基于旋轉(zhuǎn)毛玻璃片的全息系統(tǒng)去噪處理

2014-09-18 20:29:23涂橋于瀛潔周文靜

光學(xué)儀器 2014年4期

涂橋+于瀛潔+周文靜

摘要：針對(duì)噪聲嚴(yán)重影響全息圖采集時(shí)的質(zhì)量和全息重建的效果，采取了電機(jī)帶動(dòng)毛玻璃片旋轉(zhuǎn)的方法來(lái)去除全息系統(tǒng)的噪聲。其理論依據(jù)為高速旋轉(zhuǎn)的毛玻璃片能夠降低激光的相干性，從而減小系統(tǒng)的本征噪聲。利用旋轉(zhuǎn)毛玻璃片的作用機(jī)理，將其應(yīng)用于全息系統(tǒng)中，可有效去除系統(tǒng)中的噪聲。實(shí)驗(yàn)表明，該方法能有效去除系統(tǒng)中的噪聲，提高系統(tǒng)的信噪比，改善全息重建的效果。

關(guān)鍵詞：全息系統(tǒng)；系統(tǒng)噪聲；毛玻璃片

中圖分類號(hào)： O 439文獻(xiàn)標(biāo)志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2014.04.013

引言在現(xiàn)代全息技術(shù)的發(fā)展過(guò)程中，光源的質(zhì)量對(duì)全息采集及重建有著重要的影響。由于激光器強(qiáng)相干性和光路中光學(xué)元件缺陷（如灰塵、氣泡、傷痕、凹凸缺陷等）的影響，會(huì)使得激光通過(guò)這些結(jié)構(gòu)的時(shí)候，在干涉圖里面形成牛頓環(huán)和靶心，引入了系統(tǒng)的本征噪聲，從而影響全息圖采集的質(zhì)量，降低了采集時(shí)的分辨率，掩蓋了物體的一些精細(xì)結(jié)構(gòu)，并對(duì)全息重建的結(jié)果產(chǎn)生重要的影響。因此，為了降低這些缺陷對(duì)成像質(zhì)量的影響，學(xué)者們采取了各種方法來(lái)降低光源的相干性，如采用多模光纖或者多束光纖進(jìn)行耦合提供光源[1]，使用運(yùn)動(dòng)散射體或相移器[2]降低光源的相干性，采用低相干光源或者白光作為光源[3]，或者使用以上的多種方法相結(jié)合[4]等。2010年，Morris等[5]采用了在干涉系統(tǒng)中加入旋轉(zhuǎn)毛玻璃片的方法來(lái)降低光源的相干性。徐建程等[6]通過(guò)計(jì)算給出了旋轉(zhuǎn)毛玻璃片在干涉系統(tǒng)中的統(tǒng)計(jì)特性。結(jié)果表明，此方法是行之有效的。在顯微成像系統(tǒng)中，旋轉(zhuǎn)毛玻璃片被引入量子相位顯微鏡[7]、外差干涉顯微鏡[8]、振幅和相位共聚焦顯微鏡[9]中。實(shí)踐證明，使用旋轉(zhuǎn)毛玻璃片可以減少系統(tǒng)的衍射噪聲。此外，由于減少了自相干長(zhǎng)度，系統(tǒng)的空間分辨率得到提高[9]。在全息系統(tǒng)中，Tziraki等[10]將旋轉(zhuǎn)毛玻璃片引入光折變?nèi)⑿g(shù)，用以去除系統(tǒng)的散斑噪聲，Park等[11]將毛玻璃片引入數(shù)字全息顯微鏡中，提高了對(duì)生物樣本的觀測(cè)的分辨率。但是他們都沒(méi)有詳細(xì)討論旋轉(zhuǎn)毛玻璃片及其各種參數(shù)對(duì)全息系統(tǒng)的影響。本文主要討論基于旋轉(zhuǎn)毛玻璃片降低光源相干性方法對(duì)全息系統(tǒng)中噪聲的影響。實(shí)驗(yàn)表明，該方法能夠有效的去除全息系統(tǒng)中的噪聲，提高系統(tǒng)的信噪比，提高系統(tǒng)的分辨率。

1基本原理抑制全息成像系統(tǒng)相干噪聲的裝置如圖1所示。經(jīng)過(guò)濾波和準(zhǔn)直之后的激光通過(guò)透鏡將光束聚焦到旋轉(zhuǎn)毛玻璃片之上，然后經(jīng)過(guò)全息采集系統(tǒng)，最終被CCD接收。由于毛玻璃片高速旋轉(zhuǎn)，CCD接收到的條紋實(shí)際上已經(jīng)經(jīng)過(guò)多次疊加，相當(dāng)于一次積分過(guò)程。因此可以大大減弱激光器的相干性，提高系統(tǒng)的信噪比。用對(duì)比度作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，如果在CCD上條紋結(jié)構(gòu)隨著時(shí)間不斷變化，則在一個(gè)曝光周期內(nèi)，CCD總共探測(cè)到N種條紋結(jié)構(gòu)，這將使條紋對(duì)比度減弱到靜態(tài)時(shí)的1～1/N倍[12]。

假設(shè)在t時(shí)刻，通過(guò)毛玻璃片之后的光場(chǎng)為a（x，y，t），由其他光學(xué)元件引入的相位為0，毛玻璃片引入的相位為d，毛玻璃以速度v移動(dòng)，則光場(chǎng)a（x，y，t）可以表示為a（x，y，t）=a0exp[id（x，y）]exp[id（x-vt，y）]（1）式中，a0為常數(shù)。通過(guò)計(jì)算[6]，旋轉(zhuǎn)毛玻璃片的干涉條紋的對(duì)比度可以表示為Cs∝sinc3π2vDτRT8λZ（2）系統(tǒng)的信噪比可以表示為RSN∝sinc3π2vDτRT8λZ8λz3π2vDT（3）式中，τRT為參考光和測(cè)試光之間的時(shí)間延遲，D為入瞳直徑，λz為入射波長(zhǎng)，T為CCD的曝光時(shí)間。假設(shè)該系統(tǒng)的系統(tǒng)參數(shù)中，D=10 mm，τRT=10-7 s，λz=664.2 nm，t=0.05 s。旋轉(zhuǎn)毛玻璃片的轉(zhuǎn)速為ν=2πfr，其中r=20 mm。則根據(jù)以上計(jì)算，可以模擬計(jì)算出毛玻璃片的旋轉(zhuǎn)頻率和干涉條紋的對(duì)比度及信噪比的關(guān)系如圖2所示。

在不同的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，由于具體的實(shí)驗(yàn)參數(shù)不同，所得的模擬結(jié)果可能不同，但是模擬曲線所表現(xiàn)出的特征應(yīng)該一致。從圖中可以看出，在一定的頻率范圍內(nèi)，條紋的對(duì)比度隨著毛玻璃片的旋轉(zhuǎn)頻率增加而下降，而條紋的對(duì)比度則隨著頻率的增加而呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。從本次模擬數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)，在頻率為500 Hz左右的情況下，信噪比達(dá)到最高，并且對(duì)比度維持在0.8左右。因此，在具體的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，應(yīng)該綜合考慮條紋對(duì)比度和信噪比，對(duì)毛玻璃片的轉(zhuǎn)速做出最有利的選擇。2實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖3所示，其中光源采用664.2 nm的半導(dǎo)體激光器。毛玻璃片（DG201500H2，Thorlabs，Inc.）的直徑為48.3 mm，由1500粒度的NBK7磨砂玻璃制成，厚度為2 mm。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，光斑中心離毛玻璃片的中心大約為20 mm，毛玻璃片由直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)。首先，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比毛玻璃片對(duì)光斑的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)如圖4所示。所用的透鏡的焦距為f=150 mm。假設(shè)透鏡的焦點(diǎn)到毛玻璃片的距離為d，圖5為不同的d值對(duì)應(yīng)的光斑結(jié)構(gòu)，d值不同的實(shí)質(zhì)是照射到旋轉(zhuǎn)毛玻璃片上的光斑半徑不同。實(shí)驗(yàn)證明，毛玻璃片對(duì)光斑具有發(fā)散作用，同時(shí)，旋轉(zhuǎn)毛玻璃片離接收面（白板）的距離越近，接收到的光強(qiáng)越強(qiáng)，同時(shí)光斑的發(fā)散性越強(qiáng)。圖6為不同d值對(duì)應(yīng)的全息圖，每副子圖的左下角為放大的條紋。結(jié)果表明，加入旋轉(zhuǎn)的毛玻璃片后，有效地減少了系統(tǒng)噪聲對(duì)全息圖結(jié)果的影響。原先全息圖中條紋的毛刺已經(jīng)得到很好的去除，條紋形狀變得相對(duì)平滑。但是，加入旋轉(zhuǎn)的毛玻璃片后，降低了干涉條紋的對(duì)比度。同時(shí)，毛玻璃片離透鏡的焦點(diǎn)越近，即毛玻璃片接收到的光斑半徑越小，條紋的對(duì)比度越好。因此，采用d=0 cm的條件進(jìn)行全息采集和重建。圖7為全息重建效果對(duì)比圖。從頻譜對(duì)比中可以看出，采集到的全息圖的頻譜明顯更加集中，頻譜斑點(diǎn)范圍相對(duì)未加入的情況更小，這表明系統(tǒng)的雜散光和系統(tǒng)噪聲得到去除。這將更加有利于頻譜的集中，提高系統(tǒng)的采樣頻率，從而更加完美的展現(xiàn)重建的細(xì)節(jié)。從重建的強(qiáng)度圖中可以看出，重建出來(lái)的強(qiáng)度圖更加干凈，引入的噪聲沒(méi)有未加毛玻璃片的時(shí)候那么明顯，也沒(méi)有了一些其他結(jié)構(gòu)的干擾。最右邊是截取強(qiáng)度圖中4號(hào)標(biāo)定線居中的一條線的灰度圖。從圖中可以看出，在灰度邊緣，尖峰有所減少。

3結(jié)論實(shí)驗(yàn)表明，在全息系統(tǒng)中加入旋轉(zhuǎn)的毛玻璃片對(duì)全息系統(tǒng)中噪聲的去除有著明顯的效果。特別是隨著科技的發(fā)展，全息系統(tǒng)對(duì)重建結(jié)果的分辨率要求越來(lái)越高的情況下，加入旋轉(zhuǎn)的毛玻璃片可以剔除一些對(duì)結(jié)果有嚴(yán)重影響的噪聲，提高重建結(jié)果的精度。因此從這方面來(lái)說(shuō)，加入旋轉(zhuǎn)毛玻璃片去除全息系統(tǒng)中的噪聲是有重要意義的。當(dāng)然，加入旋轉(zhuǎn)的毛玻璃片之后，降低了全息圖中條紋的對(duì)比度，但以此換來(lái)的是系統(tǒng)信噪比的提高，這種交換對(duì)于結(jié)果精度要求很高的場(chǎng)合是值得的。由于條件的限制，我們并沒(méi)有驗(yàn)證旋轉(zhuǎn)毛玻璃片轉(zhuǎn)速對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的影響，也沒(méi)有驗(yàn)證具有不同粒度的毛玻璃片對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的影響。值得一提的是，瑞士的Optotune公司研制出一種激光散射衰減片LSR3000系列，其原理和旋轉(zhuǎn)毛玻璃片類似。但是由于在這種器件中，使用了MEMS技術(shù)，消除了電機(jī)振動(dòng)對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的影響，理論上來(lái)說(shuō)，使用此器件對(duì)全息系統(tǒng)的去噪效果應(yīng)該會(huì)好于旋轉(zhuǎn)的毛玻璃片，這點(diǎn)有待于通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃燕萍，江一德，吳振德，等.多模光纖在全息顯微技術(shù)中的應(yīng)用[J].光學(xué)儀器，1989，3（11）：15.

[2]師路歡.激光干涉儀在非球面光學(xué)元件制造中的應(yīng)用[J].光學(xué)儀器，2011，33（6）：18 21.

[3]LIU Z Q，GEMMA T，ROSEN J，et al.Improved illumination system for spatial coherence control[J].Applied Optics，2010，49（16）：1216.

[4]祁高進(jìn).飛行物體姿態(tài)角測(cè)量系統(tǒng)中條紋投影器的設(shè)計(jì)[D].南京：南京理工大學(xué)，2010.

[5]MORRIS M N，NARADIKIAN M，MILLERD J.Noise Reduction in dynamic interferometry measurements[J].SPIE，2010：779000.

[6]徐建程，劉志超，杜雅薇，等.帶旋轉(zhuǎn)毛玻璃干涉系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)分析[J].強(qiáng)激光與粒子束，2011，23（3）：702706.

[7]CHOI Y，YANG T D，LEE K J，et al.Fullfield and singleshot quantitative phase microscopy using dynamic speckle illumination[J].Optics Letters，2011，36（13）：24652467.

[8]PITTER M C，SEE C W，SOMEKH M G.Fullfield heterodyne interference microscope with spatially incoherent illumination[J].Optics Letters，2004，29（11）：12001202.

[9]SOMEKH M G，SEE C W，GOH J.Wide field amplitude and phase confocal microscope with speckle illumination[J].Optics Communications，2000，174（1/4）：7580.

[10]TZIRAKI M，JONES R，F(xiàn)RENCH P M W，et al.Photorefractive holography for imaging through turbid media using low coherence light[J].Applied Physics B，2000，70（1）：151154.

[11]PARK Y K，CHOI W，YAQOOB Z，et al.Specklefield digital holographic microscopy[J].Optics Express，2009，17（15）：1228512292.

[12]GOODMAN J W.Some fundamental properties of speckle[J].Journal of the Optical Society of America，1976，66（11）：11451150.