14.激光散斑成像

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典型的激光散斑图像
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散斑的形成
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激光散斑应用
信息处理 天文物理 工业测量 生命科学
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激光散斑的技术与应用发展进程
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激光散斑与激光多谱勒
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时变散斑(动态散斑)
散射体的运动时产生的散斑为时变散斑 （Time-varying Speckle）。 当散射体运动时，散斑图案会产生变化。对 微小位移，散斑随散射体而移动，散射体在 运动时与散斑波动保持相关；而相对大的位 移，两者之间就会变得不相关，散斑图案完 全改变。 时变散斑特别适用于低速测量。
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散斑单点测量与散斑成像
利用时变散斑的时间统计特性时存在的一个问 题是测量到的是散斑图样的一个点 （单个散 斑）。如果要对一个区域的流速进行分析的 话，那么需要将探头对整个区域进行扫描。假 定要对速度的分布进行测量的话，那么需要对 感兴趣的区域进行某种方式的扫描。如果血流 被作为诊断工具，这种扫描图极为重要。但是 利用时变散斑扫描技术测量整个区域的速度分 布需要处理大量数据并通常要花费一定时间。
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激光散斑成像术的应用
激光散斑成像技术自J.D.Briers等提出后被用 于监测人的皮肤、眼底的血流分布图等。最 近，A.K.Dunn和D.A.Boas等人利用该技术监 测了脑局部缺血和皮层扩散抑制模型中大鼠脑 皮层的血流动态变化，为研究脑血流的病理和 功能变化提供依据。由于该方法作为一种新的 区域性流速监测技术，能实现在无需扫描条件 下，以较高的空间和时间分辨率测量血流变 化，该方法在生命科学研究邻域中的应用范围 逐渐扩大。
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激光散斑成像技术
激光散斑成像技术也称为激光散斑衬比分析 术（Laser speckle contrast analysis）, 它通过分析时间积分散斑的空间统计特性来 提取血流速度信息。
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激光散斑成像技术
通常是时间积分散斑图样的衬比，是早先的单 帧曝光散斑成像术的基础。它发展为一种可视 化测流速的方法，成为对激光多普勒测速仪的 一种补充。激光多普勒测速仪测量速度更为精 确，但它测量的是单点速度；另一方面，单帧 曝光散斑成像技术，尽管丢失了一些精确程 度，但作为一种“全场技术”（full-field technique)，它能对全场流速图成像。
时间微分散斑
Fercher似乎是第一个意识到利用时间微分散斑的 一阶统计特性来测量速度的人。一个类似的方法 被Fujii等人使用，他采用监测连续扫描过程中单 个散斑的光强变化来代替测量散斑波动的全部自 相关函数。散斑光强的微分方法也被Ruth使用， 他发现速度正比于散斑波动的平均频率并且与时 间微分散斑强度的平方根成正比。
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散斑衬比与相关时间的关系
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相干长度与运动速度之间的关系
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激光散斑成像系统框图
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激光散斑成像系统示意图
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激光散斑成像系统实物图
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激光散斑成像术的特点
由于散斑成像技术具有较高的时间分辨 率（毫米)和空间分辨率（微米），利 用该方法可得到血流的时空特性，对区 域性的流速分布进行监测。
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激光散斑成像技术的原理
激光散斑成像技术采用后一种方法，通 过CCD对散斑图样成像，分析由流速引 起的空间模糊程度来获得高空间和时间 分辨率的二维流速分布图。
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散斑衬比
这种模糊程度用散斑衬比，即光强的平均标 准偏差与平均强度的比值来表示。散斑的衬 比在0～1之间，速度越大，衬比值越小； 速度越小，衬比值越大。1表示该区域不存 在散斑图样的模糊，即没有运动，衬比值越 接近0，表示散射介质运动越快。
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散斑的统计特性
激光散斑是一种随机干涉现象，只能用 统计描述。散斑图样的统计特性通常分 为一阶和二阶统计特性。
一阶统计逐点描述散斑图样的特性，他们并不涉及 散斑图样中不同点之间的光强关系。 二阶统计特性描述图样中点与点之间光强的变化快 慢。他们给出散斑大小和图样中散斑尺寸的分布。
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散斑波动的一阶时间统计特性
散斑波动的一阶统计特性通常代表时变信号 的调制深度（标准偏差）。它可以用于提供 运动和静止散射介质的相对数量。 对流体中散射中心的随机运动的研究表明， 自相关函数包含散射介质的速度分布信息。 这种技术用于相对测量而不是绝对测量。
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单帧曝光技术在1980年开始发展，它企图解 决一种数据问题并作为一种实时、全场的技术 来测量速度和实现流速观测。非常短的曝光时 间将“冻结”散斑并使得散斑图样具有较高的衬 比值，而较长的曝光时间将使得散斑平均并导 致衬比降低。通常，视场中的速度分布可看作 为散斑衬比的变化，对衬比图进一步进行高通 滤波可将这些衬比变化转换成更容易看得见的 强度变化。
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时间积分散斑一阶时间统计特性
时间积分散斑的一阶统计特性，如标准偏差 与平均光强的比值(或散斑衬比)，取决于积 分时间和散射颗粒的速度。这些统计特性可 用于测量散射物体的速度。
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散斑的二阶统计特性
对一个观察者来说，观察一个被激光照亮的移 动物体，散斑似乎在“闪烁”：单个散斑的光强 随时间随机变化。这是由于从物体上的点到观 察者视网膜的光程差在不断变化，因此看到的 是那点的合成光强。 散斑的二阶统计特性—波动的频率谱－将取决 于运动的速度，因此，将有可能从散斑波动的 时间统计特性来获得关于物体的运动信息。
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不足与未来发展趋势
由于生物组织对近红外光的高散射低吸收特 性，激光散斑成像技术和其他所有光学成像技 术一样，只能对生物组织浅表层的血流变化进 行测量。如何实现监测生物组织中一定深度下 的血液贯注情况也是当今激光散斑成像领域中 的一个问题。
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激光散斑成像技术的基本原理
当激光照射在相对粗糙（和光的波长相比）的物 体表面上，经过不同光程的散射光之间相互干 涉，形成随机干涉图样，即散斑。 当被激光照亮的区域经过CCD成像系统时，产生 颗粒状或斑纹状像面散斑。如果散射介质在运 动，图象中的每一个象素将产生随时间变化的散 斑图样。该图样在时间和空间上的强度变化包含 着散射介质的运动信息。通过分析散斑强度在时 间上的变化（如激光多普勒测速仪），或强度变 化的空间统计特性，都可获得定量的流速信息。
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激 光 散 斑 成 像
Laser Speckle Imaging
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散斑的发现
在1960年早期，激光的发明者和首先使用激光者 发现当激光照射粗造表面时，会形成一些随机的 颗 粒 状 的 斑 点 。 起 先 他 们 称 这种效应为“颗粒” （granularity），后来称之“散斑”(Speckle)。 当 激 光 用 于 全 息 照 相 时 ， 散 斑 严 重 影 响 其 分辨 率。人们将更多的精力投入到如何减小成像中激 光散斑。然而，不久科学家们开始研究散斑的本 身特性并将这种现象运用到实际应用中。
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4）时间微分散斑的二阶统计特性
时间微分的二阶统计特性方法已被用于 测量散射物体，然而，与其他途径相 比，这个方法似乎没有任何优势。
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时间积分散斑
一般探测器的响应时间，或者是固有的 或者是设定的，如果它足够长而不能分 辨光强的最快波动，那么散斑的波动将 会被平均，得到一个强度值不变的散 斑。如果积分时间小于相干时间，调制 深度将与积分时间和散射粒子的速度有 关。积分时间作为另一个自由度，与散 射粒子的速度一起表现为“时间积分散斑 （Time-integrated Speckle）”
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激光散斑成像系统对区域性 流速分布的监测
利用散斑成像原理对具有流速分布的区 域成像时，流动快的地方对应的衬比值 小，反映在流速图上对应的颜色越黑。 反之，流动慢的地方，对应的衬比值 大，流速图中对应的颜色越白。
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