Experimental study of speckle generated by semiconductor light sources: application in double pass imaging
Authors:   , Halpaap Donatus 
Published: October 2023

With the double pass (DP) technique it is possible to quantify the optical quality of a patient's eye by measuring its point spread function. Due to the low reflectivity of the retina a high-intensity, point-like illumination source is required. Usually laser diodes (LDs) are used, but the coherent laser light produces speckle, an interference phenomenon that deteriorates image quality and can make DP images difficult or impossible to interpret. A low-cost solution to reduce speckle in DP imaging is to include a vibrating mirror in the optical path of the system and average over the different speckle realizations. However, vibrating mechanical parts are undesired because they limit longevity and reliability of medical equipment.
The goal of this thesis is to find an inexpensive non-mechanical solution for speckle reduction in DP imaging based on low-coherence semiconductor light sources. We compare an LD, a light-emitting diode (LED) and a superluminescent diode (SLED) in terms of speckle formation, cost and usability in DP systems. We find that the SLED is a good alternative to LD illumination, as the amount of speckle in the image is almost as low as that obtained with an LD and a vibrating mirror in the beam path. However, the SLED is not a low-cost solution. In order to identify a cost-efficient all-optical solution, we analyze the speckle generated by an LD as a function of its pump current. Our experiments suggest that driving the LD below the lasing threshold can be an inexpensive solution for speckle reduction. While undesired in many imaging applications, speckle can also contain useful information that is exploited, e.g., in blood flow analysis or for reconstruction of the object that generates the speckle pattern. We find that adjusting the pump current of an LD and the exposure time of the image acquisition system can be a simple and effective way to increase or reduce the amount of speckle by tailoring the coherence of light used for imaging. In particular, we identify conditions that allow to record images with similar average intensity, but with speckle contrast values as low as 0.16, or as high as 0.99.

Estudio experimental del speckle generado por fuentes de luz semiconductoras: aplicación en imágenes de doble paso
Con la técnica de doble paso (DP) es posible cuantificar la calidad óptica del ojo de un paciente midiendo la función de dispersión de punto. Debido a la baja reflectividad de la retina, se requiere una fuente de luz puntual de alta intensidad. Una fuente de luz ampliamente utilizada en sistemas de DP son los diodos láser (LD). Los diodos láser son fuentes de luz coherentes que producen patrones de interferencia cuando se ilumina una superficie rugosa. Este fenómeno de interferencia, denominado speckle, deteriora la calidad de la imagen y puede hacer que las imágenes de DP sean difíciles o imposibles de interpretar. Una solución eficaz y de bajo coste para reducir el speckle en las
imágenes de DP es incluir un espejo vibratorio en el camino óptico del sistema para promediar sobre las diferentes realizaciones de patrones de speckle. Sin embargo, las partes mecánicas vibratorias no son una solución óptima puesto que limitan la longevidad y fiabilidad de equipos médicos.
El objetivo de esta tesis es encontrar una solución no mecánica de bajo coste para la reducción de speckle en imágenes de DP basada en fuentes de luz semiconductoras de baja coherencia. Comparamos un LD, un diodo emisor de luz (LED) y un diodo superluminiscente (SLED) en términos de formación de speckle, coste y usabilidad en sistemas de DP. Encontramos que el SLED es una buena alternativa a la iluminación con LD, ya que la cantidad de speckle en la imagen es prácticamente la misma que la obtenida con un LD y un espejo vibratorio. Sin embargo, el SLED no es una solución de bajo coste. Con el fin de identificar una solución totalmente óptica y económicamente rentable, analizamos los patrones de speckle generados por un LD en función de su corriente de bombeo.
Nuestros experimentos sugieren que trabajar con corrientes por debajo del umbral del láser puede ser una solución económicamente viable para la reducción de speckle. En muchas aplicaciones de imaging se intenta evitar el speckle. De todas formas, el patrón de speckle puede contener información útil que se utiliza, por ejemplo, en el análisis del flujo sanguíneo o para la reconstrucción de objetos. Hemos observado que ajustar la corriente de bombeo de un LD (es decir, adaptar la coherencia de la luz utilizada para la toma de imágenes) puede ser una manera simple y efectiva de aumentar o reducir la cantidad de speckle. Para obtener imágenes con la misma intensidad hay que adaptar el tiempo de exposición del sistema de adquisición de imágenes. En particular, identificamos condiciones que permiten adquirir imágenes con una intensidad mediana similar, pero con valores de contraste de speckle que varían entre 0,16 y 0,99.

Estudi experimental de l’speckle generat per fonts de llum semiconductores: aplicació en imatges de doble pas
Amb la tècnica de doble pas (DP) és possible quantificar la qualitat òptica de l’ull d’un pacient
mesurant la funció de dispersió de punt. A causa de la baixa reflectivitat de la retina, es requereix una font de llum puntual d’alta intensitat. Una font de llum ampliament utilitzada en sistemes de DP són els díodes làser (LD). Els díodes làser són fonts de llum coherents que produeixen patrons d’interferència quan s’il·lumina una superficie rugosa. Aquest fenomen d’interferència, anomenat speckle, deteriora la qualitat de la imatge i pot fer que les imatges de DP siguin difícils o impossibles d’interpretar. Una solució eficaç i de baix cost per a reduir l’speckle en les imatges de DP és incloure un mirall vibratori en el camí òptic del sistema per tal de fer la mitjana sobre les diferents realitzacions de patrons d’speckle. No obstant, les parts mecàniques vibratòries no són una solució òptima ja que limiten la longevitat i fiabilitat d’equips mèdics.
L’objectiu d’aquesta tesi és trobar una solució no mecànica de baix cost per a la reducció d’speckle en imatges de DP basada en fonts de llum semiconductores de baixa coherència. Comparem un LD, un díode emissor de llum (LED) i un díode superluminiscent (SLED) en termes de formació d’speckle, cost i usabilitat en sistemes de DP. Trobem que l’SLED és una bona alternativa a la il·luminació amb LD, ja que la reducció de la quantitat d’speckle en la imatge és pràcticament la mateixa que l’obtinguda amb un LD i un mirall vibratori. Tanmateix, l’SLED no és una solució de baix cost. Amb la finalitat d’identificar una solució totalment òptica i econòmicament rendible, analitzem els patrons d’speckle generats per un LD en funció del seu corrent de bombeig. Els nostres experiments suggereixen que treballar amb corrents per sota del llindar d’encesa del làser pot ser una solució econòmicament viable per a la reducció d’speckle. En moltes aplicacions d’imaging s’intenta evitar l’speckle. Tot i així, el patró d’speckle pot contenir informació útil que s’utilitza, per exemple, en l’anàlisi del flux sanguini o per a la reconstrucció d’objectes. Hem observat que ajustar el corrent de bombeig d’un LD (és a dir, adaptar la coherència de la llum utilitzada per a la presa d’imatges) pot ser una manera simple i efectiva d’augmentar o reduir la quantitat d’speckle.
Per tal d’obtenir imatges amb la mateixa intensitat cal adaptar el temps d’exposició del sistema
d’adquisició d’imatges. En particular, identifiquem condicions que permeten adquirir imatges amb una intensitat mitjana similar, però amb valors de contrast d’speckle que varien entre 0,16 i 0,99.