Сканирующее устройство на основе диска Нипкова с субдифракционным разрешением в миллиметровом, терагерцовом, инфракрасном и оптическом диапазонах длин волн

Полезная модель относится к сканирующим устройствам с субдифракционным разрешением, предназначенным для работы в оптическом, инфракрасном и террагерцовом диапазонах длин волн, может быть применено в системах построения изображения объектов, в конфокальном микроскопе.
Устройства сканирования электромагнитным излучением являются одним из основных элементов фотоники. Устройства сканирования электромагнитным излучением, включая излучения в террагерцовом и оптическом диапазонах длин волн, применяются в системах построения изображения объектов с субволновым разрешением, в том числе, в конфокальном микроскопе.
Известно сканирующее устройство на основе диска Нипкова, состоящее из вращающегося вокруг своей оптической оси плоского диска, непрозрачного для падающего излучения, в котором выполнены отверстия равного диаметра, расположенные перпендикулярно к плоскости диска, и диаметром, равным нескольким длинам волн падающего излучения, расположенных по спирали Архимеда [J. Baird, “Apparatus for transmitting views or images to a distance” patent, US 1699270, January 1929; Ma Y., Patent US 1973203, Grant J., Saha S., Cumming D. Terahertz single pixel imaging based on a Nipkow disk. // Opics Letters, 2012, 37(9), pp. 1484-1486; Jose Soto, J. A. Davila. A technique for the fast raster-scannned motion of a small window for millimeter-wave image acquisition // Microwave and optical technology letters, 2002, vol. 32, N 6, march 20, pp. 440-442]. При этом диск сканирующего устройства может быть выполнен из материала, поглощающего падающее излучение или отражающее его. Диск Нипкова использовался в развертывающей системе первого телевизора в 1926 году.
Пространственное разрешение сканирующего устройства определяется величиной отверстия в диске и ограничивается дифракцией излучения на отверстии. Малый размер отверстия необходим для достижения высокого пространственного разрешения, но при этом уменьшается доля энергии излучения проходящего через отверстие, т.к она пропорциональна диаметру отверстия.
Недостатками устройства являются низкое пространственное разрешение и малая доля проходимого излучения через отверстия в диске.
Известно техническое решение сканирующего устройства [T. Tanaami and K. Mikuriya, “Nipkow disk for confocal optical scanner” European Patent Office, EP 0539691 A2, 5 May 1993; Chong Li, James Grant, Jue Wang, and David R.S. Cumming A Nipkow disk integrated with Fresnel lenses for terahertz single pixel imaging // OPTICS EXPRESS, 21 October 2013, | Vol. 21, No. 21, | DOI:10.1364/OE.21.024452, pp. 24452–24459], в котором для развертки изображения используется диск Нипкова, при этом в отверстиях диска размещаются линзы Френеля. Увеличенный размер отверстий в диске позволяет увеличить долю энергии излучения, проходящего через отверстия.
2
Область фокусировки излучения у таких линз имеет вид эллипсоида вращения. Минимальный размер поперечной оси эллипсоида вращения на уровне половинной мощности для идеальной безаберрационной линзы равен 1,22λF/D, где λ - длина волны используемого излучения, F - расстояние от линзы до области фокусировки, D - размер апертуры линзы. Размер продольной полуоси эллипсоида равен примерно 8λ(F/D) [Борн М., Вольф Э. Основы оптики. - М.: Мир, 1978].
Недостатками устройства являются низкое пространственное разрешение, достижимое в сканирующем устройстве.
-1
Известно сканирующее устройство [Схемы и параметры тепловизоров с оптико-механическим сканированием - Тепловизоры Сайт электрические сети, http://leg.co.ua/arhiv/raznoe-arhiv/teplovizory-5.html], в котором для развертки изображения используется диск Нипкова, в котором отверстия заменены линзами, расположенные по спирали Архимеда. Данное техническое решение принято за прототип. Сканирующий диск выполнен с однородным по излучательной способности покрытием их черного хрома, исключающим паразитную модуляцию видеосигнала. Данное сканирующее устройство применяется в тепловизоре «Янтарь-МТ». Для развертки изображения используется диск Нипкова из 45 линз, расположенных по спирали Архимеда. Из них 40 используется для сканирования, а 5 - для уменьшения скачка видеосигнала во время обратного хода сканирования и возмущающих переходных процессов в тракте видеосигнала. Сканирующий диск выполнен с однородным по излучательной способности покрытием из черного хрома, исключающим паразитную модуляцию видеосигнала. Инфракрасное излучение через трехкомпонентный объектив, диафрагму, линзы в диске, зеркало и конденсор попадает на приемник излучения, подключенный к входам предусилителей переменного напряжения. Работающий от синхронизирующих отверстий в диске оптронный датчик кадровой и строчной синхронизации обеспечивает с помощью ключей поочередную, с подкадровой частотой 25 Гц, подачу видеосигнала с предусилителей на видеоусилитель, имеющий в своем составе формирователь изотермы с регулируемой щириной. Сканирующий диск вращается с частотой 25 с, полный кадр формируется за два оборота диска. Блоки кадровой и строчной разверток электронно-лучевой трубки типа 23ЛК2Б обеспечивают генерирование пилообразных напряжений таким образом, что растр предыдущего подкадра располагается между растром последующего по сигналам схемы черезстрочной развертки и блока синхронизации.
Большой диаметр линз позволяет увеличить долю энергии излучения, проходимого через отверстия в диске. Пространственное разрешение в сканирующем устройстве ограничено разрешением линз и не превышает дифракционного предела.
Недостатками устройства являются низкое пространственное разрешение, достижимое в сканирующем устройстве.
Задачей полезной модели является устранение указанных недостатков, а именно повышение пространственного разрешения сканирующего устройства.
Заявляемое сканирующее устройство с субдифракционным разрешением, кроме того, обеспечивает актуальное расширение приборного арсенала современных устройств фотоники.
Известно, что фундаментальный рэлеевский критерий разрешения оптических систем заключается в том, что минимальный размер различимого объекта несколько меньше длины волны используемого излучения и принципиально ограничен дифракцией этого излучения [Борн М., Вольф Э. Основы оптики. - М.: Мир, 1978]. Невозможность сфокусировать свет в свободном пространстве в пятно с размерами меньше некоторого дифракционного предела следует и из соотношения типа соотношения неопределенностей Гейзенберга [Minin I.V., Minin O.V. Experimental verification 3D subwavelength resolution beyond the diffraction limit with zone plate in millimeter wave // Microwave and Optical Technology Letters, Vol. 56, No. 10, October 2014, 2436-2439].
Под преодолением дифракционного предела понимается фокусировка излучения в пятно с размерами меньше, чем у пятна Эйри [Борн М., Вольф Э. Основы оптики. - М.: Мир, 1978].
В результате проведенных исследований было обнаружено что при облучении диэлектрических частичек с характерным размером не менее λ/2, где λ - длина волны используемого излучения, с коэффициентом преломления материала, лежащего в диапазоне от 1,2 до 1,7, происходит формирование на ее внешней границе с противоположной стороны от падающего излучения области с повышенной интенсивностью излучения с поперечными размерами порядка λ/3-λ/4 и протяженностью не более 10 λ. При этом диэлектрические частицы могут иметь различную форму поверхности: шар, цилиндр, диск, кубик, пирамида, усеченная пирамида и т.д. [И.В. Минин, О.В. Минин. Фотоника изолированных диэлектрических частиц произвольной трехмерной формы - новое направление оптических информационных технологий // "Вестник НГУ. Серия: Информационные  технологии". 2014, №4, С. 4-10; Minin I.V., Minin O.V., Kharitoshin N.A. Localized high field enhancements from hemispherical 3D mesoscale dielectric particles in the reflection mode // 16th International Conference of Young Specialists on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices June 29 - July 3, 2015; V. Pacheco-Pena, M. Beruete, I. V. Minin, O. V. Minin. Terajets produced by 3D dielectric cuboids // Appl. Phys. Lett. V. 105, 084102 (2014)]. Кроме того, формирование области с повышенной интенсивностью излучения и с поперечными размерами порядка λ/3-λ/4 происходит и в случае при их облучении диэлектрической волной с плоским фронтом и сферически сходящимся фронтом.
На основе диэлектрических частичек, формирующих области с повышенной интенсивностью излучения с поперечными размерами порядка λ/3-λ/4, возможно разработать сканирующее устройство со сверхдифракционным разрешением.
Поставленная задача достигается тем, что в устройстве сканирования на основе диска Нипкова с субдифракционным разрешением в миллиметровом, терагерцовом, инфракрасном и оптическом диапазонах длин волн, состоящем из источника излучения, плоского вращающегося вокруг своей оптической оси диска, непрозрачного для падающего излучения, в котором перпендикулярно плоскости диска выполнены сквозные круглые отверстия равного диаметра, расположенные по спирали, и фокусирующих излучение линз, расположенных в этих отверстиях, приемника излучения, при этом в области фокусировки линз, вдоль траектории перемещения области фокусировки соответствующей линзы, на одинаковом расстоянии друг от друга, расположены параллельно плоскости вращающегося диска на общей тонкой подложке, неподвижные диэлектрические частички с характерным размером не менее λ/2, где λ - длина волны используемого излучения, с коэффициентом преломления материала, лежащего в диапазоне от 1,2 до 1,7, формирующие на внешней границе диэлектрической частички с противоположной стороны от падающего излучения области с повышенной интенсивностью излучения с поперечными размерами порядка λ/3-λ/4 и протяженностью не более 10 λ.
Кроме того, параллельно плоскости вращающегося диска установлен второй синхронно вращающийся с ним диск на расстоянии, равном фокусному расстоянию фокусирующих линз, а в области фокусировки линз расположены диэлектрические частички с характерным размером не менее λ/2, где λ - длина волны используемого излучения, с коэффициентом преломления материала, лежащего в диапазоне от 1,2 до 1,7, формирующие на ее внешней границе с противоположной стороны от падающего излучения области с повышенной интенсивностью излучения с поперечными размерами порядка λ/3-λ/4 и протяженностью не более 10 λ, при этом диск выполнен из непрозрачного для падающего излучения материала, кроме мест расположения диэлектрических частиц.
Полезная модель поясняется чертежами.
На фиг. 1 приведена схема диска Нипкова с линзами, расположенными в сканирующих отверстиях.
На фиг. 2 приведена схема сканирующего устройства на основе диска Нипкова с субдифракционным разрешением с тонкой подложкой с диэлектрическими частицами, формирующими области с повышенной интенсивностью излучения с поперечными размерами порядка λ/3-λ/4 и протяженностью не более 10 λ.
На фиг. 3 приведена схема сканирующего устройства на основе диска Нипкова с субдифракционным разрешением со вторым синхронно вращающимся диском с диэлектрическими частицами, формирующими области с повышенной интенсивностью излучения с поперечными размерами порядка λ/3-λ/4 и протяженностью не более 10 λ.
Обозначения: 1 - плоский вращающийся диск, не прозрачный для падающего излучения, 2 - отверстия в диске, расположенные на равных расстояниях и одного диаметра, 3 - линза, фокусирующая излучение и расположенная в отверстиях диска, 4 - тонкая подложка, установленная в области фокусировки линз, расположенных на вращающимся диске 1, 5 - диэлектрические частицы, расположенные вдоль траектории перемещения области фокусировки соответствующей линзы 3 на подложке 4, 6 - область с повышенной интенсивностью излучения и поперечными размерами порядка λ/3-λ/4 и протяженностью не более 10 λ, 7 - падающее на диск излучение, 8 - траектория области фокусировки линз 3 по диску 4, 9 - второй синхронно вращающийся диск с диском 1.
Работа сканирующего устройства на основе диска Нипкова с субдифракционным разрешением с дополнительной тонкой подложкой, на которой размещены диэлектрические частицы, формирующие области с повышенной интенсивностью излучения с поперечными размерами порядка λ/3-λ/4 и протяженностью не более 10 λ, происходит следующим образом. Электромагнитное или оптическое излучение 7 падает на плоский вращающийся диск 1, в котором выполнены отверстия 2 по спирали Архимеда. В этих отверстиях 2 размещены линзы 3, фокусирующие падающее на них излучение 7 на диэлектрические частицы 5, расположенные вдоль траектории 8 области фокусировки линз 3 на тонкой общей подложке 4. Тонкая подложка 4 выполнена непрозрачной для падающего на него излучения, кроме мест размещения диэлектрических частиц 5. Диэлектрические частицы 5 преобразуют падающее на них излучение в область 6 с повышенной интенсивностью излучения и с поперечными размерами порядка λ/3-λ/4 и протяженностью не более 10 λ. При вращении диска 1 область фокусировки линз 3 перемещается последовательно по диэлектрическим частицам 5, которые формируют области повышенной интенсивности излучения и с малыми поперечными размерами 6. Поперечный размер области с повышенной интенсивностью излучения струи меньше дифракционного разрешения идеальных линз 3. Область фокуса у такой диэлектрической частицы 5 (область локализации сфокусированного электромагнитного поля) начинается непосредственно у теневой поверхности частицы, что позволяет ее расположить непосредственно в отверстии. А минимальный характерный размер диэлектрической частицы, формирующей данную область 6, составляет λ/3-λ/4 и протяженностью не более 10 λ, что определяет разрешающую способность сканирующего устройства.
Установлено, что за счет меньшего объема области фокусировки диэлектрической частицы достигается повышение интенсивности прошедшего через отверстия излучения не менее чем 5-10 раз. Кроме того, непосредственно у объектов исследования или наблюдения находится неподвижная подложка 4 и, следовательно, аэродинамические потоки воздуха, возникающие при вращении диска 1, не влияют на объекты исследования.
Работа сканирующего устройства на основе диска Нипкова с субдифракционным разрешением с дополнительным синхронно вращающимся диском, в котором размещены диэлектрические частицы, формирующие области с повышенной интенсивностью излучения с поперечными размерами порядка λ/3-λ/4 и протяженностью не более 10 λ, происходит следующим образом.
Электромагнитное или оптическое излучение 7 падает на плоский вращающийся диск 1, в котором выполнены отверстия 2 по спирали Архимеда. В этих отверстиях 2 размещены линзы 3, фокусирующие падающее на них излучение 7 на диэлектрические частицы 5, расположенные на синхронно вращающимся диске 9. Диск 9 выполнен непрозрачным для  падающего на него излучения, кроме мест размещения диэлектрических частиц 5. Диэлектрические частицы 5 преобразуют падающее на них излучение в область 6 с повышенной интенсивностью излучения и поперечными размерами порядка λ/3-λ/4 и протяженностью не более 10 λ. Поперечный размер области с повышенной интенсивностью излучения струи меньше дифракционного разрешения идеальных линз 3. Область фокуса у такой диэлектрической частицы 5 (область локализации сфокусированного электромагнитного поля) начинается непосредственно у теневой поверхности частицы. Минимальный характерный размер диэлектрической частицы, формирующей данную область 6, составляет λ/3-λ/4 и протяженностью не более 10 λ, что определяет разрешающую способность сканирующего устройства.
Установлено, что за счет меньшего объема области фокусировки диэлектрической частицы достигается повышение интенсивности прошедшего через отверстия излучения не менее чем 5-10 раз.