スペックル（干渉）

スペックル、スペックルパターン、またはスペックルノイズとは、ランダムな干渉によって生じる、コヒーレント光で観察される粒状構造を指します。スペックルパターンは、一般的に高感度でシンプルなセットアップが可能であるため、幅広い計測技術で使用されています。また、レーダー、合成開口レーダー（SAR）、医療用超音波、光コヒーレンストモグラフィーなどのイメージングシステムでは制限要因となる場合もあります。^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]} スペックルは外部ノイズではなく、散乱体が各セルで同一ではなく、コヒーレント照明波が位相変化の小さな変動に非常に敏感であるため、拡散反射に固有の変動です。^{[ 5 ]}

スペックルパターンは、コヒーレント光がランダム化されるときに発生します。このようなランダム化の最も単純な例は、光が光学的に粗い表面で反射する場合です。光学的に粗いとは、表面形状に波長よりも大きな変動が含まれていることを意味します。紙、木材、塗料など、可視光に対して粗い表面は、ほとんどが一般的です。

合成物であろうと天然物であろうと、表面の大部分は波長スケールで非常に粗い。反射率関数を散乱体の配列としてモデル化すると、この現象の起源がわかる。解像度が有限であるため、常に解像度セル内の散乱体の分布から信号を受信します。これらの散乱信号はコヒーレントに加算されます。つまり、各散乱波形の相対位相に応じて、建設的干渉と破壊的干渉が起こります。スペックルは、画像に明るい点と暗い点として示される、これらの建設的干渉と破壊的干渉のパターンから生じます。^{[ 6 ]}

従来のレーダーでは、スペックルによって局所領域の平均グレースケール値が増加します。^{[ 7 ]} SAR ではスペックルは一般的に深刻で、画像解釈を困難にします。^{[ 7 ] [ 8 ]}これは、複数の分散ターゲットからの後方散乱信号のコヒーレント処理によって引き起こされます。たとえば、SAR 海洋学では、スペックルは重力毛細管リップルなどの基本散乱体からの信号によって引き起こされ、海波の画像の下に台座画像として現れます。^{[ 9 ] [ 10 ]}

スペックルは、特にレーザースペックルや動的スペックル現象と関連付けられている場合、有用な情報を表すこともあります。この場合、時間の経過に伴う空間スペックルパターンの変化は、表面の活動の測定として使用できます。これは、デジタル画像相関による変位場の測定に役立ちます。

科学者たちはニュートンの時代からこの現象を研究してきたが、^{[ 11 ]}スペックルはレーザーの発明以来注目を集めるようになった。^{[ 12 ]}

スペックル効果は、位相と振幅が異なる同じ周波数の多数の波が干渉することによって生じ、それらが加算されて振幅、ひいては強度がランダムに変化する合成波が生成されます。各波をベクトルでモデル化すると、ランダムな角度を持つ複数のベクトルを加算した場合、結果として得られるベクトルの長さはゼロから個々のベクトルの長さの合計まで、あらゆる値を取り得ることがわかります。これは2次元ランダムウォーク、または酔歩とも呼ばれる現象です。干渉する波の数が非常に多い場合、特に偏光波の場合、強度分布（ベクトルの長さの2乗に比例する）は指数関数的になります。${\textstyle P(I)={\frac {1}{\langle I\rangle }}\exp \left({\frac {-I}{\langle I\rangle }}\right)}$、 どこ${\displaystyle \langle I\rangle }$ は平均強度です。^{[ 1 ] [ 2 ] [ 13 ] [ 14 ]}

回折理論によれば、光波が表面に照射されると、照射された表面上の各点は二次球面波の発生源として機能します。散乱光場内の任意の点における光は、照射された表面上の各点から散乱された波で構成されています。表面が十分に粗く、光路長の差が1波長を超え、位相変化が2πを超える場合、結果として生じる光の振幅、ひいては強度はランダムに変化します。

コヒーレンスが低い光（つまり、多くの波長から構成される光）を使用した場合、個々の波長によって生成されるスペックルパターンは異なる次元を持ち、通常は互いに平均化されるため、スペックルパターンは通常観察されません。しかし、部分的にコヒーレントな光^{[ 15 ]や空間的にコヒーレントな光[ 16 ]}など、特定の条件下では多色光でもスペックルパターンを観察できます。

^{スペックルパターンは、顕微鏡[ 20 ] [ 21 ]}、イメージング^{[ 22 ] [ 23 ]}、および光学操作^{[ 24 ] [ 25 ] [ 26 ]}など、 さまざまな用途で使用されています。

レーザーが最初に発明されたとき、スペックル効果は、特にホログラフィックイメージングにおいて、生成される画像がざらつくため、レーザーを使用して物体を照らす際の重大な欠点と考えられていました。研究者たちは後に、スペックルパターンが物体の表面変形に関する情報を伝えることができることに気づき、ホログラフィック干渉法や電子スペックルパターン干渉法でこの効果を利用しました。^{[ 27 ]}スペックルイメージングやスペックルを使用した視力検査でも、スペックル効果が使用されています。

スペックルは、光ヘテロダイン検出におけるコヒーレントライダーおよびコヒーレントイメージングの主な制限要因である。

近接場スペックルの場合、統計的特性は特定のサンプルの光散乱分布に依存します。これにより、近接場スペックル解析を使用して散乱分布を検出することが可能になります。これが、いわゆる近接場散乱技術です。^{[ 28 ]}

照射面の変化によってスペックルパターンが時間とともに変化する現象は、動的スペックルと呼ばれ、例えば光フローセンサー（光学式コンピュータマウス）を用いて活動を測定するために利用できる。生体材料においては、この現象はバイオスペックルとして知られている。

静的な環境では、スペックルの変化を光源の感度プローブとして使用することもできます。これは、約 1 アトメートルの分解能を持つ波長計構成で使用できます[ 29 ^{] (波長の 10 12}分の 1 に相当し、単一の原子の分解能でサッカー場の長さを測定することに相当します^{[ 30 ]} )。また、レーザーの波長を安定させたり^{[ 31 ]}、偏光を測定したりすることもできます^{[ 32 ] 。}

スペックルによって生成される不規則なパターンは、冷却原子を用いた量子シミュレーションで使用されている。明るい光と暗い光のランダムに分布した領域は、固体システムにおける不規則性の類似物として機能し、局在現象を調査するために使用される。^{[ 33 ]}

蛍光顕微鏡では、誘導放出抑制（STED）顕微鏡、基底状態抑制（GSD ）顕微鏡、可逆飽和光蛍光遷移（RESOLFT）などの飽和/光変換パターン照明技術により、2Dで回折限界以下の解像度が得られます。これらのアプリケーションで使用するためにスペックルパターンを適応させることで、並列3D超解像イメージングが可能になります。^{[ 34 ]}

スペックルは、レーザーTVのようなレーザーベースのディスプレイシステムでは問題と考えられています。スペックルは通常、スペックルコントラストによって定量化されます。スペックルコントラストの低減は、基本的に多くの独立したスペックルパターンを作成し、網膜/検出器上で平均化することです。これは、^{[ 35 ]によって実現できます。}

• 角度の多様性：さまざまな角度からの照明
• 偏光の多様性：異なる偏光状態の利用
• 波長多様性：波長がわずかに異なるレーザー光源の使用

レーザー光の空間的コヒーレンスを破壊する回転式拡散板も、スペックルを低減するために使用できます。可動式/振動式のスクリーンやファイバーも解決策となる可能性があります。^{[ 36 ]}三菱レーザーテレビは、製品マニュアルによると特別な注意が必要なスクリーンを使用しているようです。レーザースペックル低減に関するより詳細な議論は、こちらで見つけることができます。^{[ 37 ]}

合成アレイヘテロダイン検出は、コヒーレント光イメージングおよびコヒーレント差分吸収ライダーにおけるスペックルノイズを低減するために開発された。

スペックルパターンは、空間ではなく時間で観測することもできます。これは、位相感応型光時間領域反射測定法の場合で、異なる瞬間に生成されたコヒーレントパルスの複数の反射が干渉して擬似ランダムな時間領域信号を生成します。^{[ 43 ]}

スペックル干渉パターンは平面波の和に分解できます。電磁場の振幅がちょうどゼロになる点の集合が存在します。研究者たちはこれらの点を波列のずれとして認識していました。^{[ 44 ]} 私たちはこれらの電磁場の位相ずれを光渦として知っています。光渦という用語は、軸に沿ってらせん状の位相面を持ち、軌道角運動量を与える、意図的に構造化された渦ビームにも適用されます。

各渦核の周囲には円形のエネルギーの流れがあります。したがって、スペックルパターン内の各渦は光学的角運動量を運びます。角運動量密度は次のように与えられます。^{[ 45 ]}

${\displaystyle {\begin{aligned}{\vec {\mathbf {L} }}\left({\vec {\mathbf {r} }},t\right)&={\vec {\mathbf {r} }}\times {\vec {\mathbf {S} }}\left({\vec {\mathbf {r} }},t\right)\\{\vec {\mathbf {S} }}\left({\vec {\mathbf {r} }},t\right)&=\epsilon _{0}c^{2}{\vec {\mathbf {E} }}\left({\vec {\mathbf {r} }},t\right)\times {\vec {\mathbf {B} }}\left({\vec {\mathbf {r} }},t\right).\end{aligned}}$

一般的に、スペックルパターンでは渦がペアで現れます。これらの渦と反渦のペアは空間にランダムに配置されます。各渦ペアの電磁角運動量はゼロに近いことが示されます。^{[ 46 ]}意図的に構造化された渦ビームが粗い表面を照射すると、スペックルパターンが発生することもあります。表面が強く粗い場合、入射するらせん波面は、多数の新しい渦と反渦のペアで満たされたスペックル場に崩壊し、その中に元の軸上の位相特異点が失われます。このような反射では、渦ビームのトポロジカル電荷は、どのミラーの場合と同様に符号が変わります。^{[ 47 ]}誘導ブリルアン散乱に基づく位相共役ミラーでは、光渦が音響渦を励起します。^{[ 48 ]}

フーリエ級数による形式的な分解とは別に、スペックルパターンは位相板の傾斜領域から放出される平面波で構成することができる。このアプローチは数値モデリングを大幅に簡素化する。3D数値エミュレーションは、渦の絡み合いが光学スペックルにおけるロープの形成につながることを示している。 ^{[ 49 ]}

• 拡散波分光法
• ガウスノイズ
• レーザースペックルコントラストイメージング
• 塩コショウの音

• Cheng Hua & Tian Jinwen (2009). "ファジー論理に基づく合成開口レーダー画像のスペックル低減".第1回教育技術とコンピュータサイエンスに関する国際ワークショップ、中国湖北省武漢市、2009年3月7日～8日。第 1巻、pp. 933–937。doi: 10.1109 / ETCS.2009.212。 
• Forouzanfar, M.、Abrishami-Moghaddam, H.、および Dehghani, M.、（2007）「新しいマルチスケール二変量ベイズMMSEベースの方法を用いた医療用超音波画像のスペックル低減」、IEEE第15回信号処理および通信アプリケーション会議（SIU'07）、トルコ、2007年6月、pp.  1–4。
• Sedef Kent、Osman Nuri Oçan、Tolga Ensari (2004)「ウェーブレットフィルタリングを用いた合成開口レーダー画像のスペックル低減」ITG、VDE、FGAN、DLR、EADS、astrium (編)『EUSAR 2004 — 議事録 — 第5回欧州合成開口レーダー会議、2004年5月25～27日、ドイツ、ウルム』 Margret Schneider、pp . 1001–1003。ISBN  978-3-8007-2828-2。
• Andrew K. Chan & Cheng Peng (2003). 「SAR画像処理へのウェーブレットの応用」。センシング技術のためのウェーブレット。Artech Houseリモートセンシングライブラリ。Artech House。ISBN 978-1-58053-317-1。
• Jong-Sen Lee & Eric Pottier (2009). 「偏波SARスペックルフィルタリング」.偏波レーダーイメージング：基礎から応用まで. 光学科学・工学シリーズ. 第 142巻. CRC Press. ISBN 978-1-4200-5497-2。

• 爪に斑点が見られる
• 光散乱およびフォトニック材料に関する研究グループ
• ブロジョーリ、ドリアーノ。ヴァイラティ、アルベルト。ジリオ、マルツィオ (2009)。 「ニアフィールドスペックル」。arXiv : 0907.3376 [物理光学]。