基于波前调制技术的散射介质激光散斑衬比成像系统研究

摘要

激光散斑衬比成像是一种宽场速度成像技术，具有实时、无需扫描、非接触、高时空分辨率及低成本的优点，在生物组织生理参数检测、疾病诊断和药物评价等方面有着广泛的应用前景。但是，生物组织的高散射特性使得激光散斑衬比成像的应用局限于浅表层速度信息探测，这导致深部组织的血流信息无法探测，极大地限制了激光散斑衬比成像技术的应用范围。因此，实现深部组织的激光散斑衬比成像是该领域普遍关注的问题。 限制生物组织成像深度的主要原因是由于光的散射。散射介质（如生物组织等）扰乱了光传播的波前，导致成像模糊不清。本文利用液晶空间光调制器的相位调制特性，对被散射介质扰动的波前进行相位补偿，降低光散射影响，结合激光散斑衬比分析方法，实现透过散射介质的运动物体速度变化成像。本文主要取得的研究结果如下： （1）提出了利用波前调制技术和激光散斑衬比分析方法相结合实现透过静态散射介质对运动物体速度变化成像的方法。该方法利用液晶空间光调制器的相位调制特性，对被散射介质扰动的波前进行相位补偿，降低光散射影响，结合激光散斑衬比分析方法，实现了透过散射介质检测运动物体的速度变化。 （2）搭建了波前调制激光散斑衬比成像光学系统。该光学系统主要由激光宽场照明、液晶空间光调制器（LC-SLM）波前调制和CCD相机图像采集单元组成。其中：宽场照明单元采用氦氖气体激光器作为照明光源，经扩束后实现宽场均匀照明；波前调制单元采用可见光波段的电寻址反射式纯相位液晶空间光调制器作为主要调制器件，利用其相位调制特性调制光波前以矫正散射介质引起的波前畸变；图像采集单元采用可见光波段的面阵CCD相机作为优化和成像时的光探测器件。 （3）开发了波前调制激光散斑衬比成像软件系统。该软件系统主要包括液晶空间光调制器驱动控制程序、CCD相机图像采集程序，及波前调制的遗传优化算法。其中，液晶空间光调制器驱动控制程序部分实现相位图的加载功能；CCD相机图像采集程序部分实现相机参数配置和图像的采集、显示与保存功能；遗传优化算法部分包括适应度计算、选择算子、交叉算子和变异算子等。软件系统与光学成像系统组成闭环反馈波前调制系统，经过迭代优化后，最终优化图像与预设目标图像的相关系数可达到0.88，从而得到匹配散射介质引起波前畸变的相位图。 （4）开展了成像系统性能分析与参数优化工作，并通过运动刚体模型实验和流体模型实验验证了该方法及成像系统可以实现透过静态散射介质的运动物体速度成像，且实验结果显示测量相对速度指数与实际速度之间成线性关系。

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