激光散斑对比成像 (LSCI) 是一种用于对生物样本中的血流和组织运动进行成像的技术。 它利用相干光（例如来自激光的光）与粗糙表面或不均匀介质相互作用时产生的散斑图案。 激光反射或穿过粗糙或移动的表面会产生随机干涉图案，称为散斑图案。 散斑图案的对比度与样品中运动的速度和性质有关。 运动较快的区域表现出较低的散斑对比度，而静态或缓慢移动的区域则具有较高的对比度。 在生物组织中，红细胞在血管内移动会导致斑点图案发生变化。 LSCI 可用于监测组织中的血流，为医疗和研究应用提供有价值的信息。
图1 典型的LSCI系统
图 1 显示了 LSCI 系统的典型设置。 相干激光源（通常在红色或近红外波长范围内）产生用于照射样品的激光束。 扩束器可用于加宽激光束，确保样品上的照明均匀。 透镜和光学元件用于将激光束聚焦到样品上并收集反向散射或透射光。 高速相机或图像传感器捕获样品表面上形成的散斑图案。 计算机或专用数据处理单元处理捕获的图像以计算散斑对比度。 这涉及分析像素强度随时间的波动。 软件工具可视化散斑对比度图像，并可以提供有关血流或组织运动的定量信息。
图 2 以 Zemax 顺序模式建模的 LSCI 检测路径
图3 检测路径的镜头数据
图 2 显示了 LSCI 系统的简化检测路径。 检测光学投影仪采用后焦距为 30 毫米、孔径为 1 英寸的 Thorlabs 现成镜头。 感兴趣区域 (ROI) 约为 25 mmx 25 mm，对角线约为 18mm。 光线颜色代表场，用0、4毫米和6毫米的物体高度来表示。 在这种情况下，该对象模仿相机传感器。 共轭图像代表 LSCI 图像样本。
图4 LSCI检测光学器件的现场设置
相干光在样品表面产生散斑图像，散斑图像如下所示。
图5 相干光源产生的散斑图像
根据散斑图案的空间统计来准确估计散斑对比度通常假设散斑强度分布遵循负指数概率分布函数。 我们总是提到，对此的一个要求是散斑图案必须完全演化，即接收到的光具有有效均匀的相位分布。 此外，必须注意散斑图案的空间采样。 具体来说，必须考虑相对于相机像素大小的散斑大小以及用于估计散斑对比度的像素数量。 散斑图案被成像到相机上，在这种情况下，最小散斑尺寸将由下式给出：
其中l是光的波长，M是成像系统的放大倍数，f/#是系统的F数。 必须通过使最小散斑尺寸比相机像素尺寸大两倍来满足奈奎斯特采样标准，即
以获得负指数分布。
就上述条件而言，Zemax能够帮助开发人员确定放大倍数M和f数以满足奈奎斯特采样。 分析 – 系统数据选项卡提供下面的放大率 (1.89) 和 F 值 (1.198) 计算。 请注意，放大倍数 M 应取 Zemax 数 (1/1.89) 的倒数，以符合奈奎斯特采样规则。
图6 奈奎斯特采样准则分析成像系统的系统数据
如果图 6 中所示的 M 和 F 数与奈奎斯特采样不匹配，则需要调整检测光学器件中的几何光学参数。 光阑尺寸，即图3中的对象4。该尺寸可以通过系统中的物理可调光阑来改变。 隔膜的位置也有助于满足奈奎斯特采样标准。
值得注意的是，光路的具体组件和配置可能会根据 LSCI 系统的设计及其预期应用而有所不同。 总体而言，目标是通过利用激光与散射粒子相互作用产生的散斑图案来捕获与生物组织内的血流或其他运动相关的动态信息。