Способ формирования изображения объектов с субдифракционным разрешением в акустическом диапазоне длин волн

Изобретение относится к способам формирования изображения объектов с субдифракционным разрешением в акустическом диапазоне длин волн и может быть использовано для построения изображений различных объектов, в том числе в оптически непрозрачных средах, например, в устройствах акустического сканирующего микроскопа, интроскопии, неразрушающего контроля качества материалов и изделий.

Устройства звуковидения используются для получения оптически видимых изображений различных объектов искусственного и естественного происхождения с помощью акустических волн [П. Грегуш. Звуковидение. М.: Мир, 1982, 230 с.]. В зависимости от назначения и используемого диапазона частот применяют устройства линзового звуковидения, при котором для построения акустического изображения объекта используется звуковая (акустическая) оптика. Объект "освещается" звуковым (акустическим) полем от излучателя, а акустическая линза создаёт звуковое изображение объекта в некоторой плоскости, где устанавливается приемное акустическое устройство, преобразующее распределение поля давлений либо непосредственно в оптическое изображение, либо в электрический сигнал с последующим преобразованием в оптическое изображение.

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.

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 способ формирования изображения объектов в акустическом диапазоне длин волн, например, по патенту РФ № 79219, патентам США №№ 4028933, 4563900, включающий формирование излучения в акустическом диапазоне длин волн, облучение источником акустического излучения формирующей системы в виде акустической линзы, фокусировку излучения формирующей системой на объекте исследования, размещение между фокусирующей системой и объектом исследования иммерсионной среды, прием прошедшего или отраженного 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.

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

В качестве прототипа выбран способ формирования изображения объектов в акустическом диапазоне длин волн (Березина С.И., Лямов В.Е., Солодов И.Ю., Акустическая микроскопия, "Вестник МГУ", сер. "Физика, Астрономия", 1977, т.18, №1, стр. 3), включающий формирование акустического излучения источником, облучение источником акустического излучения формирующей системы в виде акустической линзы, размещение объекта исследования в фокальной области акустической линзы, при этом между линзой и объектом размещается иммерсионная среда, связанная с исследуемым объектом, и 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 акустической формирующей системы.

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

Поставленная задача решается благодаря тому, что в способе формирования изображения объектов с субдифракционным разрешением в акустическом диапазоне длин волн, включающем формирование акустического излучения источником, облучение источником акустического излучения формирующей системы в виде акустической линзы, размещение объекта исследования в фокальной области акустической линзы, при этом между линзой и объектом размещается иммерсионная среда, связанная с исследуемым объектом, и 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 в области фокусировки излучения формирующей системы размещают мезоразмерную частицу 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 в диапазоне от 0.5 до 0.83, формируют на ее внешней границе с противоположной стороны от падающего излучения область с повышенной интенсивностью излучения с поперечными размерами порядка λ/3-λ/4 и протяженностью не более 10λ и размещают объект исследования в этой области.

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 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 в диапазоне от 0.5 до 0.83, формирует на ее внешней границе с противоположной стороны от падающего излучения области с повышенной концентрацией энергии и с поперечными размерами порядка λ/3-λ/4 и протяженностью не более 10λ.

При выполнении мезоразмерной частицы с размерами более поперечных размеров области фокусировки излучения формирующей системы увеличиваются габариты устройства формирования изображения при сохранении качества концентрации акустического излучения частицей. При характерных размерах мезоразмерной частицы менее λ/2 локальная концентрация акустического поля вблизи поверхности частицы не возникает.

При относительной скорости звука в материале частицы относительно скорости звука в окружающей среде менее 0.5 поперечный размер локальной области концентрации поля становится порядка дифракционного предела и не может быть обеспечен формирующей системой.

При относительной скорости звука в материале частицы относительно скорости звука в окружающей среде более 0.83 локальная концентрация акустического поля возникает внутри частицы и не может быть использована для облучения исследуемого объекта.

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

Обозначения: 1 – источник акустического излучения, 2 – формирующее устройство, 3 – область фокусировки, 4 – мезоразмерная частица, 5 – концентрация акустического поля в непосредственной близости от поверхности частицы с субволновыми поперечными размерами, 6 – объект исследования, 7 - приемник излучения, 8 – система визуализации изображения, 9 – иммерсионная среда.

Устройство, реализующее способ, работает следующим образом. Источник акустического излучения 1 излучает ультразвуковое излучение в направлении формирующего устройства (акустической линзы) 2, которое фокусирует падающее излучение в область фокусировки 3 в направлении на объект исследования 6. В области фокуса 3 формирующего устройства 2 размещается мезоразмерная частица 4, например кубик или сфера, выполненные из материала со скоростью звука в материале частицы относительно скорости звука в окружающей среде в диапазоне от 0.5 до 0.83, и с характерным размером порядка длины волны излучения. При этом пространство между акустической линзой 2 и объектом исследования 6 заполнено иммерсионной средой 9. Частица 4 преобразует падающую акустическую волну со сходящимся сферическим волновым фронтом в локальную область, формируемую непосредственно у внешней границы по направлению распространения акустического излучения 5, с поперечными размерами порядка λ/3–λ/4 и протяженностью не более 10λ.

Объект исследования 6 размещается в локальной области акустического 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 акустическое излучение поступает на приемник излучения 7 и систему визуализации изображения.

Например, для системы формирования изображения объектов с субдифракционным разрешением в акустическом диапазоне длин волн, предназначенной для работы в жидкости, например в воде 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 и т.д.

Пространственное разрешение по прототипу составило порядка длины волны излучения λ, а по предлагаемому способу - порядка 0.3λ. Повышение пространственного разрешения по предлагаемому способу эквивалентно повышению частоты ультразвукового излучения в 3-4 раза в прототипе. Кроме того, повышение пространственного разрешения по предлагаемому способу приводит к одновременному повышению интенсивности акустического поля на объекте исследования без повышения интенсивности излучения источника акустического поля.