Способ формирования изображения объектов с субдифракционным разрешением в миллиметровом, терагерцевом, инфракрасном и оптическом диапазонах длин волн

Изобретение относится к способам радиовидения в миллиметровом, терагерцевом, инфракрасном и оптическом диапазонах электромагнитного излучения и может быть использовано для построения радиоизображений различных объектов, в том числе в оптически непрозрачных средах, например в устройствах радиовидения для диагностики биообъектов, дефектоскопии, интроскопии указанных диапазонов.

Устройства радиовидения используются для получения изображений различных объектов искусственного и естественного происхождения, являющихся 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.]. Такое устройство включает в себя оптическую систему, осуществляющую пространственное преобразование поля излучения источников. 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.

Под радиовидением понимается способ получения видимого изображения объектов с помощью радиоволн (отраженных или излучаемых). 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).

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.

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

,

где D - линейный размер апертуры антенны. При этом для обычной антенны минимально разрешаемый элемент на объекте Δх, определяемый согласно критерию Релея

,

не может быть меньше размера антенны

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.

В качестве прототипа выбран способ формирования радиоизображения объектов по патенту США №4549204 «DIFFRACTION LIMITED IMAGING SYSTEMS», МПК H04N 7/18, 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.

Задачей, решаемой предлагаемым способом, является повышение качества получаемого изображения исследуемого объекта за счет повышения разрешающей способности формирующей системы.

Технический результат, который может быть получен при выполнении заявленного способа, - улучшение разрешающей способности систем построения изображения исследуемых объектов.

Поставленная задача решается благодаря тому, что в способе формирования изображения объектов с субдифракционным разрешением в миллиметровом, терагерцевом, инфракрасном и оптическом диапазонах длин волн, включающем формирование излучения в миллиметровом, терагерцевом, инфракрасном и оптическом диапазонах длин волн, облучение источником электромагнитного излучения формирующей системы в виде линзы или зеркальной антенны, 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, согласно изобретению размещают в области фокусировки излучения формирующей системы мезоразмерную диэлектрическую частицу с характерным размером не более поперечного размера области фокусировки и не менее λ/2, где λ - длина волны используемого излучения, создают область 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 размещают объект исследования в этой области повышенной интенсивности, при этом выбирают коэффициент преломления материала частицы, лежащий в диапазоне от 1.2 до 1.7.

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, 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 диэлектрические мезочастицы, например, в форме куба или сферы с характерным размером не менее λ/2, где λ - длина волны используемого излучения, с коэффициентом преломления материала, лежащим в диапазоне от 1.2 до 1.7, 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 выполнении мазоразмерной диэлектрической частицы с размерами более поперечных размеров области фокусировки излучения формирующей системы увеличиваются габариты устройства формирования изображения при сохранении качества концентрации электромагнитного излучения частицей. При характерных размерах мезоразмерной частицы менее λ/2 локальная концентрация электромагнитного поля вблизи поверхности частицы не возникает.

При коэффициенте преломления материала мезоразмерной частицы менее 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 1.7 локальная концентрация электромагнитного поля возникает внутри частицы и не может быть использована для облучения исследуемого объекта.

На Фиг. 1 показан пример схемы устройства, реализующего предлагаемый способ.

На фиг. 2 приведен пример изображения тестового объекта, полученного с помощью линзы (а) и по предлагаемому способу (б). В качестве тестового объекта служил объект, состоящий из отверстия диаметром 0.5 длины волны падающего излучения, расстояние между элементами миры 0.25 длины волны, ширина непрозрачных для излучения полосок 0.55 длины волны.

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, 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 кубик, выполненный из материала с коэффициентом преломления 1.46 и размером грани порядка длины волны излучения. Диэлектрическая частица 4 преобразует падающую электромагнитную волну со сходящимся сферическим волновым фронтом в локальную область, формируемую непосредственно у внешней границы по направлению распространения электромагнитного излучения 5, с поперечными размерами порядка λ/3-λ/4 и протяженностью не более 10λ. За счет дополнительной концентрации электромагнитного поля в этой области повышается интенсивность излучения на 5-7 дБ. Объект исследования 6 размещается в локальной области электромагнитного поля с субволновыми размерами. 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.

В другом варианте реализации способа отраженное от объекта электромагнитное излучение поступает на приемник излучения 7 и систему визуализации изображения.

На фиг. 2 приведен пример изображения тестового объекта, полученного с помощью линзы (а) и по предлагаемому способу (б) в режиме на пропускание излучения.

Пространственное разрешение по прототипу составило порядка длины волны излучения λ, а по предлагаемому способу - порядка 0.3 λ при одновременном повышении интенсивности излучения на образце на 5-7 дБ.

Использование предлагаемого технического решения позволяет просто создавать системы формирования изображения объектов с субдифракционным разрешением в миллиметровом, терагерцевом, инфракрасном и оптическом диапазонах длин волн с высоким качеством изображения.