什么是激光散斑（Laser Speckle）？

当激光照射到有瑕疵的表面时，会产生独特的散射光强度模式。这种现象会产生一种称为 "斑点 "的干涉图案。这些斑点由形状各异的亮点和暗点交替组成，以随机方式分布在整个空间。

激光斑点是在 20 世纪 60 年代激光发明后不久首次观测到的。它产生于相干光波被表面微小的不规则物散射干扰。这些微小的不规则面可能只有激光波长的几分之一。当激光照射到这样的表面时，每个不规则点都会向不同方向散射光。当这些散射波相互重叠和干涉时，就会产生一种建设性和破坏性干涉模式。

斑点的类型

根据干涉波是直接来自物体还是通过成像系统，斑点可分为两大类。具体分类如下：

客观斑点
主观斑点
客观斑点是指无需成像系统（如照相机或人眼）即可获得的斑点模式。这些图案是光在自由空间中不加改变地传播所产生的。另一方面，主观斑点指的是在形成图像的条件下出现的斑点图案。这通常涉及到成像系统的存在，如照相机或人眼，它们在形成所观察到的斑点图案中发挥了作用。

客观斑点的产生

在物镜斑点的情况下，物体和记录介质之间不需要成像系统。物镜斑点的形成如上图所示。

要产生物镜斑点，需要将相干激光束扩大并照射到漫反射物体上，使其向不同方向散射光波。如上图所示，检测器阵列或感光板上的每个点（用 A 和 B 表示）都会接收到来自被照物体上每个点的散射光波。这些散射波各自传播的路径长度不同，到达记录平面上特定位置的相位也各不相同。

在记录平面上的某些点，散射波的相位一致，从而产生建构干涉，形成亮点。相反，在其他位置，由于波的相位不一致，它们会破坏性地结合在一起，形成暗斑。在某些点上，相位差的混合会导致灰斑的出现。然而，这类斑点图案的观察难度很大，在测量中的实际用途也很小。

客观斑点的大小可以通过以下数学关系确定：

上式表明，客观斑点的大小取决于几个因素，即激光源的波长 (λ)、散射区域的直径 (a) 以及物体与图像平面之间的距离。

客观斑点分析可应用于科学研究、工程和质量控制等领域，在这些领域中，斑点模式的精确定量测量至关重要。它广泛应用于光学、材料科学、无损检测和医学成像等领域。

客观斑点分析的优势在于其高精度、可重复性和提供定量数据的能力。通过采用数学算法和专业软件，客观分析可以获得有关斑点模式的宝贵信息，如统计特性、相关长度和强度分布。这些数据对于做出明智决策、进行科学实验和确保产品质量非常重要。客观斑点分析还可以自动进行，因此适合高效处理大型数据集，而且它消除了与人为判断相关的主观性，与主观分析相比，结果更可靠、更客观。

生成主观斑点

如上图所示，当成像系统（如镜头）聚焦于观察平面上的物体时，就会出现主观斑点图。

这一过程始于光源发出的相干光被分散并投射到物体上。之后，散射波向不同方向传播。透镜用于收集这些散射波的一部分，并将其重新定向到图像平面上，图像平面可以是数字探测器阵列或照相板。

在形成主观斑点的过程中，来自物体上某一点的波被聚焦到图像平面上的相应点上。这意味着图像平面上的每个点都受到物体有限区域的照射。这些会聚波的路径长度不同，到达图像平面上某一点时的相位也不同。因此，在汇聚点，所有这些波都会相互产生建设性或破坏性干扰，从而产生特定的亮度。

在这种情况下，主观斑点图案的大小取决于镜头的衍射极限。主观斑点大小的计算方法与客观斑点的计算方法类似。主要区别在于用成像镜头孔径代替了照明区域的横截面积。

主观斑点的大小大致可通过以下公式估算：

其中，di 表示镜头与记录平面之间的距离，λ 表示激光源的波长，a′ 表示镜头的直径。此外，主观斑点模式的大小还可以用焦距与光圈比（用 F 表示）和放大系数（用 M 表示）来描述：

从公式中可以看出，当镜头的光圈扩大时，平均斑点尺寸就会减小。

主观斑点分析主要用于对斑点模式进行定性评估即可达到预期目的的领域。它通常应用于艺术和美学等行业，在这些行业中，对表面、纺织品或绘画上的斑点图案进行主观解读是非常有价值的。

主观斑点分析的优势在于其速度和简便性。它允许人类观察者快速进行视觉评估，因此是一种成本效益高且易于使用的方法。主观斑点分析可立即提供有关表面或物体的感知纹理、美学或整体质量的见解，而无需复杂的设备或大量的数据处理。不过，主观斑点分析可能缺乏客观斑点分析所提供的精确度和定量数据，而客观斑点分析更适合科学和工程应用。

激光斑点的特点

动态性： 激光斑点的最显著特点之一是它的动态性。即使表面或激光源保持静止，斑点图案也会不断变化。这是因为光路中的微小振动或波动会导致散射波的相位发生变化。
高对比度： 激光斑点图具有高对比度，暗点和亮点之间的对比鲜明。这种对比度是散射波之间干涉的结果，建设性干涉产生亮点，破坏性干涉产生暗点。
对运动的敏感性： 激光斑点仪对散射表面的任何运动或位移都非常敏感。即使是最微小的移动也会导致斑点模式的快速变化。这一特性使激光斑点仪成为测量生物组织血流等各种应用中的重要工具。
激光斑点仪的应用

激光斑点技术最重要的应用之一是在医学领域。激光斑点对比成像（LSCI）是一种非侵入性技术，用于观察组织中的血流情况。通过分析激光斑点模式的变化，研究人员和医疗专业人员可以实时监测血流情况，这对于了解糖尿病和血管疾病等疾病至关重要。

在制造和质量控制中，激光斑点仪被用来检测材料的表面质量。通过分析表面反射的斑点模式，可以高精度地检测出裂纹、划痕或不规则等缺陷。

激光斑点仪还可用于遥感应用，如地形分析和植被监测。通过观察地表移动或植被生长引起的斑点模式变化，研究人员可以获得有关环境变化的宝贵信息。

它还可应用于安全和身份验证领域。斑点图案的动态性和独特性可作为安全认证和防伪措施的基础。