Научная
деятельность
Университет ИТМО

Ученые разработали высокочувствительный метод измерения рельефа поверхности с помощью терагерцового излучения

Метод позволяет получить изображение, близкое по своим свойствам к голограмме, но при меньших затратах энергии. В теории его можно использовать для контроля качества на производстве или для получения изображений скрытых предметов, например, для просвечивания конвертов.

Сегодня в распоряжении человека есть богатый выбор технологий для получения изображений различных объектов. Если люди хотят просто запечатлеть себя, дом или красивый водопад, они берут фотоаппарат. Если им нужно увидеть повреждение кости, то в дело включается рентген. Моряки следят за рельефом дна с помощью эхолотов.

Однако технологии, используемые людьми, становятся сложнее и профессионалам нужны все новые способы получения изображений или совершенствование уже существующих. Чтобы получить трехмерное изображение поверхности объекта, специалисты используют профилометрию или голографию. Последняя позволяет не только создавать псевдотрехмерные копии предметов, но также может служить для производственных целей.

Однако каждый из методов имеет свои ограничения, любую технологию можно улучшить или подобрать альтернативу. Коллектив российских и французских ученых предложил метод получения трехмерного изображения поверхностей объектов с помощью терагерцового излучения, которое по своим свойствам аналогичного голографическому изображению. Проект реализован в рамках сотрудничества лаборатории Фемтомедицины ИТМО под руководством доцента факультета фотоники и оптоинформатки, Ольги Смолянской и лабораторией IMS (Бордо, Франция), поддержанного грантом РФФИ-CNRS (№18-51-16002 НЦНИЛ).

Ольга Смолянская
Ольга Смолянская

Поймать фазу волны

Терагерцовое излучение ― это электромагнитное излучение, работающее в диапазоне между инфракрасным и микроволновым. Оно открывает для ученых огромные возможности ― от скоростного интернета до замены рентгена. В последнее время исследователи экспериментируют с получением трехмерных изображений на основе облучения предметов в этом диапазоне. Российско-французскому коллективу удалось получить такое псевдообъемное изображение.

«В этой работе мы использовали терагерцовое излучение и специальный метод, который позволяет восстанавливать фазу волны, ― рассказывает Николай Петров, автор работы, руководитель лаборатории цифровой и изобразительной голографии Университета ИТМО. ― Что это такое? Если мы представим волны на поверхности воды, фаза ― это то, насколько одна часть волны сдвинута относительно другой в пространстве. Представим, что волна у вас отражается от объекта, к примеру, гранитной набережной, в которой есть небольшой выступ. На набережную набегает ровная волна, а отражается она уже не совсем ровной, ведь часть воды ударилась о выступ чуть раньше, чем остальная волна о стену набережной. Таким образом, отраженная волна несет в своей фазе информацию об этом выступе. Здесь сходный принцип: восстанавливая фазу волны мы можем восстановить рельеф поверхности, от которой она отразилась».

Николай Петров
Николай Петров

Ученые облучают предмет электромагнитной волной в терагерцовом диапазоне и с помощью специальных датчиков регистрируют распределение энергии, формирующееся после взаимодействия с объектом. Затем с помощью специальной математической программно-реализованной процедуры обработки данных из этого распределения получают информацию о деталях рельефа поверхности.

Два против одного

Главное преимущество этой технологии по сравнению с существующим альтернативным методом терагерцовой голографии ― экономия энергии терагерцового излучения. Она достигается благодаря тому, что для съемки предмета используется один пучок, а не два, как часто необходимо для записи голограмм.

«В нашем методе восстановления фазы мы регистрируем дифракционное поле, то есть распределение интенсивности волн, отраженных от объекта, ― объясняет Николай Петров. ― В голографии же еще, как правило, используется дополнительная опорная волна, и голограмма формируется в результате взаимодействия опорной и объектной волн. Используя только объектную волну, мы можем более эффективно распорядиться тем небольшим количеством энергии терагерцового излучения, что мы имеем, ― и направить его целиком на объект».

Чтобы научиться получать такие изображения в терагерцовом диапазоне, ученым пришлось изрядно потрудится, ведь пока излучатели, работающие с этим диапазоном, сравнительно маломощные. Чтобы компенсировать этот недостаток, ученые предложили технологию регистрации в расширенном динамическом диапазоне (HDR).

«Источники терагерцового излучения недостаточно мощны, ― рассказывает Адриан Шопар (Adrien Chopard), соавтор работы. ― Поэтому, чтобы иметь надлежащие возможности по построению изображения, необходимо принять определенные меры: использование однопиксельного детектора, работающего в высоком динамическом диапазоне (HDR) для минимизации уровня шума измерений, привело к значительному увеличению чувствительности».

Перспективы применения

В перспективе технология может иметь различные применения. В частности, она позволит получать трехмерное изображение поверхности эталонных деталей на производстве и затем загружать его в систему контроля качества, которая будет сравнивать продукцию с образцом.

Так же, как и голография, эта технология может быть использована для исследования различных объектов ― биологических, технических и даже культурного наследия, например, картин.

Жан-Поль Гийе, соавтор статьи, об использовании терагерцового излучения в реставрации картин
Жан-Поль Гийе, соавтор статьи, об использовании терагерцового излучения в реставрации картин

Есть и еще одно преимущество, которое выгодно выделяет данную технологию из других методов визуализации, работающих в оптическом диапазоне, говорят авторы работы.

«Многие диэлектрики прозрачны для терагерцового излучения. По мере совершенствования источников терагерцового излучения можно будет получать изображения объектов, скрытых препятствиями, например, бумажной упаковкой или гипсокартонной перегородкой», ― объясняет Николай Петров.

«Помимо того, что терагерцовые волны могут воспринимать информацию об объектах через оптически непрозрачные объекты, этот метод не требует дополнительных оптических элементов, что упрощает его реализацию», ― добавляет соавтор работы Жан-Баптист Перо (Jean-Baptiste Perraud).

Работа ученых опубликована в журнале Optics Letters.

Статья: Nikolay V. Petrov, Jean-Baptiste Perraud, Adrien Chopard, Jean-Paul Guillet, Olga A. Smolyanskaya, and Patrick Mounaix, Terahertz phase retrieval imaging in reflection. Optics Letters, 2020/10.1364/OL.397935.