基本介紹
- 中文名：散斑
- 外文名：Speckle
- 別稱：斑紋
- 發現時間：1960年
- 現象：被雷射照明物體表面呈顆粒狀結構
- 大小：與望遠鏡的愛里斑的大小同數量級
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散斑簡述
自1960年雷射器問世後不久，人們就觀察到了一種現象：被雷射照明的物體，其表面呈現顆粒狀結構。這種顆粒狀態被取名為"雷射散斑"。這種強度隨機分布的散斑圖樣，可以由雷射在粗糙表面反射或雷射通過不均勻媒質時產生。因為大多數物體表面對光波的波長（以氦氖雷射器為例，λ≈0.6μm）來講是粗糙的，由於雷射的高度相干性，當光波從物體表面反射時，物體上各點到適當距離的觀察點的振動是相干的。因此觀察點的光場是由粗糙表面上各點發出的相干子波的疊加。因為粗糙度大於光波波長，所以物體各點發出子波到達觀察點的位相是隨機分布的。相干疊加結果就產生了散斑的隨機強度圖樣──顆粒狀。顯然，這種隨機強度分布圖樣可用統計方法來描述。從牛頓時代起一些科學家就觀察到散斑現象。I.牛頓在當時就解釋過為什麼能觀察到恆星的閃爍現象而觀察不到行星的類似現象。現在人們知道這兩類星體的空間相干性是不同的。1877年K.埃克斯納研究散射光干涉現象時，在夫琅和費衍射亮環內觀察到輻射顆粒狀散斑圖樣，這種輻射狀是光源單色性不夠引起的。1914年M.von勞厄發表的夫琅和費照片更清楚地顯示了輻射顆粒狀結構，並討論了它的統計特性。
但是對散斑現象作大量深入的研究，以及開闢日益廣泛的套用，還是在雷射器出現之後。雷射器是散斑研究和套用的理想相干光源。人們對散斑的統計性質進行了深入的研究，包括相干和部分相干、偏振和部分偏振等情況。因為散斑圖樣對相干成像系統來講，是一種很討厭的相干"噪聲"，它限制了成像系統的解析度。為此人們曾致力於把散斑效應減至最小的研究，但是進展不大。相反，近年來在利用散斑的特點套用於各個領域卻取得了不少進展。
用散斑圖樣可對圖像信息進行編碼和解碼、圖像相減、反襯度翻轉等。
雷射散斑
當雷射照射在牆壁、紙張、毛玻璃等這些平均起伏大于波長數量級的光學粗糙表面(或透過光學粗糙的透射板)上時，這些表面上無規分布的面元散射的子波相互疊加使反射光場(或透射光場)具有隨機的空間光強分布，呈現出顆粒狀的結構，這就是雷射散斑。
雷射散斑具有隨機性，無空間參照性，它與無線電收音機的電噪聲一樣，對信息的傳遞是有害的。然而噪聲本身也是物質運動的一種形式，在無線電廣播中人們就利用高頻電波作載波傳遞信息。因此，只要運用得當，散斑也可以成為信息的載體。
雷射散斑是雷射照射在粗糙表面上而形成的，因此散斑圖樣的分布必定會依賴於被照表面的細微結構，從而可以利用它來測量表面粗糙度;散斑是由大量細微的高反差亮斑構成，根據“測不準關係”，它的頻譜本身必然很寬，因此可利用它對圖像信息編碼，進行圖像的加減，信息存儲。
物體的位移或變形必然引起散斑場的變化，因此通過測量散斑場的變化就可以獲取物體的形變信息，這就是散斑計量技術的研究內容。
散斑成因
一般地說，電磁波以至粒子束經受介質的無規散射後，其散射場常會呈現確定分布的斑紋結構，這就是所謂的散斑。本文所要研究的散斑是由雷射通過粗糙表面散射形成的，並且雷射光源具有良好的相干性，而工作環境是不變的，隨機場的分布在時域上是穩定的，只是空間坐標的函式，只在某些必要的條件下特別指明時，才涉及到隨時間變化的光場的隨機特性。
圖1 散斑成因
圖1 散斑成因從可見光波長這個尺度看，一般物體表面都很組糙，這樣的表面可以看作是由無規分布的大量面元構成。當相干光照明這樣的表面時，每個面元就相當於一個衍射單元，而整個表面則相當於大量衍射單元構成的“位相光柵”。對比較粗糙的表面來說，不同衍射單元給入射光引入的附加位相之差可達2π的若干倍。經由表面上不同面元透射或反射的光振動在空間相遇時將發生干涉。由於諸面元無規分布而且數量很大，隨著觀察點的改變，干涉效果將急劇而無規地變化，從而形成具有無規分布的顆粒狀結構的衍射圖樣。以上是在光場通過自由空間傳播條件下對散斑成因的說明(見圖1) 。如果物體表面通過光學系統成像，只要成像系統的點擴散函式具有足夠的“寬度”，折算到物平面後能在物體表面覆蓋足夠多的面元(見圖2)，則來自這些面元的光線將在同一像點處相干疊加，從而形成散斑。
圖2 散斑成因
圖2 散斑成因散斑分類
由散斑的成因可知，物體表面的性質與照明光場的相干性對散斑觀象有著決定性的影響。物體表面的性質不同，或照明光場的相干性不同，都會使散斑具有不同的特點。因此，根據兩個因素可以區分散斑的不同類型。此外，人們還常常按照光場的傳播方式，把散斑分成遠場散斑(與夫琅和費衍射對應)、近場散斑(與菲涅耳衍射對應)和象面散斑三種類型，這種分類方式在理論研究和套用研究中也都是有意義的。也可按照觀察條件而將散斑分成主觀散斑與客觀做斑兩種類型，前者實質上是象面散斑，後者則是通過自由空間傳播形成的近場和遠場散斑。通常人們最感興趣的是在成像面及夫朗和費衍射面上的散斑。
散斑計量技術
散斑干涉量度術
它為非鏡面反射物體提供了一種高靈敏度測量方法。利用散斑圖樣可以測量物體的位移、振動和形變，成為無損檢驗的重要手段之一。它的優點是可以調節散斑大小以適應檢測器（膠片、電視等）的解析度而並不降低精度。利用散斑的統計性質可以測量物體表面粗糙度，假若表面均方根粗糙度小於照明光波的波長，則粗糙度可由散斑的反襯度來測定。
星體散斑干涉量度術
由於大氣擾動，在長時間曝光下望遠鏡得到的星體像的分辨本領遠低於望遠鏡的衍射極限。例如一個5米直徑望遠鏡的衍射極限約0.02角秒,而在長曝光時間下的解析度只有1角秒。在短曝光時間下（約10-2秒）,發現在星體的像上有類似散斑的結構。散斑的大小與望遠鏡的愛里斑的大小同數量級。以雙星為例，每個星都產生相同的散斑圖樣，由於雙星之間角距離，會使兩個完全相同的散斑圖樣在空間有一小位移，從而出現類似楊氏干涉的周期條紋。利用這種條紋信息可求得雙星的角距離。推廣此方法可望得到星體的圖像。
