ダイナミックスペックル

物理学では、動的スペックルは、静的な状況で干渉パターンの形成に関与する散乱要素の変動がスペックル パターンに見られる変化を生み出す、スペックル パターンの時間的変化の結果です。スペックル パターンでは、粒子の強度 (グレー レベル) と形状が時間とともに変化します。観察しやすい例としては、ミルクがあります。ティースプーンにミルクを少し入れ、直射日光の下で表面を観察します。色のついた点が「踊る」パターンが目に見えるでしょう。ミルクがスプーンの端で乾くところでは、スペックルは静止しているように見えます。これは、原子の熱運動の直接的な証拠であり、これがミルク内のコロイド粒子のブラウン運動を引き起こし、その結果、肉眼で見える動的スペックルが生じます。

動的パターンは、時間に沿って分析すると、照射された物質の活動を表す変化を示します。視覚効果は、沸騰する液体や、調整されていないテレビの画像のようなものです。

これは、いくつかの数学的および統計的ツールによって分析され、その大きさ、つまり明確に定義されていない活動の概念に関する数値または視覚的情報を提供します。散乱中心の数が非常に多いため、集合的な現象を解釈するのは難しく、最終結果に対する個々の寄与を推測することはできません。分析ツールによって取得される測定値は、散乱光のドップラー効果による現象と最終的に存在するその他の現象（サンプルの屈折率の時間変化など）の寄与の合計として活動レベルを示します。周波数の小さなドップラーシフトで散乱された光は、検出器（最終的には目）でビートし、スペックルパターンのダイナミクスを構成するゆっくりとした強度変化を引き起こします。

たとえば、生体サンプルは、膨大な数の可動散乱中心を含む物質であり、それを構成する物質の屈折率の変化、パワーの変化、その他多くの効果を示し、これらの現象の識別と分離の複雑さが増します。そのため、動的スペックルを使用してサンプルの活動を完全に解釈することは、大きな課題となります。^[1]

図 1 は、発芽プロセスの開始時におけるトウモロコシ種子のスペックルパターンのシーケンスを示しています。ここでは、胚の場合や種子の胚乳領域の亀裂のように散乱中心がより活発であると予想される領域で動的効果がより高くなっています。胚は左下側にあり、亀裂は中央の川のような領域です。亀裂では、活動は内部の激しい水分蒸発によるものですが、胚では、水分蒸発によって引き起こされる活動に加えて、生きた組織の代謝により活動がより高くなっています。胚乳では、画像の右上の領域は、水分蒸発のみによる比較的低い活動を表しています。

生物組織は自然界で最も複雑なものの 1 つです。さらに、サンプル間の固有のばらつきによって複雑性が増します。これらの事実により、同じ刺激がある場合でも、異なるサンプル間の結果の比較がさらに困難になります。この文脈では、スペックル パターンは細菌、^{[2] [3]}寄生虫、種子、植物の研究に使用されています。^[4]

その他の応用分野としては、乾燥塗料の分析、^[5]ゲルの制御、^[6] 泡、腐食、白華などがある。

動的スペックルパターンの活動の特性評価には、いくつかの数学的および統計的ツールが提案されています。その一部を以下に示します。

共起行列の慣性モーメント（MOC）^[7]

${\displaystyle MI=\sum {MOC(i,j)*(ij)^{2}}\,\!}$

藤井^[8]

${\displaystyle 藤井(x,y)=\sum _{k=1}^{N}{\frac {I_{k}(x,y)-I_{k+1}(x,y)}{I_{k}(x,y)+I_{k+1}(x,y)}}\,\!}$

一般的な違い^[9]

${\displaystyle DG(x,y)=\sum _{k}\sum _{l}{|I_{k}(x,y)-I_{k+l}(x,y)|}\,\!}$

時間差^[10]

${\displaystyle D(k)=\sum _{m=1}^{M}\sum _{n=1}^{N}{E(m,n,k+1)-E(m,n, k)}\,\!}$

これらおよびその他の方法は、Biospeckel レーザー ツール ライブラリに集められています。

• スペックルイメージング
• スペックルノイズ

^[1]