基于旋转毛玻璃片的全息系统去噪处理

涂桥+于瀛洁+周文静

摘要： 针对噪声严重影响全息图采集时的质量和全息重建的效果，采取了电机带动毛玻璃片旋转的方法来去除全息系统的噪声。其理论依据为高速旋转的毛玻璃片能够降低激光的相干性，从而减小系统的本征噪声。利用旋转毛玻璃片的作用机理，将其应用于全息系统中，可有效去除系统中的噪声。实验表明，该方法能有效去除系统中的噪声，提高系统的信噪比，改善全息重建的效果。

关键词： 全息系统； 系统噪声； 毛玻璃片

中图分类号： O 439文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2014.04.013

引言在现代全息技术的发展过程中，光源的质量对全息采集及重建有着重要的影响。由于激光器强相干性和光路中光学元件缺陷（如灰尘、气泡、伤痕、凹凸缺陷等）的影响，会使得激光通过这些结构的时候，在干涉图里面形成牛顿环和靶心，引入了系统的本征噪声，从而影响全息图采集的质量，降低了采集时的分辨率，掩盖了物体的一些精细结构，并对全息重建的结果产生重要的影响。因此，为了降低这些缺陷对成像质量的影响，学者们采取了各种方法来降低光源的相干性，如采用多模光纤或者多束光纤进行耦合提供光源[1]，使用运动散射体或相移器[2]降低光源的相干性，采用低相干光源或者白光作为光源[3]，或者使用以上的多种方法相结合[4]等。2010年，Morris等[5]采用了在干涉系统中加入旋转毛玻璃片的方法来降低光源的相干性。徐建程等[6]通过计算给出了旋转毛玻璃片在干涉系统中的统计特性。结果表明，此方法是行之有效的。在显微成像系统中，旋转毛玻璃片被引入量子相位显微镜[7]、外差干涉显微镜[8]、振幅和相位共聚焦显微镜[9]中。实践证明，使用旋转毛玻璃片可以减少系统的衍射噪声。此外，由于减少了自相干长度，系统的空间分辨率得到提高[9]。在全息系统中，Tziraki等[10]将旋转毛玻璃片引入光折变全息术，用以去除系统的散斑噪声，Park等[11]将毛玻璃片引入数字全息显微镜中，提高了对生物样本的观测的分辨率。但是他们都没有详细讨论旋转毛玻璃片及其各种参数对全息系统的影响。本文主要讨论基于旋转毛玻璃片降低光源相干性方法对全息系统中噪声的影响。实验表明，该方法能够有效的去除全息系统中的噪声，提高系统的信噪比，提高系统的分辨率。

1基本原理抑制全息成像系统相干噪声的装置如图1所示。经过滤波和准直之后的激光通过透镜将光束聚焦到旋转毛玻璃片之上，然后经过全息采集系统，最终被CCD接收。由于毛玻璃片高速旋转，CCD接收到的条纹实际上已经经过多次叠加，相当于一次积分过程。因此可以大大减弱激光器的相干性，提高系统的信噪比。用对比度作为评价标准，如果在CCD上条纹结构随着时间不断变化，则在一个曝光周期内，CCD总共探测到N种条纹结构，这将使条纹对比度减弱到静态时的1～1/N倍[12]。

假设在t时刻，通过毛玻璃片之后的光场为a（x，y，t），由其他光学元件引入的相位为0，毛玻璃片引入的相位为d，毛玻璃以速度v移动，则光场a（x，y，t）可以表示为a（x，y，t）=a0exp[id（x，y）]exp[id（x-vt，y）]（1）式中，a0为常数。通过计算[6]，旋转毛玻璃片的干涉条纹的对比度可以表示为Cs∝sinc3π2vDτRT8λZ（2）系统的信噪比可以表示为RSN∝sinc3π2vDτRT8λZ8λz3π2vDT（3）式中，τRT为参考光和测试光之间的时间延迟，D为入瞳直径，λz为入射波长，T为CCD的曝光时间。假设该系统的系统参数中，D=10 mm，τRT=10-7 s，λz=664.2 nm，t=0.05 s。旋转毛玻璃片的转速为ν=2πfr，其中r=20 mm。则根据以上计算，可以模拟计算出毛玻璃片的旋转频率和干涉条纹的对比度及信噪比的关系如图2所示。

在不同的实验系统中，由于具体的实验参数不同，所得的模拟结果可能不同，但是模拟曲线所表现出的特征应该一致。从图中可以看出，在一定的频率范围内，条纹的对比度随着毛玻璃片的旋转频率增加而下降，而条纹的对比度则随着频率的增加而呈现先上升后下降的趋势。从本次模拟数据可发现，在频率为500 Hz左右的情况下，信噪比达到最高，并且对比度维持在0.8左右。因此，在具体的实验过程中，应该综合考虑条纹对比度和信噪比，对毛玻璃片的转速做出最有利的选择。2实验实验平台如图3所示，其中光源采用664.2 nm的半导体激光器。毛玻璃片（DG201500H2，Thorlabs，Inc.）的直径为48.3 mm，由1500粒度的NBK7磨砂玻璃制成，厚度为2 mm。实验过程中，光斑中心离毛玻璃片的中心大约为20 mm，毛玻璃片由直流电机驱动。首先，通过实验对比毛玻璃片对光斑的影响，实验结构如图4所示。所用的透镜的焦距为f=150 mm。假设透镜的焦点到毛玻璃片的距离为d，图5为不同的d值对应的光斑结构，d值不同的实质是照射到旋转毛玻璃片上的光斑半径不同。实验证明，毛玻璃片对光斑具有发散作用，同时，旋转毛玻璃片离接收面（白板）的距离越近，接收到的光强越强，同时光斑的发散性越强。图6为不同d值对应的全息图，每副子图的左下角为放大的条纹。结果表明，加入旋转的毛玻璃片后，有效地减少了系统噪声对全息图结果的影响。原先全息图中条纹的毛刺已经得到很好的去除，条纹形状变得相对平滑。但是，加入旋转的毛玻璃片后，降低了干涉条纹的对比度。同时，毛玻璃片离透镜的焦点越近，即毛玻璃片接收到的光斑半径越小，条纹的对比度越好。因此，采用d=0 cm的条件进行全息采集和重建。图7为全息重建效果对比图。从频谱对比中可以看出，采集到的全息图的频谱明显更加集中，频谱斑点范围相对未加入的情况更小，这表明系统的杂散光和系统噪声得到去除。这将更加有利于频谱的集中，提高系统的采样频率，从而更加完美的展现重建的细节。从重建的强度图中可以看出，重建出来的强度图更加干净，引入的噪声没有未加毛玻璃片的时候那么明显，也没有了一些其他结构的干扰。最右边是截取强度图中4号标定线居中的一条线的灰度图。从图中可以看出，在灰度边缘，尖峰有所减少。

3结论实验表明，在全息系统中加入旋转的毛玻璃片对全息系统中噪声的去除有着明显的效果。特别是随着科技的发展，全息系统对重建结果的分辨率要求越来越高的情况下，加入旋转的毛玻璃片可以剔除一些对结果有严重影响的噪声，提高重建结果的精度。因此从这方面来说，加入旋转毛玻璃片去除全息系统中的噪声是有重要意义的。当然，加入旋转的毛玻璃片之后，降低了全息图中条纹的对比度，但以此换来的是系统信噪比的提高，这种交换对于结果精度要求很高的场合是值得的。由于条件的限制，我们并没有验证旋转毛玻璃片转速对实验系统的影响，也没有验证具有不同粒度的毛玻璃片对实验系统的影响。值得一提的是，瑞士的Optotune公司研制出一种激光散射衰减片LSR3000系列，其原理和旋转毛玻璃片类似。但是由于在这种器件中，使用了MEMS技术，消除了电机振动对实验平台的影响，理论上来说，使用此器件对全息系统的去噪效果应该会好于旋转的毛玻璃片，这点有待于通过实验进一步验证。

参考文献：

[1]黄燕萍，江一德，吴振德，等.多模光纤在全息显微技术中的应用[J].光学仪器，1989，3（11）：15.

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[4]祁高进.飞行物体姿态角测量系统中条纹投影器的设计[D].南京：南京理工大学，2010.

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

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