什麼是散斑

也稱斑紋。自1960年激光器問世後不久，人們就觀察到了一種現象：被激光照明的物體，其表面呈現顆粒狀結構。這種顆粒狀態被取名為“激光散斑”。這種強度隨機分佈的散斑圖樣，可以由激光在粗糙表面反射或激光通過不均勻媒質時產生。因為大多數物體表面對光波的波長（以氦氖激光器為例，λ≈0.6μm）來講是粗糙的，由於激光的高度相干性，當光波從物體表面反射時（圖1）， 物體上各點到適當距離的觀察點的振動是相干的。因此觀察點的光場是由粗糙表面上各點發出的相干子波的疊加。因為粗糙度大於光波波長，所以物體各點發出子波到達觀察點的位相是隨機分佈的。相干疊加結果就產生了散斑的隨機強度圖樣──顆粒狀。顯然，這種隨機強度分佈圖樣可用統計方法來描述。

從牛頓時代起一些科學家就觀察到散斑現象。I.牛頓在當時就解釋過為什麼能觀察到恆星的閃爍現象而觀察不到行星的類似現象。現在人們知道這兩類星體的空間相干性是不同的。1877年K.埃克斯納研究散射光干涉現象時，在夫琅和費衍射亮環內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年勞厄發表的夫琅和費照片更清楚地顯示了輻射顆粒狀結構，並討論了它的統計特性。

但是對散斑現象作大量深入的研究，以及開闢日益廣泛的應用，還是在激光器出現之後。激光器是散斑研究和應用的理想相干光源。人們對散斑的統計性質進行了深入的研究，包括相干和部分相干、偏振和部分偏振等情況。因為散斑圖樣對相干成像系統來講，是一種很討厭的相干“噪聲”，它限制了成像系統的分辨率。為此人們曾致力於把散斑效應減至最小的研究，但是進展不大。相反，近年來在利用散斑的特點應用於各個領域卻取得了不少進展。

散斑干涉量度術

它為非鏡面反射物體提供了一種高靈敏度測量方法。利用散斑圖樣可以測量物體的位移、振動和形變，成為無損檢驗的重要手段之一。它的優點是可以調節散斑大小以適應檢測器（膠片、電視等）的分辨率而並不降低精度。利用散斑的統計性質可以測量物體表面粗糙度，假若表面均方根粗糙度小於照明光波的波長，則粗糙度可由散斑的反襯度來測定。

光學信息處理

用散斑圖樣可對圖像信息進行編碼和解碼、圖像相減、反襯度翻轉等。圖2為不同時刻的兩張地球資源衞星照片（上、中）以及用散斑調製得到的相減圖像（下），顯示了兩時刻的差別。

星體散斑干涉量度術

由於大氣擾動，在長時間曝光下望遠鏡得到的星體像的分辨本領遠低於望遠鏡的衍射極限。例如一個5米直徑望遠鏡的衍射極限約0.02角秒，而在長曝光時間下的分辨率只有1角秒。在短曝光時間下（約10-2秒），發現在星體的像上有類似散斑的結構。散斑的大小與望遠鏡的愛裏斑的大小同數量級。以雙星為例，每個星都產生相同的散斑圖樣，由於雙星之間角距離，會使兩個完全相同的散斑圖樣在空間有一小位移，從而出現類似楊氏干涉的週期條紋。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。

參考書目

J.C.丹蒂編，黃樂天等譯：《激光斑紋及有關現象》，科學出版社，北京，1981。(J. C. Dainty， ed.，Laser Speckle and Related Phenomena， Springer-Verlag， Berlin， 1977.)