Динамический спекл - Dynamic speckle - Wikipedia

В физика, динамический спекл является результатом временной эволюции пятнистый узор где вариации в рассеяние элементы, ответственные за формирование вмешательство паттерн в статической ситуации производит изменения, которые видны в пятнистый узор, где его зерна меняют свою интенсивность (уровень серого), а также форму со временем. Один простой пример - молоко: налейте немного молока в чайную ложку и наблюдайте за поверхностью под прямыми солнечными лучами. Будет виден "танцующий" узор из цветных точек. Там, где молоко высыхает на ложке по краю, пятно становится статичным. Это прямое свидетельство теплового движения атомов, которое вызывает броуновское движение коллоидных частиц в молоке, что, в свою очередь, приводит к появлению динамических пятен, видимых невооруженным глазом.

Последовательность лазерных изображений биоспеклов семени кукурузы.

Информационное содержание

Временная история спекл-паттернов печенья с высокой (слева) и низкой (справа) молекулярной активностью.

Затем динамический паттерн показывает изменения, которые, если их анализировать во времени, представляют активность освещенного материала. Визуальный эффект - это либо кипящая жидкость, либо изображение в телевизоре, далеком от настройки.

Его можно проанализировать с помощью нескольких математических и статистических инструментов и предоставить числовую или визуальную информацию о его величине, что является не вполне определенным представлением о деятельности. Потому что количество рассеяние центров очень высока, коллективный феномен трудно интерпретировать, а их индивидуальный вклад в конечный результат невозможно вывести. Измерения, полученные с помощью инструментов анализа, представляют уровень активности как сумму вкладов явлений из-за Эффект Допплера рассеянного света, а также другие явления, которые в конечном итоге присутствуют (изменение показателя преломления образца во времени и т. д.). Свет, рассеянный с небольшими Допплер сдвиги в его частоте ударов на детекторе (в конечном счете, на глазу), вызывая медленные изменения интенсивности, которые составляют динамику спекл-структуры.

Например, биологический образец, который представляет собой материал, содержащий огромное количество подвижных центров рассеяния, демонстрирует вариации показателя преломления в материалах, из которых он состоит, с изменениями мощности, а также многие другие эффекты, усложняющие идентификацию и выделение этих явления. Тогда полная интерпретация активности образца с помощью динамического спекла представляет собой большие проблемы.^[1]

На рисунке 1 показана последовательность пятнышко паттерны семян кукурузы в начале процесса прорастания, где динамический эффект выше в тех областях, где рассеяние Ожидается, что центры будут более активными, как в случае эмбриона, и в разрыве в области эндосперма семени. Эмбрион находится в нижнем левом углу, а разрыв представляет собой речную область в центре. В трещине активность обусловлена ​​интенсивным внутренним испарением воды, в то время как в эмбрионе активность выше из-за метаболизма живой ткани вместе с активностью, вызванной испарением воды. В эндосперме верхняя правая область изображения показывает, что относительно низкая активность обусловлена ​​только испарением воды.

Приложения

Биологическая ткань - одна из самых сложных, которые можно найти в природе. Кроме того, это усугубляется внутренней вариабельностью, присутствующей между одним образцом и другим. Эти факты еще больше затрудняют сравнение результатов между разными образцами даже при наличии одного и того же стимула. В этом контексте спекл-паттерны были применены для изучения бактерий,^[2][3] паразиты, семена и растения.^[4]

Другие области применения - анализ высыхания краски,^[5] контроль в гелях,^[6] пены, коррозия, высол, так далее.

Динамический спекл-анализ

Обобщенные различия семян кукурузы с псевдоцветами, представляющими уровень активности, с высокой активностью, представленной красным, и низкой активностью, представленными синим.

Было предложено несколько математических и статистических инструментов для характеристики активности динамического спекл-паттерна, некоторые из них:

Момент инерции матрицы совпадений (MOC)^[7]

${\displaystyle MI=\sum {MOC(i,j)*(i-j)^{2}}\,\!}$

Fujii^[8]

${\displaystyle Fujii(x,y)=\sum _{k=1}^{N}{\frac {I_{k}(x,y)-I_{k+1}(x,y)}{I_{k}(x,y)+I_{k+1}(x,y)}}\,\!}$

Обобщенные различия^[9]

${\displaystyle DG(x,y)=\sum _{k}\sum _{l}{|I_{k}(x,y)-I_{k+l}(x,y)|}\,\!}$

Временная разница^[10]

${\displaystyle D(k)=\sum _{m=1}^{M}\sum _{n=1}^{N}{E(m,n,k+1)-E(m,n,k)}\,\!}$

Эти и другие методы собраны в Библиотека лазерных инструментов Biospeckle.

Смотрите также

• Пятнистый узор
• Спекл-шум
• Спекл-визуализация

Рекомендации

1. Rabal, HJ; Брага, РА (2008). Динамические лазерные спеклы и приложения. CRC Press. ISBN  978-1-4200-6015-7.
2. Муриальдо, S; и другие. «Анализ бактериального хемотаксического ответа с помощью динамического лазерного спекла». J. Biomed. Опт. 14 (6) (2009) 064015.
3. Рамирес-Микет, Э.Е .; и другие. «Характеристика активности Escherichia coli с использованием лазерной динамической спекл-техники». Преподобный Cub. Fis. 28 (1E) (2011) стр. 1E13-1E17.
4. Чжао, Y (1997). «Точечные и полнопольные измерения флуктуации интенсивности спеклов лазера применительно к ботаническим образцам». Оптика и лазеры в технике. 28 (6): 443–456. Bibcode:1997OptLE..28..443Z. Дои:10.1016 / S0143-8166 (97) 00056-0.
5. Фачча, Пенсильвания; и другие. (2009). «Дифференциация времени высыхания красок методом динамической спекл-интерферометрии». Прогресс в органических покрытиях. 64 (4): 350–355. Дои:10.1016 / j.porgcoat.2008.07.016.
6. Cabelo, CI; и другие. Исследование гидрофильности силикагеля методом лазерных динамических спекл. Преподобный Cub. Fis. 25 (2A) (2008) стр. 67-69
7. Аризага, Р. (1999). «Характеристика временной эволюции спеклов с помощью матричного анализа совместной встречаемости». Оптика и лазерные технологии. 31 (2): 163–169. Bibcode:1999OptLT..31..163A. Дои:10.1016 / S0030-3992 (99) 00033-X.
8. Бриерс, Дж (1995). «Цифровая версия спекл-фотографии с однократной экспозицией в квази-реальном времени для полного мониторинга полей скорости или потока». Оптика Коммуникации. 116 (1–3): 36–42. Bibcode:1995OptCo.116 ... 36B. Дои:10.1016/0030-4018(95)00042-7.
9. Arizaga, R .; и другие. (2002). «Отображение локальной активности с помощью динамических спекл-паттернов». Оптическая инженерия. 41 (2): 287. Bibcode:2002OptEn..41..287A. Дои:10.1117/1.1428739.
10. Martí-López, L .; и другие. (2010). «Метод временной разницы для обработки динамических спекл-паттернов». Оптика Коммуникации. 283 (24): 4972–4977. Bibcode:2010OptCo.283.4972M. Дои:10.1016 / j.optcom.2010.07.073.

^[1]

1. Патент http://patentscope.wipo.int/search/en/detail.jsf?docId=AR5324365&recNum=1&docAn=P060104012&queryString=055432&maxRec=1, http://patentscope.wipo.int/search/en/detail.jsf?docId=AR5324365