Speckle

Als Specklemuster, Lichtgranulation oder kurz Speckle werden die körnigen Interferenzphänomene bezeichnet, die sich bei hinreichend kohärenter Beleuchtung optisch rauer Objektoberflächen (Unebenheiten in der Größenordnung der Wellenlänge) beobachten lassen.

Speckle-Muster eines Lasers von einer diffusen Oberfläche

Speckle-Muster eines Lasers von einer diffusen Oberfläche (Papier)

Aufnahme eines Specklemusters mittels CCD-Kamera

Specklemuster einer weißen Wand

Die Bezeichnung Speckle, die sowohl für einen einzelnen Lichtfleck wie auch für das gesamte Interferenzmuster steht, leitet sich von speckle (englisch für Sprenkel, Tupfen, Flecken) ab. Abhängig vom verwendeten Abbildungssystem wird in der überwiegend englischsprachigen Literatur zudem zwischen subjective und objective Speckle unterschieden: Bildet man die Speckle ohne Zuhilfenahme einer Linse oder anderer optischer Geräte direkt auf einem Schirm ab, spricht man von objektivem Speckle. Im Gegensatz dazu handelt es sich beim subjektiven Speckle um die Abbildung des Interferenzmusters mit Hilfe einer Linse oder komplexeren optischen Systemen - hierzu zählt auch das menschliche Auge.

Entstehung

Plausibel wird die Speckle-Entstehung, wenn die Unebenheiten der beleuchteten Oberfläche als Streuzentren betrachtet werden, von denen Kugelwellen unterschiedlicher Phase ausgehen, die im Fernfeld interferieren. Dabei entsteht eine räumliche Struktur mit zufällig verteilten Intensitätsminima und -maxima. Als dreidimensionale Interferenzerscheinung gibt es longitudinale und transversale Speckle, die von der jeweiligen longitudinalen und transversalen Kohärenz abhängen. Transversale Speckle haben in größerer Entfernung höhere Signifikanz, weil sich die einzelnen Kugelwellenanteile immer mehr als ebene Wellen vereinfachen lassen. Der Specklekontrast kann deshalb als Maß der Kohärenz herangezogen werden.

Erscheinung

Bei Betrachtung von Speckle an einer kohärent bestrahlten Oberfläche mit dem freien Auge nimmt man ein sich bewegendes Muster wahr. Dies wird durch die unterschiedliche Interferenz auf der Netzhaut bei Bewegung des Auges hervorgerufen. Die Bewegungsrichtung ist dabei abhängig von der Lage der Fokalebene gegenüber der Netzhaut – nicht akkommodierte Augen kurzsichtiger und weitsichtiger Personen nehmen folglich unterschiedliche Bewegungsrichtungen wahr. Neben der Brillanz wird Speckle als typische Lasereigenschaft wahrgenommen.

Da man mit einem relativ zur Schwingungsperiode des Lichtes langsamen Detektor nur die zeitlich integrierte Interferenz sieht, nimmt die Specklegröße mit größerer Bandbreite ab, auch wenn innerhalb eines eng begrenzten Spektralbereiches noch Speckle bestehen. Die Auswirkung transversaler Kohärenz auf das Speckle kann auf diese Weise unterdrückt werden. Bei spektraler Zerlegung von weißem (longitudinal inkohärentem) Ultrakurzpuls-Laserlicht erscheinen deshalb im gesamten Spektrum Speckle, obwohl diese im weißen Licht nicht wahrgenommen werden, wohingegen das hochgradig inkohärente weiße Licht einer Glühlampe immer ohne sichtbaren Phasenkontrast erscheint.

Speckle außerhalb des sichtbaren Spektrums

Die Entstehung von Speckle ist nicht auf optische Wellenlängen begrenzt, sondern tritt auch in anderen Bereichen des elektromagnetischen Spektrums und bei der Interferenz von Schallwellen auf. Sie kann sogar bei Teilchenströmen, die ebenso Welleneigenschaften haben, nachgewiesen werden. Bei Radar ist die Erscheinung auch unter dem Namen Glitter bekannt.

Anwendung

Weist die Oberfläche keine systematischen Strukturen auf, so ist das Specklemuster vollkommen zufällig. Gibt es eine sich global wiederholende Feinstruktur, summieren sich die lokalen Beugungs- oder Streueffekte konstruktiv, was in der Röntgenstrukturanalyse ausgenutzt wird, um Strukturen im Bereich der Wellenlänge zu ermitteln.

Makroskopische Veränderungen (z. B. Kratzer, Oberflächenstruktur) haben Einfluss auf das Gesamtbild und sind im Abbild größer als die einzelnen Speckle. Diesen Umstand nutzt man auch in der Messtechnik aus, wo Laserspeckle im Bereich der elektronischen Speckle-Muster-Interferometrie (ESPI) zur Analyse von Schwingungen, mechanischen Spannungen und zur Erfassung von submikroskopischer Oberflächenunebenheiten eingesetzt werden. Neben weiteren klassischen Anwendungsgebieten wie der Stellar-Speckle-Interferometrie und der Speckleholographie haben sich in den letzten Jahren auch „exotischere“ Anwendungsmöglichkeiten wie etwa das digitale Fingerprinting von Dokumenten gezeigt.

Unterdrückung von Speckle

Nicht nur im Bereich der Holographie, sondern bei nahezu allen Anwendungen, die auf der Verwendung kohärenter Wellen basieren, darunter auch die Sonografie und die optischen Kohärenztomographie, wird die Signal-/Bildqualität durch das Auftreten von Speckle stark herabgesetzt. Üblicherweise wird Speckle durch Verändern der Phasenbedingungen entfernt: Modulation der Referenzfläche bei längerer Integrationszeit oder Summierung gegeneinander phasenmodulierter Mehrfachaufnahmen. Aber auch numerische Verfahren der multiplikativen Rauschunterdrückung werden angewendet.

Literatur

• J. Braunbeck: Über eine Erscheinung beim Durchgang monochromatischen, kohärenten Lichtes durch trübe Medien. In: Naturwissenschaften. 49, Nr. 17, 1962, S. 389, doi:10.1007/BF00632237.
• J. C. Dainty (Hrsg.): Laser Speckle and Related Phenomena. Springer, Berlin/Heidelberg/New York 1975, ISBN 3-540-07498-8.
• J. D. R. Buchanan et al.: Forgery: ‘Fingerprinting’ documents and packaging. In: Nature. 436, 2005, S. 475 doi:10.1038/436475a.

Weblinks

 Commons: Speckle – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien