Сканирующий акустический микроскоп Российский патент 2020 года по МПК G01N29/06 

Изобретение относится к устройствам для исследования и анализа материалов с помощью ультразвуковых колебаний, а именно к акустическим микроскопам.

Акустическая микроскопия - есть совокупность способов визуализации микроструктуры и формы малых объектов с помощью ультразвуковых и гиперзвуковых волн. Акустическая микроскопия основана на том, что ультразвуковые волны, прошедшие, отраженные или рассеянные отдельными участками объекта, имеют различные характеристики (амплитуду, фазу) в зависимости от локальных вязкоупругих свойств образца. Эти различия позволяют методами визуализации звуковых полей получать акустические изображения, восстанавливаемые компьютером на экране дисплея.

Известен способ и устройство формирования изображения объектов с субдифракционным разрешением в акустическом диапазоне длин волн по патенту РФ №2654387. Устройство содержит источник акустического излучения, формирующую систему в виде акустической линзы, в фокусе линзы расположена мезоразмерная частица с характерным размером не более поперечного размера области фокусировки и не менее λ/2, где λ - длина волны используемого излучения в среде, со скоростью звука в материале частицы относительно скорости звука в окружающей среде в диапазоне от 0,5 до 0,83, иммерсионной среды, расположенной между линзой и объектом исследования, приемником акустического излучения, устройства визуализации полученного изображения, в области фокусировки излучения формирующей системы размещают мезоразмерную частицу с характерным размером не более поперечного размера области фокусировки и не менее λ/2, где λ - длина волны используемого излучения в среде, со скоростью звука в материале частицы относительно скорости звука в окружающей среде в диапазоне от 0,5 до 0,83, формируют на ее внешней границе с противоположной стороны от падающего излучения область с повышенной интенсивностью излучения с поперечными размерами порядка λ/3-λ/4 и протяженностью не более 10λ и размещают объект исследования в этой области.

Достоинством устройства является возможность получения изображения объектов со сверхдифракционным разрешением.

Недостатком устройства является низкое качество получаемого изображения, обусловленное низким значением отношения сигнал - фон, обусловленное дифракцией и рассеянием излучения на мезоразмерной частице.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству и принятому за прототип является сканирующий акустический микроскоп по патенту РФ 172340, содержащий передающий акустический элемент, включающий звукопровод, сферическую акустическую линзу, приемный акустический элемент, жидкостную ячейку, установленную между передающим и приемными элементами, а также системы сканирования исследуемого объекта и восстановления его изображения на видеоконтрольном устройстве, при этом в области фокусировки акустической линзы установлена мезоразмерная частица с характерным размером не более поперечного размера области фокусировки и не менее λ/2, где λ - длина волны используемого излучения в среде, со скоростью звука в материале частицы относительно скорости звука в окружающей среде, лежащего в диапазоне от 0,5 до 0,83.

В микроскопе акустическая волна, возбуждаемая преобразователем, фокусируется акустической линзой на мезоразмерной частице, которая фокусирует излучение с высоким пространственным разрешением. Исследуемый объект сканируется в фокальной плоскости мезоразмерной частицы. Акустический пучок, прошедший через объект, принимается акустической линзой приемного элемента, причем оптические оси и фокусы обеих линз совпадают.

Достоинством сканирующего акустического микроскопа является возможность получения изображения объектов со сверхдифракционным разрешением.

Недостатком сканирующего акустического микроскопа является низкое качество получаемого изображения, обусловленное низким значением отношения сигнал - фон, обусловленное дифракцией и рассеянием излучения на мезоразмерной частице.

Задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является повышение качества получаемого изображения исследуемого объекта за счет повышения отношения сигнал - фон акустической формирующей системы.

Технический результат, который может быть получен при выполнении заявленного изобретения - улучшение качества получаемого изображения способности акустических систем построения изображения исследуемых объектов.

Поставленная задача решается благодаря тому, что в акустическом микроскопе, содержащем передающий акустический элемент, включаюшйЙ звукопровод, акустическую линзу в области фокусировки которой установлена мезоразмерная частица с характерным размером не более поперечного размера области фокусировки и не менее λ/2, где λ - длина волны используемого излучения в среде, со скоростью звука в материале частицы относительно скорости звука в окружающей среде, лежащего в диапазоне примерно от 0,5 до 0,83, приемный акустический элемент, жидкостную ячейку, установленную между передающим и приемными элементами, а также системы сканирования исследуемого объекта и восстановления его изображения на видеоконтрольном устройстве, новым является то, что, непосредственно на боковой поверхности частицы, перпендикулярно падающему излучению установлен акустический экран с величиной акустического импеданса, отличающегося от импеданса мезоразмерной частицы и на расстоянии от освещенного торца частицы, находящегося в диапазоне от 0 до L, где L длина частицы вдоль направления падения на нее излучения и толщиной акустического экрана менее толщины мезоразмерной частицы в направлении падения излучения. Кроме того, мезоразмерная частица выполнена в форме куба. Кроме того, мезоразмерная частица выполнена в форме цилиндра.

Известны способы преодоления дифракционного предела, 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)). Поперечный размер фотонной наноструи составляет 1/3…1/4 длины волны излучения, что меньше дифракционного предела классической линзы.

При этом формировать локальные области концентрирования электромагнитной энергии вблизи поверхности мезоразмерных диэлектрических частиц возможно с помощью частиц различной формы, например в форме сферы, куба, пирамиды, при облучении их электромагнитной волной с плоским волновым фронтом и т.д. [I.V. Minin and O.V. Minin. Diffractive optics and nanophotonics: Resolution below the diffraction limit, Springer, 2016 http://www.springer.com/us/book/9783319242514#aboutBook].

Известны акустические фокусирующие устройства с эффектом сверхразрешения на основе мезоразмерных звукопроводящих частиц различной формы (J.H. Lopes, М.А.В. Andrade, J.P. Leao-Neto, J.C. Adamowski, I.V. Minin & G.T. Silva, Focusing Acoustic Beams with a Ball-Shaped Lens beyond the Diffraction Limit // Phys-Rev. Appl. 8, 024013 (2017); Минин И.В., Минин O.B. Сверхразрешение в акустических фокусирующих устройствах // Вестник СГУГИТ, Том 23, №2, 2018, с. 231-244; Минин И.В., Минин О.В. Фотонные струи в науке и технике // Вестник СГУГИТ, Т. 22, №2,2017, с. 212-234; Минин И.В., Минин О.В. Квазиоптика: современные теденции развития Текст]: монография. - Новосибирск: СГУГиТ, 2015. - 163 с.; I.V. Minin and O.V. Minin, Kcoustojet: acoustic analogue of photonic jet phenomenon, arXiv:1604.08146 (2016); O.V. iMinin and I.V. Minin, Acoustic analogue of photonic jet phenomenon based on penetrable 3D Iparticle // Opt. Quant. Electron. 49, 54 (2017); J.H. Lopes, J.P. Leo-Neto, I.V. Minin, O.V.; Minin, a & G.T. Suva, A theoretical analysis of acoustic jets // ICA2016, 0943, (2016); I.V. Minin & O.V. Minin, Mesoscale acoustical cylindrical superlenses // MATEC 155, 01029 (2018); Minin I.V. Minin O.V. Brief Review of Acoustical (Sonic) Artificial Lenses. Proc. of the 13 th Int. Scientifictechnical conf. On actual problems of electronic instrument Engineering (APEIE) - 39281, Novosibirsk, Oct. 3-6, 2016, v. 1, 136-137 (2016)). Однако фокусирующие акустические устройства, формирующие области фокусировки с эффектом сверхразрешения, располагались в свободном пространстве.

Известна акустическая линза по патенту РФ 167049 для формирования области фокусировки непосредственно за теневой поверхностью, содержащей преломляющую среду из акустически проводящего материала с границами раздела с окружающей средой со скоростью звука в преломляющей среде не более 2,5 раз, чем скорость звука в окружающей среде, при этом линза выполнена в виде трехмерной частицы с характерными размерами порядка длины волны акустического излучения в среде, с относительной скоростью звука в материале частицы по отношению к скорости звука в материале среды не менее 1,1 и относительным волновым сопротивлением не более 25. Линза выполнена сферической формы диаметром не менее длины волны акустического излучения в среде, цилиндрической формы диаметром не менее длины волны акустического излучения в среде, кубической формы с размером грани не менее длины волны акустического излучения в среде, конической пирамиды с размером основания не менее длины волны акустического излучения в среде.

Однако фокусирующие акустические устройства, формирующие области фокусировки с эффектом сверхразрешения, располагались в свободном пространстве и в устройстве акустического микроскопа не применимы.

Заявляемое устройство сканирующего акустического микроскопа обладает совокупностью существенных признаков, неизвестных из уровня техники для изделий подобного назначения и неизвестен из доступных источников научной, технической и патентной информации на дату подачи заявки на полезную модель.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1 схематически изображен сканирующий акустический микроскоп, работающий в режиме на прохождение.

На фиг. 2 показано устройство для формирования фотонной струи с частицей в форме куба.

На фиг. 3 показано устройство для формирования фотонной струи с частицей в форме цилиндра.

На фиг. 4 показаны результаты моделирования фокусировки акустического излучения мезоразмерной частицы в зависимости от положения акустического экрана на ее боковой поверхности без изменения контраста показателя преломления.

Обозначения: генератор 1, пьезоэлектрический преобразователь 2, звукопровод 3, акустическая линза 4, мезоразмерная частица 5, формируемая область повышенной концентрации акустической энергии и с высоким пространственным разрешением 6, акустический экран 7, исследуемый объект 8, жидкостная ячейка (иммерсионная среда) 9, приемный акустический элемент 10, устройство механического сканирования 11, видеоконтрольное устройство 12, мезоразмерная частица в форме куба 13, мезоразмерная частица в форме цилиндра 14.

В результате моделирования падения акустической волны на звукопроводящие куб и цилиндр расположенные в воде и размещенным на их боковой поверхности акустическим экраном показало, что положение акустического экрана оказывает влияние на пространственное расположение области фокусировки мезоразмерной частицы.

В результате исследований было обнаружено, что наиболее сильное влияние экрана наблюдается в случаях, когда экран расположен около основания куба, ближнего к падающей волне. С продвижением экрана в сторону дальнего основания мезоразмерной частицы по отношению к падающему излучению, влияние экрана ослабевает и оно минимально, когда экран расположен в плоскости дальнего основания куба. Ширина поперечного распределения интенсивности поля в области фокуса в случае расположения акустического экрана на дальнем основании частицы от падающего излучения совпадает со случаем частицы без экрана. Аналогичные зависимости оказались и для цилиндрической частицы.

Кроме того, помещение мезоразмерой частицы в акустический экран повышает качество изображения исследуемого объекта, за счет уменьшения помехового излучения (фона) возникющего за счет рассеяния излучения на мезоразмерной частице и влияния боковых лепестков рассеяния линзы.

В простейшем случае попадания акустической волны на границу раздела двух сред задача была решена еще Релеем, давшим как общую формулу, так и ее выражение для частных случаев. При перпендикулярном падении на границу раздела отношение отраженной энергии к падающей определяется, согласно Релею, выражением (Е. Гидеман, Кельн Ультразвук // Успехи физических наук, Т. XVI, вып. 5, 1936, с. 586-656.):

где ρ и с представляют плотности и скорости звука в соответствующих средах. Таким образом, отражательная способность R зависит только от различия акустических импеданса обеих сред. При большом различии акустических импеданса (например, вода - воздух) проницаемость (T=1-R) весьма мала, при малых различиях (вода - алюминий) -относительно велика.

Большое значение имеет случай трех пространственно разделенных сред, причем средняя среда имеет толщину, соизмеримую с длиной волны. При этом наиболее интересен случай, когда первая и третья среды одинаковы, так что вторая среда представляет разделяющую их стенку. По Релею, для случая перпендикулярного падения на стенку, имеем (Е. Гидеман, Кельн Ультразвук // Успехи физических наук, Т. XVI, вып. 5, 1936, с. 586-656.):

где - толщина стенки, λ_т - длина волны ультразвука в материале стенки. Из этой формулы видно, что для всех толщин, составляющих целое кратное половины длины волны, проницаемость максимальна, а отражательная способность минимальна. Обратное явление имеет место для толщин, равных нечетному целому кратному четверти длины волны. Формула Релея выведена в предположении, что размеры стенки (по границе раздела) весьма велики по сравнению с длиной волны.

Сканирующий акустический микроскоп работает следующим образом.

Сканирующий акустический микроскоп содержит в качестве передающего акустического элемента звукопровод 3 из плавленого кварца с пьезоэлектрическим преобразователем из LiNBO₃ 2, сферическую акустическую линзу 4, мезоразмерную частицу 5 из рексалита в форме куба 13 или цилиндра 14. Внешняя поверхность акустической линзы 4, мезоразмерная частица 5, исследуемый объект 8 и приемный акустический элемент 10 находятся в жидкостной ячейке 9. Падающее на мезоразмерную частицу 5 акустическое излучение сфокусированное линзой 4 в результате интерференции волн на частице и акустическом экране 7 расположенном непосредственно на боковой поверхности мезоразмерной частицы 5 формируют фокальную область 6 с поперечными размерами менее дифракционного предела. При изменении положения акустического экрана 7 вдоль боковой поверхности диэлектрической частицы 5 Изменяются условия интерференции волн и пространственное положение фокальной Области 6 изменяется.

Сигнал с генератора 1 возбуждает пьезопреобразователь 2 на необходимой частоте. В фокальной плоскости акустической линзы 4 установлена мезоразмерная частица 5. Формируемая ею область повышенной концентрации акустической энергии и с высоким пространственным разрешением 6 сканируется исследуемый объект 8 с помощью сканирующего устройства 11. Приемный элемент 10, может быть выполнен, например, из пьезополупроводникового материала, например, CdS, Принятый сигнал, синхронизированный со сканирующим устройством 11, подается на видеоконтрольное устройство 12.

Размещение непосредственно на боковой поверхности частицы 5. перпендикулярно падающему излучению акустическогой экран 7 с величиной акустического импеданса отличающегося от импеданса мезоразмерной частицы 5 и на расстоянии от освещенного торца частицы находящегося в диапазоне от 0 до L. где L длина частицы вдоль направления падения на нее излучения и толщиной акустического экрана менее толщины мезоразмерной частицы в направлении падения излучения обеспечивает формирование области фокусировки мезоразмерной частицей равной при размещении частицы в свободном пространстве.

Достигаемый в такой конструкции устройства сканирующего акустического микроскопа полезный эффект выражается в возможности изменения пространственного положения формируемой области фокусировки с эффектом сверхразрешения без изменения относительного контраста показателя преломления материала мезоразмерной частицы.

Использование: для исследования и анализа материалов с помощью ультразвуковых колебаний. Сущность изобретения заключается в том, что сканирующий акустический микроскоп содержит передающий акустический элемент, включающий звукопровод, акустическую линзу, в области фокусировки которой установлена мезоразмерная частица с характерным размером не более поперечного размера области фокусировки и не менее λ/2, где λ - длина волны используемого излучения в среде, со скоростью звука в материале частицы относительно скорости звука в окружающей среде в диапазоне примерно от 0,5 до 0,83, приемный акустический элемент, жидкостную ячейку, установленную между передающим и приемными элементами, а также системы сканирования исследуемого объекта и восстановления его изображения на видеоконтрольном устройстве, при этом непосредственно на боковой поверхности частицы, перпендикулярно падающему излучению, установлен акустический экран с величиной акустического импеданса, отличающегося от импеданса мезоразмерной частицы и на расстоянии от освещенного торца частицы находящегося в диапазоне от 0 до L, где L длина частицы вдоль направления падения на нее излучения, и толщиной акустического экрана менее толщины мезоразмерной частицы в направлении падения излучения. Технический результат: повышение качества получаемого изображения исследуемого объекта за счет повышения отношения сигнал-фон акустической формирующей системы. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Сканирующий акустический микроскоп, содержащий передающий акустический элемент, включающий звукопровод, акустическую линзу, в области фокусировки которой установлена мезоразмерная частица с характерным размером не более поперечного размера области фокусировки и не менее λ/2, где λ - длина волны используемого излучения в среде, со скоростью звука в материале частицы относительно скорости звука в окружающей среде в диапазоне примерно от 0,5 до 0,83, приемный акустический элемент, жидкостную ячейку, установленную между передающим и приемными элементами, а также системы сканирования исследуемого объекта и восстановления его изображения на видеоконтрольном устройстве, отличающийся тем, что непосредственно на боковой поверхности частицы, перпендикулярно падающему излучению, установлен акустический экран с величиной акустического импеданса, отличающегося от импеданса мезоразмерной частицы и на расстоянии от освещенного торца частицы находящегося в диапазоне от 0 до L, где L длина частицы вдоль направления падения на нее излучения, и толщиной акустического экрана менее толщины мезоразмерной частицы в направлении падения излучения.

2. Сканирующий акустический микроскоп по п. 1, отличающийся тем, что мезоразмерная частица выполнена в форме куба.

3. Сканирующий акустический микроскоп по п. 1, отличающийся тем, что мезоразмерная частица выполнена в форме цилиндра.