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】
[0001] 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】
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 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。
[0005] 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。
[0006] 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】
[0007] 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。
[0008] 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CXD 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。
[0009] -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 P I F 方位指数和径向指数，其中，/取整数，P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IG1照射在待测样品上，散射后经成像透镜在c⑶相机中 P 成像，得到散斑图像/i:)，存储进计算机； 步骤六、对存储进计算机的散斑图像/s)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：
【主权项】
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CXD 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IG1 ,其中，I和分别为 P I ^ 方位指数和径向指数，其中，I取整数，/?取非负整数； 步骤五、拉盖尔-高斯光束IGi照射在待测样品上，散射后经成像透镜在c⑶相机中 P 成像，得到散斑图像it)，存储进计算机； 步骤六、对存储进计算机的散斑图像A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
CiV(.\%0}为X方向的自相关峰值，其半高宽为X方向的散斑平均尺寸；其中， F/++ =分别表示傅里叶变换及傅里叶逆变换，<一丨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/、/7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/^艮据公式r = -1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7X7~10X 10 Pixels，遍历整幅散斑图，得 到原始散斑图像J(|对应的散斑对比度值图像I7ci ; 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。
【专利摘要】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。
【IPC分类】G01B11-00, G01N11-00, G01N21-01
【公开号】CN104634699
【申请号】CN201510090028
【发明人】李新忠, 台玉萍, 冯爱芬, 张利平, 李贺贺, 尹更新, 王静鸽
【申请人】河南科技大学
【公开日】2015年5月20日
【申请日】2015年2月28日