LED光源数字全息技术研究

巩 琼1,秦 怡2

(1.南阳师范学院物理与电子工程学院,河南南阳473000;

2.暨南大学光电工程系,广东广州510632)

摘 要:研究以发光二极管(LED)作为光源的部分相干光数字全息技术。首先研究LED的时间相干性和空间相干性,尽管LED的时间相干性较差,但空间相干性可以通过减小光源发光面积来提高。利用LED的时间相干性较差、相干长度短的特点,抑制相干噪声,改善数字全息重建质量。在同一全息记录系统,通过实验,比较了用激光和LED光源的数字全息重建图像质量。结果表明:基于LED光源的数字全息,完全消除了使用激光光源的散斑噪声和由光学元件引入的寄生干涉噪声,物光场的重现质量,包括振幅和相位都得到了很大提高。但由于LED光源的较低的空间相干性,一般只适用于同轴相移数字全息,待测物体的厚度在十几微米以内,应用受到一定限制。关键词:全息术;数字全息;部分相干光;发光二极管

LED-baseddigitalholography

GONGQiong1,QINYi2

(1.CollegeofphysicsandelectronicEngineering,NanyangNormalUniversity,Nanyang473000,China;2.DepartmentofOptoelectronicEngineering,JinanUniversity,Guangzhou510632,China)

Abstract:TheshortcoherencedigitalholographybasedonLEDwasstudied.ThetimecoherenceandspatialcoherenceoftheLEDwerestudiedrespectively.AlthoughthetimecoherenceoftheLEDisveryshort,thespatialcoherentoftheLEDcanbefurtherimprovedbydecreasingtheareaofthelightsource.Thenoiseindigitalholographycouldbesuppressedbyutilizingtheshortcoherenceandthequalityoftheretrievedfieldisenhanced.ThedigitalholographybymeansoflaserandLEDwascarriedoutrespectively,thenthequalityofthereconstructedfieldswerecompared.Theresultsshowthatthespecklenoiseandmultiplereflections,whichareintroducedbylasersource,arecompletelyeliminatedinthedigitalholographybasedonLED.Consequently,thequalityofthereconstructedobjectfield,includingamplitudeandphasedistribution,isgreatlyimproved.However,owingtotheshortcoherenceofLED,theapplicationisconfinedtoin-linedigitalholography,thethicknessoftheobjecttobemeasuredshouldbenolongerthantensofmicrons.

Keywords:holography;digitalholography;partialcoherentsource;LED

引言

作为对物体进行三维重建以及实现形貌测量的重要工具,数字全息[1]在微电路检测,粒度检测以及透明场测量等对象测量方面有着广泛的应用前景[2-5]。数字全息通常采用相干光源(激光)记录,其良好的相干性使得实验过程非常简便。但是,完全相干光对光路中任何细小的缺陷都会产生非常敏感的反应,而且强相干性也会导致散斑噪声和由于在元件中多次反射形成的高频条纹噪声,这些噪声影响会对全息图的质量产生极其不利的影响,也导致重建波前质量的下降。许多方法,比如旋转漫射体法以及基于数字图像处理的方法[6],被先后提出来减弱和消除这些噪声,但是这些方法有各自的局限性,往往依赖于具体的实验装置和特定的物体。近年来,部分相干光全息技术逐步得到了重视[7],由于部分相干光具有较低的时间相干性和空间相干性,所以上面所述一些噪声被极大地削弱甚至消除,从而显著提高了全息图及重建光波场的质量。本文采用普通的商用高亮发光二极管(LED)用于数字全息研究,相比于激光光源,发光二极管体积小,价格低,不需要特殊的驱动装置。实验结果证实了这种LED在数字全息中的实用性,而且基于LED的部分相干光数字全息图质量和光场重构质量较使用激光光源时得到了极大提高。

1 实验装置和光源相干性研究

1.1 实验装置

实验装置如图1所示,光源发出的光经透镜L1汇聚后,首先经针孔PH滤波,然后被透镜L2准直,进入经过改造的Michelson干涉仪,此时入射光被分束镜(BS)分成2束,一束被平面镜M反射,用来产生平面参考光波。平面镜M贴在压电陶瓷微位移器(PZT)上,用来对参考光进行移相。另一部分入射光照射被测物体(OBJ)来产生物光波,物光波和参考光波又经分束镜重新汇合后到达CCD面,形成的干涉图由CCD记录下来。

1.2 LED光源的特殊性以及实验措施

实验所采用的LED是一个普通的商用红色LED,光源发光面直径2.5mm,最大消耗功率3W。一般来说,这样的LED是不会用于数字全息的。因此,必须对它的基本参数进行研究,其中包括光谱分布以及时间和空间相干性。

1.2.1 LED的时间相干性

在Michelson干涉仪中,设入射光经分束后所得2束光波的光程差为d,对于准单光来说,干涉条纹从最清晰到消失所对应的被定义为相干长度Lc。Lc可由下式表示[8]:

            Lc=K2$K(1)

式中:K为准单色光的中心波长;$K为准单色光的半峰值谱线宽度。为了确定所用LED的相干长度,我们采用光谱仪测定了实验所用LED的光谱分布,如图2所示。

图2中心波长K≈655nm,半峰值谱线宽度$K=24nm,因此其相干长度Lc=K2/$K≈17.8Lm。可以看出,其相干长度非常小,相应的干涉条纹只存在于十几微米的空间上。所以,在应用LED进行数字全息时,首先需要用激光来进行校准,即首先用激光作为光源,调节至2束光光程差大致接近,然后用LED代替激光光源进行微调,直到出现清晰的干涉条纹。图3是在Michelson干涉仪上2束光波光程差逐步加大情况下拍摄的LED的干涉条纹。显然,超过了LED的相干长度,干涉条纹就会消失。当然,要改变LED的相干长度,必须改变其光谱分布,这个很难做到。由此可知,LED应用于数字全息的一个局限性,就是物体自身的起伏不能超过LED的相干长度,否则无法进行全息干涉,所以,在基于LED的数字全息中,被测物体的厚度数量级应为微米或者纳米级。

1.2.2 LED的空间相干性

在运用光学衍射理论和数字全息理论进行分析和计算的时候,通常认为光源是完全相干光。

LED作为一个典型的部分相干光源,严格地说,是不能用相干成像的理论来计算的,它只能适用于部分相干理论。但是,统计光学理论指出,在满足一定条件下,尽管用部分相干光照明,整个系统仍然可以表现得像一个完全相干系统一样。这个条件是:部分相干光源小到一定程度以至在物体上产生的相干面积明显超过成像系统振幅扩散函数的面积[9]。在这样的要求下,一般来说,LED光源必须经过针孔滤波以获取充分高的空间相干性。图4给出了在图1所示装置中未加针孔和加上针孔这2种情况下物体(USAF1951分辨率板)的衍射图像(衍射距离Z=15cm)。

从图4可以看出,未加针孔的物体衍射图像非常模糊,加入针孔之后衍射图像变得清晰,即物体的衍射由部分相干衍射过渡到了近似完全相干衍射。一般来说,针孔直径越小,可获得的相干性越好,但是,针孔太小会导致入射光强太弱,造成记录困难,相应地,必须提高LED的功率。因此,我们选用了U=100Lm的针孔和最大功率为3W的高亮LED用于实验。实际上,经过针孔滤波的光源依然不能获得特别高的相干性,参考光和物光的夹角H在非常小的范围内才可以观察到干涉条纹。对于离轴数字全息,为了实现全息面上各分量频谱的分离,要求[10]:

             H≥2(LCCDx+Lobjx)Z(2)

式中:Z表示全息记录距离;LCCDx和Lobjx分别表示CCD和被记录物体在x方向上的线度。实验表明,在可以观察到干涉条纹的范围内,H不能满足公式(2)。所以,基于LED的数字全息一般只能被限制在同轴全息的范围之内,即只能采用相移法进行数字全息,这是我们采用图1作为全息装置的原因。

2 相移数字全息的原理

采用图1所示的装置进行四步相移时,4幅由CCD记录的强度Ii(x,y)分布为

Ii(x,y)=IR(x,y)+IO(x,y)+2I0(x,y)IR(x,y)×cos[U(x,y)+Ui](i=1,2,3,4)(3)

式中:IO(x,y)和IR(x,y)分别是物光波和参考光波在CCD面上的强度分布;是物光波和参考光波在CCD面上的相对相位分布;Ui=(i-1)P/2是由压电陶瓷器驱动平面镜产生的相移。物光波在CCD面上的复振幅分布Od(x,y)可由下式给出:

Od(x,y)=14IR(x,y){[I1(x,y)-I3(x,y)]+i[I4(x,y)-I2(x,y)]}(4)

在决定全息记录距离的时候,记录距离由下式限制[10]:

KZ4(LCCDx+Lobjx)≥$x(5)

式中:Z表示全息记录距离;LCCDx和Lobjx分别表示CCD和被记录物体在x方向上的线度;$x表示CCD在x方向上的像元大小。显然,在保证(5)式能满足的条件下,应该尽可能的缩短全息记录距离,从而记录物体的尽可能多的频率成分来获取较好的像质。因此,记录距离很有可能不满足菲涅耳近似条件,所以应该采用角谱法对原始的物光波进行重建。逆衍射时系统在频域的传递函数为

H(fx,fy)=exp[i2PK(-Z)×1-(Kfx)2-(Kfy)2](6)

式中:fx,fy为空间频率;Z为物体到CCD的距离;K为记录波长。被重建出来的物光波复振幅可表示为

O(x,y)=F-1{F[Od(x,y)]*H(fx,fy)}(7)

式中F和F-1分别表示傅里叶变换和傅里叶逆变换。因此,被测物体的强度和相位可以表示为

Iobj(x,y)=?O(x,y)?2(8)

Uobj(x,y)=tan-1Im(O(x,y))Re(O(x,y))(9)

3 实验数据及处理结果

实验装置已经在图1中详细描述,被测量的物体为USAF1951标准分辨率板。所用针孔的直径5=100Lm,全息图由CCD(MINTRON22K9HC,795×596像素,8.33Lm×8.33Lm)进行记录,记录距离为d=150mm。为了进行对比,我们分别用He-Ne激光器(K=632.8nm)和LED(K=655.0nm)进行基于四步相移法的数字全息实验,所拍摄的四步相移图片如图5和图6所示。

图5是采用了激光作为光源得到的4幅全息图片,图6是采用LED作为光源得到的全息图片。可以看出,在同一全息记录系统下,激光全息图具有明显的散斑噪声和寄生干涉,特别是对相位重建来说,这些噪声有时会使相位解包裹的过程难以进行。LED的全息图显得非常柔和,散斑噪声和寄生干涉基本被消除。但是也可以看到,图像的边沿细节部分变得平滑,这也是相干性造成的原因。对物体的振幅和相位的重建结果由图7、图8和图9给出。其中图7给出了使用激光光源时被测物体的重建振幅分布(图7(a))和相位分布(图7(b),未解包裹)。其中图8给出了使用LED光源时被测物体的重建振幅分布(图8(a))和相位分布(图8(b),未解包裹)。可以看出,激光光源的重建结果明显受到全息图中散斑和寄生干涉的影响,而基于LED光源重建得到的振幅和相位图比较清晰,消除了散斑和寄生干涉的噪声,重建质量得到了很大提高。

4 结论

本文研究了LED的相干性及其在数字全息中的应用。指出了LED用于数字全息的条件和局限:LED光源必须被针孔滤波,被测物体厚度应该在微米或者纳米数量级,并且基于LED的数字全息一般只能应用于同轴数字全息。实验结果表明,在数字全息中使用LED作为光源,散斑噪声和寄生干涉噪声被很好地抑制乃至消除,可以获得比激光高得多的全息图质量和物光场重构质量。