ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. Разработка и создание новых типов функциональных и конструкционных материалов является одним из важнейших научных приоритетов. Динамично развивающиеся предприятия космической отрасли заинтересованы сегодня в создания новых материалов, которые бы в достаточной мере обеспечивали безопасность пилотируемых космических полетов, надежность и долговечность космических аппаратов. Большинство перспективных материалов космической техники /1-3/ являются средами с многократным рассеянием /4-5/. К таким средам относится часть композитных материалов (керамики, пластики, пластмассы), жидкие кристаллы, суспензии, краски и эмали, бумага 161. Особую область среди сильно рассеивающих материалов занимают органические среды и биологические материалы, которые находят широкое применение и являются перспективными из-за своих особых свойств (способность самовосстановления и самоорганизации) /7-13/. Широкое использование материалов с многократным рассеянием, а также возможность появления в ближайшее время перспективных материалов с самоорганизацией требует создания новых адекватных комплексных методов исследования свойств таких материалов. Оптические методы исследования материалов традиционно широко используются в материаловедении, т.к. позволяют проводить исследования бесконтактно и без нарушения свойств среды («информационное» излучение на уровне единиц мВт), как в процессе производства, так и в период эксплуатации изделия /14-22/. Это связано с тем, что оптическое излучение обладает различной проникающей способностью, определяемой как длиной волны зондирующего излучения, так и структурой объекта исследования (прозрачная, полупрозрачная среды и т.д.). Кроме того, оптическое излучение может стимулировать процесс люминесценции, которая в этом случае выступает в роли дополнительного
информативного признака структурного состояния материала. Наряду с этим в процессе рассеяния излучения может осуществляться и дифракция света на структурных составляющих. И, наконец, т.к. первично процессы теплообмена на борту космического аппарата определяются, в частности, и взаимодействием внешнего покрытия аппарата с солнечным излучением /23, 24/, то для оценки этих процессов необходимо знание оптических свойств материалов покрытий космических аппаратов в диапазоне длин волн от 200 до 2500 нм.
Деградация защитного покрытия под действием факторов космического пространства приводит к уменьшению толщины и нарушению функций покрытия /25-26/. Уменьшение толщины слоя многослойного тепло радиационного покрытия, выполненного из полимерных композитных материалов, является причиной изменения оптических свойств покрытия. Поэтому одной из задач является определение влияния изменения толщины слоев многократно рассеивающих материалов на отражательную способность многослойной композиции.
Все это заставляет сформулировать задачу разработки и создания методики оптической диагностики твердотельных структур (особенно, сред с многократным рассеянием) с целью получения дополнительной информации о структуре объекта, используя оптические эффекты - дифракцию и люминесценцию. Очевидно, что разработка комплексной оптической методики, которая бы определяла монохроматическую нормально-полусферическую отражательную и пропускательную способности, индикатрису рассеяния при нормальном падении, спектр люминесценции, использовала бы обработку изображений для выявления структурной компоненты, повышающей достоверность и информативность исследований, ориентированной на исследование перспективных материалов с
7
многократным рассеянием, включая биологические среды, является актуальной задачей.
При разработке комплексной методики необходимо отталкиваться от того факта, что в общем случае корректность измерения оптических свойств (отражательной, пропускательной способностей, индикатрисы расеяния) среды с многократным рассеянием будет определяться следующими факторами:
1. стабильностью параметров измерительной аппаратуры;
2. корректностью методики измерения отражательной и пропускательной способности, связанной с особенностями формирования объема рассеяния, распределением излучения в объеме оптически мутной среды и структурой излучения;
3. свойствами поверхности (шероховатость, оптические константы);
4. толщиной рассеивающей среды и ее многослойностью, внутренней структурой среды (наличие крупных неоднородностей, пор и структурных образований, приводящих к дифракции);
5. физико-химическими процессами, происходящими в среде под действием внешних факторов (люминесценция, образование активных молекулярных форм и свободных радикалов, фазовые переходы, деградация среды).
Цель работы: Исследование возможностей комплексной оценки монохроматической отражательной, пропускательной способности и индикатрисы рассеяния при нормальном падении излучения с анализом люминесценции и выявлением информативных признаков методами обработки изображений для материалов с многократным рассеянием.
Задачи и этапы исследования. Общая цель работы определила основные задачи и этапы исследования:
1. Разработать комплексную методику для проведения измерений в абсолютных и относительных единицах монохроматического нормально-полусферического отраженного потока оптического излучения и люминесценции, монохроматической нормально-полусферической отражательной и пропускательной способностей, индикатрисы рассеяния при нормальном падении излучения.
2. Разработать экспериментальную установку в соответствии разработанной методикой.
3. Исследовать оптические свойства и особенности взаимодействия излучения с веществом на разработанной установке для одно- и двухслойных модельных сред с многократным рассеянием.
4. Провести экспериментальные исследования монохроматической нормально-полусферической отражательной и пропускательной способностей для материалов с многократным рассеянием в области длин волн 200-2500 нм.
5. Определить влияние изменения толщины рассеивающих слоев двухслойной композиции мутных сред на примере фторопласта на монохроматическую нормально-полусферическую отражательную способность.
6. Исследовать возможности восстановления внутренней структуры материалов с сильным рассеянием методами обработки изображений при разных условиях внешнего подсвета.
Были поставлены и решались задачи поиска путей оптимизации измерений оптических характеристик сред с многократным рассеянием и построения измерительной аппаратуры нового типа для мониторинга
9
состояния объектов и конструкций, выполненных из оптически мутных материалов.
Объект и предмет исследования. В качестве модельного материала для исследования оптических свойств был выбран фторопласт 4. Экспериментально исследовались оптические свойства многокомпонентных сред с многократным рассеянием (оптически мутные среды): композитные материалы, полимеры, биологические ткани. Исследовалось влияние варьирования толщины слоев двухслойных композиций сред с многократным рассеянием на нормально-полусферическую отражательную способность, как с эффектом люминесценции, так и без него. Исследовалась возможность выявления информативных признаков о структуре среды на основании обработки изображений исследуемых образцов при внешнем подсвете.
Методы и устройства. Для экспериментального исследования оптических свойств материалов использованы методы фотометрии и спектрометрии, а также их комбинация. Для получения экспериментальных данных использовался разработанный фотометр-анализатор спектра с системой подстройки угла зрения, разработанный спектрометр, установка лазерная электронно-спектральная ЛЭСА 4 (ЗАО «Биоспек», Москва), рефлектометрическая установка (Shimadzu). Структурный анализ выполнялся с помощью методов обработки изображений, для чего проводился анализ оптических портретов зон взаимодействия излучения с веществом (оптическая фильтрация). Изображения зон взаимодействия фиксировались цифровыми камерами на основе ПЗС-матриц (Agfa ePhoto ACD-780C и Kodak DS215 Zoom).
Научная новизна. Представлена комплексная методика определения оптических свойств сред с многократным рассеянием, которая реализуется с помощью следующих измерений и устройств:
10
1. Фотометрические измерения монохроматической нормально-полусферической отражательной и пропускательной способности на длине волны 0,66мкм.
2. Управляемая диафрагма для измерения индикатрисы рассеяния при нормальном падении.
3. Измерения спектра отраженного и прошедшего излучения для получения первичной информации о составе среды и мониторинга изменений, происходящих в среде под действием, как зондирующего излучения, так и внешних факторов.
4. Спектрофотометрические измерения люминесценции, спектральный состав которой несет в себе информацию о молекулярном составе среды, что позволяет характеризовать процессы, происходящие в исследуемой среде.
5. Методика дифракционной фильтрации изображений, основанная на разложении сигнала по собственным функция преобразования Фурье — функциям Эрмита, что позволяет выявить в сильно рассеянном излучении структурную составляющую. Работа проводилась совместно с кафедрой математической физики, факультета Вычислительной математики и кибернетики, МГУ.
Практическое значение результатов. Разработанная методика нашла применение для измерения оптических свойств и контроля качества изготовления композитных материалов (керамики, стекло-, угле-, и органопластики). Работа проводилась для ФГУП «ОНПП «Технология» (Обнинск, Федеральное агентство по промышленности).
На основе указанной методики были разработаны и созданы: накладной фотометр-анализатор спектра, предназначенный для исследования оптических свойств сред с многократным рассеянием и эффектом флуоресценции, разработана методика калибровки данного
11
устройства; разработан и создан высокочувствительный спектрометр для люминесцентного анализа.
Разработана методика регистрации изображений для выявления структурной составляющей. Эта методика является перспективной для создания оптических томографов нового типа (работа поддержана грантом РФФИ - 03-02-26797). Часть исследований работы проводились в рамках гранта РФФИ НШ-1279.2003.8.
Разработанный фотометр-анализатор спектра прошел испытания в Московском областном научно исследовательском клиническом институте (МОНИКИ). Прибор применялся для исследования оптических свойств живых биологических тканей и позволил впервые получить абсолютные фотометрические данные на длинах волн люминесценции.
Апробация работы. Материалы диссертации изложены в 21 публикациях, которые приведены в списке опубликованных работ, а также докладывались на следующих конференциях и семинарах: 7 и 8 Международные научно-технические конференции студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика", Москва, МЭИ (2001г., 2002г.); конференция «Лазеры для медицины, биологии», Санкт-Петербург, 21-22 ноября 2001 г; конференции «Лазеры. Измерения. Информация», Санкт-Петербург, БГТУ (июнь 2003г, июнь 2004г); 7-ой международный симпозиум «Laser Metrology Applied to Science, Industry and Everyday Life - LM02», Новосибирск сентябрь 2002г; Международный симпозиум «European Conference on Biomedical Optics», июнь 2003г., Мюнхен, Германия; 10-ая научно-практическая конференция «Новейшие технологии физиотерапии и восстановительной медицины», май 2004г., Институт повышения квалификации, Федеральное управление медико-биологических и экстремальных проблем при Минздраве России; Научно-практическая конференция «Современные физиотерапевтические
12
технологии восстановительной медицины», декабрь 2003г., Институт повышения квалификации, Федеральное управление медико-биологических и экстремальных проблем при Минздраве России.
Проект «Многофункциональный фотометр - спектроанализатор для лечения и диагностики» принял участие в конкурсе «Конкурс русских инноваций - 2003» (журнал «Эксперт») 2002-2003 г., а также демонстрировался на выставке «Новые приборы и методы диагностики и терапии» в рамках общей совместной сессии РАН, РАМН, РАСХН, президиум РАН, Москва, декабрь 2003г.
Положения, выносимые на защиту:
1. Метод и устройство (фотометр — анализатор спектра) для измерения монохроматической нормально-полусферической отражательной способности на длине волны 0,66 мкм в активном режиме (с использованием встроенного источника излучения) и монохроматической нормально-полусферической пропускательной способности в пассивном режиме (с использованием внешнего источника излучения), с возможностью проводить спектральный анализ люминесценции, вызванной зондирующим излучением, и возможностью восстанавливать индикатрису рассеяния при нормальном падении излучения.
2. Метод калибровки фотометра-спектроанализатора для измерений мощности потоков излучения в абсолютных единицах.
3. Устройство (спектрометр) для определения спектра излучения прошедшего или рассеянного в обратном направлении средой с многократным рассеянием.
4. Экспериментальные и теоретическое исследование влияния изменения толщины слоев однослойной и двухслойных композиций на монохроматическую нормально-полусферическую отражательную
13
способность, пропускательную способность и индикатрису рассеяния при нормальном падении для среды с многократным рассеянием.
5. Применение результатов методики обработки изображений, основанной на разложении сигнала по собственным функция преобразования Фурье -функциям Эрмита для анализа взаимодействия излучения со средой и выявления в сильно рассеянном излучении структурной составляющей на примере сложноструктурированных объектов (биотканей).
6. Результаты экспериментальных исследований оптических свойств материалов с многократным рассеянием, включая биологически среды.
Личный вклад автора. Автору принадлежат идеи постановки экспериментов, их реализация, включающая создание измерительных установок, подготовку образцов, проведение измерений, обработку и интерпретацию результатов экспериментальных исследований.
14
ГЛАВА 1. МЕТОДЫ И УСТРОЙСТВА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ОПТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СРЕД С МНОГОКРАТНЫМ
РАССЕЯНИЕМ
Процессы теплообмена, происходящие пол действием солнечного излучения определяются спектральной плотностью потока солнечного излучения. На рис.1 /27, 28/ представлено спектральное распределение потока солнечного излучения вне атмосферы Земли и на уровне океана, с учетом влияния земной атмосферы. Поток солнечного излучения имеет максимум спектра излучения в видимом диапазоне излучения. Очевидно, что первично процессы теплообмена на борту космического аппарата будут определяться взаимодействием внешнего покрытия аппарата с солнечным излучением. Для оценки этих процессов необходимо знание оптических свойств материалов покрытий космических аппаратов в диапазоне длин волн от 200 до 2500нм. Диапазон температур в космическом пространстве от -200 до + 200°С.
'I 2.2
1.8
га
1.4
о
а 'В 1.0
Й
0.6
а. t-«
пек 0.2
о
Солнечный спектр вне атмосферы Солнечный спектр на уровне моря
200 600 1000 1400 1800 2200 2600 3000 Длина волны, нм
Рис.1. Спектральное распределение потока солнечного излучения вне атмосферы
Земли и на уровне моря.
Для экспериментального исследования оптических свойств материалов традиционно применяются методы фотометрии и спектрометрии, а также их комбинации - методы спектрофотометрии. Перспективным направлением
15
развития исследовательского оборудования является усовершенствование существующих и разработка новых методов оптического анализа сред для реконструкции и визуализации структуры и физических параметров материалов. Для определения упорядоченности, т.е. выявления структуры сред с многократным рассеянием, применяются различные виды структурного анализа. Развитие вычислительной техники повлекло за собой развитие методов оптической томографии и создание нового класса оптических томографов, которые в перспективе позволят реконструировать структуру многократно рассеивающей среды.
1.1. Методы и средства фотометрических измерений
На сегодняшний день существует устоявшаяся терминология определения оптических характеристик /29-31/. По типу отражательной способности материалы могут быть разделены на три группы: материалы с зеркально отражающей поверхностью, диффузно отражающие материалы, материалы со смешанным характером отражения /29/. В работе /32/ приведена классификация радиационных свойств твердых тел, и проведен анализ с точки зрения возможности использования указанных свойств в инженерных расчетах.
Одним из наиболее надежных способов определения коэффициента яркости поверхности, является метод индикатрисы рассеяния /18/, схема которого представлена на рис.2. С помощью этой методики и ее модификаций могут быть определены разные виды отражательной способности материалов, коэффициентов отражения и индикатрисы рассеяния /30, 31/.
16
Рис.2. Схема установки для измерения коэффициента яркости светорассеивающего образца. А — центр освещенного участка поверхности S; И — источник освещения; Л
- положительная линза; О - отверстие; Ш - фотометрический шар; ФЭ -фоточувствительный элемент; ИП - измерительный прибор; Дф - диафрагма; Цср)
- яркость поверхности в направлении <р.
Наиболее распространенным способом измерения коэффициента отражения диффузно рассеивающей поверхности является способ с использованием фотометрического шара Тейлора (рис.3), который представляет собой полый шар (сферу), внутренняя поверхность которого имеет покрытие, рассеивающее свет согласно закону Ламберта.
Рис.3. Схема шара Тейлора. Ш - шар; Ос - осветитель; А1 - отверстие в стенке шара; Л - лампа; К - конденсатор; Об - объектив; Дф - диафрагма; А2 - отверстие
для установки образца; Обр - образец; A3 отверстие фотоприемника; Э -
непоглощающий экран; 00 - ось вращения осветителя; В - поверхность шара
освещаемая при повороте осветителя на 180°; ИП — измерительный прибор.
Принцип измерения эти методом подробно рассмотрен в работах /18, 31/. Отношение отсчета я/ по шкале ИП, полученного при освещении поверхности исследуемого образца к отсчету п2, полученному при
17
освещении части стенки шара В, дает значение коэффициента отражения испытуемого образца. Отступление от закона Ламберта для рассеяния внутренней поверхностью шара, влияние экрана и отверстий в стенке шара сказываются практически одинаково на показаниях «/ и п2, поэтому результаты относительных измерений считаются более надежными. Для учета влияния отверстий в зависимости от характера рассеяния образца вводятся поправки. Во всех случаях для уменьшения погрешности отношение площади отверстий к площади внутренней поверхности сферы делают минимальным.
Фотометрическая сфера (шар) применяется в качестве приставки к серийным спектрофотометрам для измерений коэффициентов отражения, пропускания и поглощения светорассеивающих объектов /33 - 36/. На рис.4 представлена схема подобного фотометра с интегрирующей сферой.
чнь
Рис.4. Блок-схема лазерного фотометра. 1- лазер; 2 - светоделительная пластина; 3
- согласующая линза; 4 — световод; 5 - фотометрический шар; 6 - фотоприемник; 7
- ограничительная бленда; 8 - исследуемый образец; 9 - анализатор; 10 - опорный
фотоприемник; 11 - электронный блок; 12 — блок индикации.
Для увеличения точности измерения с помощью метода фотометрического шара и уменьшения систематических погрешностей велись исследования по улучшению конструкции, оптических характеристик и качества внутреннего покрытия /37/. В работе /38/ рассмотрены особенности метода измерения коэффициентов диффузного отражения |
