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, почему "черные дыры" - фикция?
Согласно релятивистской мифологии, "чёрная дыра - это область в пространстве-времени, гравитационное притяжение которой настолько велико, что покинуть её не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света (в том числе и кванты самого света). Граница этой области называется горизонтом событий, а её характерный размер - гравитационным радиусом. В простейшем случае сферически симметричной чёрной дыры он равен радиусу Шварцшильда".
На самом деле миф о черных дырах есть порождение мифа о фотоне - пушечном ядре. Этот миф родился еще в античные времена. Математическое развитие он получил в трудах Исаака Ньютона в виде корпускулярной теории света. Корпускуле света приписывалась масса. Из этого следовало, что при высоких ускорениях свободного падения возможен поворот траектории луча света вспять, по параболе, как это происходит с пушечным ядром в гравитационном поле Земли.
Отсюда родились сказки о "радиусе Шварцшильда", "черных дырах Хокинга" и прочих безудержных фантазиях пропагандистов релятивизма.
Впрочем, эти сказки несколько древнее. В 1795 году математик Пьер Симон Лаплас писал:
"Если бы диаметр светящейся звезды с той же плотностью, что и Земля, в 250 раз превосходил бы диаметр Солнца, то вследствие притяжения звезды ни один из испущенных ею лучей не смог бы дойти до нас; следовательно, не исключено, что самые большие из светящихся тел по этой причине являются невидимыми." [цитата по Брагинский В.Б., Полнарёв А. Г. Удивительная гравитация. - М., Наука, 1985]
Однако, как выяснилось в 20-м веке, фотон не обладает массой и не может взаимодействовать с гравитационным полем как весомое вещество. Фотон - это квантованная электромагнитная волна, то есть даже не объект, а процесс. А процессы не могут иметь веса, так как они не являются вещественными объектами. Это всего-лишь движение некоторой среды. (сравните с аналогами: движение воды, движение воздуха, колебания почвы). Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.