[科普中國(guó)]-散斑

概述

自1960年激光器問(wèn)世后不久，人們就觀察到了一種現(xiàn)象：被激光照明的物體，其表面呈現(xiàn)顆粒狀結(jié)構(gòu)。這種顆粒狀態(tài)被取名為"激光散斑"。這種強(qiáng)度隨機(jī)分布的散斑圖樣，可以由激光在粗糙表面反射或激光通過(guò)不均勻媒質(zhì)時(shí)產(chǎn)生。因?yàn)榇蠖鄶?shù)物體表面對(duì)光波的波長(zhǎng)（以氦氖激光器為例，λ≈0.6μm）來(lái)講是粗糙的，由于激光的高度相干性，當(dāng)光波從物體表面反射時(shí)，物體上各點(diǎn)到適當(dāng)距離的觀察點(diǎn)的振動(dòng)是相干的。因此觀察點(diǎn)的光場(chǎng)是由粗糙表面上各點(diǎn)發(fā)出的相干子波的疊加。因?yàn)榇植诙却笥诠獠úㄩL(zhǎng)，所以物體各點(diǎn)發(fā)出子波到達(dá)觀察點(diǎn)的位相是隨機(jī)分布的。相干疊加結(jié)果就產(chǎn)生了散斑的隨機(jī)強(qiáng)度圖樣──顆粒狀。顯然，這種隨機(jī)強(qiáng)度分布圖樣可用統(tǒng)計(jì)方法來(lái)描述。從牛頓時(shí)代起一些科學(xué)家就觀察到散斑現(xiàn)象。I.牛頓在當(dāng)時(shí)就解釋過(guò)為什么能觀察到恒星的閃爍現(xiàn)象而觀察不到行星的類似現(xiàn)象?，F(xiàn)在人們知道這兩類星體的空間相干性是不同的。1877年K.?？怂辜{研究散射光干涉現(xiàn)象時(shí)，在夫瑯和費(fèi)衍射亮環(huán)內(nèi)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(fā)表的夫瑯和費(fèi)照片更清楚地顯示了輻射顆粒狀結(jié)構(gòu)，并討論了它的統(tǒng)計(jì)特性。

但是對(duì)散斑現(xiàn)象作大量深入的研究，以及開(kāi)辟日益廣泛的應(yīng)用，還是在激光器出現(xiàn)之后。激光器是散斑研究和應(yīng)用的理想相干光源。人們對(duì)散斑的統(tǒng)計(jì)性質(zhì)進(jìn)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?yàn)樯邎D樣對(duì)相干成像系統(tǒng)來(lái)講，是一種很討厭的相干"噪聲"，它限制了成像系統(tǒng)的分辨率。為此人們?cè)铝τ诎焉咝?yīng)減至最小的研究，但是進(jìn)展不大。相反，近年來(lái)在利用散斑的特點(diǎn)應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域卻取得了不少進(jìn)展。

用散斑圖樣可對(duì)圖像信息進(jìn)行編碼和解碼、圖像相減、反襯度翻轉(zhuǎn)等。

激光散斑當(dāng)激光照射在墻壁、紙張、毛玻璃等這些平均起伏大于波長(zhǎng)數(shù)量級(jí)的光學(xué)粗糙表面(或透過(guò)光學(xué)粗糙的透射板)上時(shí)，這些表面上無(wú)規(guī)分布的面元散射的子波相互疊加使反射光場(chǎng)(或透射光場(chǎng))具有隨機(jī)的空間光強(qiáng)分布，呈現(xiàn)出顆粒狀的結(jié)構(gòu)，這就是激光散斑。

激光散斑具有隨機(jī)性，無(wú)空間參照性，它與無(wú)線電收音機(jī)的電噪聲一樣，對(duì)信息的傳遞是有害的。然而噪聲本身也是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的一種形式，在無(wú)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(yùn)用得當(dāng)，散斑也可以成為信息的載體。

激光散斑是激光照射在粗糙表面上而形成的，因此散斑圖樣的分布必定會(huì)依賴于被照表面的細(xì)微結(jié)構(gòu)，從而可以利用它來(lái)測(cè)量表面粗糙度;散斑是由大量細(xì)微的高反差亮斑構(gòu)成，根據(jù)“測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系”，它的頻譜本身必然很寬，因此可利用它對(duì)圖像信息編碼，進(jìn)行圖像的加減，信息存儲(chǔ)。

物體的位移或變形必然引起散斑場(chǎng)的變化，因此通過(guò)測(cè)量散斑場(chǎng)的變化就可以獲取物體的形變信息，這就是散斑計(jì)量技術(shù)的研究?jī)?nèi)容1。

散斑成因一般地說(shuō)，電磁波以至粒子束經(jīng)受介質(zhì)的無(wú)規(guī)散射后，其散射場(chǎng)常會(huì)呈現(xiàn)確定分布的斑紋結(jié)構(gòu)，這就是所謂的散斑。本文所要研究的散斑是由激光通過(guò)粗糙表面散射形成的，并且激光光源具有良好的相干性，而工作環(huán)境是不變的，隨機(jī)場(chǎng)的分布在時(shí)域上是穩(wěn)定的，只是空間坐標(biāo)的函數(shù)，只在某些必要的條件下特別指明時(shí)，才涉及到隨時(shí)間變化的光場(chǎng)的隨機(jī)特性。

從可見(jiàn)光波長(zhǎng)這個(gè)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(wú)規(guī)分布的大量面元構(gòu)成。當(dāng)相干光照明這樣的表面時(shí)，每個(gè)面元就相當(dāng)于一個(gè)衍射單元，而整個(gè)表面則相當(dāng)于大量衍射單元構(gòu)成的“位相光柵”。對(duì)比較粗糙的表面來(lái)說(shuō)，不同衍射單元給入射光引入的附加位相之差可達(dá)2π的若干倍。經(jīng)由表面上不同面元透射或反射的光振動(dòng)在空間相遇時(shí)將發(fā)生干涉。由于諸面元無(wú)規(guī)分布而且數(shù)量很大，隨著觀察點(diǎn)的改變，干涉效果將急劇而無(wú)規(guī)地變化，從而形成具有無(wú)規(guī)分布的顆粒狀結(jié)構(gòu)的衍射圖樣。以上是在光場(chǎng)通過(guò)自由空間傳播條件下對(duì)散斑成因的說(shuō)明(見(jiàn)圖1) 。如果物體表面通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)成像，只要成像系統(tǒng)的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)具有足夠的“寬度”，折算到物平面后能在物體表面覆蓋足夠多的面元(見(jiàn)圖2)，則來(lái)自這些面元的光線將在同一像點(diǎn)處相干疊加，從而形成散斑2。

散斑分類由散斑的成因可知，物體表面的性質(zhì)與照明光場(chǎng)的相干性對(duì)散斑觀象有著決定性的影響。物體表面的性質(zhì)不同，或照明光場(chǎng)的相干性不同，都會(huì)使散斑具有不同的特點(diǎn)。因此，根據(jù)兩個(gè)因素可以區(qū)分散斑的不同類型。此外，人們還常常按照光場(chǎng)的傳播方式，把散斑分成遠(yuǎn)場(chǎng)散斑(與夫瑯和費(fèi)衍射對(duì)應(yīng))、近場(chǎng)散斑(與菲涅耳衍射對(duì)應(yīng))和象面散斑三種類型，這種分類方式在理論研究和應(yīng)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(shí)質(zhì)上是象面散斑，后者則是通過(guò)自由空間傳播形成的近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)散斑。通常人們最感興趣的是在成像面及夫朗和費(fèi)衍射面上的散斑2。

散斑計(jì)量技術(shù)散斑干涉量度術(shù)它為非鏡面反射物體提供了一種高靈敏度測(cè)量方法。利用散斑圖樣可以測(cè)量物體的位移、振動(dòng)和形變，成為無(wú)損檢驗(yàn)的重要手段之一。它的優(yōu)點(diǎn)是可以調(diào)節(jié)散斑大小以適應(yīng)檢測(cè)器（膠片、電視等）的分辨率而并不降低精度。利用散斑的統(tǒng)計(jì)性質(zhì)可以測(cè)量物體表面粗糙度，假若表面均方根粗糙度小于照明光波的波長(zhǎng)，則粗糙度可由散斑的反襯度來(lái)測(cè)定。

星體散斑干涉量度術(shù)由于大氣擾動(dòng)，在長(zhǎng)時(shí)間曝光下望遠(yuǎn)鏡得到的星體像的分辨本領(lǐng)遠(yuǎn)低于望遠(yuǎn)鏡的衍射極限。例如一個(gè)5米直徑望遠(yuǎn)鏡的衍射極限約0.02角秒,而在長(zhǎng)曝光時(shí)間下的分辨率只有1角秒。在短曝光時(shí)間下（約10-2秒）,發(fā)現(xiàn)在星體的像上有類似散斑的結(jié)構(gòu)。散斑的大小與望遠(yuǎn)鏡的愛(ài)里斑的大小同數(shù)量級(jí)。以雙星為例，每個(gè)星都產(chǎn)生相同的散斑圖樣，由于雙星之間角距離，會(huì)使兩個(gè)完全相同的散斑圖樣在空間有一小位移，從而出現(xiàn)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。