Визуализация изображений. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Визуализация изображений - методы преобразования пространственного распределения нек-рого параметра физ. поля, гл. обр. эл--магн. излучения, невидимого для человеческого глаза (ИК-, УФ-, УЗ-, рентг. излучений и др.), испускаемого или отражённого (рассеянного) объектом, в видимое (чёрно-белое или цветное) изображение. При этом яркость или цвет элемента видимого изображения должны соответствовать определ. величине параметра визуализируемого поля, напр. энергетич. освещённости или распределению по спектру ИК- или УФ-излучения, давлению УЗ-поля, плотности потока нейтронов и пр. В ряде случаев возможна визуализация не только распределения интенсивности, но и распределения фазы или состояния поляризации электромагнитного поля или иного излучения.

Важнейшими параметрами визуализирующих систем и способов визуализации изображений являются пороговая чувствительность g - величина входного сигнала, при к-рой достигается заданное отношение сигнал/шум в выходном изображении (обычно измеряется в Вт/см² или Дж/см²), предельное пространственное разрешение R (в мм^-1), постоянная времени

(с) или частота получения изображений f (кадр/с). Устройства для визуализации изображений характеризуются также областью спектральной чувствительности, динамич. диапазоном, частотно-контрастной характеристикой, реверсивностью и т. д. Для сравнения систем визуализации изображений, основанных на разл. физ. принципах, служит квантовая эффективность детектирования, характеризующая степень приближения реальной системы к характеристикам идеального приёмника, шумы к-рого определяются только квантовыми флуктуациями потока регистрируемого излучения (см. Квантовый выход прибора).

Наиб. развиты методы визуализации изображений, создаваемых эл--магн. излучением за пределами видимой области спектра. В ИК-области до 1,3 мкм используются галогенидосеребряные фотослои, сенсибилизированные к ИК-излучению (

10^-4-10^-6 Дж/см²,

60-80 мм^-1), до 1,7 мкм - электронно-оптические преобразователи (

10^-11 Дж/см²,

30-40 мм^-1). Для визуализации ИК-изображений в окнах прозрачности атмосферы 3-5 и 8-14 мкм применяют тепловизоры - приборы, в к-рых поле изображения сканируется одно-или многоэлементным фотоэлектрич. приёмником, преимущественно на основе соединения InSb (3-5 мкм) или CdHgTe (8-14 мкм), охлаждаемого до 77 К (см. Тепловидение). Возможно использование тепловых приёмников изображения - эвапорографов (см. Эвапорография)или телевизионных трубок с теплочувствит. мишенью из пироэлектрич. материалов (см. Пироэлектрики - )пировидиконов. Чувствительность тепловизоров обычно характеризуется минимально обнаружимой разностью температуры в тепловом поле объекта (приводимой к излучению чёрного тела) и составляет для лучших моделей 0,1-0,2 К, что соответствует разности в энергетич. освещённости объекта и фона 10^-6 Вт/см²; у эвапорографа последняя величина равна 10^-5 Вт/см², разрешение

10-15 мм^-1. В тепловизорах используются объективы из монокристаллов Si, Ge, халько-генидных стёкол и поликристаллич. оптич. материалов. Меньшей чувствительностью обладают др. способы визуализации изображений, основанные на тепловом тушении люминесценции (10^-2-10^-3 Вт/см², 15-30 мм^-1), но зато такие люминофорные экраны чувствительны не только в оптическом, но и в КВ-радиодиапазоне (радиовизоры). В ИК-диапазоне в системах визуализации изображений могут использоваться слои холестерических (

10^-2-10^-4 Вт/см²,

5 мм^-1) или нематических (

0,2-2,0 Вт/см²) жидких кристаллов, а также фотохромные материалы. Для визуализации импульсных полей лазерного излучения и для оптич. микрозаписи информации (видеодиски, оптич. запоминающие устройства) применяются испаряющиеся тонкие металлич. плёнки (

0,5-1,0 Дж/см²,

2000 мм^-1), термомагнитные плёнки (

10^-2 Дж/см²,

300 мм^-1), слои "ФТИРОС", регистрирующие излучение на основе фазового перехода в тонких плёнках V₂O₅ (

10^-2 Дж/см²,

500- 800 мм^-1). Визуализация изображений в субмиллиметровой области спектра достигается с помощью либо тепловых (радиовизор, жидкие кристаллы), либо радиотехн. методов. Развиваются методы визуализации изображений в ИК-области, основанные на пара-метрич. преобразовании частоты (см. Параметрический генератор света)детектируемого излучения "вверх" при накачке нелинейного кристалла некогерентным ИК-излучением или мощным излучением лазера (коэф. преобразования мощности излучения накачки ~10^-5- 10^-6,

50 мм^-1).

Для визуализации изображений в УФ- и рентг. областях спектра, наряду с фотослоями, содержащими повышенную концентрацию AgBr и уменьшенное кол-во желатина, используются люминесцентные экраны, электронно-оптич. преобразователи с фотокатодом из CsJ и микроканальные усилители яркости (

10^-10-10^-11 Дж/см²,

40 мм^-1). Для построения оптич. изображения в этой области применяются либо зеркальные системы со скользящим отражением от ультрагладких металлич. зеркал, либо камера-обскура ,либо многоканальная система зеркальных концентраторов лучей на элементарные площадки множества детекторов, подобно фасеточному глазу насекомых. Чрезвычайно плодотворным в рентгеновской (а также в УЗ-) области оказался метод томографии - обработки с помощью ЭВМ ряда теневых проекций исследуемого объекта с синтезом объёмного полутонового изображения.

Для визуализации траекторий заряженных частиц применяются трековые камеры (пузырьковая, Вильсона, диффузионная, искровая), телескоп счётчиков, метод ядерных фотографических эмульсий, трековые детекторы частиц - слюда, нитратцеллюлозные плёнки.

Визуализация эл--статич. полей на поверхности высокоомных полупроводников или диэлектриков с помощью заряж. частичек красящего порошка используется для проявления скрытого изображения в электрофотографии. Магн. поля визуализируют как нанесением железных опилок, так и в поляризов. свете с использованием магнитооптич. Керра эффекта .Поля механич. напряжений в моделях конструкций, изготовленных из оптически активных пластмасс, визуализируют в поляризов. свете (метод фотоупругости). Для этих же целей в произвольных объектах используют метод голографической интерферометрии. Визуализация аэро-или гидродинамич. потоков осуществляется с помощью интерференц. и теневых методов.

Визуализация УЗ-изображений и голограмм основана на методах деформации поверхностного рельефа в жидкости, дифракции света на ультразвуке (

10^-9Вт/см²), тепловом воздействии УЗ на жидкие кристаллы или пропитанные проявителем предварительно засвеченные фотослои (

10^-4-1 Вт/см²), а также на использовании матриц пьезоэлектрич. приёмников (

10^-8 Вт/см²) (подробнее см. Визуализация звуковых полей ).Для визуализации трёхмерных полей концентрации хим. веществ в атмосфере применяют методы дистанционной лазерной спектроскопии; в живом организме, наряду с методом радиоакт. изотопов, используют томографию с детектированием сигнала ядерного магн. резонанса.

Литература по визуализации изображений

Знаете ли Вы, что низкочастотные электромагнитные волны частотой менее 100 КГц коренным образом отличаются от более высоких частот падением скорости электромагнитных волн пропорционально корню квадратному их частоты от 300 тысяч кмилометров в секунду при 100 кГц до примерно 7 тыс км/с при 50 Гц.