Способ формирования изображения объектов с субдифракционным разрешением в миллиметровом, терагерцевом, инфракрасном и оптическом диапазонах длин волн Российский патент 2019 года по МПК G02B27/58 B82Y20/00 

Изобретение относится к способам радиовидения в миллиметровом, терагерцевом, инфракрасном и оптическом диапазонах электромагнитного излучения и может быть использовано для построения радиоизображений различных объектов, в том числе в оптически непрозрачных средах, например в устройствах радиовидения для диагностики биообъектов, дефектоскопии, интроскопии указанных диапазонов.

Устройства радиовидения используются для получения изображений различных объектов искусственного и естественного происхождения, являющихся источниками электромагнитного излучения [Экспериментальная радиооптика. / Под ред. В.А. Зверева и Н.С. Степанова. - М.: Наука, 1979; Зверев В.А. Физические основы формирования изображений волновыми полями. -Нижний Новгород: ИПФ РАН, 1998. - 252 с.]. Такое устройство включает в себя оптическую систему, осуществляющую пространственное преобразование поля излучения источников. Типовым вариантом построения оптической системы является система, имеющая две фокальные плоскости. Идеальная оптическая система такого типа преобразует поле источников излучения, расположенных в одной фокальной плоскости, в электромагнитное поле (поле изображения) в другой фокальной плоскости. При этом преобразованное поле идентично исходному полю с точностью до линейного смещения и масштабирующего множителя, задающего сжатие или растяжение исходного поля. В неидеальной оптической системе существуют оптические искажения изображения (аберрации) и помехи шумовой и другой природы.

Под радиовидением понимается способ получения видимого изображения объектов с помощью радиоволн (отраженных или излучаемых). С помощью радиовидения осуществляется дистанционное неразрушающее зондирование внутренней или поверхностной структуры объектов, прозрачных или полупрозрачных для радиоизлучения.

Радиоизображение, сформированное с помощью радиооптическихквазиоптических систем (линз, зеркал, объективов), содержит всю информацию об объекте исследования и обеспечивает получение видимого изображения в образах, близких к естественным. Радиоизображение может быть получено как способом «на отражение», так и способом «на прохождение» или комбинированным способом.

В качестве оптической системы могут использоваться зеркальные антенны. Известна оптическая система в виде двухзеркальной антенны Кассегрена (Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ.М.: Высшая школа, 1988). Она может быть сфокусирована как на конечном, так и на бесконечном расстоянии до источника излучения.

Известны оптические системы на основе диэлектрических линз (Зелкин Е.Г., Петрова Р.А. Линзовые антенны. М.: Советское радио, 1974). Для построения оптических систем используются также более сложные линзы, например линза Ротмана и линза Люнеберга (Корнблит С. СВЧ-оптика, М.: «Связь», 1980).

О качестве изображения, которое можно получить в любой изображающей системе, принято судить по числу наиболее мелких деталей в изображении. Этому соответствует широкий пространственный спектр [Зверев В.А. Физические основы формирования изображений волновыми полями. - Нижний Новгород: ИПФ РАН, 1998. - 252 с.]. Только два параметра определяют ширину пространственного спектра - это длина волны и тот максимальный угол, под которым волны входят в изображающее устройство. Эти два параметра определяют максимально возможное качество получаемого изображения. Таким образом, для улучшения возможного качества получаемого изображения существуют два пути - это либо укорочение длины волны, либо увеличение угла, под которым волны могут попасть в изображающую систему [Зверев В.А. Физические основы формирования изображений волновыми полями. - Нижний Новгород: ИПФ РАН, 1998. - 252 с.]. Других путей нет.

Из технической литературы известно, что объект обнаруживается (т.е. устанавливается факт появления его в поле зрения), если на минимальном размере объекта разрешается один период штриховой миры. Различение объекта возможно, если на критическом размере разрешаются четыре периода штриховой миры.

Согласно критерию Джонсона, положенного в основу современной методологии визуального восприятия объектов, идентификация объекта возможна, если на характерном размере объекта разрешаются не менее восьми периодов штриховой миры с 50%-ной вероятностью [Карасик В.Е., Орлов В.М. Лазерные системы видения - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001. - 352 с.].

Результаты фундаментальных исследований Джонсона позволяют оценить по единому показателю (число пространственных периодов эквивалентной штриховой миры) 50%-ную вероятность восприятия объекта с фиксированным качеством восприятия [KoeikaN.S.Asystemengineeringapproachtoimaging.SPIEOpticalEngineeringPress.Bellingham, WA, 1998.- 679 p.]. Вероятность восприятия подчиняется логнормальному интегральному закону распределения [KoeikaN.S.Asystemengineeringapproachtoimaging.SPIEOpticalEngineeringPress.Bellingham, WA, 1998.- 679 p.].

Для идентификации объекта с вероятностью 95% требуется, чтобы на его критическом размере уложилось не менее 16 периодов эквивалентной миры, а со 100% вероятностью - не менее 24 периодов эквивалентной миры [Карасик В.Е., Орлов В.М. Лазерные системы видения - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001. - 352 с.]. Данный критерий является полезным универсальным средством интегральной оценки эффективности систем видения.

Диаметр пятна Эйри h определяется так называемым критерием Рэлея, который устанавливает предел концентрации (фокусировки) электромагнитного поля с помощью оптических систем [Борн М., Вольф Э. Основы оптики.М.: Наука, 1970]:

,

где λ - длина волны излучения, D - диаметр первичного зеркала или линзы оптической системы, F - фокусное расстояние оптической системы.

Диаметр пятна Эйри h является важным параметром оптической системы, который определяет ее собственную разрешающую способность в фокальной плоскости и определяет качество получаемого изображения. Он показывает минимальное расстояние между полем точечных источников в фокальной плоскости, которое способна зарегистрировать данная оптическая система. Максимальное разрешение идеальной оптической системы не может превышать величины λ/2.

Известен способ формирования радиоизображения объектов радиовидения [В.И. Сусляев, В.А. Журавлев, Е.Ю. Коровин, Ю.П. Землянухин. Рупорный метод измерения электромагнитного отклика от плоских образцов в диапазоне частот 26-37.5 ГГц с улучшенными метрологическими характеристиками], включающий формирование электромагнитного излучения, облучение источником электромагнитного излучения формирующей системы в виде рупора, облучение объекта исследования, прием прошедшего излучения от объекта исследования, преобразование принятого излучения в электрические сигналы и формирование по данным электрическим сигналам визуально воспринимаемого изображения объекта наблюдения.

Недостатком указанного способа является его низкое пространственное разрешение и большие габариты.

Диаграмма направленности антенны (рупора) формируется в зоне Фраунгофера на расстоянии:

,

где D - линейный размер апертуры антенны. При этом для обычной антенны минимально разрешаемый элемент на объекте Δх, определяемый согласно критерию Релея:

,

не может быть меньше размера антенны

.

Известен способ формирования радиоизображения объектов квазиоптического типа [Крылов К.И. Оптический интроскоп миллиметрового диапазона. / К.И. Крылов, Н.А. Львова, С.А. Смирнов, А.С. Бабейкин // Тр. Всес. симп. по приборам, технике и распространению миллиметровых и субмиллиметровых волн в атмосфере. ИРЭ, Харьков, 1976. - С. 198-201]. Основное отличие разработанного способа от ранее существующих, заключается в использовании специальных объективов, позволяющих формировать изображение на миллиметровых и субмиллиметровых волнах, подобно тому, как это происходит в микроскопах светового диапазона. Сформированное в микроволновом диапазоне изображение затем при помощи специального электронного устройства трансформируется в изображение на экране электронно-лучевой трубки, которое непосредственно воспринимается глазом.

Недостатком данного способа является низкое пространственное разрешение, ограниченное дифракционным пределом формирующей системы.

Известен способ формирования радиоизображения объектов радиовидения [William Е. Baughman, HamdullahYokus, DavidShawnWilbert, PatrikKung, SeongsinMargaretKim.Observationofhydrofluoricacidburnsonosseoustissuesbymeansofterahertzspectroscopicimaging // IEEE Transactiononterahertzscienceandtechnology, v. 3, N 4, 2013, p. 387-394] в терагерцевом диапазоне длин волн применительно к исследованию биообъектов, включающий формирование излучения в терагерцевом диапазоне длин волн, облучение источником электромагнитного излучения формирующей системы в виде линзы, фокусировку излучения формирующей системой на объекте исследования, прием прошедшего излучения от объекта исследования, преобразование принятого излучения в электрические сигналы и формирование по данным электрическим сигналам визуально воспринимаемого изображения объекта наблюдения.

Недостатком данного способа является низкое пространственное разрешение, ограниченное дифракционным пределом формирующей системы.

Увеличить разрешающую способность оптических и квазиоптических систем формирования изображения объектов, можно за счет использования известных иммерсионных методов повышения разрешения, основанных на том, что разрешающая способность фокусирующей оптики пропорциональна показателю преломления среды с показателем преломления более 1 и размещенной между фокусирующим объективом и объектом измерения [см. например, EdwinOstertag, AnitaLorenz, KarstenRebner, Rudolf W.Kessler, Alfred J. Meixner. Extension of solid immersion lens technology tosuper-resolution Raman microscopy // Nanospectroscopy 2014; 1: 1-11; Mansfield, S. M.; Kino, G. S., Solid immersion microscope // Applied Physics Letters 1990, 57 (24), 2615-2616; N.V. Chernomyrdina, A.S. Kucheryavenkoa , G.S. Kolontaevaa, G.M. Katybaa,P.A. Karalkine, V.A. Parfenove, A.A. Gryadunova, N.E. Norkina,O.A. Smolyanskayag, O.V. Minin, I.V. Minin, V.E. Karasika, and K.I. Zaytsev. A potential of terahertz solid immersion microscopy for visualizing sub-wavelength-scale tissue spheroids/https://www.spiedigitallibrary.org/conference-proceedings-of-spie on 5/25/2018 Terms of Use: https://www.spiedigitallibrary.org/terms-of-use; Патент РФ 2153988 Способ формирования изображений; Патент РФ 106969 Устройство формирования изображения на подложке].

Из технической литературы известно, что применение жидкостной или твердой иммерсии позволяет достичь увеличения разрешающей способности устройств формирования изображений. Иммерсионная система - оптическая система, в которой пространство между предметом и первой линзой заполнено иммерсионной средой.

Недостатком данного способа является низкое пространственное разрешение, ограниченное дифракционным пределом формирующей системы и величиной показателя преломления материала иммерсионного слоя.

Преодолеть дифракционный предел в оптике можно различными способами, например с помощью эффекта «фотонной наноструи» (например, см. A. Heifetz et al. Experimental confirmation of backscattering enhancement induced by a photonic jet // Appl. Phys. Lett., 89, 221118 (2006); Минин И.В., Минин О.В. ФОТОННЫЕ СТРУИ В НАУКЕ И ТЕХНИКЕ // Вестник СГУГиТ 2017, т. 22, № 2, с. 212-234). Поперечный размер фотонной наноструи составляет 1/3…1/4 длины волны излучения, что меньше дифракционного предела классической линзы. При этом мезоразмерные диэлектрические частицы могут иметь различную форму (сфера, куб, эллипс, цилиндр и т.д.). Параметры фотонной струи(продольный и поперечный размеры), могут регулироваться формой мезоразмерной частицы, ее показателем преломления, размером. Одним из параметров, с помощью которого можно управлять характеристиками фотонной струи является размещение на мезочастице центрального блокирующего излучение слоя [Патент РФ 153686 Устройство для формирования фотонной струи с увеличенной глубиной фокуса; Патент РФ №178616 Устройство для формирования фотонной струи].

В качестве прототипа выбран способ формирования радиоизображения объектов по патенту РФ №2631006, МПК G02B 27/58, Способ формирования изображения объектов с субдифракционным разрешением в миллиметровом, терагерцевом, инфракрасном и оптическом диапазонах длин волн, включающий формирование излучения в миллиметровом, терагерцевом, инфракрасном и оптическом диапазонах длин волн, облучение источником электромагнитного излучения формирующей системы, размещении в области фокусировки излучения формирующей системы мезоразмерной диэлектрической частицыи формировании на внешней границе частицы с противоположной стороны от падающего излучения фотонной струи, размещении объекта исследования в этой области повышенной интенсивности, прием отраженного или прошедшего излучения от объекта исследования, преобразование принятого излучения в электрические сигналы и формирование по данным электрическим сигналам визуально воспринимаемого изображения объекта исследования.

Достоинством способа является повышение пространственного разрешения в 1.5-2 раза по сравнению с оптическими и квазиоптическими способами формирования изображения, обеспечивающими предельное дифракционное разрешение.

Недостатком данного способа является низкое пространственное разрешение, ограниченное пространственным разрешением сформированной фотонной струи и не превышающей примерно λ/3-λ/4, где λ длина волны излучения.

Задачей, решаемой предлагаемым способом, является повышение качества получаемого изображения исследуемого объекта за счет повышения разрешающей способности формирующей системы.

Технический результат, который может быть получен при выполнении заявленного способа, - улучшение разрешающей способности систем построения изображения исследуемых объектов.

Поставленная задача решается благодаря тому, что в способе формирования изображения объектов с субдифракционным разрешением в миллиметровом, терагерцевом, инфракрасном и оптическом диапазонах длин волн, включающем формирование излучения в миллиметровом, терагерцевом, инфракрасном и оптическом диапазонах длин волн, облучение источником электромагнитного излучения формирующей системы, размещение в области фокусировки излучения формирующей системы мезоразмерной диэлектрической частицы и формирование на внешней границе частицы с противоположной стороныот падающего излучения фотонной струи, размещение объекта исследования в этой области повышенной интенсивности поля, прием отраженного или прошедшего излучения от объекта исследования, преобразование принятого излучения в электрические сигналы и формирование по данным электрическим сигналам визуально воспринимаемого изображения объекта исследования согласно полезной модели, мезоразмерную частицу размещают в диэлектрической подложке с показателем преломления N₁, фотонную струю формируют непосредственно на задней поверхности диэлектрической подложки и показатель преломления материала мезоразмерной частицы выбирают в диапазоне от 1.2N₁ до 1.85N₁, при этом между диэлектрической подложкой и объектом исследования непосредственно располагают слой иммерсионной среды с показателем преломления N₂ не менее показателя преломления диэлектрической подложки N₁.

Размещение мезоразмерной частицы в диэлектрической подложке с показателем преломления N₁ позволяет зафиксировать частицу и сформировать фотонную струю непосредственно на задней поверхности диэлектрической подложки по направлению распространения излучения, кроме того, диэлектрическая подложка играет роль просветляющего покрытия для иммерсионной среды, что приводит к уменьшению потерь на отражение излучения.

Показатель преломления материала мезоразмерной частицы выбирают в диапазоне примерно от 1.2N₁ до 1.85N₁, где N₁ показатель преломления материала диэлектрической подложки. Для показателя преломления материала частицы более примерно 1.85N₁, формируемая фотонная струя находится внутри частицы и не может быть использована для формирования изображения объектов. Для показателя преломления материала частицы менее примерно 1.2N₁, формируемая фотонная струя имеет поперечное разрешение порядка дифракционного предела и может быть обеспечен формирующей системой.

Непосредственное размещение иммерсионного слоя с показателем преломления N₂ не менее показателя преломления диэлектрической подложки N₁ между диэлектрической подложкой и объектом исследования позволяет уменьшить длину волны излучения, которая располагается непосредственно между диэлектрической подложкой и объектом исследования в N₂ раз и следовательно увеличивает пространственное разрешение способа в N₂ раз в соответствии с критерием Релея.

Осуществление способа формирования изображения в условиях согласно заявляемому способу неожиданно создает возможности, отличные от описанных в уровне техники.

Предельное разрешение дифракционно ограниченных систем с использованием иммерсионной среды равно λ/(2N), где N показатель преломления материала иммерсионной среды. При использовании формирующей системы с мезоразмерной частицей, формирующей фотонную струю с использованием иммерсионной среды пространственное разрешение равно λ/((3-4)N)), что в 1.5-2 раза выше, чем в известных способах формирования изображения.

На Фиг. 1 показан пример схемы устройства, реализующего предлагаемый способ.

Обозначения: 1 - источник электромагнитного излучения, 2 - направление распространения электромагнитного излучения, 3 - формирующее устройство, 4 - диэлектрическая мезоразмерная частица, 5 - диэлектрическая подложка, 6 - иммерсионный слой, 7 - концентрация электромагнитного излучения в непосредственной близости от поверхности диэлектрической частицы с субволновыми поперечными размерами (фотонная струя), 8 - объект исследования, 9 - приемник излучения, 10 - система визуализации изображения.

Устройство, реализующее способ, работает следующим образом. Источник электромагнитного излучения, лазер или лампа обратной волны 1 соответствующего диапазона длин волн излучает электромагнитное излучение 2 в направлении формирующего устройства (линзы или зеркальной антенны) 3, которое фокусирует падающее излучение в область фокусировки в направлении на объект исследования 8. В области фокуса формирующего устройства 2 размещается диэлектрическая мезоразмерная частица 4. Диэлектрическая частица 4 преобразует падающую электромагнитную волну со сходящимся сферическим волновым фронтом в локальную область, формируемую непосредственно у внешней границы по направлению распространения электромагнитного излучения 7, с поперечными размерами порядка λ/3-λ/4 и протяженностью не более 10λ. Мезоразмерная диэлектрическая частица 4 фиксируется в диэлектрической подложке 5. Объект исследования 8 размещается в локальной области электромагнитного поля с субволновыми размерами. Между объектом исследования 8 и диэлектрической подложкой расположен иммерсионный слой 6. Прошедшее излучение через объект исследования 8 и/или отраженное излучение от объекта исследования 8 регистрируется приемником излучения 9 и далее визуализируется системой визуализации изображения 10, например, на электронно-лучевой трубке. Для построения изображения объект исследования 8 может перемещаться.

Мезоразмерную частицу, формирующую фотонную струю, диэлектрическую подложку и иммерсионный слой можно изготовить из твердых диэлектрических материалов [Валитов Р.А., Дюбко С.Ф., Макаренко Б.И. и др. Измерения на миллиметровых и субмиллиметровых волнах: Методы и техника - М.: Радио и связь, 1984. - 296 с], например, для фторопласта-4 при плотности материала d=0.4-2.7 г/см³ имеет место соотношение для показателя преломления материала N=1+0.196d, для полиэтилена и полипропилена верна зависимость , керамических материалов, например, плавленый кварц с показателем преломления 1.95-2 в диапазоне длин волн 0.3-30 мм, нитрид бораN=1.728, поликор N=3.099, 22ХС N=3.072, керамика Mg₂F₂ с показателем преломления 2.167 на длине волны 1 мм, ЦМ-4 с показателем преломления 2.17 на длине волны 2 мм [ГОСТ 3514-94, Минин И.В., Минин О.В. Дифракционная квазиоптика и ее применения. Новосибирск: СибАГС, 1999. - 306 с.], композитных материалов [Патенты РФ 2307432, 1014856], обеспечивающих показатель преломления материала на частоте 10¹⁰ Гц в диапазоне от 1.55 до 4, композиты с наполнителем из TiO₂ в матрице из фторопласта, полистирола или полиэтилена с показателем преломления порядка 2,

В оптическом диапазоне длин волн в качестве материалов для изготовления мезоразмерой частицы, диэлектрической подложки и твердого иммерсионного слоя можно использовать, например, в качестве материала мезоразмерных частиц могут использоваться различные материалы, например, SiO₂ с показателем преломления 1.538 на длине волны 0.7 мкм, полиэстер, с показателем преломления 1.59 на длине волны 0.532 мкм, различные виды стекол, ситаллы, кварц, полиметилметакрилат, полистирол, поликарбонаты [Справочник конструктора оптико-механ. приборов/Под ред. В.А. Панова. - Л.: Машиностроение, 1980.] с относительными показателем преломления материала лежащего в диапазоне примерно от 1.2 до 1.8.

Например, возможно применениемезоразмерных частиц из диоксида циркония ZrO₂, прозрачного в спектральном диапазоне 0.25-7.0 мкм с показателем преломления 1.97-2.05, тяжелые баритные флинты, например, ТБФ14 с показателем преломления 1.9624, сверхтяжелые флинты, например, СТФ2, СТФ11 с показателем преломления соответственно равным 1.9554, 2.0711 и т.д.

Одним из примеров диэлектрических частичек, например, микросфер, которые могут быть использованы для производства таких фотонных струй, являются стекловолокно из боросиликатного стекла серии 9000 и микросферы из натрий-кальциевого стекла, продаваемые DukeScientificCorporation.

Показатель преломления материала диэлектрических частиц будет различным для разных длин волн оптического излучения, например, для диэлектрических частичек из боросиликатного стекла показатель преломления на разных длинах волн может составлять: 1.60425 при 400 нм, 1.56442 при 632.8 нм и 1.56031 при 700 нм.

Иммерсионный слой может быть жидким, например, в оптике можно использовать иммерсионное масло поГОСТ 13739-78с показателем преломления 1.515 в спектральном диапазоне 400-720 нм, кедровое масло с показателем преломления 1.515, глицерин с показателем преломления 1.4739, физиологический раствор с показателем преломления 1.3346, воду дистиллированную с показателем преломления 1.3329. В миллиметровом и терагерцовом диапазонах длин волн возможно применение неполярных жидкостей с показателями преломления: октан - 1.396, нонан - 1.405, декан - 1.407, циклогексан - 1.424 [Валитов Р.А., Дюбко С.Ф., Макаренко Б.И. и др. Измерения на миллиметровых и субмиллиметровых волнах: Методы и техника - М.: Радио и связь, 1984. - 296 с.].

Использование предлагаемого технического решения позволяет просто создавать системы формирования изображения объектов с субдифракционным разрешением в миллиметровом, терагерцевом, инфракрасном и оптическом диапазонах длин волн с высоким качеством изображения и в 1.5-2 раза увеличить пространственное разрешение по сравнению с прототипом.

Изобретение относится к способам радиовидения в миллиметровом, терагерцевом, инфракрасном и оптическом диапазонах электромагнитного излучения и может быть использовано для построения радиоизображений различных объектов, в том числе в оптически непрозрачных средах, например в устройствах радиовидения для диагностики биообъектов, дефектоскопии, интроскопии указанных диапазонов. Способ включает формирование излучения в миллиметровом, терагерцевом, инфракрасном и оптическом диапазонах длин волн, облучение источником электромагнитного излучения формирующей системы, размещение в области фокусировки излучения формирующей системы мезоразмерной диэлектрической частицы и формирование на внешней границе частицы с противоположной стороны от падающего излучения фотонной струи, размещение объекта исследования в этой области повышенной интенсивности поля, прием отраженного или прошедшего излучения от объекта исследования, преобразование принятого излучения в электрические сигналы и формирование по данным электрическим сигналам визуально воспринимаемого изображения объекта исследования. При этом мезоразмерную частицу размещают в диэлектрической подложке с показателем преломления N₁, фотонную струю формируют непосредственно на задней поверхности диэлектрической подложки, показатель преломления материала мезоразмерной частицы выбирают в диапазоне от 1.2N₁ до 1.85N₁, а между диэлектрической подложкой и объектом исследования непосредственно располагают слой иммерсионной среды с показателем преломления N₂ не менее показателя преломления диэлектрической подложки N₁. Технический результат - улучшение разрешающей способности систем построения изображения исследуемых объектов. 1 ил.

Способ формирования изображения объектов с субдифракционным разрешением в миллиметровом, терагерцевом, инфракрасном и оптическом диапазонах длин волн, включающий формирование излучения в миллиметровом, терагерцевом, инфракрасном и оптическом диапазонах длин волн, облучение источником электромагнитного излучения формирующей системы, размещение в области фокусировки излучения формирующей системы мезоразмерной диэлектрической частицы и формирование на внешней границе частицы с противоположной стороны от падающего излучения фотонной струи, размещение объекта исследования в этой области повышенной интенсивности поля, прием отраженного или прошедшего излучения от объекта исследования, преобразование принятого излучения в электрические сигналы и формирование по данным электрическим сигналам визуально воспринимаемого изображения объекта исследования, отличающийся тем, что мезоразмерную частицу размещают в диэлектрической подложке с показателем преломления N₁, фотонную струю формируют непосредственно на задней поверхности диэлектрической подложки и показатель преломления материала мезоразмерной частицы выбирают в диапазоне от 1.2N₁ до 1.85N₁, при этом между диэлектрической подложкой и объектом исследования непосредственно располагают слой иммерсионной среды с показателем преломления N₂ не менее показателя преломления диэлектрической подложки N₁.