Глава 6. Видимый звук

Акустическая "фотокамера"

Оптическая голография - способ получения трехмерных изображений с помощью лазерных лучей - породила новую форму голографии, в которой для получения первичной голограммы вместо световых используются звуковые волны. После этого для восстановления или перевода акустической голограммы в воспринимаемый зрительный образ используется лазерный луч. Другими словами, акустическая голография дает возможность создавать оптический аналог акустическому волновому полю. Так как звуковые волны могут проникать через непрозрачные предметы, начиная от живых тканей и кончая металлическими сооружениями, новый метод получения изображений имеет многообещающие перспективы применения во многих областях медицины и техники.

Оптическая голография, иногда называемая процессом восстановления волнового фронта, получила практическое применение с открытием лазера, явившегося интенсивным источником света, волны которого когерентны или находятся в фазе. Оптическая голография получается следующим образом: лазерный луч направляется на предмет, и на фотопластинке регистрируются интерференционные картины, получаемые при взаимодействии световых волн, отраженных от предмета, с частью первичного лазерного излучения, служащего в качестве опорного луча. Хотя голограмма, полученная таким образом, кажется бессмысленной путаницей, в действительности она содержит в закодированной форме всю информацию, которую получил бы глаз, если бы он находился на месте фотопластинки. Код можно расшифровать, освещая голограмму другим лазерным лучом, который восстановит прежний вид объекта.

Для получения акустической голограммы сцена, которую необходимо зарегистрировать, "освещается" вместо лазерного луча звуком чистого тона. Предметы на сцене возмущают поле звуковых волн, в результате чего возникают интерференционные картины, аналогичные картинам, получаемым с помощью световых волн. Как мы увидим ниже, в акустической голографии не всегда необходимо использовать опорный луч, и голограммы могут записываться различными способами. Будучи записана, акустическая голограмма может быть восстановлена лазерным лучом точно так же, как и оптическая.

В чем состоят преимущества использования звука вместо света? Взаимодействие звука с твердыми и жидкими телами отличается от взаимодействия с ними электромагнитного излучения. Звук может без заметных потерь энергии проходить большие расстояния в плотной однородной среде, однако он будет терять значительное количество энергии при прохождении поверхности раздела. Эта потеря связана с отражением на границе. Наоборот, электромагнитное излучение, такое, как рентгеновские лучи, теряет значительное количество энергии, проходя через среду, но на поверхности раздела потери незначительны. Поэтому только звук может быть эффективен в медицинской диагностике, при неразрушающих испытаниях, в подводной и подземной локации. Это объясняется тем, что наблюдателя интересуют в основном разрывы внутренних органов, опухоли, трещины, затонувшие объекты или подземные пласты, а не сама толща среды.

Конечно, получение изображения с помощью звука не ново; существуют приборы, называемые сонарами, которые дают такие же картины, как и на экране радара. Этот тип приборов в настоящее время применяется при разведке нефти и полезных ископаемых. Аналогичные сканирующие методы использовались также врачами для нахождения грудных опухолей и при обследовании плода. В этих приложениях звук обычно имеет частоту от одного до десяти мегагерц. Один акустический метод использует прибор, который удачнее всего называть акустической "фотокамерой". В этом методе звуковые волны, отраженные от объекта, фокусируются акустической линзой в преобразователь изображения, который переводит конфигурацию звуковых волн в видимую картину.

Недостаток этих методов получения изображения с помощью звука - двумерность изображения. Она объясняется тем, что фиксируется только интенсивность (квадрат амплитуды) звуковых волн в звуковом изображении. При этом невозможно регистрировать фазовую информацию, т. е. время прихода гребня волны от объекта относительно гребня опорной волны той же самой частоты. В голографии вся информация может быть обратно преобразована в оптическое изображение, которое в результате окажется трехмерным.

Простейший путь для понимания принципа действия голограммы - это представление о ней, как о закодированной дифракционной решетке. Рассмотрим сначала простой точечный объект, освещаемый плоской волной от бесконечно удаленного когерентного источника. Точечный объект рассеивает часть волны, превращая ее в сферическую волну с центром в точке, где он находится. И сферическая (рассеянная) волна, и плоская (опорная) попадают на плоскость, перпендикулярную направлению распространения опорной волны. В некоторых точках плоскости опорная волна находится в фазе с рассеянной волной, так что обе эти волны интерферируют друг с другом и складываются, увеличивая амплитуду волны. В других точках рассеянная волна находится в противофазе с опорной. Эти две волны, интерферируя, вычитаются одна из другой, уменьшая амплитуду. Если мы регистрируем амплитуду (интенсивность) на плоскости как изменение плотности потемнения фотопластинки, получившаяся в результате этого картина будет представлять ряд концентрических кругов. Их центр будет находиться в точке пересечения плоскости пластинки и линии, проходящей через источник звука и точечный объект. Эта картина очень похожа на кольца Френеля: центральный "глаз", окруженный концентрическими кольцами постоянно уменьшающейся толщины. Однако в голограмме точечного объекта плотность колец изменяется при удалении от центра по синусоидальному закону, причем частота синусоидальных волн увеличивается на периферии.

Визуализация звуковых волн

Хорошо известное свойство зонной пластинки состоит в том, что благодаря дифракции на кольцах она работает как линза. Однако она работает так, как если бы была одновременно и выпуклой и вогнутой линзой. Если описанную плоскую голограмму освещать только плоской (опорной) волной, голограмма, работая как вогнутая линза, породит расходящуюся сферическую волну, распространяющуюся от пластинки. При этом будет создаваться "мнимое" изображение точки в том положении, какое первоначально занимал точечный объект. В то же время, работая как выпуклая линза, голограмма породит сходящуюся волну, образующую действительное изображение точки.

Следовательно, волна, распространяющаяся от голограммы, имеет три компоненты. Первая компонента - ослабленная часть освещающей волны, проходящая прямо через голограмму. Она называется волной нулевого порядка. Вторая - расходящаяся сферическая волна, распространяющаяся как бы от мнимого изображения точки. Это - дифракционная волна первого порядка. Она восстанавливает первоначальную сферическую волну, испущенную точечным объектом при записи голограммы, и называется правильной восстанавливающей волной. Третья - сходящая сферическая волна, образующая действительное изображение точки. Она тоже является дифракционной волной первого порядка, но, имея кривизну, обратную кривизне расходящейся волны, называется сопряженной волной.

Обычно голограмма создает два изображения. Одно из них - мнимое, расположенное в том же месте, где находился освещаемый предмет. Другое - действительное, расположенное с другой стороны голограммы.

Однако при определенных условиях (при освещении голограммы сферической волной вместо плоской) оба изображения могут быть или одновременно мнимыми, или одновременно действительными. Поэтому было бы не совсем точно приписать одному из них название мнимого, другому - название действительного. Во избежание путаницы условились одно называть правильным изображением (создается правильной восстановленной волной), а другое - сопряженным (создается сопряженной волной).

Теперь посмотрим, что получается, когда голограмма освещается лучом с длиной волны короче, чем длина волны звука, использовавшегося для записи го-лографической зонной пластинки. При дифракции угол дифрагировавшей волны увеличивается или уменьшается, если отношение длины волны к расстоянию между кольцами соответственно увеличивается или уменьшается. Если голограмма освещается лучом с длиной волны меньшей, чем у записывающего луча, то в результате уменьшается дифракционный угол возникающих дифрагированных волновых фронтов. Правильная и сопряженная волна при этом расходятся и сходятся более медленно, и поэтому правильное и сопряженное изображения располагаются дальше от голограммы, однако эти изображения остаются на оси, проходящей через центр голографической пластины.

До сих пор говорилось только о голограмме, получаемой от простого точечного объекта. Голография сложных объектов, таких, как статуэтки и шахматные фигуры, обычно используемых для демонстрации оптической голографии, может быть легко понята, если представить себе, что сложные поверхности этих объектов образуются из множества точечных. Каждая точка поверхности сложного объекта образует свою собственную голограмму, налагающуюся на голограммы от остальных точек. Полная голограмма кажется скоплением непонятных разорванных колец и зернистых капель. В действительности каждая компонента голограммы в процессе восстановления действует независимо от всех других, воспроизводя собственную точку на поверхности изображения объекта.

Поскольку голограмма может записываться на одной длине волны и восстанавливаться на другой, ясно, что она может быть записана с помощью монохроматических звуковых волн и восстановлена лазерным светом. Основной эффект этого заключается в том, что получившееся видимое изображение искажается из-за разницы в длинах волн звука, используемого для записи голограммы, и света, используемого для ее восстановления. Простая фигура из трех точек растягивается в одном направлении (вдоль оси записывающего луча), когда длина волны восстанавливающего луча короче, чем записывающего. Растяжение, или продольное увеличение, равно отношению длин записывающей волны и восстанавливающей. Когда запись осуществляется в воде звуком с частотой один мегагерц и восстанавливается красным светом гелий-неонового лазера, изображение будет растянуто в 500 раз. Это приводит к кажущемуся (но не имеющему места на самом, деле) исчезновению трехмерного эффекта, который так впечатляет, когда наблюдатель рассматривает восстановленную обычную оптическую голограмму. Иногда считают, что из-за линейного искажения изображение, полученное с помощью акустической голограммы, двумерно. Это неверно. Для улучшения качества изображения можно фокусировать его на различные плоскости с помощью устройств, преобразующих оптические параметры (таких, как пространственные фильтры). Предложен ряд методов для уменьшения искажения, но пока ни один из них не является вполне удовлетворительным.

Трехмерное восприятие в обычной оптической голограмме возникает при рассмотрении правильного изображения. В основном это происходит благодаря эффекту параллакса, возникающему при движении головы наблюдателя из стороны в сторону и рассматривании им различных частей голограммы. Для каждого положения наблюдателя видимое изображение образуется площадью голограммы, определяемой диаметром зрачка наблюдателя. Следовательно, каждое положение наблюдения использует только малую часть всей площади голограммы. Этого достаточно для оптической голограммы, потому что разрешение (качество изображения), полученное с апертурой, равной диаметру зрачка, вполне приемлемо для голограммы, записанной на оптических длинах волн: разрешение непосредственно связано с отношением апертуры к длине записывающей волны.

Детекторы ультразвука

Так как длины волн, используемые для записи акустических голограмм, во много раз больше апертуры глаза, обеспечиваемое ими разрешение совершенно неприемлемо для невооруженного глаза. Таким образом (даже пренебрегая проблемой линейного искажения изображения), мы не может использовать эффект параллакса при непосредственном наблюдении восстановленного изображения от акустической голограммы. Для того чтобы получить при восстановлении приемлемое качество изображения, апертура должна достигать размера всей голограммы. В результате наблюдение восстановленного из акустической голограммы изображения, по-видимому, будет осуществляться с использованием всей голограммы. При этом будет наблюдаться действительное изображение, сфокусированное на экран. Эффект трехмерности может быть реализован, если передвигать экран по всей глубине изображения.

Для записи акустических голограмм пригодны разнообразные методы, поскольку имеется много различных методов записи звука. В оптической голографии для записи голограмм обычно берется фотопластинка. Для записи акустической голограммы необходимо иметь акустический эквивалент фотопластинки. Наиболее естественной была бы запись звука прямо на фотопленку. Это возможно. Кусок экспонированной фотопленки можно поместить в слабый раствор фиксажа. Если на пленку, находящуюся в ванночке с фиксажем, воздействовать сильным звуком, в областях с высокой интенсивностью звука процесс закрепления ускоряется. Последующее проявление фотопленки, закрепленной в разной степени, дает изображение, соответствующее уровням звука на ее поверхности. Этот метод использовался для записи интерференционных картин акустических голограмм. Однако он имеет серьезные недостатки, так как записывающийся звук должен иметь очень большую интенсивность, но даже и тогда экспозиция обычно затягивается до получаса.

В другом методе крахмальная пластинка помещается в раствор йода. Под воздействием звука крахмал окрашивается йодом, записывая звуковую картину. В этом случае тоже необходимы высокий уровень интенсивности звука и большое время экспозиции.

Если высокочастотный источник звука, например пьезоэлектрический преобразователь, поместить в бак с водой и направить излучение на поверхность, вода будет вспучиваться в местах, где звук достигнет поверхности. Акустические лучи двух таких высокочастотных источников, помещенных под водой и направленных на поверхность, будут интерферировать, и в результате появится интеференционная картина в виде установившейся ряби. Если какой-либо объект теперь поместить в один из лучей, то картина ряби на поверхности и будет голограммой объекта.

Такое изображение может быть восстановлено двумя способами. В первом - методе "реального времени" - просто освещают поверхность лазером. Рябь выполняет роль оптической фазовой голограммы. Правильное изображение предмета оказывается ниже поверхности воды, а сопряженное изображение представляется действительным изображением над поверхностью. Из-за линейного искажения, обусловленного разностью длин волн звука и света, восстановленное изображение оказывается значительно дальше от поверхности, чем сам предмет. Второй метод заключается в фотографировании ряби. При этом на фотопластинке получается голограмма, восстанавливаемая обычным способом.

При использовании первого метода восстановленное изображение (из-за линейного искажения, вызванного неравенством длин волн звука и света) находится настолько далеко от поверхности, что его можно разглядеть только в телескоп. Однако можно обойтись и без телескопа, поместив акустическую линзу между объектом и поверхностью таким способом, чтобы трехмерное изображение, образуемое линзой, проектировалось на эту поверхность. Опорная волна распространяется, как и прежде, но голограмма теперь сфокусирована, так что при восстановлении изображения оказывается на поверхности. В ранних экспериментах акустические линзы создавали значительные аберрации в голографическом изображении, но недавно выполненная работа с жидкостными акустическими линзами дала вполне удовлетворительные результаты.

При использовании водной поверхности возникают две основные проблемы. Первая - поверхность очень чувствительна к нежелательным колебаниям и крупномасштабным движениям, разрушающим рябь. Вторая - интенсивности рассеянного и опорного лучей должны быть разумно сбалансированы на поверхности. В противном случае на поверхности образуются течения, также разрушающие рябь голограммы. Это ограничивает используемую площадь водной поверхности, что в свою очередь ограничивает апертуру и, следовательно, качество конечного восстановленного изображения. Была разработана техника покрытия водной поверхности тонкой мембраной. Над мембраной создавалась нефтяная пленка толщиной несколько миллиметров, и рябь образовалась на поверхности этой пленки, а не на поверхности воды. Когда метод нефтяной пленки применяется вместе с новыми типами акустических линз и импульсными источниками звука, практическая ценность этой методики значительно увеличивается.

Недавно этот метод был использован для записи некоторых из наиболее хорошо восстановленных изображений, полученных до сих пор. Группа ученых сняла голографический кинофильм, дающий акустическое изображение золотой рыбки в масштабе реального времени [27]. Изображение получено при использовании звука с частотой 9 МГц. Ясно видны скелет рыбки и ее плотные внутренние органы. Хорошо видно движение внутренних органов, открытие и закрытие рта рыбки, поднятие и опускание ее спинных плавников. Такая система, работающая в масштабе реального времени, позволяет наблюдателю следить за движением объекта и опознавать его и имеет поэтому огромные достоинства. Интерпретация объекта может оказаться затруднительной, если наблюдатель рассматривает неподвижный объект. Эти и другие результаты показывают, без сомнения, что акустическая голография может играть важную роль в медицинской диагностике.

Существуют другие методы для записи голограмм, полученных на поверхности жидкости или непосредственно под ней. В них применяются механическое сканирование детектором, расположенным ниже уровня жидкости, и электронное сканирование пьезоэлектрическим преобразователем. Однако они не имеют значительных преимуществ перед указанным методом.

В другой серии экспериментов [27] была изучена волновая картина голограммы не в проходящих, а в отраженных волнах. В этих экспериментах использовались буквы A, R и L (начальные буквы английских слов Advanced Research Laboratory, Лаборатория перспективных исследований). Каждая буква была сделана в виде мозаики из камешков различного размера и была около 1,2 м высотой. Ученые хотели обнаружить, как будут отличаться голограммы при освещении букв звуком с тремя различными длинами волн. Для наглядности они собирались отпечатать изображение в различных цветах и получить при их наложении одно трехцветное изображение.

Для полной аналогии звук - цвет длины волн звука были выбраны так, чтобы между ними выполнялось то же соотношение, что и между длинами волн голубого, зеленого и красного света. Длины волн этих трех цветов примерно равны 420, 525 и 630 нанометров и относятся как 4 : 5 : 6. В соответствии с этим были выбраны длины звуковых волн 16, 20 и 24 мм, что соответствует частотам 21, 18 и 15 кГц.

Как, собственно, и ожидалось при планировании этого эксперимента, мишень, состоящая из твердых камешков, вела себя как "белый" отражатель звука. Поэтому голограммы для каждой длины волны очень похожи, а буквы в окончательном трехцветном изображении содержат примерно равные количества каждого цвета. При трехцветной печати первичные цвета - красный, зеленый и голубой - получались смешиванием их дополнительных цветов: цианин ("голубой"), фуксин (красная анилиновая краска - "красный") и желтый. Окончательное изображение получалось наложением трех акустических голограмм в цветах, соответствующих длинам создавших их звуковых волн. Если это изображение воспроизвести на цветном диапозитиве и осветить когерентным лучом белого цвета (подобранной смесью когерентных красного, зеленого, и голубого света), то при таком восстановлении буквы будут казаться белыми.

В ранних экспериментах методы акустической голографии были прямыми акустическими аналогами оптических методов. Однако постепенно стало очевидно, что можно ввести совершенно новую технику, не имеющую оптического эквивалента. Например, при электронном детектировании выходным сигналом детектора (микрофона) является электрический сигнал той же частоты и фазы, что и акустический. Поэтому вместо смешивания рассеянной и опорной акустических волн и последующего детектирования их суммы детектируют только одну акустическую волну, а выходной электрический сигнал детектора складывается с опорным электрическим сигналом. Опорный сигнал берется непосредственно от электронного генератора сигналов, питающего "освещающий" источник звука. Электронное суммирование в этом случае соответствует интерференции рассеянной и опорной волны. В настоящее время почти всегда используется электронная имитация опорной волны.

Другим важным преимуществом этого типа детектирования является возможность оперировать рассеянным сигналом, перед тем как сложить его с электронным опорным сигналом [27]. Это использовалось при исследовании относительной важности двух параметров рассеянной волны, обычно записываемых в голограмме: фазы и амплитуды. Это дало запись чисто фазовой голограммы. Брали электрический аналог рассеянной волны, амплитуда и фаза которой меняются при сканировании объекта детектором. С помощью электронных преобразований амплитуда поддерживалась постоянной (как бы сильно не менялась акустическая амплитуда), но фаза рассеянной волны сохранялась без изменений. Окончательная фазовая голограмма получается путем суммирования этого сигнала постоянной амплитуды с опорным сигналом тоже постоянной амплитуды. Фазовая голограмма отличается по виду от обычной голограммы только тем, что контрастность интерференционных колец постоянна по всей плоскости голограммы. (Изменения контрастности в обычной акустической голограмме соответствуют изменениям в амплитуде рассеянной волны). Фазовые голограммы, как правило, резче передают углы, чем обычные акустические голограммы. Более того, в некоторых случаях сохраняется относительная "акустическая яркость" деталей объекта.

Следующая хитрость, применимая к звуковым, но не к световым волнам, привела к развитию новой техники, называемой "временной опорной голографией".

Как показывает название, записываются вариации рассеянной волны во времени, а не по отношению к опорной волне. Для этого регистрируется потенциал давления рассеянной акустической опорной волны в определенный момент периода акустического колебания. Главное преимущество, которым обладает временная опорная голография перед обычной акустической голографией, более высокая скорость записи, обеспечивающая более удовлетворительное изображение движущихся объектов.

Лаборатория перспективных исследований компании "Дуглас" разработала методику, пригодную для медицинской диагностики [27]. С ее помощью временные опорные акустические голограммы на звуковых волнах с частотой 1 МГц можно будет записывать за одну полумиллионную долю секунды. Этот метод использует новую форму оптической интерфе-рометрической голографии - субволновую интерферометрию. Название показывает, что регистрируемые смещения - меньше одной оптической длины волны (в обычной интерферометрии смещения составляют многие оптические длины волн).

Вкратце метод состоит в следующем. Рассеянная акустическая волна падает на поверхность, заставляя ее колебаться с амплитудой, значительно меньшей оптической длины волны. Деформация поверхности регистрируется при освещении ее импульсным лазером, и на фотопластинке получается оптическая голограмма поверхности. Через полпериода (половину миллионной доли секунды) второй импульсный лазер, расположенный на той же оси, что и первый, на ту же фотопластинку записывает вторую голограмму деформированной поверхности. Однако за время, прошедшее между двумя экспозициями, световой путь оптической опорной волны уменьшается на четверть оптической длины волны. Когда восстанавливается двухкомпонентная оптическая голограмма, то вариации яркости восстановленного изображения поверхности пропорциональны вызванным акустической волной деформациям, происшедшим между двумя импульсами. Полученное таким образом восстановленное изображение поверхности и является временной опорной голограммой акустического волнового поля, отраженного от поверхности.

Описанный метод имеет несколько важных преимуществ. Во-первых, апертура такой голограммы ограничена только мощностью лазера, используемого для освещения поверхности. Импульсный лазер в состоянии хорошо освещать поверхность около 0,3 м², обеспечивая тем самым необходимые разрешение и качество изображения. Во-вторых, использование оптических средств для детектирования поверхности позволяет обойти серьезные инженерные проблемы, связанные с созданием электронных детекторов большой апертуры. В-третьих, чрезвычайно высокая скорость записи означает, что на эту систему слабо влияет движение объекта.

Техника записи с жидкой поверхности и оптической записи временных акустических голограмм, которая находится в настоящее время в стадии разработки, выглядит многообещающе как практически надежная система для работы с высокими ультразвуковыми частотами. Такие частоты, лежащие в мегагерцевой области, потребуются в медицинской диагностике и при неразрушающих испытаниях материалов^*. Получение высококачественных изображений человеческого тела, показывающих структуру мягких тканей, органов и сосудов, будет давать врачу новую клиническую информацию. Такая система будет значительным подспорьем существующим методам импульс-эхо и рентгеновским методом. По мнению зарубежных специалистов, акустическая голография для изображения объектов под поверхностью земли и моря находится в стадии разработки, но ее осуществление - дело будущего [27].

^* (Т.е. при исследовании прочностных и других физико-технических характеристик материалов без их деформации).

Диагноз по неслышимому звуку

Несмотря на целый ряд проблем, ультразвуковая (УЗ) голография конкурентоспособна по отношению к неголографическим методам визуализации, что определяется следующими присущими ей возможностями.

1. Формирование качественных УЗ изображений, в том числе и при большом поле зрения, обусловленное отсутствием каких-либо пространственных преобразований УЗ поля, рассеянного объектом.

2. Формирование изображений различных сечений объекта на стадии восстановления в оптическом диапазоне.

3. Осуществление амплитудного синтеза изображений, т. е. применение операций сложения и вычитания УЗ полей, несущих информацию о различных объектах или о разных состояниях одного объекта.

4. Применение различных методов оптической обработки на стадии восстановления (согласованной фильтрации, преобразований Фурье, дифференцирования, интегрирования и др.) с целью определения интересующих деталей и структур исследуемых объектов.

Перечисленные возможности позволяют в конечном счете повысить достоверность диагноза при голографической визуализации внутренних структур медико-биологических объектов.

Для целей медицинской диагностики в основном используются УЗ колебания с частотами в диапазоне от 1 до 10 МГц, что определяется компромиссом между разрешающей способностью, увеличивающейся с увеличением частоты, и чувствительностью, уменьшающейся при увеличении частоты за счет возрастания поглощения УЗ волн в биологических тканях [20], [26].

Специфические особенности медико-биологических объектов определяют ряд требований к методам и аппаратуре УЗ голографии. К ним относятся:

1) динамичность органов и структур биологических объектов в процессе жизнедеятельности;

2) высокое поглощение УЗ энергии в биологических тканях;

3) небольшие вариации акустических параметров диагностируемых органов и тканей как в норме, так и при патологии;

4) соизмеримость диагностируемых структур и длин волн используемых УЗ полей.

Исходя из этих особенностей, основными характеристиками, определяющими возможность применения в диагностике того или иного голографического метода, следует считать время регистрации голограмм (быстродействие), пороговую чувствительность, динамический диапазон и разрешающую способность.