基于光纖振動(dòng)的激光散斑抑制方法的研究

王 靜，賀鋒濤，曹金鳳，朱玉晗，左 波

(西安郵電大學(xué)電子工程學(xué)院，西安710061)

引 言

以激光作為光源的顯微成像系統(tǒng)具有很高的分辨率［1-2］，圖像清晰，能很好地反映事物本身，因此被稱為“人類視覺史上的革命”［3-5］。然而在該系統(tǒng)中，激光是強(qiáng)相干光［6］，成像時(shí)由于干涉疊加會(huì)形成散斑，而散斑會(huì)影響系統(tǒng)成像質(zhì)量，因而散斑在成像系統(tǒng)中就成了不容忽視的問(wèn)題。為此，有必要對(duì)散斑特性進(jìn)行研究，以便人們能很好地控制散斑，從而抑制散斑對(duì)成像質(zhì)量的影響。目前已經(jīng)研究出很多抑制激光散斑的方法，比如利用脈沖激光的疊加［7］、移動(dòng)孔徑光闌［8］或散射體［9］、屏幕振動(dòng)［10］等方法來(lái)抑制散斑，還可利用相干性［11］不同的光源來(lái)減弱散斑。

本文中研究了光纖振動(dòng)對(duì)激光顯微成像系統(tǒng)中散斑圖像的影響，同時(shí)采用散斑暗區(qū)比［12-13］來(lái)表征散斑圖像的變化，分析出暗區(qū)比與光纖振動(dòng)的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了光纖振動(dòng)對(duì)散斑的控制。實(shí)驗(yàn)中光源采用532nm的激光，并用CCD圖像傳感采集系統(tǒng)采集散斑圖像，在此過(guò)程中利用振動(dòng)電壓控制音圈電機(jī)，進(jìn)而控制光纖的振動(dòng)，最后觀察散斑圖像的變化。在圖像處理的過(guò)程中，通過(guò)對(duì)圖像設(shè)置一定的閾值來(lái)計(jì)算其暗區(qū)比并用其表征散斑圖像的變化，推導(dǎo)出暗區(qū)比與光纖振動(dòng)之間的關(guān)系，通過(guò)暗區(qū)比反映光纖振動(dòng)對(duì)散斑的控制。

1 光纖振動(dòng)對(duì)散斑抑制原理

當(dāng)光源發(fā)出的激光在多模光纖中傳輸時(shí)，會(huì)激發(fā)多種傳輸模式，不同模式的光線與光纖軸成不同角度傳播。由于傳輸角度不同，光線到達(dá)光纖輸出端時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的光程差，從而引起一定的相位差。光纖輸出面上的光強(qiáng)分布都是由出射光相干疊加而成，有亮斑，也有暗斑，這樣就看到了散斑干涉現(xiàn)象。

散斑結(jié)構(gòu)會(huì)隨光纖物理結(jié)構(gòu)的變化而變化，光纖的任何變形都會(huì)影響光的傳輸，造成不同的出射角度和相位差，產(chǎn)生不同的散斑圖樣。光纖的振動(dòng)可以改變激光光束出射角度和各個(gè)模式的結(jié)構(gòu)，使得各模式間的相位差隨時(shí)間而變化，從而形成(沸騰)的散斑，在積分時(shí)間內(nèi)N種散斑結(jié)構(gòu)的疊加會(huì)使散斑對(duì)比度減小，散斑對(duì)比度得到不同程度的減弱。具體的減弱程度由這N個(gè)散斑結(jié)構(gòu)的相互關(guān)系決定。當(dāng)N種散斑結(jié)構(gòu)相互獨(dú)立時(shí)，對(duì)比度明顯減少;當(dāng)N種散斑結(jié)構(gòu)完全相干時(shí)，對(duì)比度與靜態(tài)時(shí)相同;其它情況下，對(duì)比度的減弱程度在這兩個(gè)之間，這樣散斑就得到了不同程度的均化。

由此可見，光纖振動(dòng)是抑制激光散斑的一種有效的方法。此方法實(shí)用可行、成本低，對(duì)于散斑的均化有很好的效果。

2 散斑暗區(qū)比法

激光在多模光纖中傳輸時(shí)激發(fā)的多個(gè)模式傳播常數(shù)不同，因此它們會(huì)產(chǎn)生光程差，從而發(fā)生干涉現(xiàn)象產(chǎn)生散斑。CCD采集系統(tǒng)得到的散斑圖像的光強(qiáng)分布取決于各束干涉波的疊加。疊加后的散斑圖像有亮點(diǎn)，也有暗點(diǎn)。在實(shí)際中，取一定的灰度閾值B和D，定義灰度大于閾值B的像素點(diǎn)為亮點(diǎn)，灰度小于閾值D的像素點(diǎn)為暗點(diǎn)。暗像素點(diǎn)數(shù)與總的像素點(diǎn)數(shù)之比為暗區(qū)比，亮像素點(diǎn)數(shù)與總的像素點(diǎn)數(shù)之比為亮區(qū)比。當(dāng)光纖振動(dòng)發(fā)生變化時(shí)，散斑圖像亮區(qū)暗區(qū)比也隨之發(fā)生變化，因此可以采用亮區(qū)暗區(qū)比來(lái)表征散斑圖像的變化。

基于夜間的圖像有較大連通域是暗區(qū)，得出了Ardely［14-15］算法。該算法對(duì)暗區(qū)定義如下:暗區(qū)是指由圖像中最暗的像素(灰度小于上限閾值)組成的一個(gè)區(qū)域。確定上限閾值后，就可確定出暗區(qū)比P:

滿足以上條件的灰度值N即為上限閾值，P為以N為閾值的暗區(qū)比，n為圖像的總像素?cái)?shù)，ni為灰度值是i的像素?cái)?shù)，ε為暗區(qū)比P的上限。本文中將上述的暗區(qū)比法應(yīng)用于激光顯微成像系統(tǒng)中，研究光纖振動(dòng)對(duì)成像系統(tǒng)中散斑的控制作用。即用(1)式中的暗區(qū)比P來(lái)表示由光纖振動(dòng)所引起的散斑圖像的變化。

3 實(shí)驗(yàn)方法與結(jié)果分析

Fig.1 System diagram

Fig.2 Speckle image and gray histogram under different voltages

驗(yàn)證光纖振動(dòng)消散斑的實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)框圖如圖1所示。組成模塊包括:激光光源、多模光纖、振動(dòng)設(shè)備、顯微鏡成像模塊、CCD圖像采集模塊、計(jì)算機(jī)處理模塊。其工作原理為:激光光束進(jìn)入振動(dòng)的多模光纖，再經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直透鏡后照射到樣品上，從樣品表面反射回的光經(jīng)過(guò)顯微物鏡后，由CCD對(duì)圖像進(jìn)行采集并存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)上，最后在計(jì)算機(jī)上使用MATLAB對(duì)圖像的散斑暗區(qū)比進(jìn)行分析。在此實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)振動(dòng)電壓控制電機(jī)的振動(dòng)，而電機(jī)則在激光光源與顯微物鏡之間以物理接觸方式直接振動(dòng)光纖，從而引起散斑圖像的變化。

實(shí)驗(yàn)中光源采用波長(zhǎng)為532nm、功率為0.5W的激光，顯微物鏡為40倍，數(shù)值孔徑為0.65，CCD攝像頭像素大小為786×576。在顯微物鏡數(shù)值孔徑不變的情況下，分別采集振動(dòng)電壓在0V～3V之間并以0.2V為間隔的15幅拋光玻璃表面散斑圖像，并用MATLAB軟件畫出散斑圖像對(duì)應(yīng)的灰度直方圖，如圖2所示。

隨著振動(dòng)電壓的增大，圖像中的散斑顆粒隨之減小，圖像趨于平滑，其所對(duì)應(yīng)的灰度直方圖的寬度逐漸減小，且向中間聚攏。所以在此過(guò)程中，小于某一閾值的像素點(diǎn)(暗點(diǎn))個(gè)數(shù)是逐漸減小的，因此可以用小于該閾值的像素點(diǎn)個(gè)數(shù)所占的比例(暗區(qū)比)來(lái)表征散斑圖像的變化，從而可以找到暗區(qū)比與振動(dòng)電壓之間的關(guān)系。根據(jù)圖2中的灰度直方圖可以看出，像素在灰度值為110左右時(shí)的分布變化比較明顯，因此本文中選取的閾值為110。在該閾值下使用MATLAB對(duì)散斑圖像進(jìn)行暗區(qū)比計(jì)算，并對(duì)其進(jìn)行曲線擬合，得到了散斑圖像暗區(qū)比隨振動(dòng)電壓增大變化的曲線，如圖3所示。

Fig.3 Speckle dark ratio at different voltages

當(dāng)振動(dòng)電壓在0.2V～3V之間逐漸增加時(shí)，散斑暗區(qū)比在0.2094～0.0564之間逐漸減小。電壓達(dá)到2V以上時(shí)，暗區(qū)比趨于穩(wěn)定，電壓為2.6V時(shí)暗區(qū)比達(dá)到最小值5.64%。同時(shí)計(jì)算了振動(dòng)電壓為2.6V時(shí)圖像的散斑對(duì)比度為4.17%，接近人眼分辨率4%。這說(shuō)明，隨著振動(dòng)電壓的增大，暗區(qū)比會(huì)減小，散斑顆粒也隨之減小，電壓增大到一定值時(shí)，散斑就會(huì)得到很好的抑制。

當(dāng)振動(dòng)電壓增大時(shí)，光纖振動(dòng)也隨之加劇，多模光纖中不同模式之間的光程差會(huì)發(fā)生變化，并在此過(guò)程中對(duì)散斑進(jìn)行均化，干涉現(xiàn)象所產(chǎn)生的散斑就會(huì)變小，從而實(shí)現(xiàn)了光纖振動(dòng)對(duì)散斑的抑制，提高了圖像的清晰度和分辨率。

4 結(jié)論

采用散斑暗區(qū)比法對(duì)激光顯微成像系統(tǒng)中光纖振動(dòng)對(duì)顯微散斑的抑制進(jìn)行分析。結(jié)果表明:隨著振動(dòng)電壓的增大，圖像的散斑暗區(qū)比會(huì)逐漸減小，圖像對(duì)比度也隨之減小，當(dāng)振動(dòng)電壓增大到一定值時(shí)，散斑消除效果明顯、圖像更加清晰。因此，振動(dòng)多模光纖的方法對(duì)于抑制激光顯微成像系統(tǒng)中的散斑噪聲是切實(shí)可行的，對(duì)系統(tǒng)的成像質(zhì)量具有重要意義。

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