LED光源数字全息技术研究

文章编号:1002-2082(2010)02-0237-05

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

中图分类号:TN 312.8;T B 877 文献标志码:A

LED -based digital holography

GONG Qiong 1,QIN Yi

2

(1.College of physics and electr onic Engineer ing,Nanyang Norma l University,Na nyang 473000,China;

2.Depar tment of Optoelectr onic Engineer ing ,Jinan Univer sity ,Guangzhou 510632,China )

Abstract :T he shor t coher ence digital holography based on LED was studied .T he time coherence and spatial coherence of the LED were studied respectively.Although the time coherence of the LED is very short,the spatial coherent of the LED can be further improved by decreasing the area of the light sour ce .T he noise in digital hologr aphy could be suppressed by utilizing the shor t coherence and the quality of the retr ieved field is enhanced.T he digital holography by means of laser and LED was carried out respectively,then the quality of the reconstructed fields wer e compar ed.The r esults show that the speckle noise and multiple reflections,which are introduced by laser sour ce ,are completely eliminated in the digital holography based on LED .Consequently,the quality of the reconstructed object field,including amplitude and phase distr ibution,is greatly improved.However ,owing to the short coherence of LED,the application is confined to in -line digital holography ,the thickness of the object to be measured should be no longer than tens of microns .

Key wor ds :holography;digital hologr aphy;partial coher ent source;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

收稿日期:2009-09-10;　修回日期:2009-09-28

作者简介:巩琼(1982-),女,甘肃天水人,助教,主要从事通信与光电信息处理方面的研究。E -mail :641858757@qq .com

第31卷第2期2010年3月 应用光学Journal of Applied Optics

Vol.31No.2

Mar.2010

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。

图1　基于LED 数字全息实验装置

Fig .1　Exper iment al setup of digital hologr aphy

based on LED

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L c 。

L c 可由下式表示[8]

:

L c =K 2$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　归一化的LED 光谱分布

F ig .2　Nor malized spectr al distr ibution of the

light intensity emitted by the LED

图2中心波长K ≈655nm,半峰值谱线宽度$K

=24nm ,因此其相干长度L c =K 2

/$K ≈17.8L m 。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

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238·应用光学　2010,31(2) 巩　琼,等:LED 光源数字全息技术研究