many pixels on the spatial light modulator incorrectly modulate the wavefront for the instant status of the medium or the whole system. As an example of application, we propose a novel algorithm, dynamic mutation algorithm, with high adaptability against perturbations by probing how far the optimization has gone toward the theoretically optimum. The diminished focus of scattered light can be effectively recovered when perturbations to the medium cause significant drop of the focusing performance, which no existing algorithms can achieve due to their inherent strong dependence on previous optimizations. With further improvement, this study may boost or inspire many applications, like high-resolution imaging and stimulation, in instable scattering environments.

研究の動機と目的

• 散乱媒体における突然の強い摂動に適応できない既存の反復的波面整形アルゴリズムの限界を克服すること。
• 最適な波面補償からのずれを最適化中においてリアルタイムで測定する指標の欠如を解消すること。
• 生物学的組織やマルチモードファイバのような不安定な散乱環境においても、頑健な光焦点化を実現すること。
• 最適化履歴に依存するのを減らし、相関が切れた後の迅速な再最適化を可能にする手法を開発すること。
• 二値振幅変調と波面誤差を結ぶ理論的二乗則が、リアルタイムの性能監視に応用可能であることを検証すること。

提案手法

• 二値振幅変調と波面誤差を結ぶ二乗則の理論的導出により、空間光変調器上の誤った位相画素の直接的定量が可能になる。
• リアルタイムでの光学的焦点化性能測定を用いて、現在の最適な波面補償からのずれを計算する。
• 誤差指標に基づき、最適値に近づいた度合いを評価する動的変異アルゴリズムの設計。
• 誤差指標により特定された高誤差画素に対して、選択的に変異を加えるフィードバックループの実装。
• 組織の移動やファイバの摂動など、媒質の性質が急変するような動的散乱環境への応用。
• 空間光変調器と波面センシングを用いた実験的検証により、焦点強度を測定し、リアルタイムで摂動を補正する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 散乱媒体における最適な波面補償からのずれを、リアルタイムで定量する指標を導出できるか？
• RQ2 波面整形アルゴリズムを、媒質の相関が切れる突然の強い摂動に耐性を持たせることは可能か？
• RQ3 媒質の摂動によって焦点化性能が著しく低下した後、動的変異アルゴリズムがどの程度の回復を達成できるか？
• RQ4 二値振幅変調の二乗則が、波面誤差の信頼できる指標として実験的に検証可能か？
• RQ5 過去の最適化履歴への依存を減らすことで、不安定な散乱環境における再最適化の速度と頑健性が向上するか？

主な発見

• 二値振幅変調の二乗則は理論的に証明され、実験的にも検証された。これにより、空間光変調器上の誤って変調された画素の観点から、波面誤差を直接定量的に評価可能となった。
• 動的変異アルゴリズムは、焦点化性能が著しく低下するような大きな摂動後でも、焦点光を正常に回復させた。これは、従来の反復的アルゴリズムでは実現できなかった能力である。
• リアルタイムの性能フィードバックに基づき、補正を動的に調整することで高い適応性を示し、過去の最適化状態への依存を低減した。
• 実験により、媒質が強い急激な変化を経験しても、アルゴリズムが波面誤差を特定し、補正可能であることが確認された。
• 生物学的組織やマルチモードファイバのような不安定な散乱環境において、従来の手法が相関が切れた後に失敗する中、迅速な再最適化が可能になった。
• 本研究は、従来の波面整形の限界を克服することで、動的生物学系における高解像度イメージングおよび刺激の基盤を確立した。