激光散斑成像的研究进展

激光散斑成像的研究进展

摘要：事实上激光散斑成像在我们的生活中早就得到了广泛的应用、只是我们平常没有注意而已。例如在医学方面：利用激光散斑成像仪监测肠系膜上微循环血流时空响应特性，此发明一种利用激光散斑成像仪监测肠系膜上微循环血流时空响应特性的方法，包括光路和成像系统。光路由氦氖激光器发出的光束耦合到光纤束形成均匀扩散光束构成；成像系统由带ＣＣＤ相机的立体显微镜、图像采集卡与图像采集控制软件、信号分析软件构成（1）。利用激光散斑成像监测光动力治疗的血管损伤效应，研究表明,通过对血管管径和血流速度的监测,激光散斑衬比成像技术可以用于评估光动力治疗过程中的肿瘤周围血管损伤效应（2）。在与环境相关的方面：近几年，研究出了一种先进的方法检测环境污染浓度的方法，提出了一种利用激光散斑和散斑照相技术的污染扩散非定常瞬时全场浓度测量的新方法。根据污染烟雾粒子成像、粒子散射、统计光学以及数字图像处理技术,从理论上详细论证了浓度场全场测量的原理和此方法测量的局限性,为进一步设计浓度场测量系统提供了参考依据（3）。当然激光散斑成像，主要是用在成像方面。特别是现代、随着照相技术的快速发展，激光散斑成像占据了越来越重要的地位。

关键词：激光散斑成像技术成像监测时空散斑效应外差探测信号引言：激光散斑技术由来已久，在牛顿的那个时代就已经开始被人们认识，那时牛顿就已经认识到“恒星闪烁”而“行星不闪烁”。随科学技术的快速发展，激光散斑得到了越来越重要的应用。是在成像方面，可以利用激光成像技术研究坐骨神经刺激时大老鼠躯体的感觉;在军事方面，有了合成孔径激光雷达监测激光散斑时空效应。

激光散斑的基础知识

对于激光散斑在很久以前人类就已经开始了研究。1730年牛顿已经注意到"恒星闪烁"而行星不闪烁，光源发出的光被随机介质散射在空间形成的一种斑纹。1960年世界出现了激光器，高度相干性的激光照在粗糙表面很容易看到这种图样，散斑携带大量有用信息。散斑在工程技术方面等各方面有广泛的应用。散斑的理论是统计光学的一部分，与光的相干理论在很多地方相似和相通。最初人们主要研究如何减弱散斑的影响，在研究的过程中人们发现散斑携带了大量的光束和光束所通过的物体大量信息。于是产生了许多的应用。例如用散光的对比度测量物体的粗糙度，利用散斑的动态情况测量物体的运动速度，利用散斑进行光学处理，甚至利用散斑验光等。

最初的激光散斑抓药用于防伪标识。激光防伪技术包括激光全息图像防伪标识、加密激光全息图像防伪标识和激光全息光刻防伪技术三方面。一、第一代激光防伪技术第一代激光防伪技术是激光模压全息图像防伪标识。全息照相是由美国科学（M · J· Buerger）在利用X射线拍摄晶体的原子结构照片时发现的，并与伽柏（D· Gaber）一起建立了全息照相理论：利用双光束干涉原理，令物光和另一个与物光相干的光束（参考光束）产生干涉图样即可把位相"合并"上去，从而用感光底片能同时记录下位相和振幅，就可以获得全息图像。但是，全息照相是根据干涉法原理拍摄的，须用高密度（分辨率）感光底片记录。由于普通光源单色性不好，相干性差，因而全息技术发展缓慢，很难拍出像样的全息图。（4）可惜激光散斑防伪在其一开始就有其先天的缺陷。.仅仅依靠制作技术的保密和控制来防，属于简单观察类防伪技术，其观察点主要是看是否是全息图象，其次是看图案是否符合公布的图案，但普通消费者只有在仔细对比时才可以分辨出两种不同版本的全息标识。没有防止防伪标识本身被再次利用的技术方法。没有防止附有防伪标识的包装被再次利用的技术方法。没有防止造假者利用收买、行贿等手段获得防伪标识的技术方法。

随着科学技术的发展，人类的进步。激光散斑成像在越来越多的领域的到广泛的应用，例如医学、环境、摄像等。

激光散斑成像的研究进展

医学方面的进展

（一）、在医学方面我们可以利用激光散斑成像技术监测脊髓血流。

脊髓血流动力学的变化一直是脊髓损伤研究中的热点。目前,常用的研究动物脊髓流动力学的方法存在着空间分辨率不够高或需加入外源性标记物、对脊髓组织有损伤等各种各样的缺陷。激光散斑成像技术自20 世纪80 年代Brier s 等人提出后逐渐被用于监测人的皮肤、眼底的血流分布等。最近,Dunn 等[1 ] 利用该技术成功地监测了脑局部缺血和皮层扩展性抑制模型中大鼠脑皮层的血流动态变化。激光散斑成像作为一种新的区域性流速监测技术,能够实现在无需扫描的条件下,以较高的空间分辨率(13 μm) 和时间分辨率(25 ms) 活体、动态、非接触地监测血流速度、血管管径和血流量的变化,获得血流动力学的多个指标[2 ] 。本实验探讨采用激光散斑成像技术监测大鼠脊髓正常状态和压迫刺激后脊髓背部表面血管内的血流速度和血流量以及血管管径的变化,为脊髓血流动力学的研究提供一种新方法。（4）利用激光散斑成像系统(由华中科技大学生命科学与技术学院生物医学光子学教育部重点实验室提供) 监测大鼠脊髓血流动力学的变化。

激光散斑成像系统该系统包括光路和成像系统两部分(图1) 。光路由氦氖( He2Ne) (λ=632. 8 nm ,3 mW) 激光器发出的光束耦合到直径为8 mm 的光纤束形成;成像系统由带电子耦合器件(CCD) (Pixelfly ,PCO COMPU TER OPTICS) 相机的变焦体视显微镜( SZ6045 TR ,OL YMPUS) 、图像采集卡与图像采集控制软件、信号分析软件构成。激光散斑成像技术能到达的探测深度大约在500μm～1 mm。图1 激光散斑成像系统示意图1. 2. 2 图像采集与处理将制作好的大鼠脊髓模型放在体视显微镜的正下方,调焦,以能够清楚地观察到大鼠脊髓背部为准。先用白光照射大鼠脊髓背部,利用激光散斑成像系统透过硬脊膜获得正常大鼠脊髓背部表面血管的白光图,再改用激光,透过硬脊膜,由计算机控制在动物模型制作成功后即刻(0min) 和10 min 分别连续采集20 帧正常脊髓背部表面血管的原始散斑图像,然后保持大鼠位置不动,施行压迫刺激,10 min 后再采集20 帧原始散斑图像。每帧原始散斑图像大小为640 象素×480 象素,体视显微镜的放大倍数为1.5 倍,激光照射区域面积为4. 2 mm ×3. 2 mm ,CCD 曝光时间为20 ms。（5）用Matlab 6. 1 软件对原始的散斑图像进行处理,获得散斑衬比图和各时间点的伪彩色血流图,颜色越红代表相应的流速越快。以0 min 时的伪彩色血流图为基准,各时间点上的伪彩色血流图与它相比较,通过Matlab 6. 1 软件计算,得出正常状态下10 min 时和压迫刺激后10 min 时脊髓血流动力学指标变化的百分数。（6）

研究显示,激光散斑成像技术可以准确、动态、活体、非接触地监测脊髓血流动力学的变化,直观地观察血管形态和血流速度的改变,为研究实性脊髓压迫刺激或损伤前后以及药物干预等条件下血流动力学的变化提供了一种确实、可靠的监测手

（二）超深低温作用下大鼠脑血流变化的激光散斑成像监测。

这是由华中科技大学生物医学光子学教育部重点实验室- 武汉光电国家实验室(筹)的

张丽、李鹏程、倪松林、曾绍群、骆清铭等几人共同完成。急性严重脑缺血性疾病发病急、病情重，严重威胁人类健康，目前国内外对急性严重脑缺血性疾病的治疗手段仍欠完善。低温脑保护对脑缺血损伤的显著保护作用已被大量的实验研究和临床应用所证实[1,2]。（9）低温治疗能够改善脑血循环，稳定血管功能，降低脑细胞能量代谢。研究发现大脑温度下降得越低，神经细胞能量代谢和耗氧量越少，脑细胞保护效果越好，可以有效地阻断严重脑缺血性疾病时脑神经细胞的病理损害过程[3]。采用将脑组织温度快速降至超深低温（≤16℃）水平、而将全身体温仍维持在正常体温的方法，不但可以取得良好的脑保护作用，而且可避免全身超深低温治疗后在复温过程中所造成的心肺损害[3]。但超深低温脑保护的机制尚不清楚，且需要明确超深低温脑保护的时间窗。临床中既要保证正常生物组织不受超深低温损伤，又需要尽量发挥超深低温的最佳治疗效果，因而超深低温作用时间的选取就显得尤为重要。血流为生物组织供应氧和营养，其动力学变化反映了生物组织代谢与生理功能的状态。血流动力学监测为临床疾病的诊断和治疗提供了重要的信息，已成为临床中必不可少的监测手段。（8）目前在血流的在体检测中，激光多普勒技术[4]已获得广泛应用，但此技术只适合对单根血管的流速进行监测，如要对大面积区域血管的流速进行监测则需加扫描装置，从而限制了成像的时间或空间分辨率；并且这种方法采用透射方式测量血管流速，对待测组织的透明程度要求较高。近年来Briers 等[5]提出了一种激光散斑成像技术，也称为激光散斑衬比分析技术，无需扫描即可获得区域的血流分布，而且该方法采用反射成像方式测量血流，对血管的透明程度没有要求，因此比已有的方法具有更广泛的用途。目前这种技术已被用于监测皮肤[6]、视网膜眼底的血流变化[7]以及药物作用下大鼠肠系膜上的血流动态变化[8]和刺激坐骨神经下大鼠脑皮层血流动态变化[9]。（7）

本文的主要发现是大鼠脑皮层在局部超深低温作用持续时间未超过5 min 时，恒温复温后脑血流可恢复至基线水平；而对超深低温持续作用超过7 min 的情况，恒温复温后脑血流仅恢复至基线值的75%左右。以上结果提示，超深低温持续时间较短时，低温作用对脑血流调节功能的影响为可逆的，而长时间的超深低温作用则可能对脑血管调节造成不可逆的损伤。（11）实验结果为确立超深低温脑保护时间窗，进一步研究超深低温脑保护机制打下了良好的基础。激光散斑成像技术作为一种非接触式的技术，因具有高的时间和空间分辨率，为监测超深低温作用时间对脑血流的变化特性提供了有力手段。（10）

（三）、激光散斑用于非正常人眼的检查与校正。

这个研究式由安徽大学物理系的叶柳、石市委共同研究完成的。他们通过推导毛玻璃以恒定速度的面内运动在成像系统中所产生的激光散斑的统计特性,提出激光散斑运动与近视眼和

远视眼的对应关系,并给出激光散斑在视力校正中的应用。一束准直的激光透过毛玻璃后,在其后表面上各点的相位是随机的,根据惠更斯原理,在毛玻璃的后表面上各点可看作是子波源,各子波源在空间中任一点相互叠加,将产生相长或者相消干涉。由于子波源的相位是随机的,所以在空间各点位置上的强度也是随机的。结果就形成颗粒状结构随机分布的光斑,称为散斑。如果毛玻璃在其平面内运动,观察面上的散斑也随之运动,这种散斑称之为动态散斑,动态散斑有两种运动模式。（12）

他们通过推导平行光束在成像系统中的空间- 时间互相关函数,得出观察面上的散斑运动速度公式,进而得出对于近视眼、远视眼等非正常人眼散斑运动的特性,提出校正非正常人眼的方法。

人眼屈光不正的检查和校正人眼是很好的成像系统,晶体相当于成像透镜,视网膜相当于接收平面。对于正常眼,焦平面与人眼的视网膜重合,即L2 = F , →V s = 0。所以正常眼观察散斑为静止状态(严格地说为“纯沸腾态”) 。由于近视眼无法把焦平面调节到视网膜上,而是在视网膜之前L2 > F ,所以观察到散斑在运动。其运动方向与毛玻璃的运动方向相同。近视度数越大,则焦平面与视网膜的距离越大,散斑运动的速度就越大。我们可以配戴一定镜片,使得观察的散斑处于静止状态。远视眼的焦平面位于视网膜之后,L2 < F ,所以观察到的散斑运动与毛玻璃运动方向相反,且随着远视眼度数越大,即远视眼的焦平面与视网膜距离越大,散斑平移速度越大。同样配戴一定度数的凸透镜镜片,可以使得观察的散斑为静止产状态。（13）

（四）、随着科学的发展。研究发现可以利用激光散斑成像监测光动力治疗血管损伤。

光动力治疗(PDT) 是损伤最小的早期恶性肿瘤治疗方法,也是晚期恶性肿瘤的一种姑息治疗方法。光动力治疗能够选择性地消灭局部浅表肿瘤而不危及正常组织,并可以与化疗和放疗协同进行。目前,光动力治疗消灭肿瘤有三种机制[1 ] :直接消灭肿瘤细胞;破坏肿瘤细胞周围的血管;治疗后激活免疫反应阻止肿瘤细胞生长。肿瘤细胞的生存和生长主要依靠肿瘤周围血管提供丰富的营养成分。在过去的15年里,研究光动力治疗如何破坏肿瘤周围血管和抑制新生血管的机制一直受到关注,但是并没有完全被人们掌握[2 ] 。目前对血管损伤的评估只将血管的管径和损伤程度关联起来[3 ] ,没有考虑血液流速或灌注率的影响。利用激光成像技术可以研究血液的流速分布[4 ] 、灌注率[5 ] 等血液动力学[6 ] 变化,这将为理解光动力治疗与血管的作用机制提供新的研究方法。使用激光散斑衬比成像(LSCI) 技术,对鸡胚尿囊膜(CAM) 上血管管径和血流速度进行实时监测,并以此评估光动力治疗过程中的肿瘤周围血管损伤效果。（14）

在光动力治疗过程中,由于光敏化反应可造成微血管破坏,炎性因子的释放引起血管收缩、血细胞滞留凝集、血流停滞造成组织水肿、缺血、缺氧,从而杀伤肿瘤。实验结果表明,激光散斑成像技术可以实时地监测光动力治疗过程中血管结构、血流流速和血液灌注量的变化,并以此来评估光动力治疗过程中的肿瘤周围血管损伤效应。（15）

在污染扩散浓度方面的进展

近几年来，人们提出了一种利用激光散斑和散斑照相技术的污染扩散非定常瞬时全场浓度测量的新方法。根据污染烟雾粒子成像、粒子散射、统计光学以及数字图像处理技术,从理论上详细论证了浓度场全场测量的原理和此方法测量的局限性,为进一步设计浓度场测量系统提供了参考依据。

激光散斑测量是近年来发展的新技术,当激光照射漫反射面或充满粒子的流场时,由于散射光的相互干涉,其强度在空间各点随机起伏,结果会在暗的空间背景上形成散斑。散斑广泛应用于固体力学测量,诸如位移、应变、速度、振动、表面粗糙度等。在流体力学中,散斑测速也是比较成熟的测量方法,但至今尚未见到散斑成像测量污染扩散浓度场的文献报道。

测量方法的局限污染扩散浓度场的散斑测量,由于光电记录介质的最低灵敏度的限制,流场中并不是所有粒子的像(或散斑像) 都能被光电介质记录,只有像的强度超过光电记录介质的最低灵敏度才能被成像。不同的入射片光强度、不同粒子直径和光电记录介质的最低灵敏度其最低源密度不同,测量误差也不同,提高入射光强、粒子直径和光电成像的最低灵敏度都能提高测量精度,只有系统性能提高到能够拍摄单个粒子的散射图像时,才能测量绝对数量浓度。污染扩散实验很难保证污染源产生均匀尺度的烟雾粒子,而且烟雾粒子也很难保证有同样的几何形状。因此浓度场测量时只测量相对浓度,而不测量绝对浓度,正由于测量的是相对量,测量时由光源强度、光学系统的吸收性、反射性等引起的测量误差自动抵消。也正因为测量的是相对浓度,因此利拍摄的烟雾粒子散射图就可以直接进行浓度场测量,而不考虑污染烟雾粒子的成像、散射以及其它的光学意义,拍摄的图像可以任意进行统一的数学运算而不改变其分布关系（22）。

激光散斑成像技术在雷达方面的进展

雷达、近年来得到了越来越重要的应用。特别是在军事领域，雷达犹如士兵的眼睛，可以让将领知道远在天上的直升飞机、战斗机的动态，以便军人做出正确的决策。而利用激光散斑成像原理技术制成的雷达却明显地比传统的雷达具有更优良的性能。例如近几年兴起的合成孔径激光成像雷达。

微波合成孔径雷达, 是能够在远距离取得厘米量级分辨率的唯一的光学成像观察手段, 美国海军研究所和宇航公司已经给出了实验室小尺度装置的实验验证, 人们也报道了实质

性研究进展。在合成孔径激光成像雷达的成像中, 激光散斑效应对光学外差探测的信噪比产生严重影响, 光学外差探测信噪比是总体设计的重要参数, 将直接影响系统总体结构和工作模式的设讨一, 特别是激光发射功率估算的关键性依据, 因此研究一信噪比具有重要意义。美国海军研究所等口’丁完整地研究了存在激光散斑效应时的光学外差探测的信噪比, 他们首先确定了光学外差探测属于光子受限状态, 即噪音来自于本振恒定信号的散弹效应, 给出了载噪比定义, 然后引人了散斑统计特性,给出了最终的外差探测信噪比。文献‘’以最简单的数学和物理概念处理激光散斑效应, 因此存在两个物理问题第一是没有考虑观察面上

的散斑尺寸及其光学接收天线的口径平滑效应, 第二是在一次激光曝光的时采样过程中使

用了激光散斑是恒定不变的这种隐含假设, 但是事实上由于线性调频的惆啾激光在一次发

射的时间进程中波长是变化的,导致了激光散斑的花样的变化, 因此在一次曝光中（23）改进激光散斑噪音信噪比可以采用以下方法。在一般设计中只考虑了激光线偏振应用, 为改进散斑噪音可以同时利用两个偏振分量, 但是这将增加系统的复杂性。也可以在一个图像中组合多个像素为一个实际像素, 这显然降低了成像分辨率。最为可能的方法是采用多次曝光以对散斑场的不同部分采样, 但是这增加了观察时间也增大了激光发射能量。在上述多次曝光组合的方法下, 对于单次的曝光成像必须满足一个重要的判据。一和刀, 否则为了达到七的最好状态, 需要太多数目的单次曝光。存在时间变化的散斑统计特性。（24）脉冲激光相干雷达的散斑成像模型。在激光雷达、合成孔径雷达等相干成像装置中都是通过接收散射回波信号并在探测器表面相干获得图像的, 因此其图像对散斑噪声高度敏感[ 1 ]。而散斑噪声的存在使图像像素强度(灰度) 剧烈变化, 即在一片均匀的目标表面上, 有的分辨率单元呈亮点, 有的呈暗点, 降低了图像的灰阶和空间分辨率, 隐藏图像的精细结构, 使图像的解释性变差, 降低了图像质量和雷达的探测能力, 因而限制了相干图像(如激光雷达、合成孔径雷达) 的应用。由于散斑噪声统计特性较差因而成了在相干成像装置中最难解决的问题之一。尽管如此, 人们还是提出了一些抑制散斑噪声的方法。这些方法大体上可分为类: 一类是不相干和部分相干的多视图像处理[ 2 ];另一类是图像域滤波等的图像后处理。多视图像处理和图像域滤波的本质都是压缩了散斑噪声但又牺牲了图像的一些细节。（28）

在导出脉冲相干激光雷达散斑成像模型的基础上提出了并行加权均值多方向形态滤波算法。这种算法不仅在选取结构元素中考虑了散斑噪声对图像污染严重的特点,而且在加权

中使用了散斑噪声的统计规律。计算机仿真实验证明它在保持图像的几何结构、灰度差别及图像均匀区的均匀度方面都优于Safa 算法。

总结激光散斑成像技术的研究进展在科学技术越来越发达的今天，激光散斑成像技术得到了越来越重要的地位。在医学方面，我们可以利用激光散斑成像监测脑血流的变化，可以利用激光散斑成像技术监测脊髓血液流动力学，还可以利用激光成像技术监测光动力治疗的血管损伤效应等；在军事方面特别别雷达上，激光散斑成像技术的到了淋淋尽至的发挥，激光成像雷达合成孔径就充分利用了时空散斑效应，还有脉冲相干激光雷达的散斑成像模型及其散斑噪声压缩等。

在不久的将来激光散斑成像技术将在我们的生活中发挥更大的作用。

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