CN105445492A - 一种透过散射介质的激光散斑流速检测方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种透过散射介质进行流速检测的光学成像方法及其装置。该方法基于散射介质的光学记忆效应，利用空间光调制器对光波经过散射介质后产生的随机相位进行补偿匹配，并进一步结合激光散斑衬比分析方法，实现透过散射介质的流速成像。其装置包括：激光器发出的光束经准直扩束系统后照明物平面及散射介质；散射介质后表面通过4f系统成像到空间光调制器上，经过空间光调制器调制的光沿着光路反射到分光片，通过透镜五被CCD或CMOS相机接收。本发明具有无损伤、非接触、能够透过散射介质实时宽场流速成像的优点。

Description

一种透过散射介质的激光散斑流速检测方法和装置

技术领域

本发明属于光学成像领域，涉及为透过散射介质的光学成像技术，具体为一种基于波前调制技术和激光散斑衬比分析方法的透过散射介质流速检测方法和装置。

背景技术

激光散斑血流成像技术是一种宽场的血流成像技术，时间和空间分辨率高，成像范围易于控制，被用于术中检测、研究神经血管耦合机制以及药物评估等应用中。然而，该技术采样深度受限，主要探测生物组织表层的血流信息。主要原因是受限于组织的散射作用，使得入射的激光被生物组织扰动，使得光发生多次散射，信息传输和成像质量受到严重影响，不能够提取深层组织的流速信息。尽管有研究通过激光散斑血流成像与正交偏振方法相结合来减小镜面反射，或者使用光透明剂减小组织光散射，从一定程度上提高了对血流信号的采样深度，但是改善的程度不高。并不能够从根本上消除散射介质的影响，实现透过散射介质的流速成像。

发明内容

该发明所要解决的技术问题在于提供一种能够透过散射介质流速检测的光学成像方法及其装置，以克服现有技术所存在的散射介质影响流速成像质量的缺陷。

为解决上述技术问题，本发明提供的透过散射介质的激光散斑流速检测方法，是基于散射介质的光学记忆效应，利用空间光调制器对光波通过散射介质后产生的随机相位进行补偿匹配，实现透过散射介质的宽场成像，进一步结合激光散斑衬比分析方法，实现透过散射介质的流速成像。其步骤包括：

(1)准直激光光束照射物平面及物平面后的散射介质，所述散射介质后表面经过4f成像系统成像到空间光调制器上，经过空间光调制器调制的光沿着光路反射到分光片后，一束到达挡光板，另一束到达所述空间光调制器，经过所述空间光调制器调制的光沿着光路反射到所述分光片，通过透镜被CCD或CMOS相机接收；

(2)绘制中心为亮斑，背景为黑，与CCD或CMOS相机的分辨率、位深相同的灰度图像，作为目标图像；

(3)基于遗传算法，随机初始化一组随机相息图，依次加载到空间光调制器上，并利用CCD或CMOS相机同步拍摄加载的随机相息图时，经点物、散射介质和空间光调制器后的图像；

(4)分别计算拍摄到的一组CCD或CMOS图像与所述步骤(2)中目标图像的相关系数，并将所述相关系数中的最大值作为遗传算法的目标值；根据这一组相关系数，将所述目标图像分别相对应的相息图，做交叉、变异、重组，产生下一组的相息图；

(5)将所述步骤(4)计算得到的相息图，依次加载到空间光调制器上，并利用CCD或CMOS相机同步拍摄点物经散射介质和空间光调制器后所形成的图像；

(6)重复对所述步骤(4)-(5)，循环迭代，直至达到设置的最大迭代次数或相关系数大于设置的目标值，得到了最佳匹配散射介质的相息图；

(7)加载所述最佳匹配散射介质的相息图到空间光调制器，移动点光源，基于散射介质的光学记忆效应，实现透过散射介质的宽场成像，其成像视野由公式(2)决定；

FOV＝Rλ/πL(1)

其中：R是成像物体与散射介质的距离，λ为成像系统所用光波波长，L为散射介质厚度；

(8)在物平面处放置所要观察的运动物体或者流体，用CCD或CMOS相机通过所述成像系统，连续采集N帧被测对象的激光散斑图像；

(9)利用激光散斑时间衬比分析方法，取出各帧图像中相同位置处对应的像素，组成大小为N个像素的像素集，利用公式(1)计算该时间轴上的衬比K_t；

$K_t=\sqrt{\frac{1}{N-1}\underset{p=1}{\overset{N}{\Σ}}{(I_p-\stackrel{\‾}{I})}^2}/\stackrel{\‾}{I}---\left(2\right)$

其中，I_p代表N帧图像中同一位置处对应N个像素中第p个像素的灰度值，I为这N个像素灰度的平均值；

(10)利用所得K_t值计算该像素处的流速值V(i,j)

$V(i,j)=\frac{c}{{\[K_t(i,j)\]}^2}---\left(3\right)$

其中，c为矫正系数；

(11)遍历步骤(8)所述激光散斑图像中所有的像素，获得所有像素对应的V(i,j)，分别以每个像素对应的V值为灰度，重建得到二维的相对流速图像。

本发明同时提供了上述透过散射介质的激光散斑流速检测方法所采用的检测装置，包括沿光路传播方向依次设置的激光器，准直扩束系统，物平面，散射介质，4f成像系统，分光片，空间光调制器，透镜，挡光板和CCD或CMOS相机；所述物平面上设有作为点物的针孔或者物平面上放置光阑和运动散射物体，

光源所发出的光束经过所述准直扩束系统后照射所述物平面及物平面后的散射介质，所述散射介质后表面经过4f成像系统成像到空间光调制器上，经过空间光调制器调制的光沿着光路反射到分光片后，一束到达挡光板，另一束到达所述空间光调制器，经过所述空间光调制器调制的光沿着光路反射到所述分光片，通过透镜被CCD或CMOS相机接收。

本发明所提出的透过散射介质的激光散斑流速检测方法和装置，具有的技术效果在于：

(1)基于激光散斑衬比分析方法，实现透过散射介质的流速检测，可以做到宽场的流速检测，这是以往方法没有实现的；

(2)在经过优化得到散射介质对应相息图后，加载到空间光调制器上，结合激光散斑衬比分析方法，可实现透过散射介质实时流速检测；

(3)系统成像视野与散射介质厚度成反比，和物平面与散射介质的距离成正比；

(4)无辐射、无损伤、非接触的透射式光学流速检测。

附图说明

图1是本发明公开的透过散射介质的激光散斑流速检测装置。图1中，1是激光器，2是中性密度滤光片，3和4是组成准直扩束系统的透镜一、透镜二，5是偏振片，6是针孔或者放置光阑和运动散射物体的物平面，7是散射介质，8和11是组成4f成像系统的透镜三、透镜四，9是挡光板，10是分光片，12是空间光调制器(SLM)，13是透镜五，14是CCD或CMOS相机。

图2是本发明公开的透过散射介质的激光散斑流速检测方法所用遗传算法优化产生相息图的流程图。

图3是本发明公开的透过散射介质的激光散斑流速检测实施过程中，优化前后的成像及优化迭代过程曲线。其中，图3a是目标图像；图3b是优化前CCD或CMOS拍摄到的原始图像；图3c是优化后CCD或CMOS拍摄到的原始图像，左下角放置的是加载到空间光调制器的最佳相息图；图3d是优化过程中，每代种群中个体的最大相关系数和个体的平均相关系数随迭代次数变化趋势。

图4是采用本发明公开的透过散射介质的激光散斑流速检测方法和装置对运动物体测试结果，测量所得相对速度和实际速度的线性关系。

具体实施方式

本发明提出一种透过散射介质的激光散斑流速检测装置，采用如附图1所示的成像装置，其结构组成为：包括沿光路传播方向依次设置的激光器1，中性密度滤波片2，准直扩束系统(透镜一3和透镜二4)，偏振片5，物平面6，物平面上设有作为点物的针孔或者物平面处放置光阑和运动散射物体，作为散射介质的光学扩散片7，4f系统(透镜三8和透镜四11)，挡光板9，分光片10，空间光调制器(SLM)12，透镜13和CCD或CMOS相机14；激光器1所发出的光束经过准直扩束系统，照射放置在物平面的针孔并透过其后面放置的扩散片，散射介质后表面经过4f系统成像到空间光调制器上，经过空间光调制器调制的光沿着光路反射到分光片，通过透镜五13被CCD或CMOS相机14接收。

本发明提出的透过散射介质的激光散斑流速检测方法的技术构思是是基于散射介质的光学记忆效应，利用空间光调制器对光波经散射介质后产生的随机相位进行补偿匹配，进一步结合激光散斑衬比分析方法，实现透过散射介质的流速成像。具体地，如图2所示流程图，利用遗传优化算法，实现点物透过散射介质成像系统形成成点像，得到匹配散射介质的最佳相位，补偿由散射介质引起的随机相位扰动，基于散射介质的光学记忆效应，实现透过散射介质的宽场成像；进一步放置运动物体模型，结合激光散斑衬比分析方法，实现透过散射介质的流速检测。

具体实施步骤：

1、准直激光光束照射到放置在物平面的针孔，针孔直径为100um，作为点物。准直激光投射在物平面后方的散射介质上，散射介质后表面经过4f成像系统成像到空间光调制器上，经过空间光调制器调制的光沿着光路反射到分光片后，通过透镜五被CCD或CMOS相机接收；此时CCD或CMOS拍摄图像为如图3(b)的散斑图；

2、绘制中心有一直径为一定像素数(数目由所使用针孔和CCD或CMOS像素尺寸决定)的圆亮斑，设置像素值为4095(12位CCD或CMOS相机)，背景像素值为0，且与CCD或CMOS分辨率、位深相同的灰度图像，作为优化后的目标图像，目标图像如图3(a)所示；

3、基于遗传算法，随机初始化一组、例如30～40帧的随机相息图，依次加载到空间光调制器上，并利用CCD或CMOS相机同步拍摄加载随机相息图时针孔经散射介质和空间光调制器后所成的图像，曝光时间设置为30ms；

4、分别计算拍摄的一组CCD或CMOS图像与步骤2的目标图像的相关系数C，相关系数C由公式(1)计算得到，并将一组相关系数C中最大值的相关系数C作为遗传算法的目标值；

$C=\frac{\underset{i=I}{\overset{M}{\Σ}}\underset{j=I}{\overset{N}{\Σ}}\[O(i,j)-\stackrel{\‾}{O}\]\[P(i,j)-\stackrel{\‾}{P}\]}{{\left\{\underset{i=1}{\overset{M}{\Σ}}\underset{j=1}{\overset{N}{\Σ}}{\[O(i,j)-\stackrel{\‾}{O}\]}^2\underset{i=1}{\overset{M}{\Σ}}\underset{j=1}{\overset{N}{\Σ}}{\[P(i,j)-\stackrel{\‾}{P}\]}^2\right\}}^{\frac{1}{2}}}---\left(1\right)$

其中，O为拍摄到的CCD或CMOS图像，P为目标图像， $\stackrel{\‾}{O}=\frac{1}{M}\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{M}{\Σ}}\underset{j=1}{\overset{N}{\Σ}}O(i,j),\stackrel{\‾}{P}=\frac{1}{M}\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{M}{\Σ}}\underset{j=1}{\overset{N}{\Σ}}P(i,j),$ CCD或CMOS图像的分辨率为M×N；

5、根据这一组的相关系数的大小，把分别相对应的相息图做交叉、变异、重组计算，得到下一组相息图；

6、将步骤5计算得到的相息图，依次加载到空间光调制器上，并利用CCD或CMOS相机同步拍摄加载相息图时针孔经散射介质和空间光调制器后所成的图像；

7、重复步骤4-6，循环迭代，直到达到设置的迭代次数(可设置为3000次)，最后最大相关系数可达到0.89，如图3(d)所示；

8、达到迭代次数后，便得到了规定迭代次数内匹配散射介质的最佳相息图，如图3(c)左下角；

9、加载最佳相息图到空间光调制器，得到点像，如图3(c)所示，基于散射介质的光学记忆效应，实现透过散射介质的宽场成像，其成像视野由公式(2)决定，

FOV＝Rλ/πL(2)

其中：R是成像物体与散射介质的距离，λ为成像系统所用光波波长，L为散射介质厚度；

10、在物平面上放置所要观察的运动物体和光阑，用CCD或CMOS相机通过此成像系统，以相同的曝光时间(设置为20ms)连续采集N＝100帧被测对象激光散斑图像；

11、对步骤10采集所得N帧图像，取出各帧图像中相同位置处对应的像素，组成大小为N个像素的像素集，利用公式(3)计算该时间轴上的衬比K_t，

$K_t=\sqrt{\frac{1}{N-1}\underset{p=1}{\overset{N}{\Σ}}{(I_p-\stackrel{\‾}{I})}^2}/\stackrel{\‾}{I}---\left(3\right)$

其中，I_p代表N帧图像中同一位置处对应N个像素中第p个像素的灰度值，I为这N个像素灰度的平均值；

12、利用所得K_t值计算该像素处的流速值V(i,j)，公式如下：

$V(i,j)=\frac{c}{{\[K_t(i,j)\]}^2}---\left(4\right)$

其中c为校正系数，因仅表示相对大小，可设置c为1；

13、按步骤11-12遍历图像中所有的像素，获得所有像素对应的V(i,j)。分别以每个像素对应的V值为灰度，重建得到二维的相对流速图像；利用步进电机改变运动物体的速度，进一步得到测量计算所得相对速度和实际速度的线性关系，如图4所示。

可以看出，本发明具有以下的技术优点：

(1)基于激光散斑衬比分析方法，实现透过散射介质的流速检测，可以做到宽场的流速检测，这是以往方法没有实现的；

(2)在经过优化得到散射介质对应相息图后，加载到空间光调制器上，结合激光散斑衬比分析方法，可实现透过散射介质实时流速检测；

(3)系统成像视野与散射介质厚度成反比，和物平面与散射介质的距离成正比；

(4)无辐射、无损伤、非接触的透射式光学流速检测。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (2)

1.一种透过散射介质的激光散斑流速检测方法，其步骤包括以下：

(1)准直激光光束照射物平面及物平面后的散射介质，所述散射介质后表面经过4f成像系统成像到空间光调制器上，经过空间光调制器调制的光沿着光路反射到分光片后，一束到达挡光板，另一束到达所述空间光调制器，经过所述空间光调制器调制的光沿着光路反射到所述分光片，通过透镜被CCD或CMOS相机接收；

(2)绘制中心为亮斑，背景为黑，与CCD或CMOS相机的分辨率、位深相同的灰度图像，作为目标图像；

(3)基于遗传算法，随机初始化一组随机相息图，依次加载到空间光调制器上，并利用CCD或CMOS相机同步拍摄加载的随机相息图时，经点物、散射介质和空间光调制器后的图像；

(4)分别计算拍摄到的一组CCD或CMOS图像与所述步骤(2)中目标图像的相关系数，并将所述相关系数中的最大值作为遗传算法的目标值；根据这一组相关系数，将所述目标图像分别相对应的相息图，做交叉、变异、重组，产生下一组的相息图；

(5)将所述步骤(4)计算得到的相息图，依次加载到空间光调制器上，并利用CCD或CMOS相机同步拍摄点物经散射介质和空间光调制器后所形成的图像；

(6)重复对所述步骤(4)-(5)，循环迭代，直至达到设置的最大迭代次数或相关系数大于设置的目标值，得到了最佳匹配散射介质的相息图；

(7)加载所述最佳匹配散射介质的相息图到空间光调制器，移动点光源，基于散射介质的光学记忆效应，实现透过散射介质的宽场成像，其成像视野由公式(2)决定；

FOV＝Rλ/πL(1)

其中：R是成像物体与散射介质的距离，λ为成像系统所用光波波长，L为散射介质厚度；

(8)在物平面处放置所要观察的运动物体或者流体，用CCD或CMOS相机通过所述成像系统，连续采集N帧被测对象的激光散斑图像；

(9)利用激光散斑时间衬比分析方法，取出各帧图像中相同位置处对应的像素，组成大小为N个像素的像素集，利用公式(1)计算该时间轴上的衬比K_t；

$K_t=\sqrt{\frac{1}{N-1}\underset{p=1}{\overset{N}{\Σ}}{(I_p-\stackrel{\‾}{I})}^2}/\stackrel{\‾}{I}---\left(2\right)$

其中，I_p代表N帧图像中同一位置处对应N个像素中第p个像素的灰度值，为这N个像素灰度的平均值；

(10)利用所得K_t值计算该像素处的流速值V(i,j)

$V(i,j)=\frac{c}{{\[K_t(i,j)\]}^2}---\left(3\right)$ 其中，c为矫正系数；

(11)遍历步骤(8)所述激光散斑图像中所有的像素，获得所有像素对应的V(i,j)，分别以每个像素对应的V值为灰度，重建得到二维的相对流速图像。

2.一种透过散射介质的激光散斑流速检测装置，其特征在于：包括沿光路传播方向依次设置的激光器，准直扩束系统，物平面，散射介质，4f成像系统，分光片，空间光调制器，透镜，挡光板和CCD或CMOS相机；所述物平面上设有作为点物的针孔或者物平面处放置光阑和运动散射物体，

光源所发出的光束经过所述准直扩束系统后照射所述物平面及物平面后的散射介质，所述散射介质后表面经过所述4f成像系统成像到所述空间光调制器上，经过所述空间光调制器调制的光沿着光路反射到所述分光片后，一束到达所述挡光板，另一束到达所述空间光调制器，经过所述空间光调制器调制的光沿着光路反射到所述分光片，通过所述透镜被CCD或CMOS相机接收。