ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Исследование внутренней структуры объектов из "Оптическая томография " Данное направление — наиболее распространенная область применения томографической обработки информации. В настоящее время известны томографические системы для широкого класса измеряемых распределений физических величин внутри объектов при самых различных видах воздействия на них. [c.15] Определение и исследование внутренней структуры различных объектов и процессов — задача, в которой органично сочетаются интересы науки, техники и медицины. Не случайно за последние 10 лет томография нашла применение в самых разных областях естествознания в астрономии — для получения изображений распределенных источников в рентгеновском и радиодиапазонах [11] в науках о Земле — для трехмерного картирования мантии Земли [16] и определения крупномасштабных явлений в океане [21] в физике — для измерения распределений физических величин [22] в биологии и медицине — для диагностики биологических обьектов и человека [1, 23] в химии и кристаллографии — для получения изображений молекул [8, 9] в информатике — для обработки многомерных сигналов [13, 18] в машино- и приборостроении — для неразрушающего контроля объектов от многотонных конструкций [24] до изделий микроэлектроники [25]. [c.15] Для воздействия на объекты с целью последующего восстановления исследуемых характеристик используют физические про-цессы произвольной природы. Наибольшее применение в настоящее время нашли рентгеновские и гамма-лучи, тяжелые частицы (альфа-частицы, протоны), электронные пучки, магнитные поля (ядерная магниторезонансная (ЯМР) томография), ультразвук, сейсмические и акустические волны и т. д. Широкий класс объек- тов и процессов может быть исследован воздействием на них оптического излучения. Наличие большого числа систем, с одной стороны, отличающихся друг от друга, а с другой — использующих одни и те же принципы, привело к необходимости некоторой их дифференциации. В литературе рассматривались различные принципы классификации методов данного направления, которые, как правило, сводились к разделению их по виду воздействия на исследуемый объект. По аналогичному принципу построены различные обзоры, посвященные применению томографических методов. Согласно этому признаку различают регтгеновскую, акустическую, оптическую и прочую томографию. [c.15] Более продуктивной, на наш взгляд, была бы классификация, построенная на других принципах. Рассмотрим процесс построения томографической системы, предназначенной для тех или иных физических измерений. Как правило, он начинается с анализа процесса распространения излучения в вешестве. Из определенных физических посылок выбирается уравнение, описываюшее связь между измеряемыми параметрами вн три объекта и характеристи- ками излучения (поля). Важно отметить, что для многих внешне отличных областей исследования уравнение распространения оказывается одинаковым. Так, например, закон Бугер а-Ламберта-Бэр а описывает связь между показателем поглощения и зондируемым полем практически для всех диапазонов электромагнитного излучения Волновое уравнение позволяет определить связь между внутренней структурой объекта и прошедшим полем в акустическом, оптическом и других диапазонах. Уравнение распространения, в свою очередь, позволяет получить уравнение связи между исследуемой величиной и измеряемой характеристикой поля. [c.16] В табл. В.1 приведены некоторые виды уравнений распространений и связи. Основным достоинством такой классификации является то, что она позволяет сразу определить наличие и вид формулы обращения независимо от того, в какой области применения томографии она была получена. Это способствует взаимному проникновению идей обработки и методов решения обратных задач, которые часто развиваются независимо в самых различных областях науки. [c.16] Наиболее ярким примером такого плодотворного обмена идеями может служить дифракционная томография. Зародившаяся в работах Е. Вольфа [26] для решения оптической задачи восстановления потенциала рассеяния по голографическим измерениям, она затем обрела новую жизнь в акустических приложениях [27], а сейчас вновь с успехом применяется в оптических измерениях [28]. [c.16] Анализ томографа по указанному признаку позволяет не только выбрать конкретный алгоритм решения обратной задачи, но и оценить весь прибор в целом как некоторое устройство отображения с определенной передаточной функцией. Он дает возможность также определить класс объектов, пространственные частоты которых проходят через томограф без искажений, оценить точностные характеристики прибора и выбрать пути их повышения. [c.18] В то же время развиваются аналоговые методы и соответствующие системы, предназначенные для получения изображений внутренней структуры объектов [32]. Среди них наибольшие перспективы имеют оптико-электронные процессоры, реализующие алгоритмы восстановления томограмм. К основным достоинствам такого рода систем можно отнести оперативность обработки (вплоть до реального времени), дешевизну, возможность интерактивного анализа. Недостатком их является невысокая точность аналоговых вычислений (5—10%). Оптико-электронные процессоры находят применение при обработке информации в различных томографах [33]. [c.18] Томографические методы в оптике начали применяться в середине 50-х годов. Так, в работах советских ученых (см., например, [34]) описано восстановление распределения плотности газа в аэродинамических потоках. Однако из-за сложной для того времени экспериментальной техники и несовершенных методов обработки они не получили широкого распространения. Новый этап применения томографии в оптике начался с появления голографической интерферометрии, которая существенно упростила регистрацию проекций — интерферограмм. В работе П. Д. Роули (1968 г.) было указано на возможность восстановления трехмерного распределения показателя преломления внутри объекта. В течение последующего десятка лет данное направление получило дальнейшее развитие в работах зарубежных [35] и советских ученых [И. Н. Штейн (1972 г.), Ю. И. Филенко (1972 г.), Ю. П. Пресняков (1976 г.)], возглавляемых В. М. Гинзбург [36]. В указанных и последующих работах (см., например, 12, 37]) была рассмотрена возможность применения томографии с голографической регистрацией проекций для диагностики плазмы, газо- и гидродинамических потоков, явлений тепло- и массообмена, стекловолокна и т. д. [c.19] Успешное применение указанных методов для измерения распределения показателя преломления стимулировало использование томографии для исследования других оптико-физических характеристик объектов. К таким характеристикам можно отнести пространственное распределение показателя поглощения внутри объекта и коэффициент экстинкции, особенно важные для исследования рассеивающих сред. Представляет интерес также распространение принципов томографии на исследование самосветящихся объектов. Эмиссионная оптическая томография наиболее глубоко рассмотрена в [38]. [c.19] Рассмотренная классификация томографических методов исследования внутренней структуры основана на уравнении распространения поля в объекте, количестве регистрируемой информации и виде системы реконструкции томограмм. Она обладает, на наш взгляд, тем достоинством, что позволяет, во-первых, использовать достижения томографии, полученные при различных видах воздействия, во-вторых, проследить весь путь построения томографической системы от анализа взаимодействия излучения с веществом до конкретного устройства восстановления томограмм и, в-третьих, увидеть другие возможные направления применений томографических принципов для восстановления полей разнообразных величин, характеризующих объект. [c.19] Вернуться к основной статье