Устройство для визуализации объектов с субволновым пространственным разрешением на основе вынужденного комбинационного рассеяния

Изобретение относится к области субдифракционной сканирующей оптической микроскопии и может быть использовано для визуализации и химической диагностики физических и биологических объектов за пределами дифракции света с помощью металинзы, встроенной в стандартный оптический микроскоп с низкой числовой апертурой. Сущность изобретения заключается в том, что в устройстве для визуализации объектов с субволновым пространственным разрешением на основе вынужденного комбинационного рассеяния, содержащем источник излучения 1, оптически сопряженный с модулем подготовки излучения 2, который оптически сопряжен с модулем преобразования излучения 3, который оптически сопряжен с модулем фокусировки 4, который оптически сопряжен с подложкой 5, которая оптически сопряжена с модулем формирования излучения для регистрации 8 и модулем приема излучения 9, на подложке 5 расположена металинза 6, а в качестве модуля преобразования излучения 3 используют модуль частотной фильтрации и отклонения излучения 3. Технический результат - улучшение пространственного разрешения. 9 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к области субдифракционной сканирующей оптической микроскопии и может быть использовано для визуализации и химической диагностики физических и биологических объектов за пределами дифракции света с помощью металинзы, встроенной в стандартный оптический микроскоп с низкой числовой апертурой.

В основе существующих сегодня оптических методов субволнового пространственного разрешения лежат технологии субволновой локализации света и растрового сканирования образца относительно падающего излучения. Для локализации света используют оптические наноантенны и/или структурированное излучение, которые делают процесс формирования оптического изображения в дальнем поле медленным и ненадежным. Получение оптических изображений за пределом дифракции света в режиме реального времени возможно с помощью металинзы [Dylan Lu, Zhaowei Liu, The Hyperlenses and metalenses for far-field super-resolution imaging // NATURE COMMUNICATIONS | DOI: 10.1038/ncomms2176 (2012)]. Однако на практике такие металинзы обеспечивают формирование изображений в оптическом ближнем поле, что сопряжено с рядом технических трудностей при регистрации сигнала. Несмотря на существующие сегодня аналоги металинз [Wyatt Adams, Mehdi Sadatgol, and Durdu Review of near-field optics and superlenses for sub-diffraction-limited nano-imaging // AIP Advances 6, 100701 (2016)], их использование сильно ограничено классом исследуемых объектов, поскольку они предназначены для демонстрации потенциальной возможности получения субволнового пространственного разрешения. Главным недостатком этих аналогов является невозможность визуализации и диагностики образцов (объектов) со сложной геометрией. Кроме того, для их использования требуется дополнительная математическая обработка полученных изображений, которая исключает принцип формирования изображения в реальном времени.

Известно устройство для визуализации объектов с субволновым пространственным разрешением на основе вынужденного комбинационного рассеяния, содержащее источник излучения, оптически сопряженный с модулем подготовки излучения, который оптически сопряжен с модулем преобразования излучения, который оптически сопряжен с модулем фокусировки, который оптически сопряжен с подложкой, который оптически сопряжен с модулем формирования излучения для регистрации и модулем приема излучения [Thomas J. Fellers and Michael W. Davidson - National High Magnetic Field Laboratory, 1800 East Paul Dirac Dr., The Florida State University, Tallahassee, Florida, 32310].

Указанное устройство выбрано в качестве прототипа предложенного решения.

Недостаток этого устройства заключается в том, что пространственное разрешение определяется числовой апертурой оптической системы и ограничено дифракционным пределом, что приводит к низкому пространственному разрешению.

Технический результат изобретения заключается в том, что благодаря использованию металинзы в составе оптического микроскопа с заданной числовой апертурой пространственное разрешение улучшается более чем в 4 раза и не ограничивается дифракционным пределом.

Сущность изобретения заключается в том, что в устройстве для визуализации объектов с субволновым пространственным разрешением на основе вынужденного комбинационного рассеяния, содержащем источник излучения, оптически сопряженный с модулем подготовки излучения, который оптически сопряжен с модулем преобразования излучения, который оптически сопряжен с модулем фокусировки, который оптически сопряжен с подложкой, который оптически сопряжен с модулем формирования излучения для регистрации и модулем приема излучения, на подложке расположена металинза, а в качестве модуля преобразования излучения используют модуль частотной фильтрации и отклонения излучения.

Существует вариант, в котором в качестве металинзы используют плоскопараллельную пленку толщиной от 1 до 100 нм.

Существует также вариант, в котором в качестве материала для металинзы используют нанокомпозиты оксинитридов переходной группы металлов.

Существует также вариант, в котором в качестве материала металинзы используют нанокомпозитную пленку метал-диэлектрик вблизи порога перколяции.

Существует также вариант, в котором металинза включает массив контактирующих металлических частиц размером от 1 нм от 100 нм, которые формируют проводящие цепочки в диэлектрической среде.

Существует также вариант, в котором проводящие цепочки расположены в металинзе случайным образом.

Существует также вариант, в котором в качестве модуля частотной фильтрации и отклонения излучения используют светоделительный модуль, содержащий дихроичное зеркало.

Существует также вариант, в котором в качестве модуля подготовки излучения используют модуль, включающий серый фильтр, расширитель пучка и деполяризатор.

Существует также вариант, в котором в качестве модуля фокусировки излучения используют объектив с низкой числовой апертурой.

Существует также вариант, в котором в качестве модуля формирования излучения для регистрации используют режекторный оптический фильтр, поляризатор, объектив с низкой числовой апертурой.

На фиг. 1 изображено устройство для визуализации объектов с субволновым пространственным разрешением на основе вынужденного комбинационного рассеяния в общем виде.

На фиг. 2 изображено устройство для визуализации объектов с субволновым пространственным разрешением на основе вынужденного комбинационного рассеяния с детализацией модуля подготовки излучения и модуля формирования излучения для регистрации.

Устройство для визуализации объектов с субволновым пространственным разрешением на основе вынужденного комбинационного рассеяния, содержит источник излучения 1, оптически сопряженный с модулем подготовки излучения 2. В качестве источника излучения 1 можно использовать лазер с непрерывным излучением малой интенсивности, меньшей МВт/см2. Модуль подготовки излучения 2 в общем виде формирует излучение по мощности, и задает диаметр лазерного луча, соответствующего входному зрачку объектива, входящему в модуль фокусировки. При этом модуль подготовки излучения 2 оптически сопряжен с модулем преобразования излучения 3, в качестве которого используют модуль частотной фильтрации и отклонения излучения. При этом модуль преобразования излучения 3 оптически сопряжен с модулем фокусировки 4, который в общем виде фокусирует излучение на исследуемый объект 7, расположенный на металинзе 6. При этом модуль фокусировки 4 оптически сопряжен с подложкой 5, в качестве которой можно использовать любой предметный столик. На подложке 5 расположена металинза 6, которая в общем виде выполнена в виде нанокомпозитной пленки метал-диэлектрик. На металинзе 6 располагают объект 7 в качестве которого можно использовать микро- и нано-объекты. При этом объект 7 оптически сопряжен с модулем формирования излучения для регистрации 8 и модулем приема излучения 9. Модуль формирования излучения для регистрации 8 в общем виде формирует рассеянное излучение для его эффективного детектирования в дальнем поле. В качестве модуля приема излучения 9 можно использовать стандартные детекторы - фотоумножители, лавинообразные фотодиоды, ПЗС-матрицы.

Существует вариант, в котором в качестве металинзы 6 используют плоскопараллельную пленку толщиной от 1 до 100 нм. Пленка состоит из разупорядочного нанокомпозита метал-диэлектрик, который обладает рамановской активностью. В качестве нанокомпозита используются нитриды и оксиды металлов переходной группы. Процесс формирования плоскопараллельной пленки может осуществляться методом молекулярной лучевой эпитаксии или методом магнетронного напыления.

Существует также вариант, в котором в качестве материала для металинзы 6 используют нанокомпозиты оксинитридов переходной группы металлов. Такие нанокомпозиты обеспечивают усиленное поглощение падающего излучения благодаря плазмонному резонансу. В основе такого усиления лежит вырожденное поведение диэлектрической проницаемости нанокомпозита в видимой и инфракрасной области. Кроме того, они обеспечивают высокую кубическую нелинейность по сравнению с нитридами металлов переходной группы.

Существует также вариант, в котором в качестве материала металинзы 6 используют нанокомпозитную пленку метал-диэлектрик вблизи порога перколяции. Такая металинза обеспечивает многочастотный режим работы в видимой и инфракрасной области.

Существует также вариант, в котором металинза 6 включает массив контактирующих металлических частиц размером от 1 нм от 100 нм, которые формируют проводящие цепочки в диэлектрической среде. В качестве металлических частиц можно использовать нитриды металлов переходной группы обеспечивает с рамановской активностью. Процесс формирования проводящих цепочек может осуществляться случайным образом в процессе магнитронного напыления металлов и последующего окисления.

Существует также вариант, в котором в качестве модуля частотной фильтрации и отклонения излучения 3 используют светоделительный модуль, содержащий дихроичное зеркало. Дихроичное зеркало обеспечивает спектральную фильтрацию отраженного излучения, которое после фокусировки направляется в детектор.

Существует также вариант, в котором в качестве модуля подготовки излучения 2 используют модуль, включающий серый фильтр 10, расширитель пучка 11 и деполяризатор 12, в качестве которых можно использовать стандартные оптические элементы.

Существует также вариант, в котором в качестве модуля фокусировки излучения 4 используют стандартный объектив с числовой апертурой меньше единицы с любым увеличением.

Существует также вариант, в котором в качестве модуля формирования излучения для регистрации 8 используют режекторный оптический фильтр 13, поляризатор 14, объектив с низкой числовой апертурой 15, в качестве которых можно использовать стандартные оптические элементы.

Устройство для визуализации объектов с субволновым пространственным разрешением на основе вынужденного комбинационного рассеяния работает следующим образом. Слабо-сфокусированное лазерное излучение освещает исследуемый объект 7, который находится на поверхности металинзы 6. Под действием лазерного излучения в металинзе 6 возбуждаются нелинейные плазмонные моды. На поверхности металинзы 6 эти моды генерируют оптическое ближнее поле, которое взаимодействует с исследуемым объектом 7. Благодаря волновому смешению и сканированию образца достигается высокое пространственное разрешение, которое значительно лучше (в 4 раза) дифракционного предела.

То, что в устройстве для визуализации объектов с субволновым пространственным разрешением на основе вынужденного комбинационного рассеяния, содержащем источник излучения 1, оптически сопряженный с модулем подготовки излучения 2, который оптически сопряжен с модулем преобразования излучения 3, который оптически сопряжен с модулем фокусировки 4, который оптически сопряжен с подложкой 5, который оптически сопряжен с модулем формирования излучения для регистрации 8 и модулем приема излучения 9, на подложке 5 расположена металинза 6, а в качестве модуля преобразования излучения 3 используют модуль частотной фильтрации и отклонения излучения 3 приводит к субволновому пространственному разрешению на основе вынужденного комбинационного рассеяния света. В металинзе 6, содержащей проводящие цепочки, генерируется локально-усиленное вынужденное комбинационное рассеяние света, которое взаимодействует с оптическим ближним полем исследуемого образца 7, рассеивается и детектируется с помощью модуля приема излучения 9 через механизм волнового смешения. Улучшенное пространственное разрешение за пределом дифракции света достигается благодаря доступу к оптическому ближнему полю объекта 7, которое содержит высокие пространственные частоты.

То, что в качестве металинзы 6 используют плоско-параллельную пленку толщиной от 1 до 100 нм приводит к формированию локализованных вторичных источников света на поверхности металинзы 6, излучение от которых взаимодействует с исследуемым объектом 7.

То, что в качестве материала для металинзы 6 используют нанокомпозиты оксинитридов переходной группы металлов приводит к усиленному поглощению падающего излучения металинзы 6. Кроме того, такие нанокомпозиты обеспечивают наиболее эффективное нелинейное усиление оптического сигнала и приводят к улучшению пространственного разрешения.

То, что в качестве материала металинзы 6 используют нанокомпозитную пленку метал-диэлектрик вблизи порога перколяции приводит к широкополосному режиму работы металинзы 6. Это значит, что режим сверхразрешения может быть получен в широком спектральном диапазоне.

То, что металинза 6 включает массив контактирующих металлических частиц размером от 1 нм от 100 нм, которые формируют проводящие цепочки в диэлектрической среде, выполняет роль цепочечных нелинейных резонаторов, усиливающих оптического излучение внутри металинзы, и улучшающих пространственное разрешение.

То, что проводящие цепочки расположены в металинзе 6 случайным образом приводит к возможности визуализации нано- и микро-объектов произвольной формы.

То, что в качестве модуля частотной фильтрации и отклонения излучения 3 используют светоделительный модуль, содержащий дихроичное зеркало приводит к спектральной фильтрации рассеянного излучения от объекта 7 на металинзе 6.

То, что в качестве модуля подготовки излучения 2 используют модуль, включающий серый фильтр 10, расширитель пучка 11 и деполяризатор 12 приводит к эффективной фокусировке лазерного излучения на объект 7, находящийся на металинзе.

То, что в качестве модуля фокусировки излучения 4 используют объектив с низкой числовой апертурой 4 приводит к тому что, что разрешение не зависит от числовой апертуры, которая влияет только на чувствительность оптического микроскопа.

То, что в качестве модуля формирования излучения для регистрации 8 используют режекторный оптический фильтр 13, поляризатор 14, объектив с низкой числовой апертурой 15 приводит к возможности оптической визуализации суб-микро- и нано-объектов с пространственным разрешением за пределом дифракции света.

1. Устройство для визуализации объектов с субволновым пространственным разрешением на основе вынужденного комбинационного рассеяния, содержащее источник излучения, оптически сопряженный с модулем подготовки излучения, который оптически сопряжен с модулем преобразования излучения, который оптически сопряжен с модулем фокусировки, который оптически сопряжен с подложкой, который оптически сопряжен с модулем формирования излучения для регистрации и модулем приема излучения, отличающееся тем, что на подложке расположена металинза, а в качестве модуля преобразования излучения используют модуль частотной фильтрации и отклонения излучения.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве металинзы используют плоско-параллельную пленку толщиной от 1 до 100 нм.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве материала для металинзы используют нанокомпозиты оксинитридов переходной группы металлов.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве материала металинзы используют нанокомпозитную пленку метал-диэлектрик вблизи порога перколяции.

5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что металинза включает массив контактирующих металлических частиц размером от 1 нм от 100 нм, которые формируют проводящие цепочки в диэлектрической среде.

6. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что проводящие цепочки расположены в металинзе случайным образом.

7. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве модуля частотной фильтрации и отклонения излучения используют светоделительный модуль, содержащий дихроичное зеркало.

8. Устройство по п. 1, отличающее тем, что в качестве модуля подготовки излучения используют модуль, включающий серый фильтр, расширитель пучка и деполяризатор.

9. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве модуля фокусировки излучения используют объектив с низкой числовой апертурой.

10. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве модуля формирования излучения для регистрации используют режекторный оптический фильтр, поляризатор, объектив с низкой числовой апертурой.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к устройствам и способам для предиктивного отслеживания фокуса. Система формирования изображения включает платформу для образцов, имеющую поверхность для поддержки кассеты для образцов, при этом кассета для образцов содержит множество местоположений образцов; оптическую платформу, содержащую объектив, причем оптическая платформа выполнена с возможностью позиционирования относительно платформы для образцов для получения изображения образцов в местоположениях образцов; привод, физически связанный с по меньшей мере одной из платформы для образцов и оптической платформы, чтобы перемещать платформу для образцов относительно оптической платформы, чтобы фокусировать оптическую платформу на текущее местоположение образца; управляющую схему для определения настройки фокуса для следующего местоположения образца и для подачи управляющего сигнала на привод до позиционирования оптической платформы для получения изображения образца в следующем местоположении образца.

Изобретение относится к сканирующим микроскопам. Конструкция адаптируемого многофункционального сканирующего микроскопа (АМСМ) предназначена для производства цифровых копий (виртуальных слайдов) препаратов на группе заданных разрешений световой микроскопии.

Группа изобретений относится к области для офтальмологических исследований. Хирургическая система получения изображения и способ для ее осуществления может содержать по меньшей мере один источник света, выполненный с возможностью генерирования луча света; систему направления луча, выполненную с возможностью направления луча света от источника света; лучевой сканер, выполненный с возможностью приема света от системы направления луча и генерирования сканирующего луча света; ответвитель луча, выполненный с возможностью перенаправления сканирующего луча света.

Изобретение относится к устройствам для просмотра стереоскопических изображений. Визуализирующее устройство содержит первый и второй видеопроекторы (21) для проецирования соответственно первого и второго видеоизображений объекта, первое зеркало (35), по меньшей мере одно дополнительное зеркало (31, 31а, 31b).

Изобретение относится к цифровым стереомикроскопам и может применяться при проведении хирургических операций, в производстве микроэлектроники, при поверхностном монтаже компонентов.

Изобретение относится к области квантовой электроники, а именно неразрушающему контролю и диагностике оптическими методами и может быть использовано для исследования процессов высокотемпературного горения порошков металлов, а также процессов взаимодействия лазерного излучения с веществом.

Изобретение относится к области квантовой электроники, а именно неразрушающему контролю и диагностике оптическими методами, и может быть использовано для исследования процессов высокотемпературного горения порошков металлов, а также процессов взаимодействия лазерного излучения с веществом.

Изобретение относится к области квантовой электроники, а именно к неразрушающему контролю и диагностике оптическими методами, и может быть использовано для исследования процессов высокотемпературного горения порошков металлов, а также процессов взаимодействия лазерного излучения с веществом.

Данный способ относится к использованию лазерной сканирующей конфокальной микроскопии при регистрации высокоскоростных флуоресцентных сигналов. В частности, в физиологических исследованиях, для регистрации интенсивности свечения кальциевых красителей в нервно-мышечном препарате при стимуляции двигательного нерва.

Изобретение относится к области формирования изображения образца и может быть применено в области цифровой патологии. Способ одновременного захвата данных изображений при многочисленных глубинах образца использует устройство формирования изображений, которое содержит датчик изображения, который выполнен с возможностью отображения наклонного сечения образца для формирования отличающихся длин оптического пути от образца до датчика и получения данных изображения при многочисленных глубинах образца, и имеет первую и вторую пиксельную линии, которые имеют отличающуюся длину оптического пути до образца вдоль оптической оси устройства и отделены друг от друга просветом вдоль направления сканирования.

Изобретение относится к области оптических сенсоров и может быть использовано для сверхчувствительного анализа молекулярного строения вещества в разных областях.

Изобретение относится к области оптических сенсоров и может быть использовано для сверхчувствительного анализа молекулярного строения вещества в разных областях.

Изобретение относится к оптике и биофизике. Cпособ получения усиленного сигнала комбинационного рассеяния света от молекул сывороточного альбумина человека в капле жидкости с помощью плазмонного эффекта, индуцируемого на наночастицах серебра когерентным лазерным излучением, отличается тем, что на серебряную пленку наносят водную каплю, содержащую сывороточный альбумин человека и наночастицы серебра размером 32 нм.

Изобретение относится к области автоматического контроля условий гидратообразования природного газа и может быть использовано для изучения условий гидратообразования на различных материалах в условиях залежей углеводородов и магистральных трубопроводов.

Изобретение относится к области автоматического контроля условий гидратообразования природного газа и может быть использовано для изучения условий гидратообразования на различных материалах в условиях залежей углеводородов и магистральных трубопроводов.

Изобретение относится к области автоматического контроля условий гидратообразования природного газа и может быть использовано для изучения условий гидратообразования на различных материалах в условиях залежей углеводородов и магистральных трубопроводов.

Изобретение относится к оптическим сенсорам и может быть использовано для детектирования различных веществ или иных наноразмерных объектов и определения концентрации веществ в очень малых количествах молекул с использованием комбинационного рассеяния света.

Изобретение относится к оптическим сенсорам и может быть использовано для детектирования различных веществ или иных наноразмерных объектов и определения концентрации веществ в очень малых количествах молекул с использованием комбинационного рассеяния света.

Изобретение относится к области оптических сенсоров, определяющих молекулярный состав вещества методом гигантского комбинационного рассеяния света. Сенсорный элемент для селективного усиления сигнала гигантского комбинационного рассеяния света от анализируемых веществ состоит из зеркальной металлической пленки, наноструктурированного диэлектрического слоя, металлических наночастиц, расположенных на поверхности диэлектрического слоя.

Изобретение относится к области оптических сенсоров, определяющих молекулярный состав вещества методом гигантского комбинационного рассеяния света. Сенсорный элемент для селективного усиления сигнала гигантского комбинационного рассеяния света от анализируемых веществ состоит из зеркальной металлической пленки, наноструктурированного диэлектрического слоя, металлических наночастиц, расположенных на поверхности диэлектрического слоя.

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано для проведения комбинированных in-situ исследований структуры и теплофизических свойств материалов различного типа в широком температурном интервале.

Изобретение относится к области субдифракционной сканирующей оптической микроскопии и может быть использовано для визуализации и химической диагностики физических и биологических объектов за пределами дифракции света с помощью металинзы, встроенной в стандартный оптический микроскоп с низкой числовой апертурой. Сущность изобретения заключается в том, что в устройстве для визуализации объектов с субволновым пространственным разрешением на основе вынужденного комбинационного рассеяния, содержащем источник излучения 1, оптически сопряженный с модулем подготовки излучения 2, который оптически сопряжен с модулем преобразования излучения 3, который оптически сопряжен с модулем фокусировки 4, который оптически сопряжен с подложкой 5, которая оптически сопряжена с модулем формирования излучения для регистрации 8 и модулем приема излучения 9, на подложке 5 расположена металинза 6, а в качестве модуля преобразования излучения 3 используют модуль частотной фильтрации и отклонения излучения 3. Технический результат - улучшение пространственного разрешения. 9 з.п. ф-лы, 2 ил.

Наверх