基于光纤振动的激光散斑抑制方法的研究

王 静，贺锋涛，曹金凤，朱玉晗，左 波

(西安邮电大学电子工程学院，西安710061)

引 言

以激光作为光源的显微成像系统具有很高的分辨率［1-2］，图像清晰，能很好地反映事物本身，因此被称为“人类视觉史上的革命”［3-5］。然而在该系统中，激光是强相干光［6］，成像时由于干涉叠加会形成散斑，而散斑会影响系统成像质量，因而散斑在成像系统中就成了不容忽视的问题。为此，有必要对散斑特性进行研究，以便人们能很好地控制散斑，从而抑制散斑对成像质量的影响。目前已经研究出很多抑制激光散斑的方法，比如利用脉冲激光的叠加［7］、移动孔径光阑［8］或散射体［9］、屏幕振动［10］等方法来抑制散斑，还可利用相干性［11］不同的光源来减弱散斑。

本文中研究了光纤振动对激光显微成像系统中散斑图像的影响，同时采用散斑暗区比［12-13］来表征散斑图像的变化，分析出暗区比与光纤振动的关系，实现了光纤振动对散斑的控制。实验中光源采用532nm的激光，并用CCD图像传感采集系统采集散斑图像，在此过程中利用振动电压控制音圈电机，进而控制光纤的振动，最后观察散斑图像的变化。在图像处理的过程中，通过对图像设置一定的阈值来计算其暗区比并用其表征散斑图像的变化，推导出暗区比与光纤振动之间的关系，通过暗区比反映光纤振动对散斑的控制。

1 光纤振动对散斑抑制原理

当光源发出的激光在多模光纤中传输时，会激发多种传输模式，不同模式的光线与光纤轴成不同角度传播。由于传输角度不同，光线到达光纤输出端时会产生一定的光程差，从而引起一定的相位差。光纤输出面上的光强分布都是由出射光相干叠加而成，有亮斑，也有暗斑，这样就看到了散斑干涉现象。

散斑结构会随光纤物理结构的变化而变化，光纤的任何变形都会影响光的传输，造成不同的出射角度和相位差，产生不同的散斑图样。光纤的振动可以改变激光光束出射角度和各个模式的结构，使得各模式间的相位差随时间而变化，从而形成(沸腾)的散斑，在积分时间内N种散斑结构的叠加会使散斑对比度减小，散斑对比度得到不同程度的减弱。具体的减弱程度由这N个散斑结构的相互关系决定。当N种散斑结构相互独立时，对比度明显减少;当N种散斑结构完全相干时，对比度与静态时相同;其它情况下，对比度的减弱程度在这两个之间，这样散斑就得到了不同程度的均化。

由此可见，光纤振动是抑制激光散斑的一种有效的方法。此方法实用可行、成本低，对于散斑的均化有很好的效果。

2 散斑暗区比法

激光在多模光纤中传输时激发的多个模式传播常数不同，因此它们会产生光程差，从而发生干涉现象产生散斑。CCD采集系统得到的散斑图像的光强分布取决于各束干涉波的叠加。叠加后的散斑图像有亮点，也有暗点。在实际中，取一定的灰度阈值B和D，定义灰度大于阈值B的像素点为亮点，灰度小于阈值D的像素点为暗点。暗像素点数与总的像素点数之比为暗区比，亮像素点数与总的像素点数之比为亮区比。当光纤振动发生变化时，散斑图像亮区暗区比也随之发生变化，因此可以采用亮区暗区比来表征散斑图像的变化。

基于夜间的图像有较大连通域是暗区，得出了Ardely［14-15］算法。该算法对暗区定义如下:暗区是指由图像中最暗的像素(灰度小于上限阈值)组成的一个区域。确定上限阈值后，就可确定出暗区比P:

满足以上条件的灰度值N即为上限阈值，P为以N为阈值的暗区比，n为图像的总像素数，ni为灰度值是i的像素数，ε为暗区比P的上限。本文中将上述的暗区比法应用于激光显微成像系统中，研究光纤振动对成像系统中散斑的控制作用。即用(1)式中的暗区比P来表示由光纤振动所引起的散斑图像的变化。

3 实验方法与结果分析

Fig.1 System diagram

Fig.2 Speckle image and gray histogram under different voltages

验证光纤振动消散斑的实验装置系统框图如图1所示。组成模块包括:激光光源、多模光纤、振动设备、显微镜成像模块、CCD图像采集模块、计算机处理模块。其工作原理为:激光光束进入振动的多模光纤，再经过准直透镜后照射到样品上，从样品表面反射回的光经过显微物镜后，由CCD对图像进行采集并存储到计算机上，最后在计算机上使用MATLAB对图像的散斑暗区比进行分析。在此实验中，通过振动电压控制电机的振动，而电机则在激光光源与显微物镜之间以物理接触方式直接振动光纤，从而引起散斑图像的变化。

实验中光源采用波长为532nm、功率为0.5W的激光，显微物镜为40倍，数值孔径为0.65，CCD摄像头像素大小为786×576。在显微物镜数值孔径不变的情况下，分别采集振动电压在0V～3V之间并以0.2V为间隔的15幅抛光玻璃表面散斑图像，并用MATLAB软件画出散斑图像对应的灰度直方图，如图2所示。

随着振动电压的增大，图像中的散斑颗粒随之减小，图像趋于平滑，其所对应的灰度直方图的宽度逐渐减小，且向中间聚拢。所以在此过程中，小于某一阈值的像素点(暗点)个数是逐渐减小的，因此可以用小于该阈值的像素点个数所占的比例(暗区比)来表征散斑图像的变化，从而可以找到暗区比与振动电压之间的关系。根据图2中的灰度直方图可以看出，像素在灰度值为110左右时的分布变化比较明显，因此本文中选取的阈值为110。在该阈值下使用MATLAB对散斑图像进行暗区比计算，并对其进行曲线拟合，得到了散斑图像暗区比随振动电压增大变化的曲线，如图3所示。

Fig.3 Speckle dark ratio at different voltages

当振动电压在0.2V～3V之间逐渐增加时，散斑暗区比在0.2094～0.0564之间逐渐减小。电压达到2V以上时，暗区比趋于稳定，电压为2.6V时暗区比达到最小值5.64%。同时计算了振动电压为2.6V时图像的散斑对比度为4.17%，接近人眼分辨率4%。这说明，随着振动电压的增大，暗区比会减小，散斑颗粒也随之减小，电压增大到一定值时，散斑就会得到很好的抑制。

当振动电压增大时，光纤振动也随之加剧，多模光纤中不同模式之间的光程差会发生变化，并在此过程中对散斑进行均化，干涉现象所产生的散斑就会变小，从而实现了光纤振动对散斑的抑制，提高了图像的清晰度和分辨率。

4 结论

采用散斑暗区比法对激光显微成像系统中光纤振动对显微散斑的抑制进行分析。结果表明:随着振动电压的增大，图像的散斑暗区比会逐渐减小，图像对比度也随之减小，当振动电压增大到一定值时，散斑消除效果明显、图像更加清晰。因此，振动多模光纤的方法对于抑制激光显微成像系统中的散斑噪声是切实可行的，对系统的成像质量具有重要意义。

［1］ YU G，WANG S G，YUN J H.Technology of digital speckle pattern interferometry and its applications［J］.Laser Technology，2002，26(3):237-240(in Chinese).

［2］ ZHANG Y P，WANG K F.Application of LabVIEW and MATLAB in ESPI image processing［J］.Laser Technology，2009，33(6):582-585(in Chinese).

［3］ HIROAKI S，TOMOHIRO S，ATSUSHI M，et al.Laser TV with newly developed laser light sources［J］.SID Symposium Digest of Technical Papers，2008，39(1):854-857.

［4］ XU Z Y.Laser displays——new display technology for next generation［J］.Laser＆ Infrared，2006，36(s1):737-741(in Chinese).

［5］ ZHANG Y，HAO L，LIU H，et al.Principle and realization of laser display technique［J］.Optics and Precision Engineering，2006，14(3):402-405(in Chinese).

［6］ JIA Q Y，HE F T.Research for the problem of speckle homogenization in laser projection display ［J］.Laser Technology，2013，37(3):400-405(in Chinese).

［7］ KI S，ASATANI K.Speckle noise reduction in fiber optic analog video transmission using semicon-ductor laser diodes［J］.IEEE Transactions on Communications，1981，29(7):1017-1024.

［8］ McKECHNIE T S.Reduction of speckle by a moving aperture-first order statistics［J］.Optics Communications，1975，13(1):35-39.

［9］ LOWENTHAL S，JOYEU D.Speckle removal by a slowly moving diffuser associated with a motionless diffuser［J］.Journal of the Optical Society of America，1971，61(7):847-851.

［10］ RAWSON E G，NAFARRATE A B，NORTON R E，et al.Goodman speckle-free rear-projection screen using two close screens in slow relative motion［J］.Journal of the Optical Society of America，1976，66(11):1290-1294.

［11］ NICHOLAS G，ATUL J.Speckle reduction using multiple tones of illumination［J］.Applied Optics，1973，12(6):1202-1212.

［12］ WANG W，WONG PL，LUO J B，et al.A new optical technique for roughness measurement on moving surface［J］.Tribology International，1998，31(5):281-287.

［13］ WONG P L，LI K Y.In-process roughness measurement on moving surfaces［J］.Optics ＆ Laser Technology，1999，31(5):543-548.

［14］ HUANG H，WANG X T，JIANG Y X，et al.Application of dark area segmentation in night image enhancing［J］.Laser ＆ Infrared，2009，39(4):443-446(in Chinese).

［15］ SHEN J L，ZHANG Y，WANG X T.A new algorithm for low-lightlevel image processing［J］.Journal of Image and Graphics，2000，5(6):480-483(in Chinese).