近日，我所杨佳苗副教授及研究团队在国际权威期刊《Light: Science & Applications》上发表高水平学术论文《Anti-scattering light focusing by fast wavefront shaping based on multi-pixel encoded digital-micromirror device》。

该论文提出了一种新的高速散射光场调控技术,运用同时具有百万调控单元和数十微秒调控速度的数字微镜阵列作为光场调控器件，使用多像素编码方法打破数字微镜阵列二值化调控造成的超低调控分辨率的瓶颈，并结合智能化的优化算法最终将散射介质内的光场调控速度提高了近200倍，光斑对比度提高了近20倍，为推动生物体“光学透明化”的进程迈出了巨大的一步。

在这项工作中，研究人员针对精准光场调控能力不足及快速迭代优化能力不足这两方面的问题，分别给出了解决办法：

1. 针对精准光场调控能力不足的问题

该项研究提出了一种多像素联合编码方法，对光场振幅实现连续调控，解决数字微镜阵列调控离散度大的难题 。多像素联合编码方法的原理是：将数字微镜阵列中的多个像素组合为一个调控单元，用多个像素的二进制码来编码一个0到1之间的实数，同时，这种编码方法还要具有格雷码（名词解释>>>）特性，即任意两个相邻编码值只有一位二进制数不同。在此基础上，才能够将实数范围的高级优化算法应用在基于数字微镜阵列的波前整形法中。

2. 针对快速迭代优化能力不足的问题

该项研究提出了将可分离的自然进化策略（SNES）应用于迭代式波前整形法中，能够更快地全局搜索到数字微镜阵列的最佳控制信号。SNES使用自然梯度来迭代更新控制信号相对的高斯特征参数，自然梯度始终与反馈信号增加的方向保持一致，可以自适应地捕捉反馈信号的增长方向，优化入射光场的波前。相比遗传算法，SNES可以阻止震荡收敛、过早收敛等问题，避免搜索时陷入局部优化。此外，SNES是一种应用于实数域的连续迭代算法，相比遗传算法，其搜索精度更高，搜索速度更快。

研究人员通过数值模拟及实验验证，展示了所提出方法的先进性。对于散射介质后的单点聚焦，所提出的方法相比传统方法（即基于遗传算法的二值化波前整形法），将对比度提高了16倍，优化速度提高了179倍，几乎看不到背景噪声。同时，研究人员实现了对10个聚焦光斑的快速均匀亮度优化，将其所组成的字母“W”和“S”从背景散斑中清楚地显现了出来。

该项研究可以和荧光标记物、光声信号等引导靶进行结合，克服生物体内快速生理变化对光场动态扰动的影响，在强散射生物体内获得高对比度光学聚焦光斑，获取更深层组织中的图像信息，推动生物体“光学透明化”领域的发展，并突破光遗传学、光治疗等领域的瓶颈。