散斑可见度光谱法中的相干因子

散斑可见度光谱法是近年来兴起的研究密集颗粒流运动的新方法。针对散斑可见度光谱法测取颗粒温度的实验中,如何消除相干因子测量过程中的误差进行了研究。比较了静态散斑对比度以及散斑对比度系数的计算方法以及消除相干因子的方法,实验测量结果表明,由散斑对比度系数消除相干因子的方法能最大程度地保留测量准确度。该方法能够消除由环境不同及激光不稳定所带来的误差,使得同类实验具有更好的对比性。同时给出了计算量较大导致的时间分辨率较低这一问题的解决方法。     

动态散斑对比度颗粒测量法

提出了基于线阵CCD相机的动态散斑对比度颗粒测量方法和系统,用于解决动态光散射研究涉及的动态光散射软件相关算法运算量大、实时性较差,以及不能测量高黏度溶液中颗粒的问题。首先,从传统动态光散射理论出发,基于光学统计理论,建立了动态散斑对比度的模型。然后,根据Siegert公式,推导了动态散斑对比度与动态散射光场自相关函数的关系。最后,得到了低浓度和高浓度下动态散斑对比度与颗粒粒径的关系。分别对粒径分布为(490±20)nm的标准乳胶球颗粒水溶液和纳米二氧化钛粉体(粒径分布:450~500nm)甘油溶液进行了测量。结果表明:动态散斑对比度测量法的运算量小,且能测量高黏度溶液中的纳米颗粒,重复测量误差小于2%,满足了动态光散射的国标要求。     

激光显示中散斑的减弱

为减弱激光显示中散斑的影响,在对散斑对比度进行理论分析的基础上,提出了一种利用位相光学元件减弱散斑的方法。实验以绿光为光源,让激光束通过位相光学元件,再经过CCD相机和图像处理系统处理,得到屏幕上散斑对比度和光强的变化。实验结果表明:散斑的对比度降低到3.7%,可满足激光显示中对散斑减弱的要求。该方法具有简单易行、成本低、适合批量化生产等优点。     

基于多光束照明的回波光场散斑抑制机理

为了有效抑制激光照射目标表面所产生的散斑效应,提高激光主动成像图像质量,提出采用多光束照明技术,通过理论分析与仿真实验相结合的方式验证了多光束照明在抑制回波散斑效应方面的作用。首先,建立了多光束分光照明模型,理论分析了多光束照明对于完全散射叠加场和部分散射叠加场的散斑抑制原理。在此基础上,根据理论模型构建了仿真实验系统,采用不同能量分配的分光方式,对3种不同表面粗糙度的目标进行了单光束回波散斑对比度和多光束回波散斑对比度实验评估。实验结果表明:等能量4光束照明的回波散斑对比度仅为单光束对比度的1/2,与理论分析结果完全吻合,充分验证了多光束照明技术在回波光场散斑抑制方面的有效性。     

电子散斑干涉法测量金属表面受热变形及系统优化分析

为准确测量金属表面的受热形变,基于激光电子散斑干涉测量原理搭建了实验平台,实现了对金属受热形变的测量,经过数字图像处理,得到了金属表面形变的三维图形。为了优化测量效果,依托现有条件对所用激光光源进行了处理,并比对了不同粗糙度的物体测量效果。结果表明,使用经小孔滤波处理后的激光光源,可以得到效果更好的散斑图,而且粗糙的物体散斑对比度较高,可以有更高的测量准确度。所做工作可为测量金属表面形变提供实验方法,同时为提高散斑测量精度提供参考依据。     

入射角对激光散斑测量表面粗糙度的影响

观察了当相干激光以不同入射角照射4个等级的平磨和外圆磨样块时记录的散斑图像中散斑强度的变化，通过分析可知对比度与表面粗糙度之间存在密切的关系，入射角又直接影响对比度，不同的入射角适合不同的加工方法和测量范围，因此找到合适的入射角可提高实验系统的精度和分辨率。     

基于傅里叶变换的数字散斑照相测量

提出了基于傅里叶变换的双曝光散斑场的全场数字化测量。对双曝光散斑图进行傅里叶变换得到条纹图以灰度归一法和相位构造法将其优化,获取低噪声、高对比度的散斑干涉条纹。平面位移的测量实验结果表明,数字散斑照相技术适合计算机进行自动条纹识别和位移场计算,能得到较为精确的水平位移值,可实现变形场的精准测量。     

激光散斑血流成像系统中的光源相干性

针对激光散斑血流成像系统中光源相干性对散斑衬比的影响进行了研究,提出了一种基于混合遗传算法的散斑图像恢复方案。首先,分析非完全相干光用于激光散斑血流成像系统时的劣势,说明混合遗传算法恢复被低相干性光源破坏的散斑图像的原理;使用对比度与噪声比来衡量由两种光源成像得到的静态白盘散斑图像质量;最后,将算法分别用于静态白盘散斑图像和真实的手背血流检测场景。实验结果表明,相干性较好的单纵模激光器成像得到的散斑图像,较之于相干性较差的半导体激光器成像得到的散斑图像,对比度与噪声比高出67.2%;将算法用于质量较差的散斑图像后,其对比度与噪声比提高了57.7%;将算法用于手背血流检测场景,进行恢复运算后,验证了手指指尖的血流灌注量平均高于手指关节30%的临床事实。将本算法用于激光散斑血流成像系统,可以有效消除非完全相干光给散斑衬比分析造成的影响,获得质量更好的血流图像。本算法的推广使用可以提高激光散斑血流仪器在光源选择方面的灵活性。     

纳米磁微粒的双扫描干涉激光散斑实验

设计了研究纳米尺度磁微粒簇运动的双扫描干涉激光散斑实验。采用干涉条纹作为散斑运动的标度测量了磁流体中磁微粒的运动,避免了用传统数字散斑相干方法计算量大、精度依赖亚像素搜索算法的缺点;利用位相延迟扫描补偿横向扫描附加位相带来的干涉条纹变动,提高了动态散斑测量的空间分辨能力。对尺度为30～100nm的磁微粒簇运动进行了实验分析,结果表明,受磁流体磁场变化的非线性、微粒间的碰撞和聚集等复杂因素的影响,磁微粒簇是以湍流,非匀速方式运动的,其运动的平均速度为6.93mm/s。另外,该方法可通过改变条纹间距方便地调节精度以满足不同的测量要求。     

用多模光纤作电子散斑位移实时测量

激光通过多模光纤,在出射端产生散斑场。采用电荷耦合器件CCD 作为接收元件,记录下物体位移前后散斑场的光强度分布,由微机分别计算出位移前后的散斑光强相关函数。两个相关峰的位置变化直接代表了物体位移的大小。这种电子散斑测量系统具有快速、准确、测量范围较大的特点,并可实时测量。     

光针轮廓扫描技术测量内螺纹曲面

分析了激光光针扫描在测量内螺纹曲面时的特性及影响精度的因素。根据光斑在被测面的噪声分布特点,采用中值滤波与小波阈值去噪相结合的综合滤波算法对光斑图像进行了去噪处理,其中中值滤波可以有效地消除光斑图像中的脉冲噪声,而基于小波变换的阈值去噪算法可以消除图像中的高斯噪声。通过综合滤波算法对光斑图像进行处理,可以有效消除激光光斑噪声,消除图像噪声对测量精度的影响,同时保持了光斑图像的细部特征。根据激光光斑图像在倾斜被测物体表面光强分布特点,设计了近似圆拟合算法来确定光斑中心,该算法相对传统算法具有计算量小、计算效率高,适合在线检测的特点,可以克服测量面倾斜对激光光斑中心的影响。利用采用上述方法的坐标机激光光针扫描系统,对标准内螺纹量规进行测量,对比应用前后的测量结果,螺距精度提高了0.48 mm,中径测量精度提高了0.44 mm,牙型角精度提高0.57°。     

一种用于研究激光散斑血流成像方法的测试系统

激光散斑血流成像(laser speckle flowgraphy,LSFG)技术也称激光散斑衬比分析(laser speckle contrast analysis,LSCA)技术,该技术采用一种无需扫描的全场光学成像方法,可对血流变化进行定量分析。激光散斑衬比分析方法可分为空间衬比、时间衬比及时空联合衬比三种分析方法,但已有研究中缺乏对三种不同衬比分析方法的应用范围及处理结果准确性等因素的综合分析。通过采用含有TiO2悬浮颗粒的液体流经软管模拟生物体血液流动变化的实验,介绍了激光散斑成像技术原理,并对空间、时间及时空联合衬比分析方法进行了对比分析,实现对不同速度之间各种衬比运算结果的比较。实验结果表明,时空联合衬比分析方法相比于单纯的空间衬比或单纯的时间衬比测试范围广,在保证较高的时间分辨率和空间分辨率的同时,减少了数据处理的运算量,提高了散斑衬比的准确性。     

针灸疗效评估中激光散斑衬比图像稳定性研究

激光散斑衬比成像技术可以为中医理疗提供无创、高效的疗效评估手段,但目前该评估方法的稳定性有待提高。基于能产生稳定散斑衬比的近红外激光光源,对针灸疗效进行散斑成像实验并获得原始实验数据,分析对比Roll算法与基于此算法加入时间抽样形成新的衬比处理RT(Roll with time-sampling)算法的数据处理结果。从衬比随时间分布的规律可以看出,RT算法处理所得的衬比分布更加均匀,消除了部分噪声干扰,因此RT算法能够提升激光散斑衬比分布的稳定性。     

基于超声红外热成像的缺陷检测与定位研究

超声红外热成像以超声作为激励源,能够用于检测多种工件,但是由于热传导效应及空气的散射,检测结果中缺陷边缘较为模糊,成像对比度不高,并且会有温度分布不均引起的"散斑噪声"。为解决以上问题,提出了一种对超声红外热成像结果进行缺陷检测和定位的方法,使用限制对比度自适应直方图均衡(contrast limited adaptive histogram equalization,简称CLAHE)方法对图像进行对比度增强,用巴特沃斯滤波器进行降噪,根据图像的局部方差特征判断是否有缺陷,并通过形态学处理对缺陷中心进行定位。实验表明,根据局部方差可以对图像进行有效判断,经过形态学处理之后能够准确定位。该研究为通过超声红外热成像实现缺陷检测及定位提供了一种便捷有效的方法。     

Reduction of coherent artefacts in super‐resolution fluorescence localisation microscopy

Super‐resolution localisation microscopy techniques depend on uniform illumination across the field of view, otherwise the resolution is degraded, resulting in imaging artefacts such as fringes. Lasers are currently the light source of choice for switching fluorophores in PALM/STORM methods due to their high power and narrow bandwidth. However, the high coherence of these sources often creates interference phenomena in the microscopes, with associated fringes/speckle artefacts in the images. We quantitatively demonstrate the use of a polymer membrane speckle scrambler to reduce the effect of the coherence phenomena. The effects of speckle in the illumination plane, at the camera and after software localisation of the fluorophores, were characterised. Speckle phenomena degrade the resolution of the microscope at large length scales in reconstructed images, effects that were suppressed by the speckle scrambler, but the small length scale resolution is unchanged at ～30 nm.     

Optical microscopy with improved resolution using two-beam interference of low-coherence light

In recent years, high-resolution microscopy using structured illumination has been practically applied for fluorescent bio-imaging. However, there is a large amount of speckle noise in reflected- and scattered-light images, because structured illumination is typically generated by laser-beam interference. Hence, this high-resolution imaging technique cannot be effectively used in industrial applications. In this study, we attempted to generate structured illumination using two-beam interference of low-coherence light for high-resolution and low-speckle imaging. First, we constructed an optical system consisting of a Michelson interferometer configured in such a manner that it achieved zero optical path-length difference and allowed the interference fringes to be manipulated. Then, we confirmed that the generated structured illumination width corresponded to the coherence length of the light source. As a final result of the resolution improvement experiment, the narrow sample pitch of 0.4 μm was successfully resolved beyond the diffraction limit of 0.74 μm with relatively less speckle noise.     

Holographic methods in microscopy

Holography can be used to record, on a flat photographic plate, information about a three-dimensional object. In conventional microscopy a thin slice of an object is observed in focus and recorded. By combining microscopy and holography it is possible to encode, on the same flat record, all the depth information in a three-dimensional microscopic object, not just a single infocus section. Any section of the three-dimensional object may be subsequently reconstructed and brought into focus by using a suitable viewing system to decode the hologram. Arrangements for doing this are described. It is shown that in order to achieve the highest resolution imagery of a three-dimensional object, reversed wave reconstruction is necessary. As holograms are made and reconstructed using a coherent laser light source, holographic microscopes are easily adapted for interferometry and an example of this is described. The differences between coherent and conventional imagery are briefly considered. The coherence of the illumination gives rise to the problems of coherent noise and speckle. Coherent noise is due to stray reflections in the optical system and can be reduced by using as few surfaces as possible or by using holographic lenses. A speckle reduction technique employing a new type of holographic optical element is described and its application to the stereomicroscopy of fossil ostracods considered.     

一种基于NSCT变换的超声图像降噪新算法

为有效抑制超声仪器成像中固有的斑点噪声,提出了一种基于非降采样Contourlet变换(nonsubsampled Contourlettransform,NSCT)域中边缘信号系数区提取和最小均方误差(minimum mean square error,MMSE)估计的超声图像的降噪算法。根据NSCT变换的细节信息刻画能力和平移不变性,对其各高频子带中系数进行分类,提取出边缘信号和平缓信号系数区;对超声图像的乘性斑点噪声进行推导研究,在边缘信号系数区和平缓信号系数区,根据各自噪声项的性质分别得出满足贝叶斯最小均方误差估计的降噪滤波方程;最后,对降噪后的系数进行NSCT反变换重建得到降噪图像。仿真图像和临床超声图像的实验结果证实,该算法与传统方法相比,不但能更有效地对斑点噪声进行抑制,也更好地保留了图像的细节信息。     

几种散斑图像位移测量算法的性能分析

基于散斑图像的微位移测量技术,利用微位移模型仿真方法,分别研究了不同噪声水平条件下Dirac法、IDFT法、MMSE1法、MMSE2法的测量精度,并从计算精度、存储资源、计算效率等角度,综合分析了各种算法的测量性能.实验结论能为工程应用提供有益参考.