Пятнистый узор - Википедия - Speckle pattern

«Лазерная спекл» перенаправляется сюда. Для использования в других целях см. Проверка зрения с помощью спекла.

А пятнистый узор производится взаимным вмешательство набора последовательных волновые фронты.[1][2] Хотя это явление исследовалось учеными еще со времен Ньютон, крапинки стали заметными с момента изобретения лазер. Они использовались во множестве приложений в микроскопии,[3][4] визуализация[5][6] и оптическое управление.[7][8][9]

Спекл-паттерн обычно встречается в диффузные отражения монохроматического света, такого как лазерный свет. Такие отражения могут возникать на таких материалах, как бумага, белая краска, шероховатые поверхности или на носителях с большим количеством рассеивающие частицы в космосе, например, в переносимой по воздуху пыли или в облачных жидкостях.[10]

Термин «спекл-паттерн» также обычно используется в сообществе экспериментальных механиков для описания паттерна физических спеклов на поверхности.[11][12] что полезно для измерения поля смещения через корреляция цифрового изображения.

Объяснение

Спекл-эффект является результатом интерференции множества волн одной и той же частоты, имеющих разные фазы и амплитуды, которые в сумме дают результирующую волну, амплитуда и, следовательно, интенсивность которой изменяется случайным образом. Если каждая волна моделируется вектором, то можно видеть, что если сложить несколько векторов со случайными углами, длина результирующего вектора может быть любой от нуля до суммы длин отдельных векторов - 2- размерный случайная прогулка, иногда называемый прогулкой пьяницы. В пределе множества интерферирующих волн распределение интенсивностей (выражающееся как квадрат длины вектора) становится экспоненциальным. , куда - средняя интенсивность.[1][2][13][14]

Когда поверхность освещается световой волной, согласно дифракция Согласно теории, каждая точка на освещенной поверхности действует как источник вторичных сферических волн. Свет в любой точке поля рассеянного света состоит из волн, рассеянных из каждой точки освещенной поверхности. Если поверхность достаточно шероховатая, чтобы создать разницу в длине пути, превышающую один длина волны, вызывая изменения фазы больше 2π, амплитуда и, следовательно, интенсивность результирующего света изменяется случайным образом.

Если используется свет с низкой когерентностью (т. Е. Состоящий из многих длин волн), то спекл-паттерн обычно не наблюдается, потому что спекл-паттерн, создаваемый отдельными длинами волн, имеет разные размеры и обычно усредняет друг друга. Однако в некоторых условиях спекл-структуры можно наблюдать при полихроматическом свете.[15]

Субъективные крапинки

Лазерная спекла на изображении цифровой камеры от зеленой лазерной указки. Это субъективная картина пятен. (Обратите внимание, что цветовые различия в изображении вызваны ограничениями системы камеры.)

Когда отображается шероховатая поверхность, которая освещается когерентным светом (например, лазерным лучом), в плоскости изображения наблюдается спекл-узор; это называется «субъективным пятнистым рисунком» - см. изображение выше. Это называется «субъективным», поскольку детальная структура спекл-рисунка зависит от параметров системы просмотра; например, если размер диафрагмы объектива изменяется, размер пятен изменяется. Если положение системы формирования изображения изменится, узор постепенно изменится и в конечном итоге не будет связан с исходным рисунком спеклов.

Это можно объяснить следующим образом. Каждая точка изображения может рассматриваться как освещенная конечной областью объекта.[требуется разъяснение ] Размер этой области определяется дифракционным разрешением линзы, которое задается Диск Эйри диаметр которого составляет 2,4 λu / D, где λ - длина волны света, ты - расстояние между объектом и линзой, а D диаметр апертуры объектива. (Это упрощенная модель построения изображений с дифракционным ограничением.)

Свет в соседних точках изображения был рассеян из областей, которые имеют много общих точек, и интенсивность двух таких точек не будет сильно отличаться. Однако две точки на изображении, которые освещены областями в объекте, разделенными диаметром диска Эйри, имеют не связанные между собой интенсивности света. Это соответствует расстоянию на изображении 2,4λv / D, где v расстояние между объективом и изображением. Таким образом, «размер» крапинок на изображении именно такого порядка.

Изменение размера спеклов в зависимости от апертуры линзы можно наблюдать, глядя непосредственно на лазерное пятно на стене, а затем через очень маленькое отверстие. Видно, что пятнышки значительно увеличиваются в размере. Кроме того, сам узор спеклов будет меняться при перемещении положения глаза при сохранении устойчивости лазерной указки. Еще одно доказательство того, что спекл-узор формируется только в плоскости изображения (в конкретном случае - глаза сетчатка ) состоит в том, что спеклы будут оставаться видимыми, если фокус глаза смещен от стены (это отличается от образца спеклов объективов, где видимость спеклов теряется при расфокусировке).

Объективные крапинки

Фотография спекл-рисунка объектива. Это световое поле, образовавшееся при рассеянии лазерного луча с пластмассовой поверхности на стену.

Когда лазерный свет, рассеянный шероховатой поверхностью, падает на другую поверхность, он образует «спекл-узор». Если фотопластинка или другой двухмерный оптический датчик находится в поле рассеянного света без линзы, получается спекл-узор, характеристики которого зависят от геометрии системы и длины волны лазера. Спекл-узор на рисунке был получен путем направления лазерного луча на поверхность мобильного телефона так, чтобы рассеянный свет падал на соседнюю стену. Затем была сделана фотография пятнистого рисунка на стене. Строго говоря, это также имеет второй субъективный спекл-узор, но его размеры намного меньше, чем объективный узор, поэтому его не видно на изображении.

Свет в данной точке спекл-структуры состоит из вкладов всей рассеивающей поверхности. Относительные фазы этих рассеянных волн меняются по всей рассеивающей поверхности, так что результирующая фаза в каждой точке второй поверхности изменяется случайным образом. Узор остается неизменным независимо от того, как он изображен, как если бы это был нарисованный узор.

«Размер» спеклов является функцией длины волны света, размера лазерного луча, который освещает первую поверхность, и расстояния между этой поверхностью и поверхностью, на которой формируется спекл-узор. Это происходит потому, что, когда угол рассеяния изменяется так, что относительная разность хода между светом, рассеянным из центра освещенной области, по сравнению со светом, рассеянным от края освещенной области, изменяется на λ, интенсивность становится некоррелированной. Изысканный[1] выводит выражение для среднего размера спеклов как λz / L, где L ширина освещаемой области и z - расстояние между объектом и местом расположения спекл-узора.

Спеклы ближнего поля

Объективные спеклы обычно получаются в дальней зоне (также называемой областью Фраунгофера, т.е. Фраунгофера дифракция бывает). Это означает, что они генерируются «далеко» от объекта, излучающего или рассеивающего свет. Спеклы могут наблюдаться также вблизи рассеивающего объекта в ближнем поле (также называемом областью Френеля, то есть областью, где Дифракция Френеля бывает). Такие крапинки называются крапинки ближнего поля. Видеть ближнее и дальнее поле для более строгого определения «близко» и «далеко».

Статистические свойства спекл-структуры в дальней зоне (то есть форма и размер спеклов) зависят от формы и размера области, пораженной лазерным светом. Напротив, очень интересной особенностью спеклов ближнего поля является то, что их статистические свойства тесно связаны с формой и структурой рассеивающего объекта: объекты, которые рассеиваются под большими углами, генерируют небольшие спеклы ближнего поля, и наоборот. Под Рэлей – Ганс Условие, в частности, размер спекла отражает средний размер рассеивающих объектов, в то время как, в целом, статистические свойства спеклов ближнего поля, генерируемых образцом, зависят от распределения светорассеяния.[16][17]

Фактически, условие, при котором появляются спеклы ближнего поля, было описано как более строгое, чем обычное условие Френеля.[18]

Оптические вихри в спекл-структурах

Спекл-интерференционная картина может быть разложена на сумму плоских волн. Существует множество точек, в которых амплитуда электромагнитного поля равна нулю. Эти точки были признаны дислокации волновых цугов .[19]Эти фазовые дислокации электромагнитного поля известны как оптические вихри.

Вокруг каждого ядра вихря существует круговой поток энергии. Таким образом, каждый вихрь в спекл-структуре несет оптический угловой момент. Плотность углового момента определяется выражением:[20]

Обычно вихри появляются попарно в виде спеклов. Эти пары вихрь - антивихрь размещены в пространстве случайным образом. Можно показать, что электромагнитный угловой момент каждой пары вихрей близок к нулю.[21] В ОВФ-зеркалах на основе вынужденного рассеяния Бриллюэна оптические вихри возбуждают акустические вихри.[22]

Помимо формального разложения в ряд Фурье, спекл-картину можно составить для плоских волн, излучаемых наклонными участками фазовой пластинки. Такой подход значительно упрощает численное моделирование. Трехмерное численное моделирование демонстрирует переплетение вихрей, которое приводит к образованию веревки в оптическом спекле.[23]

Приложения

Когда были впервые изобретены лазеры, спекл-эффект считался серьезным недостатком при использовании лазеров для освещения объектов, особенно в голографический изображения из-за полученного зернистого изображения. Позже выяснилось, что спекл-паттерн может нести информацию о деформациях поверхности объекта, и этот эффект используется в голографическая интерферометрия и электронная спекл-интерферометрия. Эффект спекл также используется в спекл-визуализация И в проверка зрения с помощью спекла.

Пятна - главное ограничение когерентного лидар и когерентное изображение в оптическое гетеродинное обнаружение.

В случае спеклов ближнего поля статистические свойства зависят от распределения светорассеяния данного образца. Это позволяет использовать спекл-анализ ближнего поля для обнаружения распределения рассеяния; это так называемый рассеяние в ближней зоне техника.[24]

Когда картина спеклов изменяется во времени из-за изменений освещенной поверхности, это явление известно как динамический спекл, и его можно использовать для измерения активности, например, с помощью оптического датчика потока (оптической компьютерной мыши). В биологических материалах это явление известно как биоспекл.

В статической среде изменения в спеклах также можно использовать в качестве чувствительного датчика источника света. Его можно использовать в конфигурации измерителя волны с разрешением около 1 аттометр[25], (эквивалент 1 части из 1012 длины волны, что эквивалентно измерению длины футбольное поле при разрешении единого атом[26]), а также может стабилизировать длину волны лазеров[27] или измерьте поляризацию[28].

Неупорядоченный узор, создаваемый спеклами, использовался в квантовое моделирование с холодные атомы. Случайно распределенные области яркого и темного света действуют как аналог беспорядка в твердое состояние системы, и используются для исследования локализация явления.[29]

Снижение

Зеленая лазерная указка. Уменьшение спекла было необходимо, чтобы сфотографировать лазерный луч. Гауссов профиль, достигается снятием всех линз и проецированием их на непрозрачную жидкость (молоко), являющуюся единственной плоской и достаточно гладкой поверхностью.

Пятна считаются проблемой в лазерных системах отображения, таких как Лазерное ТВ. Спекл обычно определяется количественно по контрасту спеклов. Снижение контраста спеклов - это, по сути, создание множества независимых спекл-паттернов, которые усредняются на сетчатке / детекторе. Этого можно достичь,[30]

  • Разнообразие ракурсов: освещение под разными углами
  • Разнообразие поляризации: использование разных состояний поляризации
  • Разнообразие длин волн: использование лазерных источников, которые немного отличаются по длине волны

Вращающиеся диффузоры, которые нарушают пространственную когерентность лазерного света, также могут использоваться для уменьшения спеклов. Движущиеся / вибрирующие сита или волокна также могут быть решениями.[31]. В лазерном телевизоре Mitsubishi Laser TV используется такой экран, который требует особого ухода в соответствии с руководством по эксплуатации. Более подробное обсуждение лазерного уменьшения спеклов можно найти здесь.[32]

Обнаружение гетеродина на синтетической матрице был разработан для сокращения спекл-шум в когерентной оптической визуализации и когерентной ЛИДАР дифференциального поглощения.

В научных приложениях пространственный фильтр можно использовать для уменьшения пятен.

Аналогии

Спекл-подобные узоры также можно наблюдать в других системах, где возникают случайные помехи, включая ситуации, когда, например, явление наблюдается не в пространстве, а во времени. Это случай фазочувствительного оптическая рефлектометрия во временной области, где многократные отражения когерентного импульса, генерируемого в разные моменты времени, мешают формированию случайного сигнала во временной области.[33]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б c Dainty, C., ed. (1984). Лазерные спеклы и связанные с ними явления (2-е изд.). Springer-Verlag. ISBN  978-0-387-13169-6.
  2. ^ а б Гудман, Дж. У. (1976). «Некоторые фундаментальные свойства спекла». JOSA. 66 (11): 1145–1150. Дои:10.1364 / josa.66.001145.
  3. ^ Венталон, Кэти; Мерц, Джером (2007-08-07). «Микроскопия с динамическим спекл-освещением с преобразованными и рандомизированными спекл-структурами». Оптика Экспресс. 14 (16): 7198. Дои:10.1364 / oe.14.007198. ISSN  1094-4087. PMID  19529088.
  4. ^ Pascucci, M .; Ganesan, S .; Tripathi, A .; Кац, O .; Эмилиани, В .; Гийон, М. (22 марта 2019 г.). «Компрессионная трехмерная микроскопия сверхвысокого разрешения с возбуждением спекл-насыщенной флуоресценции». Nature Communications. 10 (1): 1–8. Дои:10.1038 / s41467-019-09297-5. ISSN  2041-1723.
  5. ^ Кац, Ори; Бромберг, Ярон; Зильберберг, Ярон (28 сентября 2009 г.). «Компрессионная фантомная визуализация». Письма по прикладной физике. 95 (13): 131110. arXiv:0905.0321. Bibcode:2009АпФЛ..95м1110К. Дои:10.1063/1.3238296. ISSN  0003-6951.
  6. ^ Данн, Эндрю К .; Болай, Хайрунниса; Московиц, Майкл А .; Боас, Дэвид А. (2001-03-01). «Динамическая визуализация церебрального кровотока с использованием лазерных спеклов». Журнал церебрального кровотока и метаболизма. 21 (3): 195–201. Дои:10.1097/00004647-200103000-00002. ISSN  0271-678X.
  7. ^ Бехингер, Клеменс; Ди Леонардо, Роберто; Лёвен, Хартмут; Райххард, Чарльз; Вольпе, Джорджио; Вольпе, Джованни (23 ноября 2016 г.). «Активные частицы в сложных и тесных средах». Обзоры современной физики. 88 (4). Bibcode:2016RvMP ... 88d5006B. Дои:10.1103 / revmodphys.88.045006. HDL:11693/36533. ISSN  0034-6861.
  8. ^ Вольпе, Джорджио; Вольпе, Джованни; Гиган, Сильвен (05.02.2014). «Броуновское движение в спекл-световом поле: настраиваемая аномальная диффузия и селективная оптическая манипуляция». Научные отчеты. 4 (1): 3936. Дои:10.1038 / srep03936. ISSN  2045-2322. ЧВК  3913929. PMID  24496461.
  9. ^ Вольпе, Джорджио; Курц, Лиза; Каллегари, Аньезе; Вольпе, Джованни; Гиган, Сильвен (28.07.2014). «Спекл-оптический пинцет: микроманипуляции со случайными световыми полями». Оптика Экспресс. 22 (15): 18159–18167. Дои:10.1364 / OE.22.018159. HDL:11693/12625. ISSN  1094-4087. PMID  25089434.
  10. ^ Мандель, Саванна (14 ноября 2019 г.). «Создание и контроль спеклов, не относящихся к Рэлею». Scilight. 2019 (46): 461111. Дои:10.1063/10.0000279.
  11. ^ Хуа, Дао; Се, Хуйминь; Ван, Саймон; Ху, Чжэньсин; Чен, Пэнгуань; Чжан, Цинмин (2011). «Оценка качества спекл-структуры в методе корреляции цифровых изображений по флуктуации среднего подмножества». Оптика и лазерные технологии. 43 (1): 9–13. Bibcode:2011OptLT..43 .... 9H. Дои:10.1016 / j.optlastec.2010.04.010.
  12. ^ Lecompte, D .; Smits, A .; Босуйт, Свен; Sol, H .; Vantomme, J .; Хемельрайк, Д. Ван; Хабракен, А. (2006). «Оценка качества спекл-паттернов для корреляции цифровых изображений». Оптика и лазеры в технике. 44 (11): 1132–1145. Bibcode:2006OptLE..44.1132L. Дои:10.1016 / j.optlaseng.2005.10.004.
  13. ^ Бендер, Николай; Йылмаз, Хасан; Бромберг, Ярон; Цао, Хуэй (2019-11-01). «Создание и управление сложным светом». APL Photonics. 4 (11): 110806. Дои:10.1063/1.5132960.
  14. ^ Бендер, Николай; Йылмаз, Хасан; Бромберг, Ярон; Цао, Хуэй (20.05.2018). «Настройка статистики интенсивности спеклов». Optica. 5 (5): 595–600. arXiv:1711.11128. Дои:10.1364 / OPTICA.5.000595. ISSN  2334-2536.
  15. ^ Маккечни, Т. (1976). «Спекл плоскости изображения при частично когерентном освещении». Оптическая и квантовая электроника. 8: 61–67. Дои:10.1007 / bf00620441.
  16. ^ Giglio, M .; Carpineti, M .; Вайлати, А. (2000). "Корреляции космической интенсивности в ближнем поле рассеянного света: прямое измерение функции корреляции плотности g (r)". Письма с физическими проверками. 85 (7): 1416–1419. Bibcode:2000ПхРвЛ..85.1416Г. Дои:10.1103 / PhysRevLett.85.1416. PMID  10970518.
  17. ^ Giglio, M .; Carpineti, M .; Вайлати, А .; Броджиоли, Д. (2001). "Корреляции интенсивности рассеянного света в ближней зоне". Прикладная оптика. 40 (24): 4036–40. Bibcode:2001ApOpt..40,4036G. Дои:10.1364 / AO.40.004036. PMID  18360438.
  18. ^ Cerbino, R. (2007). «Корреляции света в глубокой области Френеля: расширенная теорема Ван Ситтерта и Цернике» (PDF). Физический обзор A. 75 (5): 053815. Bibcode:2007PhRvA..75e3815C. Дои:10.1103 / PhysRevA.75.053815.
  19. ^ Nye, J. F .; Берри, М. В. (1974). «Дислокации в волновых поездах». Труды Королевского общества А. 336 (1605): 165–190. Bibcode:1974RSPSA.336..165N. Дои:10.1098 / RSPA.1974.0012.
  20. ^ Оптический угловой момент
  21. ^ Окулов, А.Ю. (2008). «Оптические и звуковые спиральные структуры в зеркале Мандельштама-Бриллюэна». Письма в ЖЭТФ. 88 (8): 487–491. Bibcode:2008JETPL..88..487O. Дои:10.1134 / S0021364008200046.
  22. ^ Окулов, А Ю (2008). «Угловой момент фотонов и ОВФ». Журнал физики B. 41 (10): 101001. arXiv:0801.2675. Bibcode:2008JPhB ... 41j1001O. Дои:10.1088/0953-4075/41/10/101001.
  23. ^ Окулов, А. Ю. (2009). «Скрученные спекл-сущности внутри зеркал обращения волнового фронта». Физический обзор A. 80 (1): 013837. arXiv:0903.0057. Bibcode:2009PhRvA..80a3837O. Дои:10.1103 / PhysRevA.80.013837.
  24. ^ Brogioli, D .; Вайлати, А .; Джильо, М. (2002). «Гетеродинное рассеяние в ближней зоне». Письма по прикладной физике. 81 (22): 4109–11. arXiv:физика / 0305102. Bibcode:2002АпФЛ..81.4109Б. Дои:10.1063/1.1524702.
  25. ^ Брюс, Грэм Д .; О’Доннелл, Лаура; Чен, Минчжоу; Дхолакия, Кишан (2019-03-15). «Преодоление предела корреляции спеклов для создания волоконного волновода с разрешением аттометра». Письма об оптике. 44 (6): 1367. arXiv:1909.00666. Дои:10.1364 / OL.44.001367. ISSN  0146-9592.
  26. ^ Тадхоуп, Кристина (7 марта 2019 г.). «Новое исследование может произвести революцию в волоконно-оптической связи». Phys.org. Получено 2019-03-08.
  27. ^ Мецгер, Николаус Клаус; Спесывцев Роман; Брюс, Грэм Д .; Миллер, Билл; Maker, Гарет Т .; Малькольм, Грэм; Мазилу, Михаил; Дхолакия, Кишан (05.06.2017). «Использование спеклов для широкополосного волновомера с субфемтометрическим разрешением и лазерной стабилизации». Nature Communications. 8: 15610. arXiv:1706.02378. Bibcode:2017НатКо ... 815610M. Дои:10.1038 / ncomms15610. ЧВК  5465361. PMID  28580938.
  28. ^ Факчин, Морган; Брюс, Грэм Д .; Дхолакия, Кишан; Дхолакия, Кишан; Дхолакия, Кишан (2020-05-15). «Спекл-определение состояния поляризации одиночных и множественных лазерных лучей». OSA Continuum. 3 (5): 1302–1313. Дои:10.1364 / OSAC.394117. ISSN  2578-7519.
  29. ^ Билли, Джульетта; Хосе, Винсент; Цзо, Чжанчунь; Бернар, Ален; Хамбрехт, Бен; Луган, Пьер; Клеман, Дэвид; Санчес-Паленсия, Лоран; Буйе, Филипп (2008-06-12). «Прямое наблюдение андерсоновской локализации материальных волн в управляемом беспорядке». Природа. 453 (7197): 891–894. arXiv:0804.1621. Bibcode:2008Натура.453..891Б. Дои:10.1038 / природа07000. ISSN  0028-0836. PMID  18548065.
  30. ^ Триснади, Джахджа И. (2002). «Снижение контрастности пятен в лазерных проекционных дисплеях». Проекционные дисплеи VIII. 4657. С. 131–137. Дои:10.1117/12.463781.
  31. ^ «Деспеклер». Fiberguide. Получено 24 мая 2019.
  32. ^ Chellappan, Kishore V .; Эрден, Эрдем; Юри, Хакан (2010). «Лазерные дисплеи: обзор». Прикладная оптика. 49 (25): F79–98. Bibcode:2010ApOpt..49F..79C. Дои:10.1364 / ао.49.000f79. PMID  20820205.
  33. ^ Гарсия-Руис, Андрес (2016). «Метод спекл-анализа для распределенного обнаружения температурных градиентов с помощью Φ OTDR». Письма IEEE Photonics Technology. 28 (18): 2000. Bibcode:2016IPTL ... 28.2000G. Дои:10.1109 / LPT.2016.2578043.

внешняя ссылка