Введение
Если какой-нибудь предмет освещать лазером, то наблюдателю будет казаться, что поверхность предмета покрыта частыми мелкими пятнами. Нужно только, чтобы поверхность была диффузной, как, например, поверхность листа бумаги, бетонной стены или не слишком хорошо отполированной металлической пластинки. Все точки такой поверхности, освещаемой лазером, посылают на сетчатку глаза наблюдателя когерентные волны, способные интерферировать. Изображение каждой точки поверхности на сетчатке представляет собой дифракционную картину, которая определяется оптической системой глаза. Из-за интерференции этих дифракционных картин освещенная поверхность предмета и кажется наблюдателю пятнистой или, как сейчас принято говорить, покрытой «спеклами» (англ. speckles). В дальнейшем мы будем употреблять термин «спеклы» («спекл-структура»), а не эквивалентное ему во французском языке слово granularite.
Явление останется тем же самым, если мы заменим глаз фотоаппаратом: после проявления на фотографическом изображении будут наблюдаться спеклы, которые определяются апертурой объектива. Чем больше апертура, тем тоньше структура спеклов, поскольку диаметр дифракционной картины, создаваемой объективом, убывает с увеличением его апертуры. Но чтобы получить спеклы, совершенно необязательно иметь изображение объекта. Диффузный объект, освещаемый лазером, создает спекл-структуру во всем пространстве, которое его окружает. Достаточно поместить фотопластинку на каком-нибудь расстоянии от объекта, и на ней будут зарегистрированы спеклы. По аналогии с явлениями дифракции можно сказать, что в первом случае это спеклы Фраунгофера, а во втором — Френеля.
Если снять голограмму объекта, то спеклы будут наблюдаться и в восстановленном изображении, что в значительной степени снижает его качество. Поэтому специалисты работали над тем, как устранить спеклы. Но вскоре было замечено, что спеклы можно использовать в новых интересных методах исследования, которым и посвящена данная книга. В последние годы эти методы достигли такого уровня развития, что можно с определенностью сказать: открыта новяя страница в оптике.
В предлагаемой читателю «Оптике спеклов» мы делаем упор на экспериментальной стороне вопроса (явления и их применения), не отходя при этом от теоретических положений, основанных на принципах фурье-оптики.
В гл. 1 мы сначала напомним читателю некоторые основные положения теории дифракции, а затем рассмотрим свойства спеклов в изображении диффузного объекта. Гл. 2 касается тех же проблем, но речь идет о спеклах, возникающих на конечном расстоянии от объекта. В оптике спеклов по большей часги имеют дело с интерференцией света, рассеиваемого теми пли иными диффузорами, поэтому гл. 3 посвящена явлению интерференции в диффузном свете. В гл. 4 рассматриваются явления интерференции при фотографической суперпозиции спекл-структур, смещенных в поперечном направлении: две или несколько одинаковых спекл-структур регистрируют на одной и той же фотопластинке, которую между экспозициями слегка смещают в ее плоскости. Это фундаментальный опыт Берча и Токарского, который, несомненно, явился отправной точкой для всех ныне существующих методик, использующих спеклы. В гл. 5 рассматриваются аналогичные явления при смещении фотопластинки в направлении, перпендикулярном ее плоскости.
Пять последующих глав посвящены практическим приложениям, в основе которых лежат указанные выше явления: гл. 6 — оптической обработке изображений, модулированных спеклами, гл. 7 — регистрации перемещений и деформаций диффузных объектов, гл. 8 — применениям в астрономии, гл. 9 — измерению шероховатости поверхностей. Наконец, в гл. 10 рассматриваются некоторые другие применения оптики спеклов, в частности для исследования прозрачных объектов, определения макрорельефа диффузных поверхностей, аппаратной функции и аберраций оптической системы, а также для исследования движения диффузных объектов. Особо отмечу астрономические приложения, примером которых может служить один из самых красивых экспериментов в оптике, проведенный астрономом Лабейри. Он исследовал двойные звезды, уподобляя атмосферную турбулентность диффузору, и, в частности, измерил замечательным методом, открывающим поистине невиданные возможности, их видимый диаметр.
В настоящее время опубликовано столь много работ по методам, использующим спеклы, что мы не смогли бы назвать в этой книге всех их авторов. Надеемся, что они не будут на нас в обиде.
Ссылки, указанные в названиях параграфов, не претендуют на полный охват литературы. Они могут служить читателю лишь ориентиром в длинном библиографическом списке, помещенном в конце книги.
М. Франсон Париж, 1 февраля 1977 г.
