基于光纖振動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

(西安郵電大學電子工程學院，西安710061)

引 言

以激光作為光源的顯微成像系統具有很高的分辨率［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］。然而在該系統中，激光是強相干光［6］，成像時由于干涉疊加會形成散斑，而散斑會影響系統成像質量，因而散斑在成像系統中就成了不容忽視的問題。為此，有必要對散斑特性進行研究，以便人們能很好地控制散斑，從而抑制散斑對成像質量的影響。目前已經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］、移動孔徑光闌［8］或散射體［9］、屏幕振動［10］等方法來抑制散斑，還可利用相干性［11］不同的光源來減弱散斑。

本文中研究了光纖振動對激光顯微成像系統中散斑圖像的影響，同時采用散斑暗區比［12-13］來表征散斑圖像的變化，分析出暗區比與光纖振動的關系，實現了光纖振動對散斑的控制。實驗中光源采用532nm的激光，并用CCD圖像傳感采集系統采集散斑圖像，在此過程中利用振動電壓控制音圈電機，進而控制光纖的振動，最后觀察散斑圖像的變化。在圖像處理的過程中，通過對圖像設置一定的閾值來計算其暗區比并用其表征散斑圖像的變化，推導出暗區比與光纖振動之間的關系，通過暗區比反映光纖振動對散斑的控制。

1 光纖振動對散斑抑制原理

當光源發出的激光在多模光纖中傳輸時，會激發多種傳輸模式，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，光線到達光纖輸出端時會產生一定的光程差，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象。

散斑結構會隨光纖物理結構的變化而變化，光纖的任何變形都會影響光的傳輸，造成不同的出射角度和相位差，產生不同的散斑圖樣。光纖的振動可以改變激光光束出射角度和各個模式的結構，使得各模式間的相位差隨時間而變化，從而形成(沸騰)的散斑，在積分時間內N種散斑結構的疊加會使散斑對比度減小，散斑對比度得到不同程度的減弱。具體的減弱程度由這N個散斑結構的相互關系決定。當N種散斑結構相互獨立時，對比度明顯減少;當N種散斑結構完全相干時，對比度與靜態時相同;其它情況下，對比度的減弱程度在這兩個之間，這樣散斑就得到了不同程度的均化。

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

2 散斑暗區比法

激光在多模光纖中傳輸時激發的多個模式傳播常數不同，因此它們會產生光程差，從而發生干涉現象產生散斑。CCD采集系統得到的散斑圖像的光強分布取決于各束干涉波的疊加。疊加后的散斑圖像有亮點，也有暗點。在實際中，取一定的灰度閾值B和D，定義灰度大于閾值B的像素點為亮點，灰度小于閾值D的像素點為暗點。暗像素點數與總的像素點數之比為暗區比，亮像素點數與總的像素點數之比為亮區比。當光纖振動發生變化時，散斑圖像亮區暗區比也隨之發生變化，因此可以采用亮區暗區比來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，得出了Ardely［14-15］算法。該算法對暗區定義如下:暗區是指由圖像中最暗的像素(灰度小于上限閾值)組成的一個區域。確定上限閾值后，就可確定出暗區比P:

滿足以上條件的灰度值N即為上限閾值，P為以N為閾值的暗區比，n為圖像的總像素數，ni為灰度值是i的像素數，ε為暗區比P的上限。本文中將上述的暗區比法應用于激光顯微成像系統中，研究光纖振動對成像系統中散斑的控制作用。即用(1)式中的暗區比P來表示由光纖振動所引起的散斑圖像的變化。

3 實驗方法與結果分析

Fig.1 System diagram

Fig.2 Speckle image and gray histogram under different voltages

驗證光纖振動消散斑的實驗裝置系統框圖如圖1所示。組成模塊包括:激光光源、多模光纖、振動設備、顯微鏡成像模塊、CCD圖像采集模塊、計算機處理模塊。其工作原理為:激光光束進入振動的多模光纖，再經過準直透鏡后照射到樣品上，從樣品表面反射回的光經過顯微物鏡后，由CCD對圖像進行采集并存儲到計算機上，最后在計算機上使用MATLAB對圖像的散斑暗區比進行分析。在此實驗中，通過振動電壓控制電機的振動，而電機則在激光光源與顯微物鏡之間以物理接觸方式直接振動光纖，從而引起散斑圖像的變化。

實驗中光源采用波長為532nm、功率為0.5W的激光，顯微物鏡為40倍，數值孔徑為0.65，CCD攝像頭像素大小為786×576。在顯微物鏡數值孔徑不變的情況下，分別采集振動電壓在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應的灰度直方圖，如圖2所示。

隨著振動電壓的增大，圖像中的散斑顆粒隨之減小，圖像趨于平滑，其所對應的灰度直方圖的寬度逐漸減小，且向中間聚攏。所以在此過程中，小于某一閾值的像素點(暗點)個數是逐漸減小的，因此可以用小于該閾值的像素點個數所占的比例(暗區比)來表征散斑圖像的變化，從而可以找到暗區比與振動電壓之間的關系。根據圖2中的灰度直方圖可以看出，像素在灰度值為110左右時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對散斑圖像進行暗區比計算，并對其進行曲線擬合，得到了散斑圖像暗區比隨振動電壓增大變化的曲線，如圖3所示。

Fig.3 Speckle dark ratio at different voltages

當振動電壓在0.2V～3V之間逐漸增加時，散斑暗區比在0.2094～0.0564之間逐漸減小。電壓達到2V以上時，暗區比趨于穩定，電壓為2.6V時暗區比達到最小值5.64%。同時計算了振動電壓為2.6V時圖像的散斑對比度為4.17%，接近人眼分辨率4%。這說明，隨著振動電壓的增大，暗區比會減小，散斑顆粒也隨之減小，電壓增大到一定值時，散斑就會得到很好的抑制。

當振動電壓增大時，光纖振動也隨之加劇，多模光纖中不同模式之間的光程差會發生變化，并在此過程中對散斑進行均化，干涉現象所產生的散斑就會變小，從而實現了光纖振動對散斑的抑制，提高了圖像的清晰度和分辨率。

4 結論

采用散斑暗區比法對激光顯微成像系統中光纖振動對顯微散斑的抑制進行分析。結果表明:隨著振動電壓的增大，圖像的散斑暗區比會逐漸減小，圖像對比度也隨之減小，當振動電壓增大到一定值時，散斑消除效果明顯、圖像更加清晰。因此，振動多模光纖的方法對于抑制激光顯微成像系統中的散斑噪聲是切實可行的，對系統的成像質量具有重要意義。

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