激光散斑噪声抑制方法综述
摘要：激光高相干性导致的散班噪声给激光的应用带来很多不利因素。简要介绍激光光源的特点和使用激光照明的不利因素以及激光散班噪声的评价标准，并对国内外抑制散斑噪声的光学方法和图像处理算法进行综述，介绍多种不同场合下的散班噪声抑制的有效方法。
关键词：激光相干性；激光散斑；散斑对比度；散斑抑制
中图分类号：TN249 文献标志码：A
文章编号：2095-5383（2018）04-0028-05
Abstract：Laser is widely used in the optical field， but the noise caused by high coherence of laser can also bring disadvantages to the application of laser. The characteristics of laser light source， the disadvantageous factors of laser illumination and the evaluation standard of laser speckle were introducedbrieflyin this paper. Then the optical method and image processing algorithm for suppressing speckle noise at home and abroad were reviewed.Finally， the effective methods of laser speckle suppression in different situations were introduced.
Keywords：
laser coherence； laser speckle； speckled contrast； speckle suppression
1980年，由美国物理学家梅曼发明世界上第一台固体激光器——红宝石激光器，激光由此诞生。激光是一种受激辐射光源，具有很高的光子简并度，与普通光源相比，它具有高度的方向性、高单色性、高相干性和高亮度等特点[1]，因此在激光显示、激光测量、激光照明等技术中有着广泛的应用。但同时，激光高相干性的特点也给其应用带来了不利因素，并引起了科研人员的关注。
激光应用的不利因素主要体现在：1）激光的多模式结构，其多模式结构的特性使得激光器不同模式间的能量不均匀，光束质量低；2）激光在传播过程中，其沿光束截面的能量并不是均匀分布的而是成高斯分布，这使得照明并不均匀，使得被照明物体图像曝光不均匀，导致图像边界难以分辨；3）由激光的相干性引起所得到的物体图象成颗粒性，当用激光照射一般物体时由于物体表面相对于激光波长量级而言相当粗糙，因而经物体表面向空间散射出的光束之间存在光程差而发生干涉，产生呈颗粒状无规则分布的噪声，该噪声称为散斑噪声[2-5]。散斑噪声的存在严重影响了图像的细节信息，降低了图像的清晰度和分辨率。所以，在用激光做照明光源的图像获取中，想要得到更为清晰的图像，就需要研究激光散斑的特性及其影响因素，并采用适当方法抑制其对图像分辨率的影响。
1 激光散斑评价标准
目前国内外不少学者对激光散斑的影响因素及统计特性做了深入研究，并提出了许多抑制散斑的方法。激光波长、偏振态、照明角度、相干性以及照射表面粗糙度都会对散斑特性产生影响[6]。基于这些影响因素的研究，研究者也提出了不同方式的散斑抑制方法。有從散斑形成过程中出发的，如利用运动漫反射体进行时间匀滑、利用入射波长和角度的多样化、减弱入射激光的时间相干性和空间相干性、在散斑传递光路中加入运动型相位元件等[7]。
研究人员通常采用散斑对比度来作为散斑噪声的评价标准，抑制手段也通常考虑如何降低其对比度值。对比度表征图像中噪声的严重情况，对比度越大则噪声情况越严重，对比度可定义为：
对比度与图像的信噪比RSN互为倒数：
C=1/RSN，
即图像对比度越大则信噪比越小，图像噪声越明显。经研究发现，由光强值皆为I的N个统计独立散斑相干叠加得到的合成散斑的对比度仍然为1，而非相干叠加得到的合成散斑的对比度为：
C=1/N （1）
式（1）表明：随着参与非相干叠加的统计独立散斑数目N的增加，合成散斑的对比度将减小，亦即散斑效应将消弱[8]。因此不少科研工作者考虑通过增加图像中独立统计的散斑场个数以实现非相干叠加降噪的散斑抑制。
2 国内研究情况
郝丽等[9]采用在人眼分辨时间内产生快速、无规则运动的“沸腾”散斑的方法，利用人眼对光的积分效应，以达到人眼观察不到散斑的效果，他们提出了几种有代表性的减弱激光投影技术中散斑噪声的方法。其中一种是利用两维扫描复面转镜扫描法，该转镜采用 60 个扫描镜面，前30个面，依次递减10′，从第30面到第60面依次递增10′，其结构如图1所示。旋转转镜扫描时，扫描线先逐行下移，转到第30面后，扫描线开始逐行上移，直到旋转一周回到第1行，此过程如此重复下去。当扫描镜达到4 000 r/min转速时，经转镜扫描的投影光束在屏幕上产生“沸腾”的散斑图样。用CCD（charge coupled device，电荷耦合器件）相机记录下的图像散斑对比度由原来的5%下降为3.1%。
另一种方法称为超声光栅法[10]，利用频率高于20 kHz的超声波在液体媒介中传播，引起介质密度的变化，并导致介质折射率的变化，这种周期性的变化等效为位相光栅，如图2所示。光波经过这种位相光栅衍射后，它将产生多级衍射光束，即物理上的拉曼一奈斯衍射。激光束通过超声波形成的“位相光栅”时，衍射光会聚到投影屏幕上产生“沸腾”的散斑图样，由于人眼的视觉暂留特性，散斑在人眼中得到均匀化。用CCD相机记录的图像散斑对比度由原来的22.9%下降到4.53%。
此外，李霞等[11]提出了一种满足阿达姆矩阵分布格式的位相型衍射元件的相位调制方法。该方法也是根据散斑非相干叠加原理，在一个积分时间内使散斑变化N种结构。按照阿达姆矩阵格式排列的位相元件可满足以最少数量的位相分布达到最大程度的非相干模式。激光入射在快速旋转的该相位元件上（如图3所示，黑点表示相位改变，亮点表示不改变相位），出射光受到连续的位相调制，不同位相格式的散斑叠加将使得散斑对比度显著降低。用CCD相机记录下的图像散斑对比度由原来的8.4%降低到2.7%。
以上几种方法都是从考虑如何产生“沸腾”散斑的方法入手，通过多级衍射和非相干叠加原理达到抑制激光动态散斑的效果。这些抑制方法都是利用了人眼的时间分辨极限和视觉暂留现象，其基本思路都是通过在一段时间内增加非相干散班叠加的个数进而达到提高图像对比度的目的。
Sun等[12]提出一种旋转光导管的方式来抑制散斑。激光束通过旋转的光导管将产生旋转的散斑模式，随着光导管的匀速旋转，不同散斑模式得以均匀化。该方法中使用的CCD曝光时间为50 ms，随着光导管转速的逐渐加快散斑对比度逐渐减低，由最初光导管静止时散斑对比度为82.9%，到转速为40 /s时，散斑对比度下降为0.15%。该系统结构图如图4所示。
3 国外研究情况
国外不少科研人员也对激光散斑的影响因素及抑制方法开展了相关研究。Goodman[13]使用“随机行走”模型对散斑特性作了详细而直观的解释，分析了激光散斑的振幅、相位和强度的各阶统计特性，讨论了激光波长和角度的多样化与散斑的尺寸之间的关系，研究了激光时间和空间相干性与散斑统计特性的关系、激光空间相干性对照明均匀性的影响，并介绍了多种成像应用中激光散斑的特点及抑制手段。
Redding等[14]提出了一种运用胶体溶液中散射粒子的布朗运动来降低激光散斑对比度的方法。该方法使用光纤传导激光射入盛有30 mm TiO2胶体溶液的试管中，试管外围涂有白色乳胶漆以防止光线从试管壁散射（如图5所示）。激光在胶体内发生多重散射，从底部输出，输出的扩散激光服从朗伯型分布。采用这种方法在129 μs的时间积分内，产生的散斑对比度低于4%。该方法的优点是设备简单有效，低能耗，无需外部驱动且使用寿命长，而且129 μs的曝光时间相对前述几种方法较短。
Akram等[15]提出引入快速振动扫描微镜产生空间和角度的多样性来降低激光散斑，该方法通过快速振动扫描微镜以产生不同方向和角度的入射激光，达到非相干叠加的效果。用He-Ne激光入射，经过第一个旋转的偏振片以控制光束强度，再经过第二个固定方向的偏振片，光束经震动的扫描微镜反射由透镜聚焦在随机表面上（如图6所示）。在这种方式下，当CCD积分时间为31.25 ms时，散斑对比度约为0.033；当积分时间缩短为0.98 ms时，对比度约为0.05。
Mehta等[16]提出了用多模光纤束振动的方法抑制散斑。用两束TM00模He-Ne非相干光束经放大（ND）、合成（BS1）、准直后用分光镜（BS2，BS3）分成强度相同的3束光，这3束光线经反光镜反射（M1、M2）从不同角度入射到扩束器上，则入射到扩散器的光有6种相互独立、强度叠加的散斑模式。之后散射光进入振动的多模光纤束（MMFB），出射光照射到观察物，最后经透镜汇聚成像，用CCD记录散斑图像（如图7所示）。激光从不同角度进入该光纤束而激光本身具有6种独立的散斑模式，激光经振动多模光纤束传播后将产生具有时间、空间、角度多样性的叠加散斑。该方法使用的CCD曝光时间约为100 ms，实验中分别用一束激光、两束激光、白光的效果作比较，用单束激光照射时散斑对比度可由9.8%下降到4.1%，用两束激光照射时散斑对比度可由8.8%下降到3.5%，用白光照射时散斑对比度可下降到2.7%。
相对于Goodman提出的使用大量不同长度的光纤束来产生相位差的方法，这种利用分光并从不同角度入射的方式同样达到了相位差的目的，避免了产生上千束不同长度的光纤束，并通过多模光纤束振动产生时间、空间、角度的多样性，但100 ms的曝光时间相对较长，产生的独立散斑模式较少。
4 光学抑制方法总结
就目前研究情况而言，激光的相干性、相位差、偏振特性、照射物体表面粗糙度等众多因素都能影响散斑噪声的强弱。光学方法抑制散斑噪声的原理就是利用各种光学元器件来获得多个独立的散斑模式，例如：改变激光的入射方向、改变激光的偏振角、改变激光波长、通过散色器、空间光调制器等元件与设备改变照射光波的参数；叠加这些含有散斑噪声的图像，即可抑制散斑噪声[8]。实验表明一般情况下，在对比度低于4%时散斑的影响很小，人眼观察不到散斑的存在。而根据前述非相干叠加理论C=1/N，即大约需要600个左右的非相干模式的散斑叠加，对比度才能达到此要求[12]。在对时间要求严格的场合，如何在极短积分时间内达到这种变化也是目前需要解决的问题。比如在高速摄影以及其他对时间要求较高的激光应用场合，分辨频率可达到100 帧/s，有些甚至达到ps、fs量级[2]。在采用光学方法抑制高速摄影散斑噪声的方法中，上述许多方法并不十分适用。要在极短积分时间内通过以上方法快速改变激光位相等信息，实现大量独立散斑相干叠加的效果，以减小散斑对比度，显然是很难达到的。所以，不少研究人员也考虑采用图像处理方法，通过不同滤波算法来抑制散斑噪声对图像信息的影响。
5 图像处理抑制方法简介
与光学处理法相比，数字图像处理法具有再现性好、精度高等优点，因此，采用数字图像处理法来抑制散斑噪声的算法备受关注，各種具体算法涌现。
目前较为常用的图像处理滤波算法有：传统简单的线性滤波算法（如中值滤波、均值滤波、同态滤波）和基于局部统计特性的自适应非线性滤波算法（如LEE滤波法、FROST滤波法、KUAN滤波法等）[17]。
线性滤波算法理论发展较为成熟，数字分析简单，但本身存在明显缺陷，对图像边缘细节保护能力较差，不能很好地适应图像的噪声滤波处理。比如基于同态映射的同态滤波算法，将散斑噪声的非线性简化为线性，这种算法只需找出一种相应的线性滤波算法即可达到散斑抑制的效果，但这种抑制方法会使得图像的灰度降低，且其边缘也会受损。
而非线性滤波方法考虑了人的视觉标准和最佳滤波准则，提高了图像边缘细节的保护能力，而且一般都具备一定的自适应性，因而非线性滤波更具有优势，如小波软阈值算法，这种算法对散斑有较好的抑制效果并且还能保留原图像的细节特征，特别是对对比度较弱的细节信息保留较好。以及基于数字形态学的多方向形态滤波方法，此种方法能把灰度图像转化为二值图像处理，较好地保留了图像边缘信息，虽然此算法的噪声抑制能力有限，但其硬件逻辑结构设计较为简单，通常采用VLSI（Very Large Scale Integration，超大规模集成电路）技术来实现[18-23]。
目前，非线性滤波算法中NLM非局部方式（Non-Local Means）滤波法是公认的、能够较好去除噪声的技术之一，该技术理论上利用整幅图像中全部的像素来参与实现去噪，屏蔽传统局部去噪方法的缺陷，运用图像中的相似区域冗余性来抑制噪声，同时较好地保存边缘细节信息[17]。
以上这些图像处理的方法有各自的适用范围和优缺点，应在不同的试验条件下选用不同的图像算法并结合光学的降噪处理方法以满足需求。
6 结语
总体上看，采用光学与数字图像处理相结合的方法，在图像获取前期采用光学抑制散斑的方法并经光学元件产生多幅不同相位散斑图像，在图像获取的后期再运用不同滤波算法进一步降低图像中散斑噪声的影响，两种方式相结合产生更能满足需要的清晰图像。
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