Спеклы (от англ. speckle - пятнышко, крапинка) - пятнистая структура
в распределении интенсивности когерентного света, отражённого от шероховатой
поверхности, неровности к-рой соизмеримы с длиной волны света
,
или прошедшего через среду со случайными флуктуациями показателя преломления.
С. возникают вследствие интерференции света, рассеиваемого отд.
шероховатостями объекта. Т. к. поверхность предмета освещается когерентным
светом, то интерферируют все рассеянные лучи и интерференц. картина имеет
не периодическую, а хаотич. структуру. На рис. 1 представлена фотография
спекл-структуры, возникающей при рассеянии высокоинтенсивного (лазерного)
пучка света, проходящего через матовое стекло.
Можно различить два случая образования С.- в пространстве предметов
и в пространстве изображений. В пространстве предметов возникают т. н.
объективные С. Свет от лазера (рис. 2) освещает шероховатую,
диффузно рассеивающую поверхность; полная амплитуда световой волны в точке
наблюдения является суммой векторов амплитуд волн, рассеянных всеми точками
освещённой поверхности. Эти волны имеют случайные фазы, и в результате
их сложения получается случайная результирующая амплитуда. При изменении
координат точки наблюдения полная амплитуда (и интенсивность) принимает
различные, также случайные значения, что и обусловливает появление С. Поперечное
смещение точки наблюдения (без изменения расстояния до рассеивающей поверхности)
ведёт к быстрому изменению разности хода между интерферирующими волнами
и, соответственно, к мелкомасштабным изменениям интенсивности. Продольное
смещение точки наблюдения ведёт к относительно медленным изменениям разности
хода и, соответственно, к относительно крупномасштабным флуктуациям интенсивности.
Др. словами, отдельные С. имеют вытянутую вдоль направления наблюдения
сигарообразную форму.
Рис. 1. Фотография объективных спеклов.
Рис. 2. Схема образования объективной спекл-структуры: Л - лазер; РП - рассеивающая поверхность; S - точка наблюдения.
Средний поперечный диаметр спекла
где
- угл. диаметр освещённой когерентным светом шероховатой поверхности. Средний
продольный размер спекла
В пространстве изображений образуются т. н. субъективные С. При наблюдении
субъективных С. изображение предмета оказывается промодулированньш спекл-структурой.
В этом случае ср. размеры С. также описываются ф-лами (1) и (2), где
- угл. размеры линзы, образующей изображение (рис. 3). Субъективные С.
обусловлены интерференцией волн, исходящих из всех элементов микроструктуры
поверхности объекта в пределах пятна разрешения оптич. системы, т. е. предполагается,
что оптич. система не разрешает микроструктуру поверхности.
Рис. 3. Схема образования субъективной спекл-структуры (структуры
изображения): Л - лазер; РП - рассеивающая поверхность; L - линза; S -
точка изображения.
Рис. 4. Гало дифракции с полосами Юнга.
Спекл-структура изображений проявляется как при фотографировании в когерентном
свете, так и в голографии. В последнем случае размеры С. также определяются
по ф-лам (1) и (2), где
-
угл. размеры голограммы.
Спеклы мешают рассматриванию объектов, освещённых когерентным светом, поэтому для их устранения используют разл. методы, сводящиеся либо к существ. уменьшению размеров С., либо к усреднению спекл-структуры во времени при случайном изменении распределения фазы волны, освещающей объект (или голограмму). Но С. имеют и широкое практич. применение в спекл-фотографии и спекл-интерферометрии [1-3, 5] для регистрации перемещений и деформаций объектов с диффузной поверхностью, для измерения шероховатостей поверхности, в астрономии для измерения видимого диаметра звёзд и при изучении двойных звёзд.
Простейший вариант спекл-фотографии сводится к фотографированию объекта на одну и ту же фотопластинку до и после смещения или деформации. При освещении полученной таким способом спекл-фотографии нерасширенным лазерным пучком в дальней зоне наблюдается гало дифракции с полосами Юнга (рис. 4), ориентация и период к-рых определяются направлением и величиной смещения объекта между экспозициями. При изменениях микроструктуры объекта между экспозициями, что может быть обусловлено эрозией или коррозией поверхности, контактными взаимодействиями с др. телами, износом и т. д., идентичность спекл-структур, образованных объектом до и после смещения, нарушается и контраст полос Юнга уменьшается, что используют для изучения указанных явлений.
Кроме фотогр. вариантов спекл-фотографии и спекл-интерферометрии развивают и электронные варианты этих методов, к-рые сводятся к электронной записи и сравнению спекл-структур, записанных до и после изменений, произошедших с объектом, напр. с помощью телевиз. систем [2, 3].
Ю. И. Островский
|
|
 |
