Способ формирования изображения объектов с субдифракционным разрешением и высоким контрастом
METHOD FOR FORMING IMAGES OF OBJECTS WITH SUBDIFFRACTION RESOLUTION AND HIGH CONTRAST

Изобретение относится к способам радиовидения в миллиметровом, терагерцевом, инфракрасном и оптическом диапазонах электромагнитного излучения и может быть использовано для построения радиоизображений различных объектов с субдифракционным разрешением и высоким контрастом, в том числе в оптически непрозрачных средах, например в устройствах радиовидения для диагностики биообъектов, микроскопии, дефектоскопии, интроскопии указанных диапазонов.
Под радиовидением понимается способ получения видимого изображения объектов с помощью радиоволн (отраженных или излучаемых) [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.]. С помощью радиовидения осуществляется дистанционное неразрушающее зондирование внутренней или поверхностной структуры объектов, прозрачных или полупрозрачных для радиоизлучения.
Радиоизображение, сформированное с помощью радиооптических 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].
h
Диаметр пятна Эйри  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]:
h
44λFD
,
-1
=2,
где λ - длина волны излучения, D - диаметр первичного зеркала или линзы оптической системы, F - фокусное расстояние оптической системы.
h
λ
Диаметр пятна Эйри  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 /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 излучения 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:
z>>D
/λ,
2
где D - линейный размер апертуры антенны. При этом для обычной антенны минимально разрешаемый элемент на объекте Δх, определяемый согласно критерию Релея:
Δx=λz/D,
не может быть меньше размера антенны:
Δx>D>>λ.
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 в мм и субмм 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, 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, 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.
Известен способ формирования радиоизображения объектов по патенту США №4549204 «Diffraction limited imaging systems», включающий формирование электромагнитного излучения источником, облучение источником электромагнитного излучения формирующей системы в виде линзы, фокусировку излучения формирующей системой на объекте исследования в область на объекте исследования в поперечном размере порядка половины длины волны падающего излучения, прием отраженного или прошедшего излучения от объекта исследования, преобразование принятого излучения в электрические сигналы и формирование по данным электрическим сигналам визуально воспринимаемого изображения объекта наблюдения. При этом сканирование исследуемого объекта осуществляется за счет сканирования освещающим излучением или за счет перемещения объекта.
Недостатком данного способа является низкое пространственное разрешение, ограниченное дифракционным пределом формирующей системы.
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)). 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, усеченной сферы, кубоида, цилиндра, пирамиды и т.д. 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].
Диэлектрические мезочастицы, например, в форме кубоида или сферы или усеченной сферы, цилиндра или усеченного цилиндра с характерным размером не менее λ/2, где λ – длина волны используемого излучения, с коэффициентом преломления материала, лежащим в диапазоне примерно равного от 1,2 до 1,8, при их облучении электромагнитной волной со сферически сходящимся волновым фронтом, формируют на их внешней границе с противоположной стороны от падающего излучения локальную область с повышенной интенсивностью излучения с поперечными размерами порядка λ/3-λ/4 и протяженностью не более 10λ.
При коэффициенте преломления материала мезоразмерной частицы менее примерно 1,2 поперечный размер локальной области концентрации поля становится порядка дифракционного предела и может быть обеспечен формирующей системой. При коэффициенте преломления материала мезоразмерной частицы более примерно 1,8 локальная концентрация электромагнитного поля возникает внутри частицы и не может быть использована для облучения исследуемого объекта.
В качестве прототипа выбран способ формирования изображения объектов с субдифракционным разрешением в миллиметровом, терагерцевом, инфракрасном и оптическом диапазонах длин волн по патенту РФ 2631006. Способ заключается в формировании излучения в миллиметровом, терагерцевом, инфракрасном и оптическом диапазонах длин волн, облучения источником электромагнитного излучения формирующей системы в виде линзы или зеркальной антенны, размещении в области фокусировки излучения формирующей системы мезоразмерной диэлектрической частицы с характерным размером не более поперечного размера области фокусировки и не менее λ/2, где λ – длина волны используемого излучения, создании области с повышенной интенсивностью излучения с поперечными размерами порядка λ/3-λ/4 и протяженностью не более 10λ, на внешней границе частицы с противоположной стороны от падающего излучения и размещении объекта исследования в этой области повышенной интенсивности, фокусировку излучения формирующей системой на объекте исследования, приема отраженного или прошедшего излучения от объекта исследования, преобразование принятого излучения в электрические сигналы и формирование по данным электрическим сигналам визуально воспринимаемого изображения объекта наблюдения.
Радиовидение на основе мезоразмерных частиц оказалось многообещающим инструментом для преодоления дифракционного предела.
Недостатком способа является низкий контраст получаемого изображения.
Задачей, решаемой предлагаемым способом, является повышение качества получаемого изображения исследуемого объекта, за счет повышения контраста формируемого изображения объекта.
Технический результат, который может быть получен при выполнении заявленного способа, – улучшение контраста систем построения изображения исследуемых объектов.
Поставленная задача решается благодаря тому, что в способе формирования изображения объектов с субдифракционным разрешением и высоким контрастом включающий формирование излучения в электромагнитном диапазоне длин волн, облучение источником электромагнитного излучения формирующей системы в виде линзы или зеркальной антенны, размещении в области фокусировки излучения формирующей системы мезоразмерной диэлектрической частицы с характерным размером не более поперечного размера области фокусировки и не менее λ/2, где λ – длина волны используемого излучения, создании области с повышенной интенсивностью излучения с поперечными размерами порядка λ/3-λ/4 и протяженностью не более 10λ, на внешней границе частицы с противоположной стороны от падающего излучения и размещение объекта исследования в этой области повышенной интенсивности, фокусировку излучения формирующей системой на объекте исследования, прием отраженного или прошедшего излучения от объекта исследования, преобразование принятого излучения в электрические сигналы и формирование по данным электрическим сигналам визуально воспринимаемого изображения объекта наблюдения, новым является то, что область с повышенной интенсивностью излучения формируется под углом к оптической оси формирующей системы.
Известно, что при освещении образца косым электромагнитным излучением широким пучком, по сравнению с длиной волны используемого излучения, наблюдается смещение в порядках дифракции, позволяющее формирующей системой фиксировать нулевой порядок с одной стороны и несколько высших порядков, которые не фиксируются при использовании осевого излучения [Carlos Sanchez, Gabriel Cristobal, Gloria Bueno, Saúl Blanco, María Borrego-Ramos, Adriana Olenici, Anibal Pedraza, Jesus Ruiz-Santaquiteria. Oblique illumination in microscopy: A quantitative evaluation // Micron, vol. 105, pp. 47–54, 2018; T. N. Ford, K. K. Chu, and J. Mertz, Phase-gradient microscopy in thick tissue with oblique back-illumination // Nat. Methods 9, 1195–1197 (2012); T. N. Ford and J. B. U. Mertz, Video-rate imaging of microcirculation with single-exposure oblique back-illumination microscopy // J. Biomed. Opt. 18, 066007 (2013); F. R. E. R. Obles, Epi-mode tomographic quantitative phase imaging in thick scattering samples // Biomed. Opt. Express 10, 3605–3621 (2019).]. Основное преимущество этого способа заключается в том, что наклонное освещение может увеличить истинное разрешение, если будут зафиксированы максимумы дифракционной картины образца более высокого порядка. Наклонное освещение эффективно удваивает числовую апертуру, позволяя передавать дифрагированные порядки нулевого и первого порядка [R. Wayne, Light and Video Microscopy, Elsevier, Boston, second edn., 2014].
На Фиг. 1 показан пример схемы устройства, реализующего предлагаемый способ.
На Фиг. 2 приведены примеры изображения области с повышенной интенсивностью излучения формируемой под углом к оптической оси формирующей системы: а – для мезоразмерной частицы в форме усеченного цилиндра с диафрагмой, выполненного из материала с относительным показателем преломления равного 1,4, диаметром 12λ, где λ=0,5 мм; б - устройства формирования пучка Эйри; в – сканатора «фотонной струи».
Обозначения: 1 – источник электромагнитного излучения, 2 – формирующее устройство, 3 – область фокусировки, 4 – диэлектрическая мезоразмерная частица, 5 – концентрация электромагнитного излучения в непосредственной близости от поверхности диэлектрической частицы с субволновыми поперечными размерами и формируемая под углом к оптической оси формирующей системы, 6 – объект исследования, 7 – приемник излучения, 8 – 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 в направлении формирующего устройства (линзы или зеркальной антенны) 2, которое фокусирует падающее излучение в область фокусировки 3 в направлении на объект исследования 6. В области фокуса 3, формирующего устройства 2, размещается диэлектрическая мезоразмерная частица 4, например, усеченная сфера или усеченный цилиндр, выполненный из материала с коэффициентом преломления, например, равного 1,46.
В качестве диэлектрической мезоразмерной частицы, формирующей под углом к оптической оси формирующей системы концентрацию электромагнитного излучения в непосредственной близости от поверхности частицы с субволновым поперечным размером, могут быть использованы, например, устройства формирования пучка Эйри (патент РФ 196429), сканатор «фотонной струи» в СВЧ и КВЧ диапазонах (патент РФ 202291), устройства формирования фотонных струй и крюка и т.д.
Диэлектрическая частица 4 преобразует падающую электромагнитную волну со сходящимся сферическим волновым фронтом в локальную область, формируемую у внешней границы по направлению распространения электромагнитного излучения 5 и расположенную под углом к оптической оси формирующей системы, с поперечными размерами порядка λ/3-λ/4 и протяженностью не более 10λ. Объект исследования 6 размещается в локальной области электромагнитного поля с субволновыми размерами и расположенной под углом к оптической оси формирующей системы. Прошедшее излучение через объект исследования 6 регистрируется приемником излучения 7 и далее визуализируется системой визуализации изображения 8, например, на электронно-лучевой трубке. Для построения изображения объект исследования 6 может перемещаться. При освещении образца косым электромагнитным излучением узким пучком, по сравнению с длиной волны используемого излучения, наблюдается смещение в порядках дифракции. В результате формирующая система 2 фиксирует нулевой порядок с одной стороны и несколько высших порядков, которые не фиксируются при использовании осевого излучения.
В другом варианте реализации способа отраженное от объекта электромагнитное излучение поступает на приемник излучения 7 и систему визуализации изображения.
Установлено, что по сравнению с прототипом контраст изображения был увеличен примерно в 6,5 раз.
Использование предлагаемого технического решения позволяет просто создавать системы формирования изображения объектов с субдифракционным разрешением, и высоким контрастом и с высоким качеством изображения.
Достоинством способа является повышение контраста изображения исследуемого объекта, связанное с увеличением роли дифрагированных на разных элементах структуры исследуемого объекта лучей и с образованием теней от рельефа поверхности объекта.