基于光学涡旋的动态散斑测试方法研究

In traditional dynamic speckle measurement techniques, the descriptors representing dynamic processes were usually obtained by dealing with a large of speckle patterns. The amount of processing data was very large. However, the obtained valuable information was limited and the characterization parameters were sample. In order to obtain more information from dynamic speckle pattern sequences, new measurement methods should be developed. In this project, the optical vortex propagation characteristics of the longitudinal and time-varying evolution rule will be studied in the dynamic speckle field. And then, the suitable parameters will be selected from the optical vortex core structure parameters, which are topological charge, vorticity, eccentricity, and angle between the real part and imaginary zero-crossing lines. Finally, a new dynamic speckle measurement method will be set up based on optical vortex. The dynamic speckle patterns processing is simplified to deal with the vortex distribution matrix using this new method. From the perspective of mathematics, this progress changes from full rank matrices to sparse matrices processing. As a result, the processing data decreases dramatically and the calculating efficiency is improved. On the other hand, the information is fully exploited, which have not been obtained by the previous methods. This new method is expected to study the dynamic change process of the objects from a new perspective, based on new descriptors of optical vortex core structure parameters. We believe that this method will open up new applications of the dynamic speckle measurement in medicine, biology and agriculture science, etc.

在传统的动态散斑测试技术中，获得描述物体动态变化的参数需要处理大量散斑图像，数据处理量非常大；然而，获取的物体动态变化的信息量有限，对动态过程进行定量分析的特征因子比较单一；这就需要对动态散斑所包含的信息进行深入挖掘，在研究方法上有新的突破。本项目将通过研究动态散斑场光学涡旋的纵向传播特性和时变演化规律，找出适合动态过程测量的光学涡旋核结构参数（拓扑电荷、旋度、偏心率及实部与虚部零值线夹角等）作为新的特征因子，建立基于光学涡旋的动态散斑测试方法。该方法由直接处理动态散斑图像简化为处理涡旋分布矩阵；从数学角度看，是一个从处理满秩矩阵简化为稀疏矩阵的过程；数据处理量极大减少，提高了测量效率；另一方面，以光学涡旋核结构参数作为特征因子，可以解析出以前方法没有得到的信息，充分挖掘了数据，有望以崭新的视角来研究物体的动态变化过程；为动态散斑测试方法在医学、生物学及农业科学等领域的应用提供一条新思路。

光学旋涡以其独特的动力学特性、轨道角动量特性和拓扑结构使其在光学微操纵、光学显微成像、光学测量及光学散斑等领域具有重要的研究价值。而基于光学涡旋的测量方法要发展为一种成熟可靠的方法，尚需对光学涡旋的产生机制及传播特性进行深入的分析和研究。本项目在基金委的资助下重点开展了菲涅耳衍射机制下散斑场中光学涡旋的纵向传播特性、涡旋光束照射致散斑场的统计特性、基于涡旋稀疏相关的面内微位移散斑相关测量方法以及基于光学涡旋的随机过程动态散斑表征方法等工作的研究。. 研究发现，在高斯光束照射散射体产生的散斑场中，散斑场中相位涡旋被二次相位因子调制，随着传播距离的增大，其涡旋密度与传播距离成负指数关系，实现了涡旋线的三维可视化，加深了对其物理图像的理解。在拉盖尔-高斯涡旋光束照射致散斑场的研究中发现，对同一径向指数p，散斑颗粒平均大小随角向指数l的增大呈直线下降趋势；对同一角向指数l，散斑大小随径向指数p的增大而减小。此外，散斑大小与涡旋光束面积的负指数成正比；并且涡旋的亮环越多，负指数因子越接近于-0.5（高斯光束照射结果）。在对散斑场涡旋传播机制研究的基础上，发展了一种基于涡旋稀疏相关的数字散斑测量方法，该方法与传统散斑相关方法相比，在保持相同测量精度的前提下，其计算效率提高了一个数量级。建立了基于光学涡旋的动态散斑测试方法，提出了涡旋存活率和存活涡旋平均运动速度两个新表征因子，对典型动态随机过程（油漆干燥）进行了表征，并利用经典的基于THSP的惯性矩分析方法及小波熵分析方法对比验证，研究结果表明：该方法可有效实现对动态随机过程的表征，在采集相同数量的散斑图像情况下，建立的新方法获得的信息量为传统方法的100倍以上，获得了动态随机过程的更多细节信息。. 本项目工作的开展加深了对散斑场中光学涡旋传播规律的认识，描绘了光学涡旋的空间物理图像，提出了两种基于光学涡旋的散斑测量方法；这为光学涡旋在光学测量、涡旋鬼成像和恒星强度干涉测量等领域的应用提供了实验依据和新思路，具有重要的科学意义和应用价值。