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体积 2021. |文章ID. 3806340 | https://doi.org/10.1155/2021/3806340

宏君王,朱良朱,宾凯刘,生气 菲索干涉法对扩散器降噪特性的分析“,国际光学杂志 卷。2021. 文章ID.3806340 13. 页面 2021. https://doi.org/10.1155/2021/3806340

菲索干涉法对扩散器降噪特性的分析

学术编辑:阿德里安·帕多利
已收到 20月20日20日
修改 12月12日12月12日
公认 2021年2月17日
发表 2021年2月23日

摘要

为了解决干涉图像的相干噪声问题,采用旋转扩散器的方法来改变光束的相干性以降低干扰系统的噪声。模拟了漫射器的速度与光边对比度系统的信噪比(SNR)之间的关系,以获得最佳干涉条纹状态所需的扩散器控制参数。分析了每个图像的条纹对比度和系统的SNR。结果表明,扩散器的速度增加降低了干扰图像到一定程度的对比度,但是增加的速度也有效地改善了SNR并促进了随后的干扰图像处理。由于干涉式系统中的相干噪声,旋转扩散器的方法降低了光束的相干措施来抑制干扰图像的噪声。通过分析具有不同表面粗糙度的旋转漫射器的相干降噪特性,模拟了表面粗糙度与不同旋转速度的噪声对比之间的关系,选择了具有降噪效果的有效粗糙度范围。基于FIZEAU干扰构建降噪系统,收集和计算干扰图像的噪声对比度。有效范围σH/λ当转速为10 r / s时为0.2-0.5,而有效范围σH/λ当旋转速度为100 r / s时为0.4-0.6。实验结果表明,表面粗糙度和波长比σH/λ当噪声对比度朝向1的噪声对比时,旋转扩散器增加,但随着扩散器的转速的增加,表面粗糙度的有效范围降低。

1.介绍

在干扰系统中,光学元件表面上的缺陷(例如凹陷,气泡,灰尘和疤痕)是新的光源。当激光具有高度的相干性时,由缺陷形成的光源产生大量的相干噪声,这在干涉图中创造了牛顿环,从而影响干扰图的质量并进一步影响干扰图像处理,形成测量误差[12]。影响干扰结果的相干噪声是系统的内在噪声。内在噪声的抑制是干涉仪设计中的难题。因此,为了抑制内在噪声,多年来,专家和学者所取得了许多努力。例如,使用多个光纤耦合来产生相位变化,光学楔用于改变光路,并且移动散射或相移器用于减少激光相干[3.4.]。1970年,浅仓[5.[研究激光穿过旋转地面玻璃的空间相干性。1980年,夸尔等人。[6.]研究了红外干涉条纹对比度与表面粗糙度的关系。1983年,Harwalkar [7.等等。通过旋转磨光玻璃的散射光进行理论和实验研究。陈 [8.使用相移算法计算红外干涉条纹对比度并验证了边缘对比度与表面粗糙度之间的理论关系。2000年,Ziraki等人。[9.[将旋转扩散器应用于全息系统以抑制散斑噪声。Pitter等人。[10.]在2004年利用旋转扩散器外差干涉显微镜抑制相干全场显微镜图像中的相干噪声。Morris等人[11.]在干涉系统中增加一个旋转扩散器,然后在2010年有效地降低了光源的相干性。2011年,徐等人[12.[其他]计算干扰系统中的旋转地玻璃的统计特性。陈等。[13.]在2012年研究了在投影系统中使用旋转扩散器来减少散斑失真。2014年,乔等[14.[研究了全息系统旋转磨玻璃的去噪效果。2015年,王森和其他人研究了地面玻璃的转速对热鬼的成像质量的影响。这些结果表明,通过使用旋转地玻璃,可以降低系统的固有噪声,并且可以通过使用旋转地玻璃来改善系统的SNR。

在该研究中,主要分析了大直径Fizeau干涉仪中扩散器的降噪性能,以改善干扰图像的SNR并提高干扰图像的质量。研究了扩散器的光学调制理论,包括粗糙表面和旋转速度的调制理论,并模拟表面粗糙度和旋转速度对干涉图像的噪声抑制效果的影响。建立了基于FIZEAU干扰的噪声抑制系统。根据漫射器的表面粗糙度和旋转速度,验证了干扰图像的噪声抑制结果。将噪声对比度和图像SNR与模拟结果进行比较。

2.理论分析

2.1。菲索干涉仪

为了消除相干噪声,旋转扩散器靠近成像系统的焦平面,以调制进入成像系统的干扰梁,如图所示1。所示的术语RF和TF分别表示参考镜和测试镜。由激光发射的光通过空间滤光器以形成点光源,然后通过光束扩展器形成平行光。在通过参考镜和测试镜的平行光之后,在CCD上形成干涉图案。

2.2。扩压器转速对干涉图的影响

假设漫射器的事件波​​前是 扩压器引入的相为 扩散器以角速度围绕O旋转ω。然后,在时间T,波前XyT.)可以表达为

在等式中, 旋转中心到入射点的距离是和吗 是扩散器的初始旋转角度。点位置如图所示2。在测量过程中, ω是常数。然后, 只是时间的函数T.在等式(1)。

假设成像镜头倍率为1.然后,光场 在CCD上用

在等式中, 是成像系统的幅值点扩展函数。根据散斑干涉理论,散斑的相干时间, [15.], 是

在等式中,Z.是扩散器与成像系统的瞳孔之间的距离,D.是瞳孔入口直径,和λ是波长。在曝光时间内T.CCD,有 可以获得不同的散斑图像。当 足够大,斑点的对比度, [15.),是

根据干涉理论,干涉条纹的对比度, [15.),是

在等式中, 是测试光和参考光的延时时间。将干涉条纹对比度与散斑对比度的比值定义为干涉系统的信噪比(SNR)。因此,具有旋转扩散器的干扰系统的信噪比为

从方程(6.),可以看出干涉系统的信噪比与扩散器的旋转角速度、探测器的曝光时间以及不同光路的延迟时间有关。

2.3。扩散器表面粗糙度对干涉图案的影响

为了研究噪声对比度与漫射器的表面粗糙度之间的相应关系,假设散射类型是表面散射,如图所示3.

数字4.显示了自由空间中的反射光路径图, 是指示平均正常表面方向的单位矢量, 是表示入射光方向的单位矢量, 单位矢量显示右侧平面上的观察点的方向。

当光在漫射器的表面上垂直入射时,在表面的任何点处,相位延迟 与从表面传播并从表面散射相关的关联如下[15.]: 在哪里 是表面的正常外向 是指向观测点的单位向量。近轴成像, 等式(7.)可以简化为

假设入射强度为1,透光率为1,所以输出光一种 取决于粗糙表面的分布,表达式如下:

如果两个镜头的焦距相同,则成像系统的放大率为1,图像 协调可以写成卷积:

点扩散函数之间的关系 和瞳孔功能 成像系统是

假设系统没有像差,所以P.ξη)= P.ξη)是一个真正的价值。还有人认为P.在原点和点传播功能处为1H是一个真正的价值。

表面粗糙度之间的关系 噪声对比C可以如下取得:

基于等式(12.)可以看出,扩散器的不同表面粗糙度对噪声对比度不同。我们知道扩散器需要处于旋转状态,在噪声抑制中发挥作用,但上述理论没有考虑旋转速度,因此分析了不同表面粗糙度对噪声抑制的影响进行了不同的旋转速度,如下所述。

假设复杂幅度ααβ)表面上方的散射波通过纯几何类似的关系与表面高度有关。加入阶段α这表示从表面扩散和散射的相位延迟: 在哪里R.表示表面的平均幅度反射率S.αβ)表示整个散射点和φ上的照明的复幅幅度表示表达式的点产品

当照明方向或观察方向偏离表面正常时,由于透视关系,表面的高度波动减小。方差之间的关系 相移和方差 表面高度波动是

相移相关函数Гφ之间的关系(δα,∆β)和归一化相关函数 表面高度波动是

光场的归一化自相关函数是

然后,关于相对函数进行了数学假设必威2490μH表面高度波动: 在哪里 R.C是归一化表面相关的半径下降到1 /E.。所以,

扩散器的表面高度波动,并且R.是相干噪音的位移。当漫射器旋转时,相干噪声位移等于扩散器的转速和曝光时间的乘积;那是,R.=vt,如图所示5.。通过代替R.= into方程19.),可以获得以下表达式:

空间相干区域 非分隔反射组件是

因此,

在这里,Ei (X)是指数整体功能和ε是欧拉常数。数量 这些完全非相干的噪声场是空间相干区域的比率一种K.总照明面积一种α;人们发现

将方程(23.)代入式(12.)在扩散器的表面粗糙度和噪声对比之间产生了新的数值关系:

3.模拟

3.1。系统参数

根据测量原理,建立了外汇干扰实验系统。延迟时间 在测试光路和参考光路之间是 曝光时间T. 瞳孔直径 波长是7毫米吗 是650 nm,距离 在旋转中心和入射光的直径之间为20mm。

3.2。旋转速度和图像质量之间的关系

漫射器的转速与相干时间之间的关系可以根据等式计算(3.),如图所示6(a)。从数字中可以看出6(a),随着扩压器转速的增加,相干时间逐渐减小,下降速度随着扩压器转速的增加而减慢。根据式(6.),漫射器的转速与系统的对比度,以及系统的信噪比之间的关系,如图所示6(b)-6(d)。数字6(b)结果表明,随着扩散速度的增加,图像的信噪比有所提高。当扩压器速度在 边缘对比度在0.999-0.994之间,下降的相对值并不明显,并且保留了更多的边缘信息。同时,斑点对比的相对值在0.5和0.3之间。与边缘对比度的相对值相比,降低趋势是显而易见的,表明漫射器的旋转速度适当增加可以有效地抑制干扰图像的相干噪声。

3.3。漫射器转速与图像质量之间的关系

方程(24.)描述了在不同转速下不同表面粗糙度对相干噪声对比度的影响N0.等于5,10,100和1000.不同的效果N0.在范围内模拟不同旋转速度的噪声对比度σH/λ(波长标准化的表面高度标准偏差)等于0.2-0.68。模拟关系曲线如图所示7.8.

数字7.给出了不同转速下噪声对比度C与表面粗糙度的关系 和n0.。从图中可以看出(1)为理想的平面(σH/λ = 0), the noise contrast was 0; (2) asσH/λ增加,对比度最终达到1;(3)随着扩压器转速的增大,饱和对比度对应的表面粗糙度也随之增大。

噪声对比度C与的关系N0.,不同的旋转频率 σH/λ不同的扩散器如图所示8.。从图中可以看出,对于小粗糙度值,对比度C首先用参数n增加0.然后最后连续接近零。这是由镜面反射分量的不同依赖性和光的漫射分量对n的值引起的0.。特别是在光路中,反射光中的镜面反射成分总是以第一个透镜焦平面的光轴上的一个小光斑的形式出现,而漫射光则充满整个瞳孔。为了改变N,必须改变瞳孔的大小0.并减少瞳孔增加n0.。当镜面反射部件总是限于光轴区域时,当瞳孔的直径降低时,镜面反射部件不会受到影响。然而,随着瞳孔缩小,传递的散射光的平均强度与瞳孔区域成比例地减小。因此,当值σH/λ小,n0.从1或更多增加,使噪声对比度从零增加。此外,当N0.最后,进一步增加了σ一世减少和 保持不变,因此对比度下降。最后,当瞳孔尺寸足够小时,散射光和反射光都受到影响,噪音对比度C不会落下0.

4.实验研究

如图所示9.,在构建的菲索干涉系统中,扩散器放置在成像系统焦点附近,其粗糙度为 数字10.显示实验中使用的扩散器。扩散器的直径为50mm,厚度为3mm。

为了测试扩散器的不同表面粗糙度,用于噪声抑制效果,使用了一系列不同的扩散器粗糙度。通过Taylor Hobson PGI光学仪测量漫射器的粗糙度,如表所示1


设计的RMS粗糙度(NM) 实际rms粗糙度(nm) 错误(nm)

0.2 126.56 135.9 9.34
0.3 189.84 199.8. 9.96
0.35 221.48 216.7 -4.83
0.4 253.12 244.4 −8.7
0.47 297.4 300.3. 2.9
0.5 316.4 305.1 -11.3.
0.6 379.68 390.3 10.62
0.7 442.96 458.7 15.74

基于噪声估计处理,对于已知表面粗糙度的情况,对于扩散器的不同速度,条纹对比度,斑点对比度,图像对比度和图像SNR如图所示11.。从数字中可以看出11.,随着扩散器转速的逐渐增大,干涉图像的条纹对比度、散斑对比度、图像对比度均呈现下降趋势,图像信噪比增大。旋转扩散器可以在抑制相干噪声的同时降低干涉图像的对比度,提高图像的信噪比。图中显示了扩压器不同转速下的干涉图像12.。从图中可以看出,随着漫射器的转速的增加,尽管图像的对比度降低到一定程度,但是图像的信噪比得到改善,并且有效地噪音压制。

为了在扩散器表面粗糙度中的不变性的条件,调整电动机的旋转速度,并且针对不同的旋转速度获取干涉图像。由于需要分析不同表面粗糙度对噪声对比度的影响,干预必须是分开的。Wiener滤波方法用于分离图像噪声,然后对不同旋转速度的噪声对比度如图所示13.

从数字中可以看出13.,扩压器表面粗糙度能有效抑制噪声随扩压器转速的增加而增大,但能有效抑制噪声的表面粗糙度的有效范围逐渐减小,这与仿真结果高度一致。当转速为10 r/s时,有效范围为 在0。2到0。6之间。当转速为100 r/s时,有效范围为 在0。4到0。6之间。的值越小 噪音的对比度越小,显而易见的降噪效果。但是,当 越大,扩压器的表面散射特性越好。整个光场充满噪声,对噪声没有抑制作用,但严重影响了干涉图像的质量。实验所用扩压器的实际表面粗糙度与设计表面粗糙度之间存在较大误差,导致实验结果与模拟结果数值之间存在较大误差。但实验结果与仿真结果基本一致,一致性较好。

结论

在这项研究中,分析了对不同干涉仪中扩散器的转速与干扰条纹的对比度,散斑对比度,图像对比度,SNR和相干时间之间的关系进行了分析,并用实验验证。实验结果表明,通过在干扰系统中添加旋转扩散器,显然抑制了干扰系统的噪声。同时,随着转速的增加,干涉图像的条纹对比度,并且改善了图像信噪比,这表明了实验结果和模拟结果的一致性。因此,当使用旋转扩散器来减少干扰系统的噪声时,我们必须选择适当的表面粗糙度和匹配的旋转速度。必须适当地降低噪声对比度,从而可以优化干扰图像的质量。

数据可用性

用于支持本研究结果的仿真分析数据包括在文章中。用于支持本研究结果的实验​​测量数据包括在文章中。

的利益冲突

作者声明他们没有利益冲突。

致谢

本研究得到国家自然科学基金项目(批准号:)的资助。陕西省科技厅科研项目(批准号:JSZL2018411C001);2020 gy - 045)。作者感谢LetPub (http://www.letpub.com.)在编写本手稿期间的语言援助。

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