CC BY
27
УДК 681.7.013.624
АДАПТИВНАЯ ЖИДКОСТНАЯ ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ТЕРАГЕРЦОВОГО ДИАПАЗОНА СПЕКТРА ДЛЯ МЕДИЦИНСКОЙ АППАРАТУРЫ
Диана Георгиевна Макарова
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, ассистент кафедры наносистем и оптотехники, тел. (383)343-91-11, e-mail: [email protected]
Александр Александрович Болотин
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, магистрант кафедры наносистем и оптотехники, тел. (383)343-91-11
В настоящее время развитие оптико-электронных приборов и освоение новых диапазонов спектра ставит задачу о разработке инновационных конструкций и схем для оптического приборостроения. В статье представлен вариант адаптивной оптической системы терагерцо-вого диапазона спектра переменного увеличения с жидкостной линзой для медицинской аппаратуры. Поскольку этому диапазону спектра нашлось потенциальное применение в медицине для визуализации, томографической и голографической регистрации тканей, терапии и хирургии, то становится актуальным исследование и разработка новых оптических систем повышенной точности и с минимальным временем на смену фокусного расстояния для обеспечения высокой производительности медицинской техники. В качестве решения предлагается использование жидких адаптивных элементов. В статье предложен вариант адаптивной оптической системы терагерцового диапазона спектра для медицинской аппаратуры, состоящей из жидкостного элемента с изменяемым фокусным расстоянием и фокусирующего объектива. В ходе исследований произведен анализ и выбор материалов, пригодных для работы в терагерцовом диапазоне для изготовления линз и адаптивного жидкостного элемента. В качестве доказательной базы приведены показатели преломления и коэффициенты поглощения для пяти углеводородов, которые потенциально возможно использовать в жидкостном элементе. При помощи компьютерного моделирования получены и приведены оптические характеристики системы, подтверждающие возможность разработки адаптивной жидкостной оптической системы терагерцового диапазона спектра для медицинской аппаратуры.
Ключевые слова: терагерцовый диапазон спектра, адаптивная жидкостная оптическая система, переменное увеличение.
ADAPTIVE OPTICAL LIQUID SYSTEM OF SPECTRUM TERAHERTZ RANGE FOR MEDICAL DEVICES
Diana G. Makarova
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhot-nogo St., assistant of the Department of Nanosystems and Optical Devices, tel. (383)343-91-11, e-mail: [email protected]
Alexandr A. Bolotin
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., undergraduate of the Department of Nanosystems and Optical Devices, tel. (383)343-91-11
The development of optoelectronic devices and the study of new spectrum bands set the task of developing the new designs and schemes for optical instrument-engineering. The article presents a version of the adaptive optical system using the spectrum terahertz range of variable magnification with the liquid lens for medical equipment since this spectrum range can be used in medicine for imaging, tomographic and holographic tissue recording, therapy and surgery. Therefore, the investigations as well as the development of new optical high-precision systems with minimal time for focal length change to provide the high performance of medical equipment are very urgent. As the solution the use of liquid adaptive elements is proposed. The article proposed a variant of adaptive optical system using the terahertz range of spectrum for medical devices consisting of a liquid element with a variable focal length lens and a focusing lens. The analysis and materials selection suitable for use in the terahertz range and for producing an adaptive liquid lens element have been made. As the evidence the refractive index and absorption coefficients for five indicators of hydrocarbons, which potentially can be used in the liquid element, are shown. Using the computer simulation the optical characteristics of the system confirming the possibility of developing an adaptive liquid optical system of terahertz range of spectrum for medical equipment were obtained and presented.
Key words: the terahertz range of the spectrum, an adaptive liquid lens system, variable magnification.
Развитие современных оптических приборов в совокупности с ростом инновационных медицинских технологий требует от медицинской аппаратуры высокоточной работы с минимальными временными затратами. Поэтому является актуальным разработка оптических систем с использованием новых технических решений и освоение ранее не используемых спектральных диапазонов.
Терагерцовому диапазону спектра (30 мкм - 1 мм) излучения нашлось потенциальное применение в медицине для визуализации, томографической и го-лографической регистрации тканей, терапии и хирургии. Томография способна заменить и вытеснить рентген и ультразвук из медицинских исследований и дефектоскопии, поскольку с ростом вычислительных мощностей данная технология позволит получать трехмерный образ внутренних тканей с разрешением в несколько десятков микрометров в реальном масштабе времени [1].
Терагерцовые волны хорошо проникают в верхние слои кожи и дают возможность контролировать развитие злокачественных процессов на самых ранних стадиях. Методы такой диагностики уже используются английской компанией TeraView [2]. И российскими учеными созданы установки для ТГц терапии -«ИК-Диполь» и «Инфратератрон» для использования в ожоговых центрах [3].
Поскольку в процессе работы необходимо оперативно перенастраивать аппаратуру на разноудаленные от объектива точки объекта, то наведение на конечные расстояния производится при помощи сменных насадных линз с фиксированными фокусными расстояниями. Именно последние рационально заменить на одну-единственную жидкостную линзу, радиус кривизны, которой регулируется, например, за счет гидростатического эффекта [4-6].
На рис. 1 представлена адаптивная оптическая система терагерцового диапазона спектра для медицинской аппаратуры, состоящая из жидкостного элемента 1 с изменяемым фокусным расстоянием и фокусирующего объектива 2.
Фокусировка оптической системы происходит за счет изменения давления жидкости в линзе 1 [7, 8]. Рабочее положение системы - вертикальное. В таблице приведены оптические характеристики изображенной системы.
Для оптических элементов системы были выбраны материалы, хорошо пропускающие терагерцовое излучение, с длиной волны от 100 мкм. Из твердых материалов - кремний, из пластических - полиэтилен. При рассмотрении свойств жидкостей, пригодных для разработки оптических элементов, следует
сразу исключить воду и водные растворы. В качестве наполнителей жидкостных компонентов могут быть использованы углеводороды. На рис. 2 представлены графики оптических характеристик некоторых углеводородов в зависимости от частоты излучения в ТГц.
На рис. 2 представлены оптические характеристики 5 нефтепродуктов, которые пропускают терагерцовое излучение. Gasoline (бензин) обладает самым высоким показателем преломления (Refractive index) и низким коэффициентом поглощения (Absorption coefficient). Diesel (соляровое масло), thinner (смесь бутилаце-тата и этилацетата) и cenox (смесь бути-лацетата, этилацетата, толуола и метанола) имеют низкие показатели преломления и средние коэффициенты поглощения. Kerosene (керосин) имеет оптимальное соотношение коэффициентов преломления и поглощения [9-11].
Высокие коэффициенты дисперсии выбранных материалов в диапазоне длин волн от 100 до 300 мкм: кремния (v%=2oomkm = 800,5), полиэтилена (У)=200мкм = 1284) и керосина (у\=200мкм = 364,8) позволяют отказаться от коррекции хроматических аберраций [12-14].
Рис. 1. Ход лучей в объективе с жидкостным элементом: 1 - жидкостный элемент (линза); 2 - фокусирующий объектив; Яэм - радиус эластичной мембраны
а)
б)
Рис. 2. Зависимость показателя преломления и коэффициента поглощения
от частоты излучения: а) показатель преломления; б) коэффициент поглощения
Таблица
Оптические характеристики адаптивной жидкостной системы
Параметр Расстояние до объекта, мм
125 250 500
Радиус эластичной мембраны (Язи) ЖЛ, мм -70,17 -145,42 -366,02
Линейное поле зрения в плоскости предметов, мм 30,87 58,17 112,9
Размер изображения, мм 24,0 24,0 24,0
Линейное увеличение, х10-3крат 777 413 213
Полихроматическая концентрация энергии в пределах пиксела 150x150 мкм
Дифракционный предел 0,82 0,83 0,83
В центре поля зрения 0,49 0,77 0,82
Для зоны поля зрения 0,707 0,49 0,80 0,81
На краю поля зрения 0,44 0,73 0,74
Как видно из таблицы, оптическая система позволяет фокусироваться на расстояния от 500 до 125 мм. Для расстояний от 500 до 250 мм система обеспечивает качество изображения, близкое к дифракционному. А на коротких расстояниях (125 мм) требуется усложнение конструкции жидкостного элемента для повышения качества изображения. Таким образом, результаты моделирования показывают возможность разработки адаптивной жидкостной оптической системы тера-герцового диапазона спектра для медицинской аппаратуры [15, 16].
На рис. 3 представлены графики результата расчета коэффициентов Зейделя для трех расстояний до объекта а) 500 мм; б) 250 мм; в) 125 мм. Из графиков видно, что происходит перераспределение аберраций при изменении управляемого радиуса, в ходе которой осуществляется фокусировка на разные расстояния. На рисунке а) жидкостная линза не вносит аберраций в оптическую систему, на рисунке б) жидкостный элемент оказывает небольшое влияние на аберрации в системе, а на рисунке в) видно заметное ухудшение общей картины аберраций в системе.
- 1 1г [ 1 „ - 1 г 1 ■
а) б)
Г Ё 1 1 Г - и ■
в)
Рис. 3. Графики коэффициентов Зейделя для трех расстояний до объекта:
а) 500 мм; б) 250 мм; в) 125 мм
На рис. 4 представлены графики распределения энергии в аберрационном пятне для трех расстояний до объекта: а) 500 мм; б) 250 мм; в) 125 мм. На рисунке обозначена квадратной областью граница пикселя фотоприемника 200 х 200 мкм. Из рисунка видно, что для расстояний до объекта в пределах до 500 мм аберрационный кружок укладываются в квадратную область пискеля и далее с уменьшением расстояния до объекта графики распределения энергии в аберрационном кружке все сильнее выходят за пределы области 200 х 200 мкм, и качество изображения на фотоприемнике ухудшается.
в)
Рис. 4. Графики распределения энергии в аберрационном пятне для трех расстояний до объекта: а) 500 мм; б) 250 мм; в) 125 мм
I
в
Рис. 5. Графики концентрации энергии в аберрационном пятне для трех расстояний до объекта: а) 500 мм; б) 250 мм; в) 125 мм
Из графиков концентрации энергии в аберрационном пятне на рис. 5 также видно, что с уменьшением расстояния до объекта качество изображения ухудшается.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Чекрыгина И. М. Терагерцовые технологии - медицине [Электронный ресурс] / Электрон. дан. - Таганрог, 2010. - Режим доступа: http://astrohn.ru/THZ/solution.html/.
2. THz Science & Technology Network. TeraView Ltd. [Электронный ресурс] / отдел «Archive» TeraView Ltd. - Электрон. дан. - Cambridge, 2010. - Режим доступа: http://www.teraview.co.uk/.
3. Баграев Н. Терагерцевая кремниевая наноэлектроника в медицине // Инновации. -2011. - № 10 (156). - С. 105-119.
4. Жидкие линзы - новая элементная база оптических и оптико-электронных приборов / А. В. Голицын, В. С. Ефремов, И. О. Михайлов, Н. В. Оревкова, Б. В. Федоров, В. Б. Шли-шевский // Интерэкспо ГЕ0-Сибирь-2013. IX Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Сиб0птика-2013» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 15-26 апреля 2013 г.). -Новосибирск : СГГА, 2013. Т. 1. - С. 7-11.
5. Pat. 2007/0247724 US. Liquid Lens With Curved Contact Surface / M. S. Jung. Publication Date: 10.25.2007.
6. Михайлов И. О., Чурилов С. М., Шлишевский В. Б. Некоторые особенности сборки и юстировки линзовых оптических систем с жидкостными компонентами // Вестник СГУГиТ. -2015. - Вып. 3 (31). - С. 106-116.
7. Голицын А. В., Ефремов В. С., Шлишевский В. Б. Некоторые варианты оптических систем на основе жидкостных элементов // Сборник трудов XI Международной конференции «Прикладная оптика - 2014». - СПб. : Оптическое общество им. Д. С. Рождественского, 2014. - Т. 3. - С. 55.
8. Ефремов В. С., Макарова Д. Г., Шлишевский В. Б. Использование насадной жидкой линзы для изменения переднего отрезка объектива видеокамеры робототехнических устройств // Интерэкспо ГЕ0-Сибирь-2015. XI Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Сиб0птика-2015» : сб. материалов в 3 т. (Новосибирск, 13-25 апреля 2015 г.). -Новосибирск : СГУГиТ, 2015. Т. 2. - С. 80-83.
9. Yun-Sik Jin. Analysis of petroleum products and their mixtures by using terahertz time domain spectroscopy // Journal of the Korean Physical Society. - 2008. - Vol. 53, No. 4. - P. 1879-1885.
10. ТГц оптика. «Тидекс»: научная и промышленная оптика [Электронный ресурс] / отдел «Продукты». - М., 2010. - Режим доступа: http://www.tydex.ru(http://www.tydexoptics.com/ru)/.
11. Wakaki М. Physical Properties and Data of Optical Materials / BocaRaton, London, NJ : CRCPress, 2007. - P. 561.
12. Ефремов В. С., Шлишевский В. Б. Оптические материалы и ахроматическая коррекция типовых компонентов оптических систем : учеб. пособие. - Новосибирск : СГГА, 2013. - 284 с.
13. Palik E. D. Handbook of Optical Constants of Solids. - New York : Academic Press, 1985. - Vol. 1. - 724 p.
14. Palik E. D. Handbook of Optical Constants of Solids. - New York : Academic Press, 2010. - Vol. 2. - 1024 p.
15. Ahmad A. Optomechanical Engineering Handbook. - Boca Raton : CRC Press LLC, 1999. - 395 p.
16. Макарова Д. Г., Ефремов В. С. Применение дисперсионных формул материалов в субмиллиметровом диапазоне длин волн // Вестник СГГА. - 2012. - Вып. 1 (17). - С. 122-132.
© Д. Г. Макарова, А. А. Болотин, 2017
