Итак, электромагнитное поле, распространяющееся в пространстве и изменяющееся во времени по гармоническому закону имеет следующие существенные свойства.

1) При распространении электромагнитного поля в каждой точке пространства происходят периодически повторяющиеся изменения электрического и магнитного полей. Эти изменения удобно изображать в виде колебаний векторов напряженности электрического поля  и индукции магнитного поля в каждой точке пространства.

2) Электромагнитная волна — поперечная волна, так как  и .

3) Колебания векторов и в каждой точке электромагнитной волны происходят в одинаковых фазах и по двум взаимно перпендикулярным направлениям  в каждой точке пространства.

4) Период электромагнитной волны Т (частота ) равен периоду (частоте) колебаний источника электромагнитных волн.

Для электромагнитных волн справедливо соотношение

,

где - скорость распространения волны.

В вакууме

 – длина волны наибольшая по сравнению с λ в другой среде.

5) Электромагнитная волна является носителем энергии, причем перенос энергии совершается в направлении распространения волны. При этом плотность потока энергии пропорциональна квадрату амплитуды.

Объемная плотность энергии электромагнитной поля определяется выражением

. 

Рас­смотрим поверхность площадью S, через которую электромагнитные волны переносят энергию. Плотностью потока электромагнитного излучения I называет отно­шение электромагнитной энергии W , проходящей за время t через перпендикулярную лучам поверх­ность площадью S, к произведению площади S на время t. Плот­ность потока излучения, в СИ выра­жают в ваттах на квадратный метр (Вт/м²). Иногда эту величину называют интенсивностью волны.

Рис. 2. К объяснению понятия плотности электромагнитного излучения

Плотность потока излучения равна произведению плотности элек­тромагнитной энергии на скорость ее распространения, то есть

.

Источник излучения считается точечным, если его размеры много меньше расстояния, на котором оце­нивается его действие. Кроме того, предполагается, что такой источник посылает электромагнитные волны по всем направлениям с одинаковой интенсивностью.

Рассмотрим зависимость плотности потока излучения от расстояния до источника, который создает электромагнитную волну.

Энергия, которую несут с собой электромагнитные волны, с течением времени распределяется по все большей и большей поверхности. Поэтому энергия, переносимая через единичную площадку за единицу времени, то есть плотность потока излучения, уменьшается по мере удаления от источника. Выяснить зависимость плотности потока излучения от расстояния до источника можно, поместив точечный источник в центр сферы радиусом R. площадь поверхности сферы . Если считать, что источник по всем направлениям за время t излучает энергию W, то плотность потока излучения от точечного источника убывает обрат­но пропорционально квадрату расстояния до источника.

Теперь рассмотрим зависимость плотности потока излучения от частоты.

Как известно излучение элек­тромагнитных волн происходит при ускоренном движении заряженных частиц. Напряженность электрического поля и магнитная индукция электромагнитной волны про­порциональны ускорению а излучающих частиц. Ускорение при гармо­нических колебаниях пропорционально квадрату частоты. Поэтому напряженность электрического поля и магнитная индукция пропорциональны квадрату частоты. Плотность энергии электрическо­го поля пропорциональна квадрату напряженности поля. Энергия магнитного по­ля пропорциональна квадрату магнитной индукции. Полная плотность энергии электро­магнитного поля равна сумме плотностей энергий электрического и маг­нитного полей. Поэтому плотность потока излучения пропорциональна: ( ). Отсюда получаем, что I пропорциональна плотности в четвертой степени.

Электромагнитные волны в квантовом представлении можно трактовать, как поток частиц с нулевой массой, движущийся со скоростью света. Каждая такая не имеющая массы частичка обладает энергией и называется квантом излучения (фотоном). Согласно квантовой теории оптическое излучение это поток элементарных частиц, называемых фотонами, с энергией W_opt (обычно измеряемой в эВ - электрон-вольтах)

, (6.2)

где h – постоянная Планка;

с – скорость света.

Задание 1.2. Кратко опишите, что представляет собой сущность, которую называют светом. Поясните, чем свет отличается от оптического излучения.

Теоретические предпосылки, необходимые для уяснения того на какие диапазоны и поддиапазоны делится электромагнитное излучение, и что представляет собой такая сущность, как свет

Электромагнитные волны могут существовать любой длины волны.

Общепринято весь спектр электромагнитных волн разделять на радиодиапазон ( мм), оптический диапазон, (1нм 1мм), состоящий из инфракрасной, видимой и ультрафиолетовой составляющих, диапазон рентгеновского излучения и жесткого излучения (гамма- -лучей).

Видимое, инфракрасное и ультрафиолетовое излучение составляет так называемую оптическую область спектра в широком смысле этого слова. Выделение такой области обусловлено не только близостью соответствующих участков спектра, но и сходством приборов, применяющихся для её исследования и разработанных исторически главным образом при изучении видимого света (линзы и зеркала для фокусирования излучения, призмы, дифракционные решётки, интерференционные приборы для исследования спектрального состава излучения и пр.).

Сведения о спектре электромагнитных волн представлены на рис. 3, 4, 5, в табл.1).

Рис. 3. Деление спектра электромагнитных волн

Рис. 4. Шкала электромагнитных волн

Обратите внимание на очень важный факт. Из формулы (6.2) видно, что энергия фотона пропорциональна частоте. Отсюда следует, что электромагнитные колебания более высокой частоты (то есть более короткой длины волны) обладают большей энергией фотона.

Радиоволны характеризуются малой энергией фотона, у микроволн энергия больше. У инфракрасного излучения она еще больше. Далее энергия фотона возрастает для диапазонов видимого спектра, рентгеновских лучей, и, наконец, у гамма-излучения она наибольшая. Именно по этой причине гамма-излучение так опасно для живых организмов.

Таблица1.

Название диапазона		Длины волн, λ	Частоты, ν	Источники
Радиоволны	Сверхдлинные	более 10 км	менее 30 кГц	Атмосферные явления. Переменные токи в электронных потоках и проводниках, создаваемые с помощью радиопередатчиков на антеннах
	Длинные	10 км — 1 км	30 кГц — 300 кГц
	Средние	1 км — 100 м	300 кГц — 3 МГц
	Короткие	100 м — 10 м	3 МГц — 30 МГц
	Ультракороткие	10 м — 1 мм	30 МГц — 300 ГГц[4]
Инфракрасное излучение		1 мм — 780 нм	300 ГГц — 429 ТГц	Излучение молекул и атомов при тепловых и электрических воздействиях.
Видимое (оптическое) излучение		780—380 нм	429 ТГц — 750 ТГц
Ультрафиолетовое		380 — 10 нм	7,5×1014 Гц — 3×1016 Гц	Излучение атомов под воздействием ускоренных электронов.
Рентгеновские		10 — 5×10−3 нм	3×1016 — 6×1019 Гц	Атомные процессы при воздействии ускоренных заряженных частиц.
Гамма		менее 5×10−3 нм	более 6×1019 Гц	Ядерные процессы, радиоактивный распад.

Диапазон электромагнитных волн неоднороден, поэтому его делят на поддиапазоны, в которых физические свойства электромагнитных полей в определенной степени одинаковы.

Принято считать, что оптическое излучение это электромагнитные волны с длиной волны от 10 нм до 1 мм. По физическим свойствам оптический диапазон волн, состоящий из инфракрасного, видимого, ультрафиолетового участков спектра, также неоднороден. Поэтому оптический диапазон делят на поддиапазоны, в которых физические свойства в определенной степени одинаковы (рис. 6).

Рис. 5. Классификация диапазонов спектра электромагнитного излучения по-английски. Колонки: 1 (чёрная) — аббревиатуры обозначения диапазонов, 2 — частота, 3 — длина волны, 4 — энергия фотона.

Видимый диапазон оптического излучения является особым видом электромагнитного излучения, поскольку он воспринимается человеческим глазом. Мы обычно оптическое излучение видимой части оптического излучения называем светом.

Свет – это электромагнитная волна, векторы напряженности электрического и магнитного поля которой расположены в плоскости, перпендикулярной направлению ее распространения и периодически изменяются по величине и направлению.

Рис. 6. Представление оптического диапазона в виде ряда шкал электромагнитных волн. Видимый диапазон спектра показан в растянутом виде, но при этом следует подчеркнуть, то он занимает весьма узкий участок всего электромагнитного спектра

Он охватывает длину волны приблизительно от 0,4 мкм (фиолетовый цвет) до 0,79 мкм (красный цвет). Частоты волн оптической области спектра уже сравнимы с собственными частотами атомов и молекул, а их длины — с молекулярными размерами и межмолекулярными расстояниями. Благодаря этому в этой области становятся существенными явления, обусловленные атомистическим строением вещества. По этой же причине, наряду с волновыми, проявляются и квантовые свойства света.

Сер Исаак Ньютон первый, описывая свои оптические опыты со светом, в 1671 году использовал для характеристики света слово спектр (лат. spectrum — видение, появление). Под спектром в настоящее время понимают представление какой-то сложной сущности более простыми компонентами. Он сделал наблюдение, что когда луч света падает на поверхность стеклянной призмы под углом к поверхности, часть света отражается, а часть проходит через стекло, образуя разноцветные полосы (рис. 7). Учёный предположил, что свет состоит из потока частиц (корпускул) разных цветов, и что частицы разного цвета движутся с различной скоростью в прозрачной среде.

Рис. 7. Спектр белого света

По его предположению, красный свет двигался быстрее, чем фиолетовый, поэтому и красный луч отклонялся на призме не так сильно, как фиолетовый. Из-за этого и возникал видимый спектр цветов. Ньютон разделил свет на семь цветов: красный, оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой, индиго (индиго соответствует синий цвет) и фиолетовый. Число семь он выбрал из убеждения (происходящего от древнегреческих софистов), что существует связь между цветами, музыкальными нотами, объектами Солнечной системы и днями недели.

Надо иметь в виду, что человеческий глаз относительно слабо восприимчив к частотам цвета индиго, поэтому некоторые люди не могут отличить его от голубого или фиолетового цвета. Поэтому после Ньютона часто предлагалось считать индиго не самостоятельным цветом, а лишь оттенком фиолетового или голубого. Тем не менее, традиционно, видимый спектр делится, на диапазоны цветов.

Сегодня мы знаем, что объяснения Ньютона не совсем точны. Оптическое излучение согласно современной теории обладает одновременно корпускулярными и волновыми свойствами. Волновая теория позволяет объяснить проще наличие в составе белого света излучений других цветов.

Для удобства объяснения с точки зрения волновой теории спектр видимого диапазона оптического излучения делят на семь отличающихся длиной волны широких полос (цветов): фиолетовый, синий, голубой, зеленый, желтый, оранжевый и красный.

Спектр и спектральные цвета характеризуют тот факт, что в составе белого света имеются электромагнитные поля с разными длинами волн (рис.8). Надо иметь в виду, что это разграничение не резкое, а скорее, один цвет плавно переходит в другой (табл. 2).

Таблица 2.

Цвет	Диапазон длин волн, нм	Диапазон частот, ТГц	Диапазон энергии фотонов, эВ
Фиолетовый	380—440	790—680	2,82—3,26
Синий	440—485	680—620	2,56—2,82
Голубой	485—500	620—600	2,48—2,56
Зелёный	500—565	600—530	2,19—2,48
Жёлтый	565—590	530—510	2,10—2,19
Оранжевый	590—625	510—480	1,98—2,10
Красный	625—740	480—405	1,68—1,98

Рис. 8. Прозрачная призма разлагает луч белого цвета на составляющие его лучи с разными длинами волн

Эксперимент 2. Изучение основных понятий, связанных с освещением объектов различными источниками.

Задание 2.1. Кратко опишите, что представляет собой источники естественного оптического излучения.

Теоретические предпосылки, необходимые для уяснения того, что представляет собой источники естественного оптического излучения

Из школы Вам известно, что излучение оптического диапазона возникает при нагревании тел из-за теплового движения атомов и молекул. Это естественное (неполяризованное) оптическое излучение, у которого направления колебаний векторов и быстро и беспорядочно сменяют друг друга при движении в пространстве.

При нагревании имеет место инфракрасное излучение, которое называют также тепловым. При определённой температуре тело начинает светиться в видимом диапазоне (каление), сначала красным цветом, потом жёлтым и так далее. Видимый участок спектра электромагнитного излучения, образующегося при нагревании, непосредственно воспринимается нашими органами чувств. Чем сильнее нагрето тело, тем выше частота, на которой находится максимум спектра его излучения.

Самым известным источником оптического излучения является Солнце. Его поверхность (фотосфера) нагрета до температуры примерно 6000 градусов по Кельвину и оно светит ярко-белым светом (максимум непрерывного спектра солнечного излучения расположен в «зелёной» области 550 нм, где находится и максимум чувствительности глаза).

Наибольшую интенсивность спектр излучения электромагнитных волн Солнца (рис. 9) имеет в области длин волн 430-500 нм. В видимой и инфракрасной областях спектр электромагнитного излучения солнца близок к спектру излучения абсолютно черного тела (рис.10) с температурой 6000 К, поскольку именно эта температура соответствует видимой поверхности Солнца – фотосферы.

Рис. 9. Спектральная интенсивность энергии излучения Солнца, 10¹² Вт/(м³ср)

Около 9 % энергии Солнца приходится на ультрафиолетовое излучение с длинами волн от 100 до 400 нм. Остальная энергия разделена приблизительно поровну между видимой (400-760 нм) и инфракрасной (760-5000нм) областями спектра. Естественный солнечный свет активизирует работу всего организма, регулирует обмен веществ.

Рис. 10. Спектральная интенсивность энергии излучения черного тела

Задание 2.2. Кратко опишите, что представляет собой источники искусственного оптического излучения.

Выберете наилучший с вашей точки зрения источник освещения для офиса, в котором будут представляться рекламные материалы фирмы.

Какие бы Вы порекомендовали источники освещения для декоративного освещения здания компании.

Теоретические предпосылки, необходимые для уяснения того, что представляет собой источники искусственного оптического излучения

Помимо освещения, получаемого за счет солнечного света, человек широко использует свет, создаваемый источниками искусственного освещения.

В северных странах в зимнее время продолжительность светового дня мала и значительную часть времени люди проводят при включенных лампах искусственного освещения. При этом обычные источники искусственного освещения (лампы накаливания, галогенные и люминесцентные лампы) не обладают полным спектром излучения, характерным для солнечного света. Искусственное освещение тоже является естественным (неполяризованным) оптическим излучением, у которого направления колебаний векторов и быстро и беспорядочно сменяют друг друга.

Из школы Вам известно, что в настоящее время для получения не солнечного света (искусственного освещения) используют три способа: термоизлучение, люминесцентный процесс, газовый разряд низкого и высокого давления.

Для термоизлучения используют нагревание проводника при прохождении электрического тока до как можно высокой температуры. Лучше всего подходит для этого элемент вольфрам с наивысшей среди металлов температурой плавления (3683 K). Пример: лампы накаливания и галогенные лампы накаливания.

При люминесцентном процессе под действием электрического разряда имеющиеся в стеклянной трубке пары ртути начинают излучать невидимое глазом ультрафиолетовое изучение, которое, попадая на нанесенный на внутреннюю поверхность стекла люминофор, преобразуется в видимый свет (оптическое излучение видимого диапазона).

Пример: люминесцентные лампы, компактные люминесцентные лампы.

Для газовом разряде в закрытой стеклянной емкости, наполненной инертными газами, парами металла и редкоземельными элементами, при возникновении напряжения появляется электрический пробой газа. Возникающие при этом свечения газообразных наполнителей дают желаемую цветность света.

Пример: ртутные и натриевые лампы.

В обычной лампе накаливания используется эффект нагревания проводника (тела накаливания) при протекании через него электрического тока, то есть тепловое действие тока. Тело накала (нить накала) излучает электромагнитное тепловое излучение в соответствии с законом Планка. Функция Планка имеет максимум, положение которого на шкале длин волн зависит от температуры. Этот максимум сдвигается с повышением температуры в сторону меньших длин волн (закон смещения Вина). Для получения видимого излучения необходимо, чтобы температура была порядка нескольких тысяч градусов, в идеале 5770 K (температура поверхности Солнца). Чем меньше температура, тем меньше доля видимого света и тем более «красным» кажется излучение (рис.10).

Несложно догадаться, что обычная лампа накаливания только малую часть потребляемой электрической энергии преобразует в видимое излучение, а значительная его часть уходит в результате процессов теплопроводности и конвекции на инфракрасное излучение (или, по-другому, на нагревание окружающей среды). При этом только малая доля излучения лежит в области видимого света, основная доля приходится на инфракрасное излучение. Световой КПД электрических ламп накаливания не превышает 3%.

Рис. 11. Лампа накаливания на 36 Вт

Для повышения КПД обычной лампы и получения максимально «белого» света необходимо повышать температуру нити накала. В свою очередь эта температура ограничена свойствами материала нити — температурой плавления. Идеальная температура в 5770 К недостижима, так как при такой температуре любой известный материал плавится, разрушается и перестаёт проводить электрический ток. В современных лампах накаливания применяют материалы с максимальными температурами плавления — вольфрам (3410 °C) и, очень редко, осмий (3045 °C).

Внутри колб первых ламп был вакуум. В настоящее время большинство современных ламп наполняются химически инертными газами (кроме ламп малой мощности, которые по-прежнему делают вакуумными). Потери тепла, возникающие при этом за счёт теплопроводности, уменьшают путём выбора газа с большой молекулярной массой. Смеси азота N₂ с аргоном Ar являются наиболее распространёнными в силу малой себестоимости. Также применяют чистый осушенный аргон, реже — криптон Kr или ксенон Xe (молекулярные массы: N₂ — 28,0134 г/моль; Ar: 39,948 г/моль; Kr — 83,798 г/моль; Xe — 131,293 г/моль).

Существенные характеристики лампы накаливания - световая отдача и срок службы - в основном определяются температурой спирали: чем выше температура спирали, тем выше световая отдача, но тем короче срок службы. Сокращение срока службы является последствием быстро растущей c поднятием температуры скорости испарения вольфрама, которая приводит с одной стороны, к потемнению колбы, а с другой - к прожиганию спирали в местах утончения спирали. Причина выхода из строя лампы накаливания перегорание нити накала и в первую очередь в момент включения, при резком разогреве спирали.

Среди ламп накаливания особую группу составляют галогенные лампы накаливания (рис. 12).

Галогенные лампы накаливания по структуре и принципу действия сравнимы с лампами накаливания. Принципиальной их особенностью является введение в полость колбы газа-наполнителя, который содержит незначительные добавки галогенов (бром, хлор, фтор, йод) или их соединений. Из-за этого такой лампе не образуется утончения спирали и возникновение при испарении с поверхности тела накала металла «горячих точек». Испарившийся из спирали металл внутри колбы вступает в соединение с галогенами, и затем в результате диффузии или конвекции попадает на поверхность нити накаливания, где часть вольфрама на утонченном месте спирали (нити накаливания) снова восстанавливается на спирали.

Рис. 12. Образцы галогенных ламп накаливания

С помощью этих добавок возможно в определенном температурном интервале практически полностью устранить потемнение колбы (вызванное испарением атомов вольфрама) и обусловленное этим уменьшение светового потока. Поэтому размер колбы в галогенных лампах накаливания может быть сильно уменьшен, вследствие чего с одной стороны можно повысить давление в газе-наполнителе, и с другой стороны становится возможным применение дорогих инертных газов криптон и ксенон в качестве газов-наполнителей.

Галогеновые лампы имеют большую температуру спирали, больший КПД, срок службы и меньший размер колбы. Галогенные лампы накаливания отличаются особой компактностью, существенно более белым светом, улучшенной цветопередачей, двойным сроком службы.

Сегодня производители предлагают огромный выбор галогенных ламп – на любой вкус и для разных целей. Есть лампы мощностью 5–150 Вт для пониженного напряжения 12–24 В, а также мощностью 25–250 Вт (одноцокольные со стандартными цоколями Е14 и Е27) и 100–500 Вт (двухцокольные), рассчитанные на сетевое напряжение 220–230 В. Можно использовать галогенные лампы, имеющие внешние стеклянные отражатели со специальным интерференционным покрытием – оно пропускает инфракрасное излучение, благодаря чему создается «холодный» пучок. Лампы с внешним алюминиевым отражателем образуют «глубокие» (с углом рассеяния 30–100) и «широкие» (с углом рассеяния до 600) пучки света.

Итак, галогенные лампы по сравнению с обычными лампами накаливания имеют следующие основные преимущества.

1. Более высокая световая отдача – в некоторых случаях она доведена до 25 лм/Вт, что в 2 раза выше, чем у ламп накаливания;

2. Большая долговечность – их срок службы в 2–4 раза выше, чем у ламп накаливания;

3. Меньшие размеры – у низковольтных галогенных ламп (12 В, 100 Вт) диаметр колбы в 5 раз меньше, чем у ламп накаливания той же мощности;

4. Более богатый спектр излучения – у галогенных ламп свет более «белый», чем у ламп накаливания (за счет более высокой температуры нагрева – 3000 К против 2800 К у обычной лампы);

5.Регулируемость светового потока, причем при пониженном напряжении световой поток сохраняет достаточную «белизну».

Первые два пункта говорят об очевидных экономических плюсах галогенных ламп: если такой источник света установить вместо традиционной лампы накаливания, но с теми же параметрами излучения, потребляемая мощность световой точки будет снижена в среднем на 20–40%. Однако это не единственное преимущество галогенных ламп. Их малые размеры, почти миниатюрность, позволяют создавать совершенно новые светильники, например, так называемого акцентирующего освещения, – специально сконструированная система отражателя позволяет настолько усилить поток света, что это дает дизайнерам дополнительные возможности в оформлении помещения.

Следующую группу источников искусственного освещения составляют люминесцентные лампы общего назначения. Лампы этого типа известны каждому - это стандартные источники света в помещениях.

В люминесцентных лампах под действием электрического напряжения создается электрический разряд, за счет чего имеющиеся в стеклянной трубке пары ртути начинают излучать ультрафиолетовые лучи. Излучение ультрафиолетового диапазона попадая на нанесенный на внутреннюю поверхность стекла люминофор, преобразуется в видимый свет (оптическое излучение видимого диапазона). В люминесцентных лампах освещение является естественным (неполяризованным) оптическим излучением, у которого направления колебаний векторов и быстро и беспорядочно сменяют друг друга.

Для работы люминесцентных ламп требуются светильники со специальной пускорегулирующей аппаратурой (ПРА, балласт). Эта аппаратура бывает двух типов - электромагнитная (ЭМПРА - дроссель со стартером) и электронная (ЭПРА, электронный балласт).

Электромагнитный балласт представляет собой электромагнитный дроссель, подключаемый последовательно с лампой (рис. 13).

Рис. 13. Электромагнитный балласт представляет собой электромагнитный дроссель

Параллельно лампе подключается стартёр, представляющий собой неоновую лампу с биметаллическими электродами и конденсатор. Дроссель формирует за счёт самоиндукции запускающий импульс, а также ограничивает ток через лампу. Преимуществом электромагнитного балласта является простота конструкции. Недостатков же такой схемы достаточно много.

Электронный балласт (рис. 14) подаёт на электроды лампы напряжение не с частотой сети, а высокочастотное (20-60 кГц), в результате чего заметное для глаз мигание ламп исключено.

Рис. 14. Электронный балласт

Потребление электроэнергии люминесцентными светильниками при использовании электронного балласта обычно на 20-25% ниже. Использование централизованных систем освещения с автоматической регулировкой позволяет сэкономить до 85% электроэнергии.

Люминесцентные светильники при использовании электронного балласта не мерцают при включении и работе, увеличивается срок службы ламп и количество света, излучаемое лампой. Некоторые электронные балласты позволяют регулировать яркость свечения ламп, например, от внешнего датчика освещенности. Люминесцентные лампы имеют высокую светоотдачу (50-70 Лм/Вт), низкое тепловое излучение и большой срок службы.

Недостатком люминесцентных ламп является то, что их спектр является линейчатым (рис.15, 16). Он является «неестественным» не только по отношению к солнечному свету, но и к свету ламп накаливания.

Рис. 15. Спектр излучения люминесцентной лампы

Многие люди считают свет, излучаемый люминесцентными лампами, грубым и неприятным. Цвет предметов, освещенных такими лампами, может быть несколько искажён. Отчасти это происходит из-за синих и зелёных линий в спектре излучения газового разряда в парах ртути, отчасти - из-за типа применяемого люминофора.

Рис. 16. Спектр излучения: непрерывный 60-ватной лампы накаливания (вверху) и линейчатый 11-ватной люминесцентной лампы (внизу)

Во многих дешевых лампах применяется галофосфатный люминофор, который излучает в основном жёлтый и синий свет, в то время как красного и зелёного излучается меньше. Такая смесь цветов глазу кажется белым, но при отражении от предметов свет может содержать неполный спектр, что воспринимается как искажение цвета. Однако такие лампы, как правило, имеют очень высокую световую отдачу.

В более дорогих лампах используется «трёхполосный» и «пятиполосный» люминофор. Это позволяет добиться более равномерного распределения излучения по видимому спектру, что приводит к более натуральному воспроизведению света. Однако такие лампы, как правило, имеют более низкую световую отдачу. Помимо прочего, колбы дорогих (специальных) ламп изготавливаются из кварцевого стекла, пропускающего лучи в ультрафиолетовом диапазоне волн.

В домашних условиях оценить спектр лампы можно с помощью компакт-диска. Для этого нужно посмотреть на отражение света лампы от рабочей поверхности диска - в дифракционной картине будут видны спектральные линии люминофора. Если лампа расположена близко, между лампой и диском лучше поместить экран с маленьким отверстием.

Мощность люминесцентной лампы зависит от ее длины. Более длинные лампы дают больше света. Применять следует, по возможности, более длинные и мощные лампы, поскольку у них выше светоотдача. Иными словами, 2 лампы по 36 Вт лучше, чем 4 лампы по 18 Вт.

Промышленностью выпускаются люминесцентные лампы специального назначения. Эти лампы отличаются от ламп общего назначения только покрытием на стеклянной колбе. За счет этого спектр этих ламп приближен к спектру, который требуется. В настоящее время для освещения все более широко применяются компактные энергосберегающие люминесцентные лампы.

Люминесцентные энергосберегающие лампы представляют собой газоразрядные лампы, в которых электрический разряд, проходя через газ, заполняющий пространство лампы и взаимодействуя с люминофором, покрывающем изнутри колбу, преобразуется в видимый спектр света. Эти лампы бывают как со встроенным балластом, так и без него. Лампы со встроенным балластом отличаются от протяженных люминесцентных ламп общего назначения только меньшими габаритами и простотой использования - их можно вкручивать в обычный патрон (рис. 17).

Рис. 17. Компактная люминесцентная лампа, которую можно вкручивать в обычный патрон

Широкое применение в настоящее время энергосберегающих люминесцентных ламп обусловлено следующим.

Ежегодно увеличиваются потребности электроэнергии для освещения. Специалисты считают, что замена источников освещения в виде греющих ламп накаливания на люминесцентные энергосберегающие лампы нового поколения даст значительное превосходство. В соответствии с планом по переходу на энергосберегающие технологии и борьбой с глобальным потеплением, всем привычные лампы накаливания начали исчезать с прилавков магазинов Европы с 01 сентября 2009 г. Вступил в силу запрет на производство самых популярных во всем мире ламп накаливания мощностью от 100 ватт и более. Вся программа перехода на энергосберегающие технологии в самой популярной отрасли освещения рассчитана до 2012 году. Ежегодно будут запрещены к производству и продаже лампы накаливания всего ряда от 25 Вт. Расчеты и прогнозы показывают, что такой переход за десять лет повысит эффективность экономики на 20 процентов. Прямой экономией является не только энергосбережение электроэнергии, но и срок службы энергосберегающих ламп.

Итак, энергосберегающие лампы имеют следующие преимущества.

1. Основное преимущество люминесцентных энергосберегающих ламп - высокая световая отдача, превышающая показатель ламп накаливания в несколько раз при минимуме выделения тепла. Энергосбережение заключается в том, что электроэнергия, потребляемая энергосберегающими лампами, преобразуется в видимый диапазон света, а не в теплоту.

2. Важное преимущество люминесцентных энергосберегающих ламп - срок службы от 6 до 15 тысяч часов непрерывной работы и это приблизительно в 20 раз превышает срок службы обычных ламп накаливания.

3. Немаловажным является и достоинством люминесцентных энергосберегающих ламп - возможность выбора цвета свечения.

4. Незначительное тепловыделение позволяет использовать энергосберегающие люминесцентные лампы в хрупких бра, светильниках и люстрах практически без ограничения мощности лампы. А вот про лампы накаливания, с высокой температурой нагрева, так сказать никак нельзя. Использование лампы накаливания мощностью большей, чем в паспорте светильника может привести не только к выходу из строя светильника, но и к пожару.

5. Распространение светового потока люминесцентной лампы равномернее, чем у лампы накаливания. У лампы накаливания излучение света идет от вольфрамовой спирали, а у энергосберегающей лампы свечение от всей своей площади поверхности колбы лампы.

Экономия при использовании энергосберегающих люминесцентных ламп полезна для бюджета. Но они имеют недостатки, которые вызывают споры среди специалистов, о преимуществах их использования.

Самым существенным недостатком является содержание ртути и фосфора, которые в очень малых количествах присутствуют внутри энергосберегающих ламп. Это требует специальной утилизации люминесцентных ламп (наличие паров ртути такие лампы нельзя выбрасывать в мусоропровод и уличные мусорные контейнеры).

Еще не закончены, противоречивые споры по воздействию излучения люминесцентных ламп на человека. Некоторые ученые Европы утверждают, что люминесцентный свет не только опасен, но и вреден (по некоторым результатам исследований - вызывает рак). Офисные работники в Европе склонны считать, что свет от люминесцентных ламп вызывает депрессию.

Время выхода на номинальную мощность свечения для энергосберегающих ламп составляет от 1 до 2 минут. Возможно появление у них мерцания, хотя производители последний недостаток стремятся свести к минимуму или исключить вообще.

При нахождении на расстоянии ближе 30 см происходит остаточное действие ультрафиолетового излучения.

Энергосберегающие лампы не приспособлены к использованию в диапазоне температур ниже -5ºC, а при повышенной температуре снижается интенсивность светового излучения.

Люминесцентные энергосберегающие лампы выпускаются для замены ламп накаливания при освещении помещений, и «стараются» сделать так, чтобы их спектр был похож на спектр ламп накаливания. В настоящее время в продаже есть компактные люминесцентные лампы большой мощности - от 36 до 55 Вт. Эти лампы отличаются повышенной светоотдачей (на 20%-30%) по сравнению с обычными люминесцентными лампами, долгим сроком службы, отличной цветопередачей (CRI>90) и широким спектром. Компактность позволяет эффективно использовать лампы вместе с рефлектором, что немаловажно. Эти лампы являются оптимальным выбором для освещения при небольшой мощности осветительной системы (до 200 Вт суммарной мощности). Недостатком является дороговизна и необходимость использования электронного балласта для ламп большой мощности.

На сегодняшний день самыми яркими источниками света являются газоразрядные лампы (рис.18), использующие газовый разряд низкого и высокого давления. Они компактны по размерам; их высокая светоотдача позволяет осветить одной лампой территории, занимающие большую площадь.

Рис. 18. Разновидности газоразрядных ламп

Газоразрядные источники света - это приборы, в которых электрическая энергия преобразуется в оптическое излучение видимого диапазона при прохождении тока через газы, пары металла или смеси газа и пара. Например, через ртуть, находящуюся в парообразном состоянии.

Для освещения могут быть использованы следующие типы газоразрядных источников света: ртутные лампы; натриевые лампы; металлогалогенные лампы

Ртутные лампы - это наиболее исторически старый тип из всех газоразрядных ламп. Бывают лампы без покрытия, которые обладают низким коэффициентом цветопередачи (под светом этих ламп всё кажется мертвенно-синим), и более новые лампы с покрытием, которое улучшает спектральные характеристики. Лампы, у которых спектр с выраженным смещением в синюю часть, дают довольно много ультрафиолета. Эти лампы позволяют значительно экономить затраты при установке, эксплуатации и техническом обслуживании в следующих областях применения: дорожное освещение, освещение в целях безопасности, освещение ландшафтов. Светоотдача этих ламп невелика. Ртутные лампы со специальным покрытием применяются для освещения улиц и площадей, больших производственных площадей, цехов промышленных предприятий (рис. 19), для внутреннего и наружного освещения коммерческих и производственных объектов, для декоративного и охранного освещения, скоростных магистралей, туннелей, спортивных сооружений (рис.20), строительных площадок. Лампы данного типа отличаются высокой светоотдачей при сравнительно небольших габаритах, они имеют длительные сроки службы. Лампы включаются в сеть переменного тока частотой 50 Гц, напряжением 220 Вт, вместе с пускорегулирующей аппаратурой, обеспечивающей зажигание ламп, нормальный режим работы и устранение радиопомех.

Рис. 19. Освещение цеха промышленного предприятия

Рис. 20. Освещение стадиона

Обладают высокой надежностью, хорошей цветопередачей, позволяют снизить затраты на установку и техническое обслуживание ртутные лампы высокого давления.

Ртутная лампа высокого давления - лампа, содержащая пары ртути, парциальное давление которых во время работы достигает 105 Па. Ртутная лампа низкого давления - лампа, содержащая пары ртути, давление которых во время работы не превышает 104 Па. Ртутно-вольфрамовая лампа - лампа, внутри которой в одной и той же колбе находятся разрядная трубка ртутной лампы высокого давления и спираль лампы накаливания, соединенные последовательно.

Ртутная лампа - лампа, в которой используется излучение электрического разряда в парах ртути. Принцип действия современных газоразрядных ламп высокого давления абсолютно иной, чем у ламп накаливания: электрические разряды между электродами вызывают свечение наполнителя в разрядной трубке. К газоразрядным относят такие лампы, в которых источником светового излучения выступает электрический разряд, происходящий в газах, парах и их смесях при повышенном давлении. При этом, в отличие от люминесцентных ламп, источником видимого света является непосредственно электрическая дуга. При эксплуатации газоразрядные лампы включаются в сеть питания напряжением 220, 380 В при использовании электронных пускорегулирующих устройств для ограничения тока и зажигания. Причем все лампы высокого давления требуют особой схемы подключения, включающей в себя высоковольтный элемент пуска («поджига») лампы (напряжение до 10кв). Следует учитывать также, что температура внутренней колбы лампы достигает полутора тысяч градусов, поэтому работа с ними требует особых мер предосторожности. Применение всех этих ламп рекомендуется только с защитным стеклом, качественными комплектующими и квалифицированной сборкой схемы, иначе они небезопасны для домашнего использования (взрыв лампы или короткое замыкание в цепи может привести к пожару).

Газоразрядные лампы светят в полную силу не сразу, а по мере прогрева. Таким лампам после зажигания необходимо определенное время (примерно 2-15 минут), чтобы установилась их максимальная световая отдача. Это время, которое нужно веществам-наполнителям для полного испарения. Особенностями газоразрядных ламп является их высокая светоотдача и длительный срок службы в широком диапазоне температур окружающей среды.

Рис. 21а. Освещение улицы

Натриевые лампы высокого давления являются одними из самых эффективных источников видимого излучения: они обладают самой высокой световой отдачей среди газоразрядных ламп и, следовательно, они значительно более экономные, чем ртутные, и имеют более длительный срок службы. При эксплуатации исключается попадание атмосферных осадков на колбу.

Рис. 21б. Конструкция и размещение натриевой лампы

Натриевые лампы высокого давления (НЛВД) являются одним из наиболее эффективных источников света и уже сегодня обладают световой отдачей до 160 лм/Вт при мощностях 30 - 1000 Вт, их срок службы может превышать 25 000 ч. Небольшие размеры светящегося тела и высокая яркость натриевых ламп высокого давления значительно расширяют возможности их применения в различных световых приборах с концентрированным светораспределением.

Рабочее положение произвольное. Уширенные резонансные линии натрия обуславливают золотисто-желтый цвет излучения. Цветопередача натриевых ламп высокого давления считается удовлетворительной для наружного освещения, но недостаточной для внутреннего.

Рис. 21г. Освещение, создаваемое натриевой лампой

Улучшение цветовых характеристик натриевых ламп высокого давления идет, главным образом, благодаря повышению давления паров натрия в горелке при увеличении температуры холодной зоны или содержания натрия в амальгаме, увеличению диаметра разрядной трубки, введению излучающих добавок, нанесению на внешнюю колбу люминофоров и интерференционных покрытий и питанию ламп импульсным током высокой частоты. Снижение световой отдачи компенсируется увеличением давления ксенона (т.е. уменьшением токопроводности плазмы).

Лампы включаются в сеть переменного тока напряжением 220В и частотой 50 Гц последовательно с балластовым дросселем. Как правило, натриевые лампы высокого давления эксплуатируются в комплекте с индуктивным или электронным балластом. Зажигание натриевых лампы высокого давления происходит с помощью специальных зажигающих устройств, выдающих импульсы до 6 кВ. Время разгорания ламп обычно составляет 3 — 5 минут.

Натриевые лампы высокого давления наиболее часто используются в тех местах, где экономические показатели более важны, чем точное воспроизведение цвета. Эти в высшей степени эффективные лампы испускают свет теплого желтого цвета, подходящий для освещения: больших парков, дорог и площадей. Натриевые лампы низкого давления подходят там, где цвeтoвоспроизведение не имеет большого значения и особенно важна экономичность работы в течение долгого срока. Свойства этих ламп идеально подходят для уличного освещения: привычный монохромный желтый свет; срок службы шесть лет при нормальных условиях; превосходная энергетическая эффективность.

Президент группы DCH и ФК «Металлист» Александр Ярославский приобрел для ОСК «Металлист» норвежскую систему освещения «MLR S 80», обеспечивающую необходимый для природного роста газона свет в течение всего календарного года.

Рис. 21д. Освещение, необходимое для газона футбольного стадиона

4 установки высотой 280 см  и весом в 2,5 тонны каждая позволяют освещать 1728 кв.м. при мощности 23 klux. Система освещения обошлась в EUR 400 тыс.В «темное» время года освещение будет работать практически круглосуточно, что позволит траве получить максимальное количество жизненной энергии – света. При этом лампы, установленные в конструкции, продуцируют свет золотистого цвета, который максимально заменяет природный солнечный свет. Осветительные приборы монтируются на специальных металлических конструкциях, которые передвигаются за счет небольших колес. Вес конструкции распределяется на колеса равномерно, что позволяет избежать нанесения ущерба траве, на которой находится устройство.

К газоразрядным лампам высокого давления относятся также металлогалогенные лампы (МГ).

Металлогалогенные лампы (HMI-лампы - Hydrargyrum medium Arc-length Iodide) - это большое семейство газоразрядных ламп переменного тока, в которых световое излучение образуется в результате электрического разряда в плотной атмосфере смеси паров ртути и галогенидов редкоземельных элементов.

В отличие от ламп накаливания, являющихся тепловыми излучателями в полном смысле этого слова, свет в этих лампах генерируется горящей между двумя электродами дугой. Это фактически ртутные лампы высокого давления с добавками йодидов металлов или йодидов редкоземельных элементов (диспрозий (Dy), гольмий (Ho) и тулий (Tm), а также комплексных соединений с цезием (Cs) и галогенидов олова (Sn). Эти соединения распадаются в центре разрядной дуги, и пары металла могут стимулировать эмиссию света, чьи интенсивность и спектральное распределение зависят от давления пара металлогалогенов.

Световая отдача и цветопередача дугового разряда ртути и световой спектр значительно улучшаются. Этот тип ламп нельзя путать с галогенными. Они абсолютно разные по характеристикам и принципам работы. Галогенный цикл: в баллоне лампы присутствуют пары йодидов металлов. При инициации электрического разряда с разогретых электродов начинает испаряться вольфрам, и его пары вступают в соединение с йодидами, образуя газообразное соединение - йодид вольфрама. Этот газ не оседает на стенках колбы (баллон остается прозрачным в течение всего срока работы лампы). Непосредственно вблизи разогретых электродов газ разлагается на пары вольфрама и йод, т.е. электроды окутаны облаком паров металла, оберегающим электроды от разрушения, а стенки колбы от потемнения. При выключении лампы вольфрам оседает (возвращается) на электроды. Таким образом, галогенный цикл обеспечивает длительную работу лампы без потускнения колбы.

МГ лампы — это те же ртутные, но с внесенными в колбу ионами редкоземельных элементов, что значительно увеличивает срок службы, улучшает светоотдачу и спектр. Стандартные мощности (как и у натриевых) 70, 150, 250 и 400 ватт.

Рис. 21е. Металлогалогенная лампа

В целом, светоотдача МГ ламп равна светоотдаче люминесцентных (на один ватт) с тем исключением, что свет получается не рассеянный, а прямой.

Лампы МГ бывают по форме — от матовых шаров под стандартную резьбу, до двухцокольных трубок под компактные прожекторы. Все эти лампы дают белый свет. Спектр сбалансирован по составу и имеет, как и синюю, так и красную области.

Рис. 21ж. Спектр освещенности, создаваемый металлогалогенной лампой

В связи с этим металлогалогенные лампы широко используются в осветительных установках различных коммерческих помещений, выставок, торговых центров, служебных помещений, гостиниц, ресторанов, в установках для подсветки рекламных щитов и витрин, для освещения спортивных сооружений и стадионов, для архитектурной подсветки зданий и сооружений. Например, чтобы получить освещенность сопоставимую с прожектором мощностью 1 кВт достаточно металлогалогенной лампы мощностью 250 Вт.

Последнее достижение в мeталлoгалогенной технологии – мeталлoгалогенная лампа с керамической оболочкой (КМГ), имеющая улучшенные параметры. Лампы КМГ обеспечивают высокий уровень воспроизведения световых характеристик. Благодаря этому эти лампы подходят для зон, в которых цвет имеет особое значение. Лампы включаются в сеть переменного тока частотой 50 Гц напряжением 220 или 380 В с соответствующей пускорегулирующей аппаратурой (ПРА) и импульсным зажигающим устройством (ИЗУ).

Эксперимент 3. Изучение основных понятий, связанных с тем, как осуществляется визуализация электромагнитных полей видимого диапазона человеком.

Задание 3.1. Кратко опишите, как человек видит.

Выберете наилучший с вашей точки зрения фон документа, который представляет рекламные материалы фирмы.

Теоретические предпосылки, необходимые для уяснения того, так видит человек

Оптическое излучение может создаваться и регистрироваться в химических и биологических реакциях. Одна из известнейших химических реакций используется в фотографии.

Человек получает знания из внешнего мира с помощью биологической реакции, зрительных ощущений, в результате восприятия глазом светового электромагнитного излучения и преобразования информации об этом излучении человеческим мозгом. С помощью глаз человек получает большую часть всей знаний, которые к нему попадают.

По тому, как электромагнитные волны отражаются от предметов, человеческое зрение различает цвета.

Тело, которое отражает цвет приблизительно одинаково во всем видимом диапазоне, представляется наблюдателю белым.

Тело, отражающее свет в каком-то ограниченном диапазоне длин волн, воспринимается с некоторым цветовым оттенком. Например, зеленый предмет в основном отражает свет с длинами волн 500-570 нм, поглощая большую часть энергии в других интервалах длин волн.

Цвета видимого излучения, соответствующие монохроматическому излучению (одной длины волны), называются спектральными. Свет лишенный цветовой окраски, называется ахроматическим или монохроматическим. Единственным параметром такого оптического излучения является его интенсивность или яркость. Для описания монохроматической яркости также используется термин уровень серого, поскольку яркость изменяется от черного до белого, с промежуточными серыми оттенками.

В видимом (световом) диапазоне длин волн воспринимать электромагнитное излучение и, тем самым обеспечивать функцию зрения способен сенсорный орган человека - глаз (лат. oculus). Через глаз (рис.22) человеку поступает 90 % информации из окружающего мира.

Рис. 22. Глаз человека

Человеческий глаз представляет собой сложную систему, главной целью которой является наиболее точное восприятие, первоначальная обработка и передача информации, содержащейся в электромагнитном излучении видимого света. Все отдельные части глаза, а также клетки, их составляющие, служат максимально полному выполнению этой цели.

Человеческий глаз может концентрироваться на объекте, фокусировать на них свое зрение, реагировать на изменение освещенности за доли секунды, а также замечать малейшие контрасты.

Глаз (рис.23, 24) можно назвать сложным оптическим прибором. Его основная задача – «передать» правильное изображение зрительному нерву.

Человек видит не глазами, а посредством глаз, откуда информация передается через зрительный нерв, зрительные тракты в определенные области затылочных долей коры головного мозга, где формируется та картина внешнего мира, которую мы видим.

Рис. 23. Упрощенное строение глаза

Все эти органы и составляют наш зрительный анализатор или зрительную систему. Наличие двух глаз позволяет сделать наше зрение стереоскопичным (то есть формировать трехмерное изображение). Правая сторона сетчатки каждого глаза передает через зрительный нерв «правую часть» изображения в правую сторону головного мозга, аналогично действует левая сторона сетчатки. Затем две части изображения - правую и левую - головной мозг соединяет воедино.

Так как каждый глаз воспринимает «свою» картинку, при нарушении совместного движения правого и левого глаза может быть расстроено бинокулярное зрение. Попросту говоря, у вас начнет двоиться в глазах или вы будете одновременно видеть две совсем разные картинки.

Основными функциями глаза, как системы являются: проецирование изображения; восприятие и «кодирование» полученной информации для головного мозга.

Роговица - прозрачная оболочка, покрывающая переднюю часть глаза. В ней отсутствуют кровеносные сосуды, она имеет большую преломляющую силу и входит в оптическую систему глаза. Роговица граничит с непрозрачной внешней оболочкой глаза - склерой. Передняя камера глаза - это пространство между роговицей и радужкой. Она заполнена внутриглазной жидкостью.

Радужка - по форме похожа на круг с отверстием внутри (зрачком). Радужка состоит из мышц, при сокращении и расслаблении которых размеры зрачка меняются. Отверстие в центре радужной оболочки (зрачок) может сужаться или расширяться, регулируя тем самым количество попадающего через роговицу света. Диаметр зрачка может меняться в пределах от 2 до 8 мм. Радужная оболочка – аналог диафрагмы в объективе. Она контролирует размер зрачка, который может колебаться от 1.5 до 12 мм.

Зрачок - отверстие в радужке. Его размеры обычно зависят от уровня освещенности. Чем больше света, тем меньше зрачок. Выполняет ту же функцию, что диафрагма в фотоаппарате, регулируя светопоток. Радужная оболочка отвечает за цвет глаз (если он голубой - значит, в ней мало пигментных клеток, если карий - много).

Рис. 24. Детальное строение глаза: 1. Задняя камера. 2. Зубчатый край. 3. Ресничная мышца. 4. Ресничный поясок. 5. Шлеммов канал.6. Зрачок. 7. Передняя камера. 8. Роговица. 9. Радужная оболочка. 10. Кора хрусталика.11. Ядро хрусталика. 12. Цилиарный отросток.13. Конъюнктива.14. Нижняя косая мышца. 15. Нижняя прямая мышца. 16. Медиальная прямая мышца. 17. Артерии и вены сетчатки. 18. Слепое пятно. 19. Твердая мозговая оболочка. 20. Центральная артерия сетчатки. 21. Центральная вена сетчатки. 22. Зрительный нерв. 23. Вортикозная вена. 24. Влагалище глазного яблока. 25. Жёлтое пятно. 26. Центральная ямка. 27. Склера. 28. Сосудистая оболочка глаза. 29. Верхняя прямая мышца. 30. Сетчатка.

Хрусталик – «естественная линза» глаза, состоящая из наружной капсулы и внутрихрусталикового вещества. Он прозрачен, эластичен - может менять свою форму, почти мгновенно «наводя фокус», за счет чего человек видит хорошо и вблизи, и вдали. Благодаря изгибу хрусталика мы можем видеть резкую картинку на любом расстоянии. Фокусное расстояние колеблется от 10 см до бесконечности. Располагается в капсуле, удерживается ресничным пояском. Хрусталик, как и роговица, входит в оптическую систему глаза.

Стекловидное тело - гелеобразная прозрачная субстанция, расположенная в заднем отделе глаза. Стекловидное тело поддерживает форму глазного яблока, участвует во внутриглазном обмене веществ.

Световые лучи попадают от окружающих предметов в глаз через роговицу.

Роговица в оптическом смысле - это сильная собирающая линза, которая фокусирует расходящиеся в разные стороны световые лучи и отвечает за резкость изображения. Причем оптическая сила роговицы в норме не меняется и дает всегда постоянную степень преломления. Склера является непрозрачной наружной оболочкой глаза, соответственно, она не принимает участия в проведении света внутрь глаза. Преломившись на передней и задней поверхности роговицы, световые лучи проходят беспрепятственно через прозрачную жидкость, заполняющую переднюю камеру, вплоть до радужки. Зрачок, круглое отверстие в радужке, позволяет центрально расположенным лучам продолжить свое путешествие внутрь глаза. Более периферийно оказавшиеся лучи задерживаются пигментным слоем радужной оболочки. Таким образом, зрачок не только регулирует величину светового потока на сетчатку, что важно для приспособления к разным уровням освещенности, но и отсеивает боковые, случайные, вызывающие искажения лучи. Далее свет преломляется хрусталиком. Хрусталик тоже линза, как и роговица. Его принципиальное отличие в том, что эластичный хрусталик, как двояковыпуклая линза, способен менять свою оптическую силу - феномен, называемый аккомодацией. Таким образом, хрусталик производит более точную дофокусировку. За хрусталиком расположено стекловидное тело, которое распространяется вплоть до сетчатки и заполняет собой большой объем глазного яблока.

Лучи света, сфокусированные оптической системой глаза, попадают в конечном итоге на сетчатку.

В сетчатке оптическая информация воспринимается светочувствительными нервными клетками, кодируется в последовательность электрических импульсов и передается по зрительному нерву в головной мозг для окончательной обработки и сознательного восприятия. Сетчатка служит своего рода шарообразным экраном, на который проецируется окружающий мир. Из школьного курса физики Вы знаете, что собирательная линза дает перевернутое изображение предмета. Роговица и хрусталик - это две собирательные линзы, и изображение, проецируемое на сетчатку, также перевернутое. Другими словами, небо проецируется на нижнюю половину сетчатки, море - на верхнюю, а корабль, на который мы смотрим, отображается на макуле. Макула, центральная часть сетчатки, отвечает за высокую остроту зрения. Другие части сетчатки не позволят нам ни читать, ни наслаждаться работой на компьютере. Только в макуле созданы все условия для восприятия мелких деталей предметов.

Сетчатка - светочувствительный слой глаза- состоит из выстилающих внутреннюю поверхность глаза фоторецепторов (то есть клеток, чувствительных к свету) и нервных клеток. Клетки-рецепторы, расположенные в сетчатке, делятся на два вида: колбочки и палочки. В этих клетках, вырабатывающих фермент родопсин, происходит преобразование энергии света (фотонов) в электрическую энергию нервной ткани, то есть фотохимическая реакция. Сетчатка также имеет слоистое строение. В заднем её полюсе находится небольшое углубление — центральная ямка — наиболее чувствительный участок сетчатки, в котором содержатся только колбочки. Место на сетчатке, где нет ни палочек, ни колбочек называется слепым пятном; оттуда из глаза выходит зрительный нерв.

Свет, который входит в глаз через роговицу, проходит последовательно сквозь жидкость передней камеры, хрусталик и стекловидное тело, пройдя через всю толщу сетчатки, попадает на отростки светочувствительных клеток — палочек и колбочек. В них протекают фотохимические процессы, обеспечивающие цветовое зрение.

В глазу насчитывается от 6 до 7 миллионов колбочек, которые обладают высокой чувствительностью к спектральным составляющим света. Функцией колбочек является распознавание цвета.

Колбочки обеспечивают фотопическое зрение, или зрение при ярком свете. Наибольшее скопление колбочек находится в центральной ямке (макуле), отвечающей за самую высокую остроту зрения. Сетчатка прилегает к сосудистой оболочке, но на многих участках неплотно. Именно здесь она и имеет тенденцию отслаиваться при различных заболеваниях сетчатки.

Количество палочек в глазу намного больше: по поверхности сетчатки их распределено от 75 до 150 миллионов. Палочки отвечают за яркость и контраст. Тот факт, что к одному зрительному нервному окончанию присоединено сразу несколько палочек, уменьшают возможности различения деталей с помощью этих рецепторов. Но палочки позволяют сформировать общую картину всего поля зрения. Они также отвечают за периферическое зрение.

Палочки обладают высокой светочувствительностью, «работают» при низких уровнях освещенности и позволяют видеть при плохом освещении. Палочки не участвуют в обеспечении цветного зрения. Из-за этого предметы, имеющие яркую окраску при дневном свете, при сумеречном освещении выглядят как лишенные цветов образы, поскольку возбуждаются только палочки. Это явление известно как скотопическое (или сумеречное) зрение. Так как несколько палочек посылают свою информацию в одну и ту же нервную клетку, то в сумерки очень слабо возбужденные палочки общими усилиями могут возбудить свой нейрон, и глаз все-таки что-то увидит, тогда как колбочки, которые адресуются лишь к своей собственной нервной клетке, в этом случае бессильны. Именно незначительной задействованностью колбочек при сумеречном свете объясняется то явление, что для человеческого глаза «ночью все кошки серы».

Еще раз обратим внимание на то, что колбочки, наоборот, требуют для своей работы большего количества света, но именно они позволяют разглядеть мелкие детали (отвечают за центральное зрение), дают возможность различать цвета.

Таким образом, к помощи палочек мы прибегаем лишь в сумерках, когда колбочки становятся просто помехой. Мы могли бы видеть ночью гораздо лучше, если бы не привычка фокусировать изображение на желтом пятне, так называемая центральная фиксация. Поэтому ночью мы гораздо лучше видим предметы, изображение которых оказывается на боковых участках сетчатки, а это происходит, когда мы не смотрим прямо на предмет, который хотим увидеть.

Надо иметь в виду, что для зрения человека справедливо еще одно важное утверждение – цветовая и яркостная информация воспринимается глазом раздельно. За цветовое и яркостное восприятие глаза отвечают два различных вида нервных клеток: колбочки регистрируют цветовую компоненту светового потока, а палочки воспринимают его яркостную составляющую.

Палочки позволяют человеку распознавать предметы в условиях малой яркости, но они регистрируют мир, как ахроматическую, лишенную цветовых нюансов среду, наполненную серыми предметами. График на рис. 24 свидетельствует о том, что в условиях слабой освещенности цветное зрение практически отсутствует. Отклик на желтый цвет ( 600 нм) практически будет равен нулю. Поэтому желтый цвет ночью будет выглядеть серым.

Рис. 25. Общая спектральная чувствительность глаза: чувствительность палочек при ночном зрении и суммарная чувствительность палочек и колбочек при дневном зрении

Физиологами и оптиками давно установлен факт избирательной чувствительности зрения человека к волнам различной длины. Этот цветовой феномен объясняется тем, что колбочки по разному «реагируют» на цвета. Существует три типа колбочек, отличающихся цветочувствительным пигментом. Поэтому колбочки бывают «синими», «зелеными» и «красными», в соответствии с наименованием цвета, для которого они имеют максимальную чувствительность. Упомянутые три пигмента имеют максимум поглощения приблизительно на 430, 530 и 560 нм.

Эффективности поглощения световых волн существенно различаются. Особенно хорошо человек воспринимает зеленый свет, красный – уже несколько хуже, а синий – плохо. Это приводит к тому, что цветовые составляющие цветного изображения вносят различные вклады в ощущение яркости. Наименьший вклад в общую яркость вносит синяя составляющая.

Низкая чувствительность зрения человека к синим цветовым тонам является также причиной того, что синяя окраска фона хорошо подходит для цветных диапозитивов и презентаций. Если черный шрифт напечатан на белом фоне, то шрифт и фон воспринимаются одинаково четко. Если же, например, белый шрифт напечатан на синем фоне, то значение фона как бы теряется, и в ощущении изображения доминирует шрифт или остальные элементы изображения с другой окраской.

Избирательная чувствительность зрения человека – экспериментально подтвержденный факт. Более того, исследователи в области психологии зрительного восприятия провели многочисленные тесты для получения количественных оценок вкладов отдельных цветовых составляющих. Установлено, что для большинства людей доли цветовых координат распределяются следующим образом: 59 % -зеленый, 30 % -красный и 11 % - синий цвет. Иными словами, если известны яркости зеленой, красной и синей составляющих, то суммарную яркость нельзя получить простым суммированием. Ее следует вычислять по примерной формуле:

Яркость =0,59 х зеленый +0,3 х красный+0,11 х синий.

В силу того, что коэффициент преломления в радужке и хрусталике глаза растет с увеличением частоты света, глаз не избавлен от хроматической аберрации, то есть изображение сфокусировано на одной из длин волн, то для других длин волн изображение будет расфокусировано. Хрусталик оптимально фокусирует на сетчатке свет с длиной волны около 560 нм. Поскольку пики чувствительности средне- и длинноволновых колбочек (530 и 560 нм соответственно) близки друг к другу, изображения этих колбочек могут быть сфокусированы одновременно. Изображение же для коротковолновых палочек будет размытым. Поскольку степень фокусировки разная для различных длин волн, то не требуется одинаковой разрешающей способности глаза для разных типов колбочек. В глазу человека на одну коротковолновую колбочку приходится 20 средне- и 40 длинноволновых колбочек. В этой связи понятно, почему ширина полосы пропускания для «холодных», коротковолновых цветов в телевидении может быть выбрана существенно меньшей без субъективно заметной потери верности воспроизведения.

Эксперимент 4. Изучение того, как получают информацию с помощью оптико-электронных систем «компьютерного зрения».

Теоретические предпосылки, необходимые для уяснения того, так видят оптико-электронные системы «компьютерного зрения»

Зрение является наиболее совершенным из наших органов чувств, поэтому неудивительно, что зрительные образы играют важнейшую роль в восприятии человеком действительности, в его деятельности, в научных исследованиях.

С момента зарождения науки визуальное наблюдение играет важную роль. Поэтому человек всегда пытался каким-то образом зафиксировать «картинку», которая создается в его мозге. Сначала результаты удавалось зафиксировать документально в виде устного описания и рисунков, сделанных вручную. Следующим важным шагом стало изобретение фотографии, которое позволило документировать результаты в виде снимков. Тремя хорошо известными примерами научного применения фотографии являются астрономия, фотограмметрия и физика частиц. Астрономы получили возможность измерять положение и размеры звезд, а фотометристы создавать топографические карты по изображениям, полученным с воздуха. Исследование бесчисленного количества изображений, полученных в водородных пузырьковых камерах, привело к открытию многих элементарных частиц в физике.

Сегодня в нашу жизнь вошли оптико-электронные системы «компьютерного зрения». Причем, когда мы говорим о компьютерном зрении, то мы имеем в виду компьютерную систему, которая выполняет такую же задачу, что и биологическая зрительная система, для определения по изображениям, что присутствует в окружающей среде и где это находится.

В широком смысле, когда речь идет о восприятии каких-то объектов, то говорят об их видении. В частности, если для наблюдения используются системы «компьютерного зрения», формирующие изображение объекта, которое затем анализируется человеком, то говорят о компьютерном видении, а изображающие средства, включая человека, называют компьютерными системами видения.

Если компьютерная система выполняет такие задачи как автоматизация сборки и контроля продукции, как восприятие технических изображений, например, как проверка размеров и комплектности деталей в условиях производства, то используют термин машинное зрение.

Компьютерные системы видения обладают по сравнению с человеком рядом преимуществ.

Оптико-электронные системы «компьютерного зрения» способны различать гораздо больше деталей на изображении. Чем человек и их зрение намного острее. Кроме того, они могут сохранять абсолютно всю увиденную информацию, что человеку недоступно.

Системы видения могут работать не только в видимом глазом оптическом диапазоне, но и в других недоступных для зрительного восприятия участках спектрального диапазона.

Еще раз подчеркнем, что в отличие от людей, способных воспринимать электромагнитное излучение лишь в видимом диапазоне, системы «компьютерного зрения» охватывают практически весь электромагнитный спектр от гамма-излучения до радиоволн. Изображения могут создаваться такими источниками, которые для человека непривычно связывать с наблюдаемыми изображениями. Таковы, например, ультразвуковые изображения. Системы «компьютерного зрения» применяются для восприятия рентгеновских и иных изображений в промышленности, медицине, биологии.

Вместе с тем Вы должны иметь в виду, что ученые уже много лет бьются над разработкой методов, которые бы могли сымитировать человеческое зрение. В отличие от компьютерных систем зрения человек способен исследовать объекты и на ходу додумывать общую картину, основываясь на заложенных в мозге механизмах анализа изображений.

В пассивных системах «компьютерного зрения» изображение формируется за счет собственного (теплового) излучения. Активные системы видения используют для работы искусственную «подсветку», создаваемую специальными устройствами. Как и в случае с биологическими зрительными система, системы «компьютерного зрения» могут активно исследовать окружающую среду. При этом они могут перемещать и регулировать угол наблюдения.

Система «компьютерного зрения», предназначенная для получения и обработки изображений, как правило, состоит из пяти неотъемлемых компонентов:

1. Системы получения изображения. Цифровая обработка информации на компьютере требует, чтобы изображения были получены в виде электрических сигналов. Эти сигналы можно потом оцифровать в последовательность чисел, которые затем могут обрабатываться с помощью компьютера. Обычно для получения изображений используются сенсоры (датчики) формирования изображений.

Чувствительный элемент (сенсор) это физическое устройство, обладающее чувствительностью к тому виду излучаемой объектом энергии, который мы хотим отобразить.

2. Устройство, известное как фрейм-грабер, для преобразования электрического сигнала (обычно аналогового сигнала) системы получения изображений в цифровой формат с возможностью последующего сохранения.

3. Процессор, обеспечивающий процессы обработки данных. Процессор выполняет арифметическо - логические операции для обработки изображения с целью улучшения визуального качества изображения. Это устройство выполняет функции обработки данных с высокой производительностью.

4. Программное обеспечение для обработки и анализа изображений.

5. Графического интерфейса, как посредника между человеком и компьютером.

Сегодня, видим, нет ни одной области, которую в той или иной степени не затрагивали бы системы «компьютерного зрения».

Учитывая, что видимый диапазон электромагнитного спектра для нас наиболее привычен неудивительно, что системы «компьютерного зрения» используют изображения, полученные в этой области намного шире, чем остальные вместе взятые.

К примеру, в автомобилях компьютерные системы помогают человеку следить за дорогой и окружающими машинами, а также подмечать знаки, которые водитель может пропустить.

В качестве примеров можно привести астрономию, дистанционное зондирование Земли из космоса, медицину. Чтобы получить начальное представление о возможностях систем «компьютерного зрения» изучите рис.26 -40.

Начнем с астрономии. Хотя атмосфера прозрачна для видимого света она всё же создает серьезные помехи для наблюдений. Даже если забыть про облака, атмосфера немного искривляет лучи света, что снижает четкость изображения. Кроме того, сам воздух рассеивает падающий свет. Днем это голубое свечение, вызванное рассеянным светом Солнца, не позволяет вести астрономические наблюдения, а ночью — рассеянный свет звезд (и в последние десятилетия искусственная засветка неба наружным освещением городов, автомобилями и т. п.) ограничивает видимость самых бледных объектов. Справиться с этими трудностями позволяет вынос телескопов в космос. Оснащенный системой «компьютерного зрения» телескоп «Хаббл» с диаметром оптического «зеркала» 2,24 метра, благодаря заатмосферному размещению позволил сделать множество первоклассных астрономических открытий. Орбитальный космический телескоп НАСА «Хаббл» — открывает для астрономов невиданные горизонты далёкого космоса. Но, наравне с великими открытиями, «Хаббл» преподносит и величайшие загадки.

В частности, 26 декабря 1994 года самый большой космический телескоп НАСА «Хаббл» зафиксировал огромный белый город, плывущий в Космосе. Фотографии, расположенные на веб-сервере телескопа, на короткое время стали доступны пользователям Интернета, но затем были строго засекречены.

Рис. 26. Космический телескоп НАСА «Хаббл» зафиксировал огромный белый «город», плывущий в Космосе

Ничего подобного до последнего времени астрономами замечено не было. Изображение визуализирует структуру, напоминающую техногенный объект галактических масштабов. Размеры «Города» поражают. Ни один известный нам небесный объект не в состоянии соперничать с этим исполином. Наша Земля в этом Городе была бы просто песчинкой на пыльной обочине космического проспекта.

Рис. 27. Изображения сияющих структур, похожих на фантастический город, полученные космическим телескопом НАСА «Хаббл»

Рис. 28. Изображения сияющих структур, похожих на фантастический город, на фоне звезд

Огромная конструкция, раскинувшаяся в просторах Космоса на многие миллиарды километров, сияла неземным светом. Плывущий «Город» некоторые люди стали называть Обителью Творца, местом, где только и может располагаться престол Господа Бога. Хотя по научным представлениям понятно, что Город не может быть населён в привычном смысле этого слова.

Системы «компьютерного зрения» могут осуществлять не только «взгляд в космос», но и «взгляд из космоса» (рис. 29). Обычно, когда говорят о таких функциях системы, то используют термин «дистанционное зондирование», что означает исследование поверхности Земли из космоса с использованием свойств электромагнитных волн, излучаемых, отражаемых или рассеиваемых зондируемыми объектами, с целью лучшего распоряжения природными ресурсами, совершенствования землепользования и охраны окружающей среды и прочее. Все цивилизованные страны мира, в настоящее время используют материалы регулярных съемок Земли из космоса.

Рис. 29. «Взгляд из космоса», осуществляемый системой «компьютерного зрения»

Съемки выполняются специальными космическими спутниками. Установленная на них аппаратура, позволяет выполнять съемки поверхности Земли в любое время суток, в любую погоду и с любой степенью детальности - от коробка спичек до земного шара в целом. Съемки Земли из Космоса по своей информативности гораздо эффективнее, чем используемая в настоящее время наземная информационная система. Они предоставляют возможность получать единовременную пространственную информацию с необходимым пространственно-временным разрешением и отображением поверхности Земли в спектральных диапазонах разных излучений. Это позволяет создавать различные образы земной поверхности, иногда самые неожиданные для человека. Сверху видно все: наводнения, засухи, пожары, загрязнения морских вод нефтепродуктами, ураганы, грозы, туманы, состояние крупных водных объектов, состояние крупных природных растительных массивов и ирригационных систем и многое, многое другое (рис.30-37).

Рис. 30. Изображение из космоса города Симферополь

Рис. 31. Изображение 1 из космоса города Севастополя

Рис. 32. Изображение 2 из космоса города Севастополя

Рис. 33. Изображение 3 из космоса города Севастополя

Рис. 34. Изображение 4 из космоса города Севастополя

Рис. 35. Изображение 5 из космоса города Севастополя

Рис. 36. Изображение 6 из космоса города Севастополя

Рис. 37. Изображение 7 из космоса города Севастополя

Орбитальные аппараты дистанционного зондирования Земли с системой «компьютерного зрения» могут обеспечивать пространственное разрешение порядка 0,25 м (рис.38).

Рис. 38. Изображение с высоким разрешением участка улицы из космоса

Дистанционное зондирование земной поверхности обычно осуществляется одновременно в нескольких спектральных диапазонах (зонах): видимом и инфракрасном (ИК). Такие, как говорят, многозональные изображения позволяет выявлять много интересной информации. Тематические зоны спутников и их характеристика представлены в табл. 2.

Талица 2.

Номер зоны	Наименование спектра тематической зоны	Длина волны, мкм	Характеристика и назначение
1	Видимый синий свет	0,45 -0,52	Максимальная фильтрация влаги
2	Видимый зеленый цвет	0,52 – 0,60	Измерение плотности растительного покрова
3	Видимый красный цвет	0,63 - 0,69	Различные формы растительности
4	Ближнее ИК излучение	0,76 – 0,90	Съемка побережий и распределения биомассы
5	Средний ИК диапазон	1,55 -1,75	Содержание влаги в почве и растительности
6	Тепловое ИК излучение	10,4 -12,5	Влажность почвы и температурная карта местности
7	Средний ИК диапазон	2,08 – 2,35	Поиск полезных ископаемых

Обработка изображений, полученных одновременно в разных участках спектрального диапазона, позволяет по отраженному солнечному свету или по собственному тепловому излучения обнаруживать и распознавать природные образования типа «почва выщелоченная», «почва черноземная», «почва суглинистая влажная», «песок», «дорога шоссейная», «растительность». Изображения позволяют фиксировать газовые факелы, пожары, оценивать относительную долю тепловой энергии, «выбрасываемой» из помещений.

Системы «компьютерного зрения» широко применяются в медицине.

Древняя латинская поговорка гласит: «Diagnosis cetra — ullae therapiae fundamentum» («Достоверный диагноз - основа любого лечения»). На протяжении многих веков усилия врачей были направлены на решение труднейшей задачи - улучшение распознавания заболеваний человека. Потребность в методе, который позволил бы заглянуть внутрь человеческого тела, не повреждая его, была огромной. Какую огромную пользу принес бы непосредственный осмотр человеческого организма, если бы он стал вдруг «прозрачным». Потребность увидеть не оболочку, а структуру организма живого человека, его анатомию и физиологию была столь насущной, что, когда чудесные лучи, позволявшие осуществить это на практике, были наконец открыты, обычно консервативные и часто недоверчивые к новшествам врачи почти сразу поняли, что в медицине наступила новая эра.

Сразу же после открытия рентгеновского излучения (табл. 1) стало использоваться для получения изображений в медицине. С его помощью проводились исследования переломов костей и определения местоположения инородных тел (например, пуль) в теле человека.

Рентгеновское излучение для формирования изображений в медицине, промышленности, системах безопасности генерируется с помощью рентгеновской трубки (рис. 39).

Простейшая рентгеновская трубка состоит из стеклянного баллона с впаянными электродами - катодом и анодом. Электроны, испускаемые катодом, ускоряются сильным электрическим полем в пространстве между электродами и бомбардируют анод. При ударе электронов об анод их кинетическая энергия частично преобразуется в энергию рентгеновского излучения. Спектр рентгеновского излучения показан на рис. 40.

В рентгеновской трубке, источником электронов является вольфрамовый катод, нагреваемый до высокой температуры. Электроны ускоряются до больших скоростей высокой разностью потенциалов между анодом и катодом. Поскольку электроны должны достичь анода без столкновений с атомами, необходим очень высокий вакуум.

Электроны фокусируются на аноде с помощью электрода особой формы, окружающего катод. Этот электрод называется фокусирующим и вместе с катодом образует «электронный прожектор» трубки. Подвергаемый электронной бомбардировке анод должен быть изготовлен из тугоплавкого материала, поскольку большая часть кинетической энергии бомбардирующих электронов превращается в тепло. Кроме того, желательно, чтобы анод был из материала с большим атомным номером, так как выход рентгеновского излучения растет с увеличением атомного номера. Рабочий участок анода – металлическая зеркальная поверхность – расположен перпендикулярно или под некоторым углом к электронному пучку.

Для получения сплошного тормозного спектра рентгеновского излучения высоких энергий и интенсивностей служат аноды из Au, W; в структурном анализе используются рентгеновские трубки из Ti, Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Mo, Ag.

Рис. 39. Рентгеновская трубка. 1 – электронный пучок; 2 – катод с фокусирующим электродом; 3 – стеклянная оболочка (трубка); 4 – вольфрамовая мишень (антикатод); 5 – нить накала катода; 6 – реально облучаемая площадь; 7 – эффективное фокальное пятно; 8 – медный анод; 9 – окно; 10 – рассеянное рентгеновское излучение.

Таким образом, чтобы получать рентгеновское излучение за счет взаимодействия электронов с веществом, нужно иметь источник электронов, средства их ускорения до больших скоростей и мишень, способную выдерживать электронную бомбардировку и давать рентгеновское излучение нужной интенсивности.

Рис. 40. Спектр рентгеновского излучения

В настоящее время применяют несколько методов диагностики с помощью рентгеновских лучей.

Первый метод - рентгеноскопия.

В этом случае диагностирующий рентгеновский прибор состоит из источника рентгеновских лучей (рентгеновской трубки) и флуоресцирующего экрана. После прохождения рентгеновских лучей через тело пациента врач наблюдает теневое его изображение (рис. 41).

Рис. 41. Рентгеновское изображение грудной клетки человека, получаемое при помещении пациента между рентгеновской трубкой и чувствительным к рентгеновскому излучению сенсором (пленкой)

Между экраном и глазами врача должно быть установлено свинцовое окно для того, чтобы защитить врача от вредного действия рентгеновских лучей. Этот метод дает возможность изучить функциональное состояние некоторых органов. Например, врач непосредственно может пронаблюдать движения легких, прохождение контрастного вещества по желудочно-кишечному тракту. Недостатки этого метода – недостаточно контрастные изображения и сравнительно большие дозы излучения, получаемые пациентом во время процедуры. 

Вместо классической рентгеноскопии применяется рентгенотелевизионное просвечивание, при котором рентгеновские лучи попадают на усилитель рентгеновского изображения, в состав последнего входит электронно-оптический преобразователь. Получаемое изображение выводится на экран монитора. Вывод изображения на экран монитора не требует световой адаптации исследователя, а также затемненного помещения. В дополнение, возможна дополнительная обработка изображения и его регистрация в памяти аппарата. Главными отличиями рентгенотелевизионного просвечивания от пленочных рентгенографических технологий являются способность производить цифровую обработку рентгеновского изображения и сразу выводить на экран монитора.

Наиболее перспективным является сканирующий метод получения рентгеновского изображения (рис.42).

Рис. 42. Рентгеновский аппарат, использующий сканирующий метод получения рентгеновского изображения.

В этом случае рентгеновское изображение получают движущимся с постоянной скоростью определенным пучком рентгеновских лучей. Изображение фиксируется построчно узкой линейной рентгеночувствительной матрицей и передаётся в компьютер. При этом в сотни и более раз уменьшается дозировка облучения, изображения получаются практически без потерь диапазона яркости, контрастности.

Рентгеноскопия позволяет контролировать проведение некоторых инструментальных процедур — постановку катетеров

Для диагностики с помощью рентгеновских лучей используют также флюорографию.

Флюорография (синонимы: радиофотография, рентгенофотография, рентгенофлюорография) — рентгенологическое исследование, заключающееся в фотографировании флуоресцентного экрана, на который спроецировано рентгенологическое изображение. Флюорография даёт уменьшенное изображение объекта (например, 24 × 24 мм или 35 × 35 мм).

Флюорографию применяют главным образом для исследования органов грудной клетки, молочных желёз, костной системы. Используют, как правило, для предварительного исследования состояния внутренних органов пациентов с помощью малых доз рентгеновского излучения. Наиболее распространённым диагностическим методом, использующим принцип флюорографии, является флюорография органов грудной клетки, которая применяется, прежде всего, для диагностирования туберкулеза и злокачественных новообразований лёгких.

В настоящее время плёночная флюорография постепенно заменяется цифровой.

Цифровые методы позволяют упростить работу с изображением (изображение может быть выведено на экран монитора или распечатано, может быть передано по локальной сети сразу нескольким врачам и т. п.), уменьшить лучевую нагрузку на пациента и уменьшить расходы на дополнительные материалы (плёнку, проявитель для плёнки).

Существует две распространённые методики цифровой флюорографии.

Первая методика, как и обычная флюорография, использует фотографирование изображения на флуоресцентном экране, только вместо рентген - плёнки используется специальный цифровой сенсор (ПЗС - матрица).

Вторая методика использует послойное поперечное сканирование грудной клетки веерообразным пучком рентгеновского излучения с детектированием прошедшего излучения линейным детектором (аналогично обычному сканеру для бумажных документов, где линейный детектор перемещается вдоль листа бумаги). Второй способ позволяет использовать гораздо меньшие дозы излучения. Некоторый недостаток второго способа — большее время получения изображения.

Самое известное в настоящее время применение рентгеновских лучей для формирования изображений в медицине – это компьютерная томография.

Компьютерная томография — метод неразрушающего послойного исследования внутренней структуры объекта, который был предложен в 1972 году Годфри Хаунсфилдом и Алланом Кормаком, удостоенными за эту разработку Нобелевской премии. Метод основан на измерении и сложной компьютерной обработке разности ослабления рентгеновского излучения различными по плотности тканями.

Рентгеновская компьютерная томография (КТ) — томографический метод исследования внутренних органов человека с использованием рентгеновского излучения. Рентгеновский луч проходит через неподвижный объект. Детекторы получают и записывают показатели поглощения различных тканей. Записи делают 160 раз, пока рентгеновская трубка перемещается линейно вдоль сканируемой плоскости. Затем рама поворачивается на 1⁰, и процедура повторяется. Запись продолжается, пока рама не повернется на 180⁰. Каждый детектор записывает 28800 кадров (180x160) в течение исследования. Информация обрабатывается компьютером, и посредством специальной компьютерной программы формируется изображение выбранного слоя. С математической точки зрения построение изображения сводится к решению системы линейных уравнений. Так, например, для получения томограммы размером 200×200 пикселей система включает 40000 уравнений. Для решения подобных систем разработаны специализированные методы.

КТ имеет множество преимуществ по сравнению с более ранними методами рентгенодиагностики. Она характеризуется высоким разрешением, которое дает возможность различать тонкие изменения мягких тканей. КТ позволяет обнаружить такие патологические процессы, которые не могут быть обнаружены другими методами. Кроме того, использование КT позволяет уменьшить дозу рентгеновского излучения, получаемого в процессе диагностики пациентами.

Рис. 43. Изображение, полученное в результате компьютерной томографии грудной клетки в легочном и мягкотканом окнах

Современный компьютерный томограф представляет собой сложный программно-технический комплекс.

Рис. 44. Фотография компьютерного томографа

Механические узлы и детали выполнены с высочайшей точностью. Для регистрации прошедшего через среду рентгеновского излучения используются сверхчувствительные детекторы, конструкция и материалы, применяемые при изготовлении которых постоянно совершенствуются. При изготовлении КТ томографов предъявляются самые жесткие требования к рентгеновским излучателям. Неотъемлемой частью аппарата является обширный пакет программного обеспечения, позволяющий проводить весь спектр компьютерно-томографических исследований (КТ-исследований) с оптимальными параметрами, проводить последующую обработку и анализ КТ-изображений.

Прогресс КТ томографов напрямую связан с увеличением количества детекторов, то есть с увеличением числа одновременно собираемых проекций.

Аппарат 1-го поколения появился в 1973 г. КТ аппараты первого поколения были пошаговыми. Была одна трубка, направленная на один детектор. Сканирование производилось шаг за шагом, делая по одному обороту на слой. Один слой изображения обрабатывался около 4 минут. Во 2-ом поколении КТ аппаратов использовался веерный тип конструкции. На кольце вращения напротив рентгеновской трубки устанавливалось несколько детекторов. Время обработки изображения составило 20 секунд. 3-е поколение компьютерных томографов ввело понятие спиральной компьютерной томографии. Трубка и детекторы за один шаг стола синхронно осуществляли полное вращение по часовой стрелке, что значительно уменьшило время исследования. Увеличилось и количество детекторов. Время обработки и реконструкций заметно уменьшилось. 4-ое поколение имеет 1088 люминесцентных датчика, расположенных по всему кольцу. Вращается лишь рентгеновская трубка. Благодаря этому методу время вращения сократилось до 0,7 секунд.

Рис. 45. Фотография современного компьютерного томографа

Технология спирального сканирования позволила значительно сократить время, затрачиваемое на КТ-исследование и существенно уменьшить лучевую нагрузку на пациента.

В настоящее время применяется многослойная («мультиспиральная») компьютерная томография с внутривенным контрастным усилением и трёхмерной реконструкцией изображения.

Многослойная («мультиспиральная», «мультисрезовая» компьютерная томография — мсКТ) была впервые представлена в 1992 году. Принципиальное отличие мсКТ томографов от спиральных томографов предыдущих поколений в том, что по окружности гантри расположены не один, а два и более ряда детекторов. Для того, чтобы рентгеновское излучение могло одновременно приниматься детекторами, расположенными на разных рядах, была разработана новая — объёмная геометрическая форма пучка. В 1992 году появились первые двухсрезовые (двуспиральные) МСКТ томографы с двумя рядами детекторов, а в 1998 году — четырёхсрезовые (четырёхспиральные), с четырьмя рядами детекторов соответственно. Кроме вышеотмеченных особенностей, было увеличено количество оборотов рентгеновской трубки с одного до двух в секунду. Таким образом, четырёхспиральные мсКТ томографы пятого поколения на сегодняшний день в восемь раз быстрее, чем обычные спиральные КТ томографы четвертого поколения. В 2004—2005 годах были представлены 32-, 64- и 128-срезовые мсКТ томографы, в том числе — с двумя рентгеновскими трубками. Сегодня же в некоторых больницах уже имеются 320-срезовые компьютерные томографы.

Эти томографы, впервые представленные в 2007 году компанией Toshiba, являются новым витком эволюции рентгеновской компьютерной томографии. Они позволяют не только получать изображения, но и дают возможность наблюдать почти что «в реальном» времени физиологические процессы, происходящие в головном мозге и в сердце.

Рис. 46. Изображение получаемые при помощи многослойной «мультиспиральной», «мультисрезовой» компьютерной томографии 

Особенностью подобной системы является возможность сканирования целого органа (сердце, суставы, головной мозг и т.д.) за один оборот лучевой трубки, что значительно сокращает время обследования, а также возможность сканировать сердце даже у пациентов, страдающих аритмиями.

Все вышеотмеченные нововведения не только повышают пространственное разрешение, но благодаря специально разработанным алгоритмам реконструкции позволяют значительно уменьшить количество и размеры артефактов (посторонних элементов) КТ-изображений. Основным преимуществом МСКТ по сравнению с односрезовой СКТ является возможность получения изотропного изображения при сканировании с субмиллиметровой толщиной среза (0,5 мм).

Для улучшения дифференцировки органов друг от друга, а также нормальных и патологических структур, используются различные методики контрастного усиления (чаще всего, с применением йодсодержащих контрастных препаратов).

Двумя основными разновидностями введения контрастного препарата являются пероральное (пациент с определенным режимом выпивает раствор препарата) и внутривенное (производится медицинским персоналом). Главной целью первого метода является контрастирование полых органов желудочно-кишечного тракта; второй метод позволяет оценить характер накопления контрастного препарата тканями и органами через кровеносную систему. Методики внутривенного контрастного усиления во многих случаях позволяют уточнить характер выявленных патологических изменений (в том числе достаточно точно указать наличие опухолей, вплоть до предположения их гистологической структуры) на фоне окружающих их мягких тканей, а также визуализировать изменения, не выявляемые при обычном («нативном») исследовании.

Цель болюсного контрастного усиления — разграничение фаз контрастирования. Время сканирования различается на разных аппаратах, при разных скоростях введения контрастного препарата и у разных пациентов; в среднем при скорости введения препарата 4-5 мл/сек сканирование начинается примерно через 20-30 секунд после начала введения инжектором контраста, при этом визуализируется наполнение артерий (артериальная фаза контрастирования). Через 40-60 секунд аппарат повторно сканирует эту же зону для выделения портально-венозной фазы, в которую визуализируется контрастирование вен. Также выделяют отсроченную фазу (180 секунд после начала введения), при которой наблюдается выведение контрастного препарата через мочевыделительную систему.

КТ-ангиография позволяет получить послойную серию изображений кровеносных сосудов (рис.47). Наблюдения привели к выводу, что контрастное вещество накапливается в опухолях, и таким образом можно их локализировать с достаточной точностью.

На основе полученных данных посредством компьютерной постобработки с 3D-реконструкцией строится трёхмерная модель кровеносной системы Можно получить изображение сосудов диаметром до 1,5 мм, если уровень йода в крови составляет примерно 4 мг/мл и при условии, что сосуд расположен перпендикулярно к плоскости среза.

Рис. 47. Изображение сосудов рук, получаемых после введения в локтевую вену йодсодержащего контрастного препарата

Среди новых диагностических методов в медицине, использующих системы «компьютерного зрения», наибольший интерес сегодня вызывает спектроскопия Ядерного Магнитного Резонанса или ЯМР, как ее обычно называют. Для этого метода используют также термин ОМР или Отображение Магнитного Резонанса или магнитно-резонансная томография (МР-томография).

Использование различных названий связано с тем, что слово «ядерный» пугает некоторых людей. Ведь никто не хочет, чтобы с ним работали чем-то «ядерным» и радиоактивным. Хотя относящегося к атомной технике в этом методе нет. В ЯМР или ОМР для получения данных используются безвредные радиоволны, а не гамма-излучение, возникающее при ядерном взрыве. В соответствии с табл. 1 радиоволны находятся на конце электромагнитного спектра противоположном тому, на котором находятся гамма - волны.

ЯМР является методом спектроскопии, при котором исследуемый образец помещается в магнитное поле и облучается радиоволнами. Эти радиоволны заставляют ядра атомов в молекулах образца, если говорить весьма упрощенно, «петь для нас песенку», которую можно услышать только при помощи специального «радиоприемника». Затем «песенку» ядер анализируют, чтобы определить много разных вещей, относящихся к молекуле и ее окружению, например, структуру молекулы.

Вы уже знаете, что атом имеет магнитный момент. Это можно интерпретировать, как будто мы имеем дело вращающимся постоянном магните с размерами меньшими атомных. В отсутствие магнитного поля эти маленькие магнитики направлены случайным образом, но когда вы поместите их в однородное магнитное поле, магнитные моменты все выстроятся по полю. Но хотя магнитные моменты и выстроены магнитным полем, вращение ядра не такое простое и плоское. Термическое движение молекулы создает крутящий момент, который заставляет магнитный момент покачиваться.

Когда радиоволны попадают на вращающееся ядро, то оно наклоняется еще больше, а иногда может и вовсе перевернуться. Когда магнитный момент наклонен в сторону от приложенного магнитного поля, то можно обнаружить некоторый магнитный момент в направлении перпендикулярном (90^o) приложенному магнитному полю.

Во внешнем магнитном поле протоны и нейтроны этих ядер как маленькие магниты ориентируются строго определенным образом и меняют по этой причине свое энергетическое состояние. Расстояние между этими уровнями энергии столь мало, что переходы между ними способно вызвать даже радиоизлучение. Энергия радиоволн в миллиарды раз меньше, чем у рентгеновского излучения, поэтому они не могут вызвать какие-либо повреждения молекул.

Итак, сначала происходит поглощение радиоволн. Затем происходит испускание радиоволн ядрами и переход их на более низкие энергетические уровни. И тот, и другой процесс можно зафиксировать, изучая спектры поглощения и излучения ядер. Эти спектры зависят от множества факторов и прежде всего – от величины магнитного поля.

Для получения пространственного изображения в ЯМР-томографе, в отличие от КТ нет необходимости в механическом сканировании системой источник-детектор (антенна передатчик и приемник в случае ЯМР). Эта задача решается изменением напряженности магнитного поля в различных точках. Ведь при этом будет изменяться частота (длина волны), на которой происходит передача и прием сигнала. Если мы знаем величину напряженности поля в данной точке, то можем точно связать с ней передаваемый и принимаемый радиосигнал. Т.е. благодаря созданию неоднородного магнитного поля можно настраивать антенну на строго определенный участок органа или ткани без ее механического перемещения и снимать показания с этих точек, лишь меняя частоту приема волны.

То есть явление ядерного магнитного резонанса (ЯМР) основано на отклике ядер атомов, из которых состоит любая, в том числе и живая, материя, на сильное электромагнитное воздействие. Различные ядра «резонируют» на различных частотах. Это означает, что вы должны попасть, к примеру, в атом углерода радиоволной с частотой отличной от той, что необходима ядру водорода, чтобы заставить его перевернуться. Это также означает, что одинаковые атомы в различных окружениях, как например, атом водорода, прикрепленный к атому кислорода и тот же атом водорода, присоединенный к атому углерода, будут переворачиваться на различных частотах. Наблюдая за тем, на какой частоте переворачиваются различные ядра, можно определить, как устроена молекула, а также еще много других интересных свойств молекулы. Различия в отклике удается представить в виде «картинки», на которой ясно видно строение внутренних органов человека.

ЯМР-томография принципиально отличается от рентгеновской компьютерной томографии, но тоже относится к лучевой диагностике. Главное отличие кроется МРТ от КТ в излучении, используемом для томографии. Это радиоволновой диапазон, обычно с длиной волны от 1 до 300 м. Вместе с тем МРТ и КТ используют совершенно одинаковые принципы автоматического, управляемого компьютером сканирования, обработки и получения послойного изображения внутренней структуры органов.

Ядерный магнитный резонанс довольно точный метод исследования, который позволяет увидеть то, что не позволяют другие методы. Наряду с компьютерной томографией, магнитно-резонансное исследование (МРИ) позволяет получать послойные изображения тканей и органов. Данный метод основан на облучении больного электромагнитными волнами на фоне мощного магнитного поля.

При МРИ больной помещается в особую камеру, в которой создается мощное магнитное поле. После этого больной облучается электромагнитными волнами.

ЯМР - томография имеет ряд преимуществ.

Первое преимущество – замена рентгеновских лучей радиоволнами. Это позволяет устранить ограничения на контингент обследуемых (детей, беременных), так как снимается понятие лучевой нагрузки на пациента и врача. Кроме того, отпадает необходимость в проведении специальных мероприятий по защите персонала и окружающей среды от рентгеновского излучения.

Второе преимущество – чувствительность метода к отдельным жизненно важным изотопам и особенно к водороду, одному из самых распространенных элементов мягких тканей. При этом контрастность изображения на томограмме обеспечивается за счет разности в концентрациях водорода в различных участках органов и тканей. При этом исследованию не мешает фон от костных тканей, ведь концентрация водорода в них даже ниже, чем в окружающих тканях.

Третье преимущество заключается в чувствительности к различным химическим связям у разных молекул, что повышает контрастность картинки.

Четвертое преимущество кроется в изображении сосудистого русла без дополнительного контрастирования и даже с определением параметров кровотока.

Пятое преимущество заключается в большей на сегодня разрешающей способности исследования – можно увидеть объекты размером в доли миллиметра.

И, наконец, шестое – МРТ позволяет легко получать не только изображения поперечных срезов, но и продольных.

Конечно же, как и любая другая методика, ЯМР-томография имеет свои недостатки. К ним относят:

1. Необходимость создания магнитного поля большой напряженности, что требует огромных энергозатрат при работе оборудования и/или использования дорогих технологий для обеспечения сверхпроводимости. Радует то, что в научной литературе нет данных об отрицательной влиянии на здоровье магнитов большой мощности.

2. Низкая, особенно в сравнении с рентгенологическими, чувствительность метода ЯМР-томографии, что требует увеличения времени просвечивания. Это приводит к появлению искажений картинки от дыхательных движений (что особенно снижает эффективность исследования легких, исследовании сердца).

3. Невозможность надежного выявления камней, кальцификатов, некоторых видов патологии костных структур.

4. Невозможность обследования некоторых больных, например с клаустрофобией (боязнью закрытых пространств), искусственными водителями ритма, крупными металлическими имплантатами. Строгое противопоказание к исследованию - кардиостимуляторы.

В состав томографа входят: магнитная система (МС), включающая в себя воздушный электромагнит (ЭМ), и градиентно-корректирующий модуль (ГКМ) с источниками питания (ИП) ЭМ, ИП ГКМ и системой охлаждения (СО); устройство получения МР-сигнала УПСИ, состоящее из электронного блока формирования радиочастотных (РЧ) импульсов, передатчика и приемно-передающих РЧ-катушек с усилителем; вычислительный управляюще-отображающего комплекс; стол пациента.

Большая часть этой машины - просто большой «холодильник», заполненный двумя очень холодными жидкостями, жидким азотом и жидким гелием. Жидкий азот обладает температурой -195^oC, а жидкий гелий кипит при -269^oC. Жидкий гелий находится в самой центральной части холодильника, и он охлаждает сверхпроводящую катушку, которая создает магнитное поле при -269^oC, а все это окружено жидким азотом, который предотвращает слишком быстрое испарение жидкого гелия.

Рис. 48. Фотография современного ЯМР - томографа

При подаче питания на томограф в исследуемой области с помощью электромагнита создается постоянное магнитное поле. Градиенты магнитного поля и его коррекция в заданном направлении обеспечивается градиентно-корректирующим модулем. Сканирование и переориентация градиентов осуществляются программно от компьютера, и реализуются через блок формирования РЧ-импульсов и систему питания градиентных катушек. Требуемая для возбуждения магнитного резонанса последовательность импульсов формируется компьютером, который задает форму огибающих для РЧ-импульсов в передатчике и блокирует усилитель на время излучения импульсов РЧ-катушкой. Обработка МР-сигнала и реконструкция изображения осуществляется с помощью ПЭВМ.

Во время проведения МРИ больной ложится на специальный столик, который постепенно вводится в камеру аппарата МРИ. Голова, плечи и руки больного фиксируются, чтобы тело больного оставалось неподвижным. Кроме того, для того, чтобы аппарат проводил снимки с учетом фаз дыхания и сердцебиения, накладываются специальные датчики. Сама процедура МРИ занимает от 30-60 минут до 1-2 часов. В результате компьютерной обработки информации получаются изображения органов и систем в «срезах», сосудистых структур в различных плоскостях, формируются трехмерные конструкции органов и тканей с высокой разрешающей способностью.

Среди диагностических методов, использующих системы «компьютерного зрения», в медицине, важное место занимает исследование организма человека или животного с помощью ультразвуковых волн.

Физическая основа ультразвуковых исследований (УЗИ) — пьезоэлектрический эффект. В основе этого физического явления лежит следующее.

При механической деформации (сжатии, например) монокристаллов некоторых химических соединений (кварц, титанат бария) на поверхности этих кристаллов возникают противоположные по знаку электрические заряды (прямой пьезоэлектрический эффект). При подаче на них переменного электрического заряда, в кристаллах возникают механические колебания с излучением ультразвуковых волн. Таким образом, один и тот же пьезоэлемент может быть попеременно, то источником, то приёмником, ультразвуковых волн.

Ультразвук распространяется в средах в виде чередующихся зон сжатия и расширения вещества. Любая среда, в том числе и ткани организма, препятствует распространению ультразвука, то есть обладает различным акустическим сопротивлением, величина которого зависит от их плотности и скорости ультразвука. Чем выше эти параметры, тем больше акустическое сопротивление. Такая общая характеристика любой эластической среды обозначается термином «импеданс».

Ультразвуковые колебания при распространении подчиняются законам геометрической оптики. В однородной среде они распространяются прямолинейно и с постоянной скоростью. На границе различных сред с неодинаковой акустической плотностью часть лучей отражается, а часть преломляется, продолжая прямолинейное распространение. Достигнув границы двух сред с различным акустическим сопротивлением, пучок ультразвуковых волн претерпевает существенные изменения: одна его часть продолжает распространяться в новой среде, в той или иной степени поглощаясь ею, другая — отражается. Коэффициент отражения зависит от разности величин акустического сопротивления граничащих друг с другом тканей. Чем это различие больше, тем больше отражение. Чем выше градиент перепада акустической плотности граничных сред, тем большая часть ультразвуковых колебаний отражается. Отражение зависит от угла падения луча (наибольшее при перпендикулярном направлении) и частоты ультразвуковых колебаний (при более высокой частоте большая часть отражается). Так как на границе перехода ультразвука из воздуха на кожу происходит отражение 99,99 % колебаний, то при ультразвуковом сканировании пациента необходимо смазывание поверхности кожи водным желе, которое выполняет роль переходной среды.

В простейшем варианте реализации с помощью УЗИ, излучая и принимая отраженный сигнал, можно оценить расстояние до границы разделения плотностей двух тел, например, основываясь на времени прохождения волны, отраженной от границы раздела.

Генератор ультразвуковых волн в этом случае является передатчиком, который одновременно играет роль приемника отраженных эхосигналов. Генератор работает в импульсном режиме, посылая около 1000 импульсов в секунду. В промежутках между генерированием ультразвуковых волн пьезодатчик фиксирует отраженные сигналы. Для исследования органов брюшной полости и забрюшинного пространства, а также полости малого таза используется частота 2,5 — 3,5 МГц, для исследования щитовидной железы используется частота 7,5 МГц.

Особый интерес в диагностике вызывает использование эффекта Доплера. Суть эффекта заключается в изменении частоты звука вследствие относительного движения источника и приемника звука. Когда звук отражается от движущегося объекта, частота отраженного сигнала изменяется (происходит сдвиг частоты). При наложении первичных и отраженных сигналов возникают биения, которые, в простейшем случае можно прослушать с помощью наушников или громкоговорителя. Методы исследования основанные на эффекте Доплера позволяют определить скорость движения границы раздела плотностей, а также разницу в плотностях, образующих границу.

Задачу приема в ультразвуковых аппаратах решают с помощью детектора. В качестве детектора или трансдюсора применяется сложный датчик, состоящий из нескольких сотен мелких пьезокристаллических преобразователей, работающих в одинаковом режиме. В датчик вмонтирована фокусирующая линза, что дает возможность создать фокус на определенной глубине.

В настоящее время используются три типа ультразвукового сканирования: линейное (параллельное), конвексное и секторное. Соответственно датчики или трансдюсоры ультразвуковых аппаратов называются линейные, конвексные и секторные. Выбор датчика для каждого исследования проводится с учетом глубины и характера положения органа.

Линейные датчики используют частоту 5-15 МГц. Преимуществом линейного датчика является полное соответствие исследуемого органа положению самого трансдюсора на поверхности тела. Недостатком линейных датчиков является сложность обеспечения во всех случаях равномерного прилегания поверхности трансдюсора к коже пациента, что приводит к искажениям получаемого изображения по краям. Также линейные датчики за счет большей частоты позволяют получать изображение исследуемой зоны с высокой разрешающей способностью, однако глубина сканирования достаточно мала (не более 10 см). Используются в основном для исследования поверхностно расположенных структур - щитовидной железы, молочных желез, небольших суставов и мышц, а также для исследования сосудов.

Конвексный датчик использует частоту 2,5-7,5 МГц. Имеет меньшую длину, поэтому добиться равномерности его прилегания к коже пациента более просто. Однако при использовании конвексных датчиков получаемое изображение по ширине на несколько сантиметров больше размеров самого датчика. За счет меньшей частоты глубина сканирования достигает 20-25 см. Обычно используется для исследования глубоко расположенных органов - органы брюшной полости и забрюшинного пространства, мочеполовой системы, тазобедренные суставы.

Рис. 49. Фотография конвексного и секторного датчиков

Секторный датчик работает на частоте 1,5-5 МГц. Имеет еще большее несоответствие между размерами трансдюсора и получаемым изображением, поэтому используется преимущественно в тех случаях, когда необходимо с маленького участка тела получить большой обзор на глубине. Наиболее целесообразно использование секторного сканирования при исследовании, например, через межреберные промежутки. Типичным применением секторного датчика является эхокардиоскопия - исследование сердца.

Отраженные эхосигналы поступают в усилитель и специальные системы реконструкции, после чего появляются на экране монитора в виде изображения срезов тела, имеющие различные оттенки черно-белого цвета. Чем больше амплитуда зарегистрированного отраженного сигнала, тем светлее и ярче он будет выглядеть на экране аппарата УЗИ. Оптимальным является наличие не менее 64 градиентов цвета черно-белой шкалы. Изображение, получаемое при исследовании, может быть разным в зависимости от режимов работы сканера.

Таким образом, аппарат УЗИ является стационарной ультразвуковой системой визуализации, обработки, и документирования информации. Ультразвуковая информация может быть представлена в режиме реального времени.

Рис. 50. Фотография аппарата УЗИ

Широкий выбор недорогих электронных УЗИ датчиков обеспечивает универсальность применения УЗИ системы исследования в акушерстве (рис. 51), педиатрии, кардиологии и т.д.

Рис. 51. Использование аппарата УЗИ для диагностики состояния плода