Акустический микроскоп Российский патент 2021 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.

В сканирующей растровой акустической микроскопии сфокусированный в точку ультразвуковой пучок перемещается по объекту, изображение которого воссоздается по точкам в виде растра. Принимая ту или иную часть излучения, можно судить об акустических свойствах образца в области, размеры которой определяются размерами фокального пятна. Эти размеры согласно теории дифракции равны не менее длины волны ультразвуковых колебаний в данной среде.

Известен акустический микроскоп по патенту РФ №79219, содержащий излучатель ультразвука, акустическую линзу для фокусировки пучка, отраженного от объекта и акустического приемника.

Недостатком этого микроскопа является низкая разрешающая способность.

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

h=2.44 λFD^-1,

где λ – длина волны излучения, D – диаметр первичного зеркала или линзы, F – фокусное расстояние фокусирующего устройства.

Диаметр пятна Эйри h является важным параметром фокусирующей 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 система. Максимальное разрешение идеальной линзовой системы не может превышать величины λ/2.

В зависимости от того, какая часть излучения после взаимодействия с объектом регистрируется, различают акустические микроскопы «на отражение», на «пропускание».

Известен сканирующий акустический микроскоп по патенту США № 4028933, содержащий передающий акустический элемент со сферической акустической линзой, приемный акустический элемент, жидкостную ячейку (иммерсионную среду), установленную между передающими и приемными элементами, а также системы сканирования исследуемого объекта и восстановления его изображения на экране видеоконтрольного устройства.

В микроскопе акустическая волна, возбуждаемая преобразователем, фокусируется акустической линзой. Исследуемый объект сканируется в фокальной плоскости линз. Акустический пучок, прошедший через объект, принимается акустической линзой приемного элемента, причем оптические оси и фокусы обеих линз совпадают.

Достоинством устройства является возможность получать изображение деталей объекта, сравнимых с длиной волны.

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

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, а 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.

Достоинством устройства является достижение поперечного разрешения превышающего дифракционный предел.

Недостатком данного устройства является низкое пространственное разрешение, ограниченное поперечной шириной формируемой фотонной струей и не превышающей примерно (0,25–0,33)λ и протяженностью не более 10λ.

Задачей предлагаемого изобретения является разработка устройства с повышенным качеством получаемого изображения исследуемого объекта за счет повышения разрешающей способности акустической формирующей системы.

Технический результат, который может быть получен при выполнении заявленного устройства – улучшение разрешающей способности акустических систем построения изображения исследуемых объектов.

Поставленная задача решается благодаря тому, что в акустическом микроскопе содержащим 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, а 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, новым является то, что непосредственно на теневой стороне мезоразмерной частицы размещается вторая мезоразмерная частица, имеющая общую оптическую ось с первой частицей и с характерным размером не более характерного размера первой мезоразмерной частицы, но не менее поперечного размера сформированной области фокусировки первой мезоразмерной частицей.

Заявителем не выявлены какие-либо технические решения, идентичные заявленному, что позволяет сделать вывод о соответствии настоящего изобретения критерию «новизна».

Заявителем не выявлены источники информации, в которых содержались бы сведения о влиянии отличительных признаков изобретения на достигаемый технический результат. Указанные новые свойства объекта обусловливают, по мнению заявителя, соответствие изобретения критерию «изобретательский уровень».

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].

В результате проведенных исследований было обнаружено, что мезоразмерная частица, например, в форме куба или сферы, расположенная непосредственно на теневой стороне мезоразмерной частицы, выполненной, например, в форме куба или сферы и в области формирования «фотонной» струи, имеющая общую оптическую ось с первой частицей, с характерным размером не менее поперечного размера сформированной области фокусировки («фотонной» струи) и не более характерного размера первой мезоразмерной частицы, формирует на внешней границе второй мезоразмерной частицы с противоположной стороны от падающего излучения области с повышенной концентрацией энергии и с поперечными размерами порядка (0,16–0,20)λ и протяженностью не более примерно (1,2–3)λ.

Таким образом, вторая мезоразмерная частица освещается фотонной струей, сформированной первой мезоразмерной частицей, находящейся в области фокуса акустического фокусирующего устройства.

При выполнении второй мезоразмерной частицы с характерными размерами более поперечных размеров области фокусировки излучения первой мезоразмерной частицы, увеличиваются габариты устройства формирования изображения при сохранении качества концентрации акустического излучения частицей и улучшение пространственного разрешения не наступает. При характерных размерах мезоразмерной частицы менее поперечного размера сформированной области фокусировки первой мезоразмерной частицей локальная концентрация акустического поля вблизи поверхности частицы имеет поперечные размеры порядка ширины области фокусировки акустического поля, первой мезоразмерной частицей.

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

На фиг.2 представлены результаты фокусировки излучения мезоразмерной сферической частицей сферической формы, размещенной в области фокусировки акустической линзы (прототип) и мезоразмерной сферической частицы на теневой стороне которой непрсредственно размещена вторая мезоразмерная частица, имеющая общую оптическую ось с первой частицей и с характерным размером не более характерного размера первой мезоразмерной частицы, но не менее поперечного размера сформированной области фокусировки первой мезоразмерной частицей. Диаметр первой мезоразмерной частицы равен 9,5λ, где λ длина волны акустического излучения, относительная скорость звука в материале частицы 0,8; Диаметр второй сферической мезоразмерной частицы 3,2λ. При этом относительная скорость звука в материале второй мезоразмерной частицы может быть меньше, чем относительная скорость звука в материале первой мезоразмерной частицы.

Обозначения: 1 – генератор 1, 2 – пьезоэлектрический преобразователь, 3 – звукопровод, 4 – акустическая линза, 5 – первая мезоразмерная частица, формируемую область повышенной концентрации акустической энергии и с высоким пространственным разрешением 6, 7 – вторая мезоразмерная частица, 8 – область фокусировки излучения, 9 – исследуемый объект, 10 – жидкостная ячейка (иммерсионная среда), 11 – приемный акустический элемент, 12 – устройство механического сканирования, 13 – видеоконтрольное устройство.

Устройство работает следующим образом.

Акустический микроскоп содержит в качестве передающего акустического элемента звукопровод из плавленого кварца с пьезоэлектрическим преобразователем из LiNBO₃ 2, сферическую акустическую линзу 4, первую мезоразмерную частицу из рексалита в форме сферы или куба 5, расположенную в области фокуса сферической акустической линзы 4. В результате дифракции и интерференции волн, первая мезоразмерная частица формирует узкую область фокусировки 6 в которой находится вторая мезоразмерная частица 7, примыкающая одной стороной к теневой стороне частицы 5 и находящаяся с ней на одной оптической оси. Вторая мезоразмерная частица 7 формирует область фокусировки излучения 8, в которой находится исследуемый объект 9.

Внешняя поверхность акустической линзы 4, мезоразмерные частицы 5 и 7, исследуемый объект 9 и приемный акустический элемент 11 находятся в жидкостной ячейке 10. Сигнал с генератора 1 возбуждает пьезопреобразователь 2 на необходимой частоте. В формируемой мезоразмерной частицей 7 области повышенной концентрации акустической энергии и с высоким пространственным разрешением 8 размещен исследуемый объект 9 который сканируется с помощью сканирующего устройства 12. Приемный элемент 11, выполнен, например, из пьезополупроводникового материала, например, СdS. Принятый сигнал, синхронизированный со сканирующим устройством 12, подается на видеоконтрольное устройство 13.

Сравнение прототипа и предлагаемого устройства производилось на частоте 1 МГц с жидкостной ячейкой из воды при 25°С (скорость звука 1490 м/с), в качестве материала частицы может использоваться рексолит (скорость звука 2311 м/с) относительная скорость звука 0,645, формы частиц сфера и куб с характерным размером 6λ и с характерным размером второй мезоразмерной частицы 2 λ. Было установлено, что по сравнению с прототипом, предложенное техническое решение обеспечивает более узкую поперечную область фокусировки в 1,6 раза, протяженность области фокусировки в 7,5 раз и увеличение максимальной интенсивности акустического поля в области фокусировки в 4,8 раз.

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, 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, а 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, при этом непосредственно на теневой стороне мезоразмерной частицы размещается вторая мезоразмерная частица, имеющая общую оптическую ось с первой частицей и с характерным размером не более характерного размера первой мезоразмерной частицы, но не менее поперечного размера сформированной области фокусировки первой мезоразмерной частицей. Технический результат: улучшение разрешающей способности акустических систем построения изображения исследуемых объектов. 2 ил.

Сканирующий акустический микроскоп, 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, а 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, отличающийся тем, что непосредственно на теневой стороне мезоразмерной частицы размещается вторая мезоразмерная частица, имеющая общую оптическую ось с первой частицей и с характерным размером не более характерного размера первой мезоразмерной частицы, но не менее поперечного размера сформированной области фокусировки первой мезоразмерной частицей.