涂橋+于瀛潔+周文靜

摘要： 針對噪聲嚴重影響全息圖采集時的質(zhì)量和全息重建的效果，采取了電機帶動毛玻璃片旋轉(zhuǎn)的方法來去除全息系統(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。實驗表明，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： O 439文獻標志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2014.04.013

引言在現(xiàn)代全息技術(shù)的發(fā)展過程中，光源的質(zhì)量對全息采集及重建有著重要的影響。由于激光器強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，會使得激光通過這些結(jié)構(gòu)的時候，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，降低了采集時的分辨率，掩蓋了物體的一些精細結(jié)構(gòu)，并對全息重建的結(jié)果產(chǎn)生重要的影響。因此，為了降低這些缺陷對成像質(zhì)量的影響，學(xué)者們采取了各種方法來降低光源的相干性，如采用多模光纖或者多束光纖進行耦合提供光源[1]，使用運動散射體或相移器[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)毛玻璃片的方法來降低光源的相干性。徐建程等[6]通過計算給出了旋轉(zhuǎn)毛玻璃片在干涉系統(tǒng)中的統(tǒng)計特性。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，提高了對生物樣本的觀測的分辨率。但是他們都沒有詳細討論旋轉(zhuǎn)毛玻璃片及其各種參數(shù)對全息系統(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全息系統(tǒng)中噪聲的影響。實驗表明，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)過濾波和準直之后的激光通過透鏡將光束聚焦到旋轉(zhuǎn)毛玻璃片之上，然后經(jīng)過全息采集系統(tǒng)，最終被CCD接收。由于毛玻璃片高速旋轉(zhuǎn)，CCD接收到的條紋實際上已經(jīng)經(jīng)過多次疊加，相當(dāng)于一次積分過程。因此可以大大減弱激光器的相干性，提高系統(tǒng)的信噪比。用對比度作為評價標準，如果在CCD上條紋結(jié)構(gòu)隨著時間不斷變化，則在一個曝光周期內(nèi)，CCD總共探測到N種條紋結(jié)構(gòu)，這將使條紋對比度減弱到靜態(tài)時的1～1/N倍[12]。

假設(shè)在t時刻，通過毛玻璃片之后的光場為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，則光場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)。通過計算[6]，旋轉(zhuǎn)毛玻璃片的干涉條紋的對比度可以表示為Cs∝sinc3π2vDτRT8λZ（2）系統(tǒng)的信噪比可以表示為RSN∝sinc3π2vDτRT8λZ8λz3π2vDT（3）式中，τRT為參考光和測試光之間的時間延遲，D為入瞳直徑，λz為入射波長，T為CCD的曝光時間。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)以上計算，可以模擬計算出毛玻璃片的旋轉(zhuǎn)頻率和干涉條紋的對比度及信噪比的關(guān)系如圖2所示。

在不同的實驗系統(tǒng)中，由于具體的實驗參數(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)，條紋的對比度隨著毛玻璃片的旋轉(zhuǎn)頻率增加而下降，而條紋的對比度則隨著頻率的增加而呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。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，信噪比達到最高，并且對比度維持在0.8左右。因此，在具體的實驗過程中，應(yīng)該綜合考慮條紋對比度和信噪比，對毛玻璃片的轉(zhuǎn)速做出最有利的選擇。2實驗實驗平臺如圖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。實驗過程中，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驅(qū)動。首先，通過實驗對比毛玻璃片對光斑的影響，實驗結(jié)構(gòu)如圖4所示。所用的透鏡的焦距為f=150 mm。假設(shè)透鏡的焦點到毛玻璃片的距離為d，圖5為不同的d值對應(yīng)的光斑結(jié)構(gòu)，d值不同的實質(zhì)是照射到旋轉(zhuǎn)毛玻璃片上的光斑半徑不同。實驗證明，毛玻璃片對光斑具有發(fā)散作用，同時，旋轉(zhuǎn)毛玻璃片離接收面（白板）的距離越近，接收到的光強越強，同時光斑的發(fā)散性越強。圖6為不同d值對應(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，條紋形狀變得相對平滑。但是，加入旋轉(zhuǎn)的毛玻璃片后，降低了干涉條紋的對比度。同時，毛玻璃片離透鏡的焦點越近，即毛玻璃片接收到的光斑半徑越小，條紋的對比度越好。因此，采用d=0 cm的條件進行全息采集和重建。圖7為全息重建效果對比圖。從頻譜對比中可以看出，采集到的全息圖的頻譜明顯更加集中，頻譜斑點范圍相對未加入的情況更小，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)重建的細節(jié)。從重建的強度圖中可以看出，重建出來的強度圖更加干凈，引入的噪聲沒有未加毛玻璃片的時候那么明顯，也沒有了一些其他結(jié)構(gòu)的干擾。最右邊是截取強度圖中4號標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)論實驗表明，在全息系統(tǒng)中加入旋轉(zhuǎn)的毛玻璃片對全息系統(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)對重建結(jié)果的分辨率要求越來越高的情況下，加入旋轉(zhuǎn)的毛玻璃片可以剔除一些對結(jié)果有嚴重影響的噪聲，提高重建結(jié)果的精度。因此從這方面來說，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比度，但以此換來的是系統(tǒng)信噪比的提高，這種交換對于結(jié)果精度要求很高的場合是值得的。由于條件的限制，我們并沒有驗證旋轉(zhuǎn)毛玻璃片轉(zhuǎn)速對實驗系統(tǒng)的影響，也沒有驗證具有不同粒度的毛玻璃片對實驗系統(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)，消除了電機振動對實驗平臺的影響，理論上來說，使用此器件對全息系統(tǒng)的去噪效果應(yīng)該會好于旋轉(zhuǎn)的毛玻璃片，這點有待于通過實驗進一步驗證。

參考文獻：

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3結(jié)論實驗表明，在全息系統(tǒng)中加入旋轉(zhuǎn)的毛玻璃片對全息系統(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)對重建結(jié)果的分辨率要求越來越高的情況下，加入旋轉(zhuǎn)的毛玻璃片可以剔除一些對結(jié)果有嚴重影響的噪聲，提高重建結(jié)果的精度。因此從這方面來說，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比度，但以此換來的是系統(tǒng)信噪比的提高，這種交換對于結(jié)果精度要求很高的場合是值得的。由于條件的限制，我們并沒有驗證旋轉(zhuǎn)毛玻璃片轉(zhuǎn)速對實驗系統(tǒng)的影響，也沒有驗證具有不同粒度的毛玻璃片對實驗系統(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)，消除了電機振動對實驗平臺的影響，理論上來說，使用此器件對全息系統(tǒng)的去噪效果應(yīng)該會好于旋轉(zhuǎn)的毛玻璃片，這點有待于通過實驗進一步驗證。

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