Experimental study of speckle generated by semiconductor light sources: application in double pass imaging

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

Experimental study of speckle generated by semiconductor light sources: application in double pass imaging

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.Postprint (published version

Incoherent Light Sources for Speckle Reduction in Double Pass Ocular Imaging

Postprint (published version

Speckle reduction in double-pass retinal images

Postprint (published version

Experimental study of speckle patterns generated by low-coherence semiconductor laser light

Speckle is a wave interference phenomenon that has been studied in various fields, including optics, hydrodynamics, and acoustics. Speckle patterns contain spectral information of the interfering waves and of the scattering medium that generates the pattern. Here, we study experimentally the speckle patterns generated by the light emitted by two types of semiconductor lasers: conventional laser diodes, where we induce low-coherence emission by optical feedback or by pump current modulation, and coupled nanolasers. In both cases, we analyze the intensity statistics of the respective speckle patterns to inspect the degree of coherence of the light. We show that the speckle analysis provides a non-spectral way to assess the coherence of semiconductor laser light.Postprint (published version

Experimental characterization of the speckle pattern at the output of a multimode optical fiber

Speckle patterns produced by coherent waves interfering with each other are undesirable in many imaging applications (for example, in laser projection systems) but on the other hand, they contain useful information that can be exploited (for example, for blood flow analysis or reconstruction of the object that generates the speckle). It is therefore important to understand how speckle can be enhanced or reduced by tailoring the coherence of laser light. Using a conventional semiconductor laser and a multimode optical fiber we study experimentally how the speckle pattern depends on the laser pump current and on the image acquisition settings. By varying the pump current from below to above the lasing threshold, and simultaneously tuning the image exposure time to compensate for the change in brightness, we find conditions that allow for recorded images with similar average intensity, but with speckle contrast (the standard deviation of the intensity over the average intensity) as low as 0.16, or as high as 0.99.Peer ReviewedPostprint (published version

Toward Waveform-Based Characterization of Slab & Mantle Wedge (SAM) Earthquakes

Earthquakes in subduction zones occur in the slab mantle, in the subducting crust, on the subduction plate interface, and, in some cases, in the mantle wedge–regions that are separated by strong seismic discontinuities. These discontinuities are typically imaged with techniques using teleseismic waves, while local earthquakes are located based on arrival times. While this combination of imaging and earthquake location provides a good initial overview of where the earthquakes are located, the uncertainties associated with the two approaches are too large (i.e., few kilometers) to robustly identify on which side of a discontinuity (with thickness urn:x-wiley:21699313:media:jgrb55116:jgrb55116-math-0001100 m) the earthquakes occurred. Here we investigate how the waveforms of local earthquakes, which contain secondary phases arising from wave scattering at discontinuities, can be exploited to determine the source region of subduction zone earthquakes more robustly. Our investigation involves a three-step approach and includes an application to data from western Greece. First, to identify characteristic secondary phases, we analyzed synthetic seismograms from a generic 2-D subduction zone. Second, to enhance the visibility of secondary phases in field data, we implemented a workflow to process three-component seismograms. Third, to identify individual secondary phases in the data, we matched their timing to arrivals computed in a 3-D velocity model. We identified on average two to three secondary arrivals per station. These include P- and S-reflections from the plate interface which indicate hypocenters in the mantle wedge, and P-reflections from the slab Moho which indicate hypocenters on the plate interface and in the subducting crust.publishedVersio

The role of multilateral organizations and governments in advancing social innovation in health care delivery

Abstract Background Despite great medical advances and scientific progress over the past century, one billion people globally still lack access to basic health care services. In the context of the 2030 Agenda for Sustainable Development social innovation models aim to provide effective solutions that bridge the health care delivery gap, address equity and create social value. This commentary highlights the roles of multilateral organizations and governments in creating an enabling environment where social innovations can more effectively integrate into health systems to maximize their impact on beneficiaries. Main text The integration of social innovations into health systems is essential to ensure their sustainability and the wide dissemination of their impact. Effective partnerships, strong engagement with and endorsement by governments and communities, regulations, trust and sometimes willingness are key factors to enhance system integration, replication and dissemination of the models. Three examples of social innovations selected by the Social Innovation in Health Initiative illustrate the importance of engaging with governments and communities in order to link, integrate and synergize their efforts. Key challenges that they encountered, and lessons learnt are highlighted. Multilateral organizations and governments increasingly engage in promoting and supporting the development, testing and dissemination of social innovations to address the health care delivery gap. They play an important role in creating an enabling environment. This includes promoting the concept of social innovation in health care delivery, spreading social innovation approach and lessons learnt, fostering partnerships and leveraging resources, convening communities, health system actors and various stakeholders to work together across disciplines and sectors, and nurturing capacity in countries. Conclusions Multilateral organizations and local and national governments have a critical role to play in creating an enabling environment where social innovations can flourish. In supporting and disseminating social innovation approach, multilateral organizations and governments have a great opportunity to accelerate Universal Health Coverage and the achievement of the Sustainable Development Goals

Seismicity modulation due to hydrological loading in a stable continental region: A case study from the Jektvik swarm sequence in Northern Norway

Seismic swarms have been observed for more than 40 yr along the coast of Nordland, Northern Norway. However, the detailed spatio-temporal evolution and mechanisms of these swarms have not yet been resolved due to the historically sparse seismic station coverage. An increased number of seismic stations now allows us to study a nearly decade-long sequence of swarms in the Jektvik area during the 2013–2021 time window. Our analysis resolves four major groups of seismic events, each consisting of several spatial clusters, that have distinct spatial and temporal behaviours. Computed focal mechanism solutions are predominantly normal with NNE–SSW strike direction reflecting a near-vertical maximum principal stress and a NW–SE near-horizontal minimum principal stress, which are controlled by local NW–SE extension. We attribute the swarms to fluid-saturated fracture zones that are reactivated due to this local extension. Over the time period, the activity tends to increase between February and May, which coincides with the late winter and beginning of spring time in Norway. We hypothesize that the seismicity is modulated seasonally by hydrological loading from snow accumulation. This transient hydrological load results in elastic deformation that is observed at local Global Navigation Satellite System stations. The loading is shown to promote failure in a critically stressed normal faulting system. Once a segment is activated, it can then also trigger neighboring segments via stress transfer. Our new results point to a close link between lithosphere and hydrosphere contributing to the occurrence of seismic swarm activity in northern Norway.publishedVersio