Светлина. Част втора.

Добавен от Simonsita

02 Feb 2010

(0 от 0 гласували)

Светлина.

Част втора

Ултразвукови детектори

Тъй като дължините на вълните, използвани за запис на акустичи холограми, са много по-големи от апературата на окото, разделителната способност, която те осигуряват е съвсем неприемлива за невъоръжено око. Така че даже ако се пренебрегне линейното изкривяване на образа, паралаксът няма да има ефект при непосредственото наблюдаване на възстановения по акутстичната холограма образ. За да се получи приемливо качество на образа, апературата трябва да се изравни с големината на цялата холограма. Следователно при наблюдение ще се използува цялата площ на холограмата. Образът ще бъде действителен, фокусиран върху екран. За да се получи ефект на тримерност, екранът трябва да се придвижва в дълбочина.

Много са методите, подходящи за получаване на акустични холограми, защото са много и различните методи за запис на звука. В оптичната холография обикновено се използва фотоплака. В акутстичната холография трябва да се намери акустичен еквивалент на фотоплаката. Най-естествено би било звукът да се записва направо върху фотолента. Това е напълно възможно. парченце от експонирана фотолента се поставя във вана със слаб фиксиращ разтвор. Ако върху лентата се въздейства със силен звук, фиксирането ще се откроява в областите с голям интензитет на звука. Фиксираната по този начин лента се промива и се получава образ, съответстващ на различните звукови нива. Този метод е бил прилаган за получаване на интерференционните картини на акустичните холограми. Той обаче има сериозни недостатъци, защото записващият звук трябва да е с много голям интензитет, макар че и тогава експосоията обикновено се проточва до половин час.

В друг метод се използува аператирана с нишесте плака, която се поставя в йодов разтвор. Под действието на звука нишестето се оцветява с йод, като по такъв начин се записва като по такъв начин се записва акустичната картина. И в този случай обаче се изисква голям интензитет на звука и продължително време за експозиция.

Ако във вана с вода се постави някакъв високочестотен източник на звук, например пиезоелектричен преобразувател, който излъчва към повърхността, водата ще се издува, ще изпъква в местата, в които звукът е стигнал до повърхността и. Акустичните вълни от два такива високочестотни източника, потопени във вода и насочени към повърхността и, че интерферират и в резултат ще се получи интерференционна картина - набраздената повърхност ще бъде холограмата на обекта.

Образът може да се възстанови по два начина. При първият - метод на работа в реално време - повърхността просто се осветява с лазер. Браздите изпълняват ролята на оптична фазова холограма. Правилния образ на обекта се получава под повърхността на водата, а спрегнатия образ, който в случая е действителния, над нея. Поради линейно изкривяване, дължащо се на разликата между дължините на звуковите и светлинните вълни, възстановения образ е на значително по-голямо разстояние от повърхността, отколкото самия предмет. При втория метод набраздената повърхност се фотографира. Върху плаката се получава холограма, която се възстановява по обикновения начин.

Възстановеният по първия метод образ (поради линейното изкривяване) се намира толкова далеч от повърхността, че може да се види само с телескоп. Възможно е обаче да се мине и без телескоп, ако между обекта и повърхността бъде поставен акустична леща по такъв начин, че тримерния образ, който се поучава с лещата, да се проектира върху повърхността. Опорната вълна се разпространява, както и преди, но холограмата сега е фокусирана, така че при възстановяването образът е върху повърхността. В по-раните опит се работеше с акустични лещи, които дават напълно задоволителни резултати.

Използването на водна повърхност поражда два основни проблема.

Първо, повърхността е много чувствителна към нежелателни трептения и движещи в по-големи мащаби, които нарушават набраздеността. Второ, интензитетите на разсеяните и на опорния лъч трябва да бъдат разумно балансирани на повърхността. В противен случай се образуват течения, които също развалят браздите на холограмата. Това ограничава полезната площта повърхността, което н свой ред ограничава апературата и следователно качеството на изображението. Разработена е техника за покриване на водната, повърхност с тънка мембрана. Над мембраната се полага тънък слой от нефт с дебелина няколко милиметра. Така браздите се образуват върху този слой, а не върху повърхността на водата. Когато методът на нефтения слой се използва заедно с новия тип акустични лещи и с импулсните източници на звук, практическата ценност на тази методика се увеличава значително.

Неотдавна по тази методика бяха записани едни от най-добре възстановените до днес образи. Група учени заснема холографски филм, който показва образа на златна рибка в реален мащаб на времето. За получаване на образа бил използва звук с честота 9 MHz. Виждат се ясно скелетът на рибката и плътните и вътрешни органи. Добре се виждат и движението на органите. отварянето и затварянето на устата, повдигане и отпускане на гръбните палавници. Такава система, работеща в реален мащаб на времето, позволява на наблюдателя да следи движението на обекта и да го изучава и затова предимствата огромни. Ако обаче обектът е неподвижен, интерпретацията му може да бъде затруднена. Тези и други резултати показват бъдещата важна роля на акустичната холография в медицинската диагностика.

Съществува и друг методи за запис на холограми, получени върху повърхността на течности или непосредствено под нея. тях се получават механични сканиране с детектор, поставен под равнището на течността, и електронно сканиране с пиезоелектричен преобразувател. Те обаче нямат никакви значителни предимства пред разгледания.

В друга серия опити бе изследвана вълновата картина на холограмата, получена чрез отразени, а не чрез преминаващи вълни. В опитите са били използвани буквите A, R и L. Всяка буква била направена като мозайка от различни по големина камъчета с височина около 1.2 м. Целта била да се установят как ще се различават помежду си холограмите при облъчване на буквите с три различни по дължина звукови вълни. За нагледност те искали да отпечата образите в различни цветове така че след налагането им да се получи един трицветен образ.

За да се осигури пълна аналогия на звук-цвят, дължините на звуковите вълни били избрани така, че отношението или да бъде същото, като между дължините на вълните не небесносинята, зелената и червената светлина. За тези три цвята дължините са съответно около 420, 525 и 630 nm, като отношението е 4:5:6. В съответствие с това били избрани звукови вълни с дължини 16, 20 9 24 mm, които отговарят на честоти 21, 18 и 18 KHz.

Резултатите оправдали очакванията. Мишената от твърди камъчета действала като “бял” отражател на звука. Затова холограмите за всяка дължина на вълната си проличали много, а буквите в окончателния трицветен образ съдържали приблизително равни количества от всеки цвят. При трицветния печат първичните цветове - червен , зелен и небесносин - се получават чрез смесване на техните допълнителни цветове: цианин (небесносин), фуксин (червена аналинова боя - червен) и жълт. Окончателния образ се формира чрез налагане на трите акустични холограми, оцветени така, че да съответстват на дължините на създалите ги звукови вълни. Ако този образ се възпроизведе върху цветен диапозитив и се освети с кохерентен лъч бялата светлина (с подбрана смес от кохерентна червена, зелена и небесносиня светлина), буквите изглеждат бели.

При първите опити в областта на акустичната холография бяха използвани преки акустични аналози на оптичните методи. Постепенно обаче стана очевидно, че може да се внедри абсолютно нова техника, която няма оптичен еквивалент. Например изходния сигнал на детектора (микрофона) при електронно дефектиране е електрически сигнал със същата честота и фаза, като на акустичния. затова вместо да се смесват разсеяната и опорната акустична вълна и след това да се дефектира сумата им, дефектира се само разсеяната вълна, като опорния електричен сигнал. Опорният сигнал,който захранва източника на звука “осветяващ” обекта. Електронното сумиране в този случай съответствува на интерференцията на разсеяната и опорната вълна. Днес почти навсякъде използва електронна имитация на опорна вълна.

Друго важно предимство на този тип дефектиране е възможността да се въздействува върху разсеяния сигнал преди сумирането му с опорния. Тази възможност бе използвана за изследване на относителната важност на двата параметъра на разсеяната вълна, които обикновено се записват върху холограмата - фазата и амплитудата. По такъв начин бе получена чисто фазова холограма. За тази цел е било въздействуващо върху електричния аналог на разсеяната вълна, чиито амплитуда и фаза се изменят при сканирането на обекта със звуков детектор. Амплитудата на електричния сигнал аналог било поддържана постоянна с помощта на електронни преобразувания (като и да се променяла акустичната амплитуда), но фазата била запазена без изменение. Окончателната фазова холограма се получава чрез сумиране на този сигнал, имащ постоянна амплитуда, и опорният, който също е с постоянна амплитуда. Фазовата холограма се различава по вид от обикновената само по това, че контрастността на интерференционните пръстени е една и също по цялата и повърхност. (Измененията на контрастността в обикновената акустична холограма съответствуват на измененията на амплитудата на разсеяната вълна.) Обикновено във фазовите холограми ъглите за изразени по-ясно, отколкото в обикновените акустични холограми. Нещо повече, в някой случаи се запазва относителната “акустична яркост” на детайлите на обекта.

Следващата хитрост, приложима към звуковите, но не и към светлинните вълни, допринесе за развитието на нова техника, наречена “времезависима опорна холография”. Както с вижда от наименованието, записват се измененията на разсеяната вълна във времето, а не по отношение на опорната вълна. Регистрира се налягането на разсеяната акустична опорна вълна в определен момент от периода на акустичното трептение. Главното предимство на “времезависимата опорна холография” пред обикновената акустична холография е по-голямата скорост на записа, осигуряваща по-качествено възпроизвеждане на образите на движещи се обекти.

В лабораторията за перспективни изследвания на компанията “Дъглас” е разработена методика, която може да намери приложение в медицинската диагностика. С нейна помощ могат за една половинмилионна част от секундата да се записват “времезависими опорни акустични холограми” посредством звукови вълни с честота 1 MHz. Методът използва нова форма на интерферометрия. наименованието показва, че регистрираните измествания са по-малки от дължината на една оптична вълна (в обикновената интерферометрия измервания са от порядъка на много дължини на оптични вълни).

Накратко методът се състои в следното. Разсеяната акустична вълна пада върху повърхност, която започва да трепти с амплитудата, значително по-малко от дължината на оптичната вълна. Деформацията на повърхността се регистрира чрез осветяването и с импулсен лазер, в резултат на което върху фотоплака се получава оптична холограма на повърхността. След половин период (половинмилионна част от секундата) втори импулсен лазер, разположен на една и съща ос с първия, записва върху същата фотоплака втората холограма на деформираната повърхност. За времето между двете експозиции обаче светлинния път на оптичната опорна вълна намалява с една четвърт от дължината на оптичната вълна. Измененията на яркостта на възстановения по двукомпонентната оптична хологарма образ на повърхността са пропорционални на предизвиканите от акустичната вълна деформации, възникнали между двата импулса. Така полученият възстановен образ на повърхността е “времезависима опорна холограма” на акустичното вълново поле, отразено в повърхността.

Описания метод има няколко важни предимства. Първо, апертурата на холограмата е ограничена само от мощността на лазера, с който се осветява повърхността. Импулсния лазер може да освети добре около 0.3 m^2 площ, а което се осигуряват необходимата разделителна способност и качество на образа. Второ, благодарения на използването на оптични средства за детектиране на повърхността се избягват сериозните инженерни проблеми, свързани със създаването на електронни детектори с голяма апертура. Трето, извънредно голямата скорост на записа означава, че движението на обекта оказва незначително влияние върху системата.

Техниката на запис от течни повърхности и за оптичен запис на “времезависими акустични холограми”, която все още е в период на развитие, е многообещаваща като практически сигурна система за работа с високи ултразвукови честоти. Такива честоти от мегахерцовият обхват ще бъдат нужни в медицинската диагностика и за изпитвания без разрушаване на материали. Поучаването на висококачествени образи на човешкото тяло, показващи структурата на меките тъкани, органите и съдовете, ще даде на лекаря нова клинична информация. Една такава система ще бъде значителна подкрепа на съществуващите ехоимпулсни и рентгенови методи. Според мнението на специалистите акустичната холография за получаване на образи на обекти, намиращи се под повърхността на земята и в морето, засега е в процес на разработване.

Диагноза по звук, който не се чува

Независимо от многото проблеми ултразвуковата (УЗ) холография е конкурентноспособна по отношение на нехолографските методи за визуализиране, което се дължи на следните присъщи и възможности:

1. Получаване на качествени УЗ образи, включително и при голяма зрително поле. Това се дължи на липсата на каквото и да било пространствени преобразувания на УЗ поле, разсеяно от обекта.

2. Получаване на образи на различни сечения на обекта при възстановяване в оптичен обхват.

3. Амплитуден синтез на образи, т.е. сумиране и изваждане на УЗ полета, носещи информация за различни състояния на един обект.

4. Прилагане на различи методи за оптична обработка при етапа на възстановяване (съгласувана филтрация, преобразувания на Фурие, деференициране, интергрупиране и др.) за определяне на представляващите интерес детайли и структури на изследваните обекти.

Изброените възможности допринасят за повишаване на достоверността на диагнозата, поставена по видимите образи на вътрешните структури на медикобиологични обекти, получени чрез методите на холографията.

За целите на медицинската диагностика се използуват главно УЗ трептения с честоти в обхвата от 1 до 10 MHz. Обхватът се определя от компромиса между разделителната способност, увеличаваща се при повишаване на честотата и чувствителността, която пък намалява поради нарастващото поглъщане на УЗ вълните от биологичните тъкани.

От специфичните особености на медикобиологичните обекти произтичат редица изисквания към методите и апаратурата на УЗ холография. Такива особеност са;

1) Динамичността на органите и структурите на биологичните тъкани;

2) Значително поглъщане на УЗ енергия от биологичните тъкани;

3) Малките изменения на акустичните параметри на диагностициращите органи и тъкани както в нормално, така и в апталогично състояние;

4) Съзимеримостта на диагностицираните структури с дължините на вълните в използваните УЗ обхвати.

Като се има предвид тези особености,основните характеристики, които определят възможността за приложение на един или друг холографски метод в диагностиката са времето за регистриране на холограмите (бързодействието), праговата чувствителност, динамичният обхват и разделителна способност.

Холографски картиограф

Електричеството в живите организми

Медицинската електрография е наука за изучаване на връзките между електричните и физиологични процеси в живия организъм. Електрографията изследва електричната активност на живата тъкан, а електрокардиографията съответно е диагностичен метод за оценка на състоянието на сърдечния мускул и сърдечносъдовата система по електричната им активност, която се изменя във времето.

Приложението на електрокардиографията датира от края на 20-те години, когато за регистриране на електричната активност на сърдечния мускул, органите, нервите т.н. е предложено да се използува магнитоелектричен осцилограф, който интерполира активността и записва кривата и върху хартиена лента. Следва период на бурно развитие на електричаната диагностика. Производството на електродиагностична апаратура се превръща в самостоятелен отрасъл. Усъвършенстват се електроизмервателната техника.

1) Динамичността на органите и структурите на биологичните тъкани;

2) Значително поглъщане на УЗ енергия от биологичните тъкани;

4) Съзимеримостта на диагностицираните структури с дължините на вълните в използваните УЗ обхвати.

Холографски картиограф

Електричеството в живите организми

Искате да сте на пет места едновременно? Телепортирайте се

-Чрез холографията триизмерното ви изображение присъства навсякъде

-Директорът на "Бритиш Петролиум" работи в САЩ, без да излиза от офиса си в Лондон

Юни, 2002 г.

Холографията вълнува въображението на писателите от десетилетия. Тя обаче отдавна е излязла извън рамките на фантастиката и се е установила в действителния живот. След атентатите в Ню Йорк на 11 септември 2001 година много бизнесмени, особено ръководителите на висшите звена на големи компании, започнаха да избягват пътуванията със самолет. По понятна причина се повиши интересът към техническите средства за ефективно организиране на телеконференции. Те обаче са на път да бъдат изместени от новата технология "холографическа телепортация", предлагана от английско-американската компания "Телепортек". Изпълнителните директори на фирми като "Бритиш Петролиум" и "Нортел Нетуъркс" вече прибягнаха до тази услуга. Чрез нея, без да напускат офисите си, се явяват "обемно и зримо" пред своите сътрудници в други части на света и общуват с тях в реално време.

Технологията, предлагана от "Телепортек", всъщност се изразява в следното. Специална камера заснема образа, превръща го в цифри и го предава на адресата. Там на специален стъклен панел се пресъздава триизмерното изображение, проектирано от два лъча. Човекът е пресъздаден в естествена величина в "работно пространство" с ширина 1 м. и височина 75 см. Месечният наем за комплект от оборудване на "Телепортек" е 5 хиляди долара.

Холографските изображения могат да съществуват едновременно с първообраза си не само в реално време. Те могат да бъдат възпроизведени и да живеят самостоятелен живот.

Откривателят на значимата технология се нарича Денис Габор. През 1948 г., работейки върху подобряването на качествата на елекронните микроскопи, английският физик открива принципите на холографията. Но едва след 1961-1963 г., когато лазерите широко навлизат в експерименталните технологии, тя е възприета насериозно. От този момент холографията започва да се развива главоломно, превръщайки се в мощен научен инструмент. За своето важно откритие през 1971 г. Денис Габор получава Нобелова награда.

За насочването на интереса към холографията помагат и експериментите, направени от американските физици Е.Лейт и Ю.Упатниекс. Те демонстрирали пред журналисти холограма на долар, висящ във въздуха. Каква е тази технология, журналистите не били много наясно, но пък на всички до един им било известно какво е долар. Така били спечелени за каузата. Възторжените разкази за "чудото", което може да се види, но не може да бъде пипнато, изиграли своята роля. Холографията заинтересувала не само учените, намерили се пари и за по-нататъшни изследвания.

Терминът холография (holography, стгр.) е образуван от съчетанията на думите "пълен, тежък" и "рисувам, записвам". В самото понятие е заложен принципът на технологията - най-пълния запис на образа на обекта. За изготвяне на холограма не е необходим компютър, понеже това е чисто оптически процес. В най-общ вид идеите на технологията могат да бъдат обяснени така: ако по някакъв начин зафиксираме структурата на светлинното поле, идващо от обекта, запишем я на носител, а после възстановим това поле с достатъчна точност, наблюдателят не може да различи дали вижда самия оригинал или неговата имитация.

Приложението на холографията днес е огромно, тя се използва в науката, техниката и изкуството. Подобни изображения могат да бъдат видени върху опаковките на някои продукти и корици на списания, също и върху кредитните карти. По този начин проектантите и инженерите имат възможността да наблюдават творенията си в триизмерен вид. Изображението е два вида - ако се намира зад пластинката на холограмата и се наблюдава като през прозорец, то се нарича мнимо (виртуално). Ако се намира пред нея, то е действително (реално).

Първият художник, който се е възползвал от удивителните свойства на холографията, е Салвадор Дали. Възможността да се създават оптични илюзии привлякла световно известния гений. През 1964 година той изложил в Ню Йорк пано, което при смяна на ъгъла на разглеждане създавало ефект на релефност. Тази композиция, наподобяваща око на насекомо, послужила за основа на куп живописни творби. Дали открил, че ефектът при стереоскопичните картини се постига при отраженията на две огледала, поставени едно към друго под ъгъл 60 градуса. С помощта на този прийом той създал две картини, изобразяващи съпругата му и негова муза Гала.

Холограмата може да бъде уникален подарък. Тя формира реално обемно изображение на любим човек, неодушевен предмет или животно, което може да бъде наблюдавано от различни гледни точки. Холограмата съхранява свойствата си доста дълго, като животът и е по-дълъг от този на обикновените фотографии и печатните издания.

ПРИЛОЖЕНИЕ

На изложба в Лондон в края на 2001 г. бе представена "телепортацията" на учителя по математика Катрин Дартън от аудиторията на колеж в Англия в зала на изложбения център, пълна със зрители студенти. Преподавателят се представя на слушателите триизмерен в цял ръст и в центъра на залата. Той размахва ръце, почесва се зад тила, киха и вади от джоба си носна кърпичка пред очите на студентите, стоящи на стотици километри от него. На свой ред преподавателят вижда зрителите като на длан благодарение на работещите видеокамери.

В РАМКИТЕ НА ФАНТАСТИЧНОТО

През 1989 г. американският фантаст Пирс Ентъни пише романа "Зов за завръщане", филмиран година по-късно от режисьора Пол Верховен, с Арнолд Шварценегер в главната роля. В него авторът описва холографското изображение на основния герой по следния начин:

"Куейд направи крачка напред, същото стори и мъжът. Куейд беше изумен. Та това бе самият той! Или по-скоро, това бе холографска проекция на неговото огледално отражение и то с много високо качество. Той се приближи към холограмата, която от своя страна направи същото. Куейд вдигна ръка - и холограмата също вдигна ръка. Куейд направи внезапно движение, сякаш се опитваше да изпревари действията на отражението, както правеха в старите филми, но то не се забави нито миг."