§ 7. Спеклы в изображении объекта, освещаемого лазером

На практике обычно имеют дело с двумя типами диффузных объектов: диффузно отражающими и диффузно пропускающими. Вариации толщины объекта, его отражательной и поглощательной способностей, а также вариации показателя преломления — все это приводит к рассеянию света. В случае объектов, называемых диффузными, такие вариации велики по сравнению с длиной волны света. К диффузно отражающим объектам относятся шероховатые поверхности камней, бетона, дерева, неполированная металлическая поверхность и т. д. Широко известный пример диффузно пропускающего объекта — матовое стекло. Трудно определить ту степень качества, по достижении которой объект можно считать хорошо отполированным, поскольку на практике важна не только высота неровностей поверхностей, но и их протяженность, т. е. важен наклон элементов микропрофиля диффузного объекта. Отступления от плоскостности не превышают одной угловой минуты для оконного стекла и составляют менее одной секунды для оптически отполированных поверхностей. Конечно, эти цифры дают представление только о порядке величины.

Рассмотрим какой-либо диффузный объект, например диффузно пропускающий (матовое стекло). Пусть матовое стекло освещается источником конечных размеров и с помощью объектива О формируется его изображение. Каждая точка объекта имеет своим изображением дифракционную картину, размеры которой определяются только объективом и условиями эксперимента. Все точки поверхности матового стекла, освещаемого протяженным источником, некогерентны, а поэтому изображением объекта в данном случае будет дифракционная картина, представляющая собой суперпозицию по интенсивности всех дифракционных картин, соответствующих разным точкам поверхности матового стекла. Таким образом, изображение равномерно освещенного объекта тоже освещено равномерно. Этот случай был уже рассмотрен в § 4.

Если диффузный объект освещают лазером (рис. 16), т. е. практически точечным источником, испускающим монохроматическое излучение (иначе говоря, источником света с высокой пространственной и временной когерентностью), то световые волны, рассеиваемые всеми точками поверхности объекта, когерентны и, следовательно, способны интерферировать.

Когда смотришь на такой объект, то, к своему удивлению, обнаруживаешь на его изображении очень тонкую пятнистую структуру, на нем как бы «кишит» множество светлых точек. Это не что иное, как спеклы, которые возникают вследствие интерференции световых волн, исходящих из разных точек объекта и формирующих его изображение. Мы уже говорили об этом явлении в § 4. На рис. 88 (стр. 90) приведена фотография спекл-структуры, полученная с большим увеличением.

Такое изображение представляет собой результат сложения амплитуды всех дифракционных картин, соответствующих разным точкам объекта, с учетом разности фаз, обусловленной вариациями толщины матового стекла.

Рис. 16. Спекл-структура в изображении матового стекла, освещаемого лазером (диффузно пропускающий объект).

На изображении возникает множество световых пятнышек, расположенных совершенно хаотически. Диаметр наименьших из них приблизительно равен диаметру дифракционной картины от объектива, формирующего изображение. Пусть диаметр объектива О (рис. 16), расстояние от О до плоскости наблюдения Если то, согласно формуле (1.4),

Если объект освещается параллельным пучком, падающим на него под некоторым углом, то при смещении объекта в его собственной плоскости разность фаз волн, исходящих из его разных точек, не изменяется. Поэтому спекл-структура в плоскости тоже останется без изменений, она лишь будет следовать за перемещением объекта. Это важный момент, который мы используем в дальнейшем. Если же объект повернуть в его плоскости, то относительные фазы и спекл-структура изменятся (во всех случаях, кроме случая нормального падения пучка на объект То же самое происходит и тогда, когда мы имеем дело с диффузно отражающим объектом. Предположим, что диффузно отражающий

объект, толщина которого колеблется относительно некоторой средней плоскости, освещается наклонным пучком лазера (рис. 17). Если объект сместить в его плоскости, то относительные фазы волн, испускаемых разными его точками, не изменятся и, следовательно, спекл-структура в плоскости сохранится. Но чтобы поворот объекта в его плоскости не вызывал изменений в спекл-структуре, нужно обеспечить нормальное падение пучка на объект, пользуясь, например, схемой, представленной на рис, 18.

Рис. 17 Спекл-структура в изображении диффузно отражающего объекта, освещаемого лазером.

Рис. 18. Схема с нормальным падением света на диффузный объект А.

Если в некоторой плоскости перед объективом О поместить диафрагму и перемещать ее в этой плоскости, то спекл-структура в плоскости будет изменяться. Смещение диафрагмы эквивалентно введению некоторого фазового множителя, неодинакового для разных точек объекта, дифрагирующих свет. При изменении положения диафрагмы изменяются разности фаз в плоскости между дифракционными картинами, соответствующими разным точкам объекта а это и приводит к изменению спекл-структуры.