CN104634699A - 基于拉盖尔-高斯光束的散斑对比度成像测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

基于拉盖尔-高斯光束的散斑对比度成像测量装置及方法，包括连续波激光器，该连续波激光器发出的光束被全反镜反射后照射在准直扩束器上，后光束经起偏器后变成线偏振光，然后照射在分束镜上；经过分束镜后，光束被分为两束，一路为反射光，一路为透射光；所述的反射光束照射在空间光调制器上，经空间光调制器反射后的光束再次经过分束镜、检偏器后照射在光阑上；经过光阑后的光束照射在待测样品上，被待测样品散射后，经成像透镜会聚后在CCD相机中成像；然后存储进计算机进行图像对比度值的计算；在光路难以调节时，通过改变照射光束特性实现对散斑尺寸的调节，具有灵活可靠的特点；该方法可广泛应用于血流变监测及但植物生长状态监测等领域。

Description

基于拉盖尔-高斯光束的散斑对比度成像测量装置及方法

技术领域

本发明涉及一种散斑对比度成像测量装置及方法，具体地说，涉及一种基于拉盖尔-高斯光束的散斑对比度成像测量装置及方法。

背景技术

激光散斑是指当激光照射在粗糙物体表面上时，漫反射光在反射空间相互干涉后形成的明暗相间的斑点。散斑携带了被测物体信息，通过对散斑场的分析可以得到被测物体的变化信息。

激光散斑是一种随机干涉现象，需要使用统计学方法对其进行研究。在散斑强度的统计特性分析方法中，散斑对比度成像方法得到了广泛的研究和应用。该方法具有全场成像、高时间分辨率和空间分辨率的优点，已成功应用于医学中血流速度动态监测、生物组织生理变化过程，功能活动及药效评价等领域。

然而，该技术要实现对动态过程的准确监测，还面临诸多问题有待进一步研究。其中，散斑尺寸的选取对于对比度测量准确性具有重要的影响。散斑尺寸的改变从两方面影响对比度测量准确性：一方面，由于探测器单个像素尺寸不可能无限小，散斑强度实际上是在一个探测单元的某个有限面积上积分，因此散斑尺寸的改变对于对比度测量的影响将通过探测单元的空间积分效应体现出来，另一方面，由于实际应用中散斑对比度是基于有限统计像素数内光强波动的一阶统计特性分析得到的，因此散斑尺寸的改变对于对比度测量的影响还将通过有效统计像素数的变化体现出来。

最近研究表明，为保证该方法对比度值计算的准确性，散斑图中的散斑尺寸应该大于两个像素[Opt. Lett., 2008, 33(24):2886-2888; J. Opt. Soc. Am. A, 2008, 25(1): 9-15; J. Biomedical Optics, 2010, 15(1):1-12]。而对特定的成像系统而言，要改变散斑尺寸，最直接的方法是通过改变成像距离或缩小散射出瞳尺寸来实现[W. Lauterborn, etc., Coherent Optics, Springer-Verlag Press, 1993, pages: 80-82]，但在特定成像系统中这两种方法调节幅度有限，有时不能满足散斑尺寸大于CCD相机两个像素的要求。

分析可知，在散斑对比度成像测量方法中，尚缺少一种原理简单、操作方便的能较大范围改变散斑尺寸的散斑对比度成像测量装置及方法。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于拉盖尔-高斯光束的散斑对比度成像测量装置及方法，该方法可以在光路难以调节时，通过改变照射光束特性实现对散斑尺寸的调节，具有灵活可靠的特点；该方法可广泛应用于血流变监测及但植物生长状态监测等领域。

本发明采用如下技术方案：基于拉盖尔-高斯光束的散斑对比度成像测量装置，包括一连续波激光器，该连续波激光器发出的光束被全反镜反射后，照射在准直扩束器上，扩束后的光束经起偏器后变成线偏振光，然后照射在分束镜上；

经过分束镜后，光束被分为两束，一路为反射光，一路为透射光；所述的反射光束照射在空间光调制器上，经空间光调制器反射后的光束再次经过分束镜、检偏器后照射在光阑上；

经过光阑后的光束照射在待测样品上，被待测样品散射后，经成像透镜会聚后在CCD相机中成像；然后存储进计算机进行图像对比度值的计算；

所述的空间光调制器和CCD相机分别与计算机相连；所述的空间光调制器上的计算全息图由计算机写入；所述的激光束经空间光调制器反射后产生拉盖尔-高斯光束；所述的起偏器和检偏器用于调节拉盖尔-高斯光束的光束质量；所述的光阑的作用是选择空间光调制器衍射光场的一级衍射光束。

一种基于拉盖尔-高斯光束的散斑对比度成像测量方法，其具体步骤如下：

步骤一、利用计算全息术，计算机生成拉盖尔-高斯光束与斜入射平面光的干涉相位图，通过计算机将该相位图写入空间光调制器；

步骤二、打开连续波激光器，出射激光束被全反镜反射后，照射在准直扩束器上后变为平行光，平行光束经起偏器后变成线偏振平行光，然后照射在分束镜上；

步骤三、经过分束镜后，线偏振平行光束被分为两路，一路为反射光，一路为透射光；其中，反射光束作为参考光束照射在空间光调制器上，经空间光调制器衍射后再现物光束即为拉盖尔-高斯光束，该光束经过检偏器后射入光阑；

步骤四、利用光阑选择一级衍射得到拉盖尔-高斯光束                                                ，其中，和分别为方位指数和径向指数，其中，取整数，取非负整数；光阑的另一个作用是滤除其他衍射级及杂散光；

步骤五、拉盖尔-高斯光束照射在待测样品上，散射后经成像透镜在CCD相机中成像，得到散斑图像，存储进计算机；

步骤六、对存储进计算机的散斑图像中的散斑平均尺寸进行计算，散斑图的归一化自相关函数的半高宽为散斑尺寸，计算的单位为像素；散斑图归一化自相关函数通过以下公式进行计算：，为方向的自相关峰值，其半高宽为方向的散斑平均尺寸；其中，分别表示傅里叶变换及傅里叶逆变换，表示光强图的系综平均；

步骤七、若计算得到的散斑尺寸小于2个像素，则通过计算机改变参数、进行调节（、与散斑的大小成反比关系），用以改变散斑图像中散斑的大小，最后获得散斑尺寸在2~5个像素间的散斑图像；此时计算得到的对比度值最精确；

步骤八、对散斑图根据公式进行对比度值计算，获得散斑场的对比度值；计算时，选取的计算窗口为大小为7×7~10×10 Pixels，遍历整幅散斑图，得到原始散斑图像对应的散斑对比度值图像；

步骤九、若待测样品为动态变化样品，则记录多幅散斑图，重复步骤七和步骤八；得到动态散斑图序列图对应的动态散斑对比度值图像；

步骤十、最终，建立基于拉盖尔-高斯光束的散斑对比度成像测量方法，通过分析散斑对比度值图像，实现对待测样品的动态特性分析。

本发明的工作原理是：

本发明的关键在于如何产生拉盖尔-高斯光束，该部分将重点阐述拉盖尔-高斯光束的产生方法。本发明利用计算全息法结合空间光调制器产生拉盖尔-高斯光束，其步骤可分为三步：（1）利用计算全息术产生拉盖尔-高斯光束（物光束）与平面波（参考光束）的干涉相位图；（2）利用计算机将该相位图写入空间光调制器，得到全息底片；（3）用原平面波（参考光束）照射空间光调制器全息再现物光束（拉盖尔-高斯光束）。

拉盖尔-高斯光束是傍轴条件下亥姆霍兹方程在柱坐标系中的解，它的复振幅表示为：

 (1)

其中，为古依相移；为瑞利长度；为激光束腰半径；是z处的光束半径；

是z处光束的曲率半径；

是归一化因子，为连带拉盖尔多项式，和分别为方位指数和径向指数，其中，取整数，取非负整数。

一束平面光传播方向与z轴夹角为，则平面光光场的复振幅可写为

(2)

假设拉盖尔-高斯光束的束腰平面在平面上，当拉盖尔-高斯光束与平面光在该平面发生干涉时，干涉光场复振幅分布表示为

(3)

其中，表示取复共轭。由公式（3）可以得到其相位图，

(4)

其中，表示取相位。然后，通过计算机将该相位图写入空间光调制器；再根据上述盖尔-高斯光束的生成步骤的（2）和（3），即可得到拉盖尔-高斯光束。

有益效果：与以往技术相比，本发明原理及技术实现简明，可以在光路难以调节时，通过改变照射光束特性实现对散斑尺寸的调节，具有灵活可靠的特点；该方法可广泛应用于血流变监测及但植物生长状态监测等领域。

附图说明

   图1为本发明的结构原理图。

   附图标记：100-连续波激光器，110-全反镜，120-准直扩束器，131-起偏器，132-检偏器，140-分束镜，200-空间光调制器，210-光阑，300-待测样品，310-成像透镜，400-CCD相机，500-计算机。

具体实施方式

下面结合实例对本发明作进一步说明。

如图1所示，基于拉盖尔-高斯光束的散斑对比度成像测量装置，包括一连续波激光器100，该连续波激光器100发出的光束被全反镜110反射后，照射在准直扩束器120上，扩束后的光束经起偏器131后变成线偏振光，然后照射在分束镜140上；

经过分束镜140后，光束被分为两束，一路为反射光，一路为透射光；所述的反射光束照射在空间光调制器200上，经空间光调制器200反射后的光束再次经过分束镜140、检偏器132后照射在光阑210上；

经过光阑210后的光束照射在待测样品300上，被待测样品300散射后，经成像透镜310会聚后在CCD相机400中成像；然后存储进计算机500进行图像对比度值的计算；

所述的空间光调制器200、CCD相机400与计算机500相连；所述的空间光调制器200上的计算全息图由计算机500写入；所述的激光束经空间光调制器200反射后产生拉盖尔-高斯光束；所述的起偏器131和检偏器132用于调节拉盖尔-高斯光束的光束质量；所述的光阑210的作用是选择空间光调制器200衍射光场的一级衍射光束。

一种基于拉盖尔-高斯光束的散斑对比度成像测量方法，其具体步骤如下：

步骤一、利用计算全息术，计算机500生成拉盖尔-高斯光束与斜入射平面光的干涉相位图，通过计算机500将该相位图写入空间光调制器200；

步骤二、打开连续波激光器100，出射激光束被全反镜110反射后，照射在准直扩束器121上后变为平行光，平行光束经起偏器131后变成线偏振平行光，然后照射在分束镜140上；

步骤三、经过分束镜140后，线偏振平行光束被分为两路，一路为反射光，一路为透射光；其中，反射光束作为参考光束照射在空间光调制器200上，经空间光调制器200衍射后再现物光束（拉盖尔-高斯光束），该光束经过检偏器132后射入光阑210中心处；

步骤四、利用光阑(210选择一级衍射得到拉盖尔-高斯光束，其中，和分别为方位指数和径向指数，其中，取整数，取非负整数；光阑210的另一个作用是滤除其他衍射级及杂散光；

步骤五、拉盖尔-高斯光束照射在待测样品300上，散射后经成像透镜310在CCD相机400中成像，得到散斑图像，存储进计算机500；

步骤六、对存储进计算机500的散斑图像中的散斑平均尺寸进行计算，散斑图的归一化自相关函数的半高宽为散斑尺寸，计算的单位为像素；散斑图归一化自相关函数通过以下公式进行计算：，为方向的自相关峰值，其半高宽为方向的散斑平均尺寸；其中，分别表示傅里叶变换及傅里叶逆变换，表示光强图的系综平均，例如和；

步骤七、若计算得到的散斑尺寸小于2个像素，则通过计算机500改变参数、进行调节（、与散斑的大小成反比关系），用以改变散斑图像中散斑的大小，最后获得散斑尺寸在2~5个像素间的散斑图像；此时计算得到的对比度值最精确；

步骤八、对散斑图根据公式进行对比度值计算，获得散斑场的对比度值；计算时，选取的计算窗口为大小为7×7~10×10 Pixels，遍历整幅散斑图，得到原始散斑图像对应的散斑对比度值图像；

步骤九、若待测样品300为动态变化样品，则记录多幅散斑图，重复步骤七和八；得到动态散斑图序列图对应的动态散斑对比度值图像；

步骤十、最终，建立基于拉盖尔-高斯光束的散斑对比度成像测量方法，通过分析散斑对比度值图像，实现对待测样品300的动态特性分析。

经实验表明：该方法具有可在线调节散斑尺寸大小，并且具有原理简洁、对比度值测量准确、可靠的优点。

Claims (2)

1.基于拉盖尔-高斯光束的散斑对比度成像测量装置，其特征在于：包括一连续波激光器，该连续波激光器发出的光束被全反镜反射后，照射在准直扩束器上，扩束后的光束经起偏器后变成线偏振光，然后照射在分束镜上；

经过分束镜后，光束被分为两束，一路为反射光，一路为透射光；所述的反射光束照射在空间光调制器上，经空间光调制器反射后的光束再次经过分束镜、检偏器后照射在光阑上；

经过光阑后的光束照射在待测样品上，被待测样品散射后，经成像透镜会聚后在CCD相机中成像；然后存储进计算机进行图像对比度值的计算；

所述的空间光调制器和CCD相机分别与计算机相连；所述的空间光调制器上的计算全息图由计算机写入；所述的激光束经空间光调制器反射后产生拉盖尔-高斯光束；所述的起偏器和检偏器用于调节拉盖尔-高斯光束的光束质量。

2.根据权利要求1所述的基于拉盖尔-高斯光束的散斑对比度成像测量方法，其特征在于：步骤如下：

步骤一、利用计算全息术，计算机生成拉盖尔-高斯光束与斜入射平面光的干涉相位图，通过计算机将该相位图写入空间光调制器；

步骤二、打开连续波激光器，出射激光束被全反镜反射后，照射在准直扩束器上后变为平行光，平行光束经起偏器后变成线偏振平行光，然后照射在分束镜上；

步骤三、经过分束镜后，线偏振平行光束被分为两路，一路为反射光，一路为透射光；其中，反射光束作为参考光束照射在空间光调制器上，经空间光调制器衍射后再现物光束并经过检偏器后射入光阑；

步骤四、利用光阑选择一级衍射得到拉盖尔-高斯光束                                                ，其中，和分别为方位指数和径向指数，其中，取整数，取非负整数；

步骤五、拉盖尔-高斯光束照射在待测样品上，散射后经成像透镜在CCD相机中成像，得到散斑图像，存储进计算机；

步骤六、对存储进计算机的散斑图像中的散斑平均尺寸进行计算，散斑图的归一化自相关函数的半高宽为散斑尺寸，计算的单位为像素；散斑图归一化自相关函数通过以下公式进行计算：，

为方向的自相关峰值，其半高宽为方向的散斑平均尺寸；其中，分别表示傅里叶变换及傅里叶逆变换，表示光强图的系综平均；

步骤七、若计算得到的散斑尺寸小于2个像素，则通过计算机改变参数、进行调节，用以改变散斑图像中散斑的大小，最后获得散斑尺寸在2~5个像素间的散斑图像；

步骤八、对散斑图根据公式进行对比度值计算，获得散斑场的对比度值；计算时，选取的计算窗口为大小为7×7~10×10 Pixels，遍历整幅散斑图，得到原始散斑图像对应的散斑对比度值图像；

步骤九、若待测样品为动态变化样品，则记录多幅散斑图，重复步骤七和步骤八；得到动态散斑图序列图对应的动态散斑对比度值图像；

步骤十、通过分析散斑对比度值图像，实现对待测样品的动态特性分析。