Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie.
Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics)
Číslo 16 – vyšlo 3. května, ročník 11 (2013)
© Copyright Aldebaran Group for Astrophysics
Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno.
ISSN: 1214-1674,
Email: bulletin@aldebaran.cz

Zobrazování skrze kouř pomocí infračervené holografie

David Břeň

Bolometr – neselektivní detektor tepelného (infračerveného) záření pracující na principu měření změny elektrického odporu v závislosti na změně teploty čidla bolometru v důsledku absorpce záření. Závislost lze vyjádřit přibližným vztahem ΔR/R = αΔT, kde α je teplotní součinitel změny odporu R, jehož velikost je určena materiálem čidla bolometru a pracovní teplotou (α = 0,5 ÷ 5 000 K⁻¹). Současné možnosti (1. polovina roku 2013) komerčně dostupných nechlazených detektorů: zobrazování v rozsahu 7÷14 μm v rozlišení 680×480 pixelů, velikost pixelu až 25 μm.

Infračervené záření – elektromagnetické záření s delší vlnovou délkou, než má viditelné světlo, v rozsahu od 0,75 μm do 400 μm. Infračervené záření objevil v roce 1800 William Herschel při rozkladu slunečního světla hranolem. Zjistil, že za červenou barvou existuje další záření, které zahřeje teploměr. IR záření využíváme v infrazářičích, v infralampách, při infraterapii, v dálkových ovladačích, v termovizi, v čidlech na zloděje, v dálkových teploměrech a při dálkovém průzkumu Země. V astronomii se využívá IR záření k výzkumu meziplanetární hmoty, planetárních atmosfér, plynu a prachu v galaxiích, hnědých trpaslíků, červených veleobrů, exoplanet, protoplanetárních disků a mlhovin. IR záření prochází zemskou atmosférou jen částečně, v tzv.oknech.

Holografie – forma záznamu obrazu, která umožňuje zachytit jeho trojrozměrnou strukturu na dvourozměrný obrazový nosič neboli hologram (fotografická deska, binární záznam) a jeho opětovnou rekonstrukci. Na hologram se zaznamenává jak intenzita, tak fáze světla. Holografii objevil Dennis Gabor v roce 1948, kvalitní hologramy byly ale pořízeny až po objevu laseru. V elektronovém mikroskopu lze pořídit elektronový hologram, v němž je zaznamenáno jak množství elektronů prošlých vzorkem, tak fáze jejich hmotové vlny. Fáze elektronových vln je citlivá na magnetické pole, proto je možné z elektronového hologramu určit průběh magnetických siločar ve vzorku.

Monochromatický – jednobarevný, u elektromagnetického záření se rozumí s jedinou vlnovou délkou.

Jak jsme si každý jistě všimli, v mlhavých podzimních dnech je pohled skrze mlhu pro viditelné světlo velmi omezený. Je to proto, že rozměr kapiček vodní páry (cca 1÷100 μm) je řádově srovnatelný a větší, než je vlnová délka viditelné části elektromagnetického záření. Záření s touto délkou vlny se pak na částečkách vodní páry rozptyluje a mlha se tak pro nás stává neprůhlednou. Stejné problémy mají například hasiči s kouřem. Kouř je pro viditelné světlo neprůhledný a je nemožné pouhým okem zjistit, co se v něm skrývá.

Zatímco viditelná část elektromagnetického spektra je rozptýlena kouřem a mlhou, pro infračervené záření je průhledné. Je to proto, že jeho vlnová délka je větší než rozměry rozptýlených částeček. Zvláště vlnová délka tzv. vzdáleného (far) infračerveného záření (FIR), která je zhruba mezi 15÷1 000 µm. S pomocí detektorů IR záření, tzv. bolometrůBolometr – neselektivní detektor tepelného (infračerveného) záření pracující na principu měření změny elektrického odporu v závislosti na změně teploty čidla bolometru v důsledku absorpce záření. Závislost lze vyjádřit přibližným vztahem ΔR/R = αΔT, kde α je teplotní součinitel změny odporu R, jehož velikost je určena materiálem čidla bolometru a pracovní teplotou (α = 0,5 ÷ 5 000 K⁻¹). Současné možnosti (1. polovina roku 2013) komerčně dostupných nechlazených detektorů: zobrazování v rozsahu 7÷14 μm v rozlišení 680×480 pixelů, velikost pixelu až 25 μm., jsou pak mlha a kouř téměř zcela průhledné. Infračervené kamery na principu bolometrů sice snadno vidí skrze kouř, ale případné plameny je mohou zcela oslepit. Při požárech pak zobrazují pouze samotný oheň a nikoliv předměty, které se skrývají za kouřem.

Italští vědci z Národního ústavu optiky se sídlem ve Florencii přišli na zajímavou zobrazovací technologii na principu bezčočkové infračervené digitální holografie.

Obr. 1: Zobrazení objektů ohrožených požárem

Obr. 2: Princip holografie – L1, L2 jsou čočky, Z1, Z2 zrcadla, BS rozdělovač
laserového paprsku, VA atenuátor (jednotka redukující amplitudu signálu).

Jak je patrné z obrázku 3, pokud chceme zobrazit objekty v kouři, který je bez plamenů, není vidět při použití bolometruBolometr – neselektivní detektor tepelného (infračerveného) záření pracující na principu měření změny elektrického odporu v závislosti na změně teploty čidla bolometru v důsledku absorpce záření. Závislost lze vyjádřit přibližným vztahem ΔR/R = αΔT, kde α je teplotní součinitel změny odporu R, jehož velikost je určena materiálem čidla bolometru a pracovní teplotou (α = 0,5 ÷ 5 000 K⁻¹). Současné možnosti (1. polovina roku 2013) komerčně dostupných nechlazených detektorů: zobrazování v rozsahu 7÷14 μm v rozlišení 680×480 pixelů, velikost pixelu až 25 μm. a hologramuHolografie – forma záznamu obrazu, která umožňuje zachytit jeho trojrozměrnou strukturu na dvourozměrný obrazový nosič neboli hologram (fotografická deska, binární záznam) a jeho opětovnou rekonstrukci. Na hologram se zaznamenává jak intenzita, tak fáze světla. Holografii objevil Dennis Gabor v roce 1948, kvalitní hologramy byly ale pořízeny až po objevu laseru. V elektronovém mikroskopu lze pořídit elektronový hologram, v němž je zaznamenáno jak množství elektronů prošlých vzorkem, tak fáze jejich hmotové vlny. Fáze elektronových vln je citlivá na magnetické pole, proto je možné z elektronového hologramu určit průběh magnetických siločar ve vzorku. žádný patrný rozdíl. Podstatný rozdíl je ale patrný na obrázku 4. Snímek a) je pořízený IR bolometrem. Zde je předmět zahalený plameny a na výsledném snímku je jimi zcela přezářený, zatímco na snímku b) pořízeném bezčočkovou digitální holografií je mnohem zřetelnější. Zaznamenaný hologram je rekonstruován pomocí Fresnelovy metody. Ta spočívá ve vytvoření holografického záznamu při použití kvazimonochromatickéhoMonochromatický – jednobarevný, u elektromagnetického záření se rozumí s jedinou vlnovou délkou., prostorově nekoherentníhoKoherence – situace, při které je fázový rozdíl interferujících vln z daného zdroje či objektu v určitém bodě prostoru konstantní a nebo se pomalu mění v čase. Opakem koherence jsou nepravidelné a dostatečně rychlé změny fázového rozdílu interferujících vln. Ideální koherence nelze nikdy dosáhnout. osvětlení s následnou trojrozměrnou (numerickou) rekonstrukcí zaznamenávaného objektu. Ukazuje se, že je toto zobrazení nezávislé na chemické povaze hořícího materiálu. Je také rychlé, takže je možné provádět jak dynamické snímkování v reálném čase, tak i dosáhnout podstatné zvýšení kvality zobrazované situace srovnáním více snímků. Naprosto jasný je pak rozdíl na následujícím obrázku 5.

Obr. 3: Zobrazení kouřem zahaleného předmětu oběma zmíněnými způsoby.

Obr. 4: Rozdíl zobrazení oběma způsoby v přítomnosti plamenů.

Obr. 5: Zobrazení člověka stojícího za plameny. Na snímcích a) je termografické zobrazení, b) – c) zobrazení pomocí IR kamery na principu bolometru, snímky d) jsou pořízeny holografickou rekonstrukcí. Je patrné, že pohled skrze plameny je nyní zcela umožněn.

Hlavní výhody bezčočkové infračervené digitální holografie

při tomto způsobu zobrazení nedochází k zahlcení čidla, bezčočková digitální holografie není náchylná k přesycení IR čidla horkými plameny;
díky použití dlouhovlnného záření je možné zaznamenávat i objekty s rozměry srovnatelnými s velikostmi lidí;
holografický záznam může být pořízen i za denního světla a v otevřeném prostoru, což umožňuje jeho použití mimo laboratoř „v terénu“ při požárech;
díky delší vlnové délce je holografický záznam mnohem méně citlivý na vibrace;
vysoce výkonné CO₂ laserové zdroje jsou široce dostupné a jsou vysoce koherentní, což umožňuje zobrazení poměrně velkých scén.

Odkazy