Устройство формирования изображения

Полезная модель относится к устройствам радиовидения в миллиметровом, терагерцевом, инфракрасном и оптическом диапазонах электромагнитного излучения и может быть использована для построения радиоизображений различных объектов, в том числе в оптически непрозрачных средах, например в устройствах радиовидения для диагностики биообъектов, дефектоскопии, интроскопии указанных диапазонов.
Известны устройства формирования изображения различных объектов искусственного и естественного происхождения, являющиеся 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.]. Такие устройства включают в себя оптическую систему, осуществляющую пространственное преобразование поля излучения источников, источник электромагнитного излучения, приемное устройство и блок визуализации изображения. 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.
В микроволновом и терагерцовом диапазонах длин волн радиоизображение, сформированное с помощью радиооптических квазиоптических 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.
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.
Известно устройство 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], включающее источник электромагнитного излучения, фокусирующее устройство, приемное устройство и блок визуализации изображения. Основное отличие разработанного устройства 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, при помощи специального электронного устройства, трансформируется в изображение на экране электронно-лучевой трубки, которое непосредственно воспринимается глазом.
Недостатком данного устройства является низкое пространственное разрешение, ограниченное дифракционным пределом формирующей системы.
Известно устройство формирования радиоизображения объектов радиовидения [William Е. Baughman, Hamdullah Yokus, David Shawn Wilbert, Patrik Kung, Seongsin Margaret Kim. Observation of hydrofluoric acid burns on osseous tissues by means of terahertz spectroscopic imaging // IEEE Transaction on terahertz science and technology, v. 3, N 4, 2013, p. 387-394] в терагерцевом диапазоне длин волн применительно к исследованию биообъектов, включающее источник излучения в терагерцевом диапазоне длин волн, формирующую систему в виде линзы, приемник электромагнитного излучения для регистрации прошедшего излучения от объекта исследования, устройство преобразования принятого излучения в электрические сигналы и устройство визуализации воспринимаемого изображения объекта исследования.
Недостатком данного устройства является низкое пространственное разрешение, ограниченное дифракционным пределом формирующей системы.
Известно устройство формирования изображения по патенту РФ №2631006, включающее источник электромагнитного излучения, формирующее устройство в виде линзы или зеркальной антенны, диэлектрическую мезоразмерную частицу, формирующую фотонную струю, с характерным размером мезоразмерной частицы не более поперечного размера области фокусировки формирующего устройства и не менее λ/2, где λ - длина волны используемого излучения, с показателем преломления материала мезоразмерной частицы, лежащем в диапазоне от 1.2 до 1.7, при этом мезоразмерная частица размещена в области фокусировки формирующего устройства, приемник излучения, систему визуализации изображения.
Недостатком способа является невысокое пространственное разрешение, ограниченное разрешением формируемой фотонной среды.
Известно устройство формирования изображения, приведенное в работе (Nikita V. Chernomyrdin, Aleksander O. Schadko, Sergey P. Lebedev, Viktor L. Tolstoguzov, Vladimir N. Kurlov, Igor V. Reshetov, Igor E. Spektor, Maksim Skorobogatiy, 5 Stanislav O. Yurchenko,1 and Kirill I. Zaytsev. Solid immersion terahertz imaging with sub-wavelength resolution // APPLIED PHYSICS LETTERS 110, 221109 (2017)), включающее источник электромагнитного излучения, устройство фокусировки излучения, установленное на пути сфокусированного луча перед объектом, а пространство между пластиной и объектом заполнено иммерсионной средой, приемник излучения расположенный за объектом. В качестве устройства фокусировки использовалась асферическая линза с показателем преломления 1.54, иммерсионная среда с показателем преломления 3.42.
Применение иммерсионного слоя уменьшает длину волны излучения в среде в λ/N раз и в соответствии с критерием Рэлея во столько же раз повышает пространственное разрешение устройства.
Недостатком данного устройства является низкое пространственное разрешение, ограниченное дифракционным пределом формирующей системы и показателем преломления иммерсионной среды.
Это устройство взято в качестве прототипа.
Задачей, решаемой предлагаемым устройством, является повышение качества получаемого изображения исследуемого объекта, за счет повышения разрешающей способности фокусирующей системы.
Технический результат, который может быть получен при выполнении заявленного устройства - получение возможности регистрации и визуализации объектов со сверхдифракционным разрешением.
,
1
1
1
2
1
Поставленная задача решается благодаря тому что устройство формирования изображения содержит источник электромагнитного излучения, устройство фокусировки излучения, приемник излучения, расположенный за объектом исследования, а пространство между устройством фокусировки и объектом исследования заполнено иммерсионной средой, согласно полезной модели устройство фокусировки излучения выполнено в виде мезоразмерной диэлектрической частицы, размещенной в диэлектрическом слое с показателем преломления N и формирующей фотонную струю непосредственно на задней поверхности диэлектрического слоя, а показатель преломления материала мезоразмерной частицы выбирают в диапазоне от 1.2N до 1.85N, при этом между диэлектрическим слоем и объектом исследования непосредственно располагается слой иммерсионной среды с показателем преломления Nне менее показателя преломления диэлектрического слоя N.
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].
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 струи 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, пирамида, конус 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].
При относительном коэффициенте преломления материала мезоразмерной частицы менее 1.2 поперечный размер локальной области концентрации поля становится порядка и более дифракционного предела и не обеспечивает значительного повышения интенсивности электромагнитного поля на ее границе. При относительном коэффициенте преломления материала мезоразмерной частицы примерно более 1.85 локальная концентрация электромагнитного поля возникает внутри частицы.
В результате проведенных исследований было обнаружено, что диэлектрическая частица, например, в форме кубика или шарика, или усеченного шарика, или кругового конуса, или цилиндра, формирующая непосредственно на своей теневой границе фотонную струю, в зависимости от характерного размера частицы (от λ до примерно 200λ), относительного коэффициента преломления (примерно от 1.2 до 1.85), возможно получение увеличения интенсивности оптического излучения на образце от 10 до, примерно, 150 раз. При этом повышение усиления интенсивности оптического излучения увеличивается с увеличением характерного размера частицы, при пространственном разрешении превышающим дифракционный предел. Поперечный размер фотонной струи составляет 1/3…1/4 длины волны излучения.
Обнаружено, что при формировании фотонной струи в материале иммерсионного слоя, уменьшается длина волны излучения в среде в λ/N раз и в соответствии с критерием Рэлея во столько же раз повышается пространственное разрешение устройства.
На Фиг. 1 показан пример блок - схемы устройства формирования изображения.
Обозначения: 1 - источник излучения, 2 - электромагнитное излучение, 3 - мезоразмерная диэлектрическая частица, 4 - диэлектрический слой, 5 - фотонная струя, 6 - иммерсионный слой, 7 - объект исследования, 8 - приемник излучения.
2
1
2
Устройство, работает следующим образом. Источник излучения 1, например, лазер, диод Ганна, лампа обратной волны, генерирует электромагнитную волну 2 которая освещает мезоразмерную диэлектрическую частицу 3, расположенную в диэлектрическом слое 4. Диэлектрический слой 4 служит для закрепления мезоразмерной частицы 3, при этом показатель преломления мезоразмерной частицы 3 должен превышать показатель преломления диэлектрического слоя 4 примерно в 1.2-1.85 раз для формирования фотонной струи 5. Частица 3 преобразует падающую электромагнитную волну в локальную область, формируемую непосредственно у ее внешней границы по направлению распространения электромагнитного излучения, с поперечными размерами порядка λ/3 - λ/4 и протяженностью не более 10 λ, формирующих фотонную струю 5, при этом фотонная струя формируется непосредственно на задней поверхности диэлектрического слоя, что может быть обеспечено выбором толщины диэлектрического слоя 4. Между диэлектрическим слоем 4 и объектом исследования 7 непосредственно располагается слой иммерсионной среды 8 с показателем преломления Nне менее показателя преломления диэлектрического слоя N. При этом уменьшается длина волны излучения в среде в λ/N раз и в соответствии с критерием Рэлея во столько же раз повышается пространственное разрешение устройства.
Предлагаемое устройство формирования изображения может работать как в режиме на «пропускание» излучения, так и в режиме на «отражение» излучения.
Предельное разрешение, обеспечиваемое дифракционно-ограниченными системами равно λ/2. Устройства, формирующие фотонную струю, обеспечивают разрешение в 1.5 - 2 раза выше и таким образом, при одинаковых параметрах иммерсионной среды, обеспечивается увеличение разрешения в 1.5 - 2 раза.
3
10
Мезоразмерную частицу, формирующую фотонную струю, диэлектрический и иммерсионный слои, 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/см имеет место соотношение для показателя преломления материала N=1+0.196d, для полиэтилена и полипропилена вера зависимость , керамических материалов, например, кварц N=1.916, нитрид бора N=1.728, поликор N=3.099, 22ХС N=3.072, композитных материалов [Патенты РФ 2307432, 1014856], обеспечивающих показатель преломления материала на частоте 10 Гц в диапазоне от 1.55 до 4.
Иммерсионный слой может быть жидким, например, в оптике можно использовать иммерсионное масло по ГОСТ 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].
Достигаемый в таком устройстве формирования изображения положительный эффект заключается в повышении качества получаемого изображения исследуемого объекта, за счет повышения разрешающей способности выше дифракционного предела, по сравнению с прототипом и таких же параметров иммерсионного слоя в 1.5-2 раза.