[go: up one dir, main page]

RU2212044C1 - Method of formation of optical image in noncoherent light - Google Patents

Method of formation of optical image in noncoherent light

Info

Publication number
RU2212044C1
RU2212044C1 RU2002102459A RU2002102459A RU2212044C1 RU 2212044 C1 RU2212044 C1 RU 2212044C1 RU 2002102459 A RU2002102459 A RU 2002102459A RU 2002102459 A RU2002102459 A RU 2002102459A RU 2212044 C1 RU2212044 C1 RU 2212044C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
optical system
image
images
optical
rays
Prior art date
Application number
RU2002102459A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2002102459A (en
Inventor
А.А. Щетников
Я.М. Ашкиназий
А.В. Чеглаков
Д.М. Ляхов
Original Assignee
Общество С Ограниченной Ответственностью "Инсмат Технология"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество С Ограниченной Ответственностью "Инсмат Технология" filed Critical Общество С Ограниченной Ответственностью "Инсмат Технология"
Priority to RU2002102459A priority Critical patent/RU2212044C1/en
Priority to PCT/RU2003/000025 priority patent/WO2003065106A1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2212044C1 publication Critical patent/RU2212044C1/en
Publication of RU2002102459A publication Critical patent/RU2002102459A/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/42Diffraction optics, i.e. systems including a diffractive element being designed for providing a diffractive effect
    • G02B27/46Systems using spatial filters
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/0025Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 for optical correction, e.g. distorsion, aberration

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Nitrogen And Oxygen Or Sulfur-Condensed Heterocyclic Ring Systems (AREA)
  • Image Processing (AREA)
  • Lenses (AREA)
  • Exposure And Positioning Against Photoresist Photosensitive Materials (AREA)
  • Exposure Of Semiconductors, Excluding Electron Or Ion Beam Exposure (AREA)

Abstract

FIELD: methods and means converting optical radiation to form images of objects in noncoherent light. SUBSTANCE: technical result of method consists in rise of quality of optical images thanks to compensation for errors in focusing of optical system. This result is achieved as optical-electron conversion of formed intermediate distorted image of object and following compensation for distortions introduced by defocusing and optical system as whole are conducted in optical system with at least one lens. Compensation for distortions is carried out by means of matched spatial filtration of intermediate distorted image. In this case two intermediate distorted images are formed simultaneously in opposite bundles of rays. Compensation for above-mentioned distortions in process of matched spatial filtration is realized after match of these images and vector addition of signals in like points of matched images. EFFECT: rise of quality of optical images. 4 cl, 18 dwg

Description

Изобретение относится к области оптики, в частности к методам и средствам оптического преобразования электромагнитного излучения, и может быть широко использовано при формирования оптического изображения объектов (преимущественно протяженных) в некогерентном свете для повышения качества изображения. The invention relates to the field of optics, in particular to methods and means of optical conversion of electromagnetic radiation, and can be widely used in the formation of optical images of objects (mainly extended) in incoherent light to improve image quality.

Из уровня техники широко известен способ формирования оптического изображения объекта в некогерентном свете, который основан на использовании фокусирующих оптических элементов (например, хрусталика глаза биологического объекта или объектива кино-, фотоаппаратов) (И.И.Артоболевский, "Политехнический словарь", изд. "Советская энциклопедия", М., 1976г., стр. 323). The method of forming an optical image of an object in incoherent light, which is based on the use of focusing optical elements (for example, the lens of the eye of a biological object or the lens of a movie, cameras), is widely known from the prior art (II Artobolevsky, Polytechnic Dictionary, ed. " Soviet Encyclopedia ", M., 1976, p. 323).

К недостаткам рассматриваемого способа следует отнести наличие аберраций оптических элементов, а также ошибок фокусировки в случае смещения исходного объекта из плоскости наилучшей фокусировки оптической системы или в случае протяженности упомянутого объекта вдоль оптической оси системы. Указанные недостатки приводят к ухудшению качества изображения объекта (снижению резкости, деформациям изображения, проявлению хроматизма и т.п.). The disadvantages of the method under consideration include the presence of aberrations of optical elements, as well as focusing errors in case of displacement of the original object from the plane of the best focusing of the optical system or in the case of the length of the said object along the optical axis of the system. These shortcomings lead to a deterioration in the image quality of the object (reduced sharpness, image deformation, the appearance of chromatism, etc.).

Один из методов частичного устранения отмеченных недостатков заключается в уменьшении числовой апертуры используемых оптических элементов (т.е. уменьшении размеров входного зрачка оптической системы). Однако это влечет за собой уменьшение освещенности в формируемом изображении пропорционально уменьшению площади входного зрачка, а также снижение разрешающей способности оптической системы в целом. One of the methods for partial elimination of the noted drawbacks is to reduce the numerical aperture of the used optical elements (i.e., to reduce the size of the entrance pupil of the optical system). However, this entails a decrease in illumination in the generated image in proportion to a decrease in the area of the entrance pupil, as well as a decrease in the resolution of the optical system as a whole.

Другой известный из уровня техники способ формирования оптического изображения объекта в некогерентном свете основан на изменении прозрачности оптического элемента в направлении от центра к периферии входного зрачка. В частности, в случае Гауссового закона изменения прозрачности размеры дифракционного изображения точечного объекта уменьшаются и, следовательно, повышается разрешающая способность оптической системы в целом и, соответственно, качество формируемого изображения исходного объекта (J.Ojeda-Castaneda at ol. , "High Focal Depth By Apodiration and Digital Resporation", Appl. Optics, 27, 12, 1988г.; M.Mino, Y.Okano "Improvement in the OTF of Defocussed Optical System Through the Use of Shaded Apertures", Appl. Optics, 10, 10, 1971г.). Another method known from the prior art for generating an optical image of an object in incoherent light is based on changing the transparency of the optical element in the direction from the center to the periphery of the entrance pupil. In particular, in the case of the Gaussian law of transparency change, the size of the diffraction image of a point object decreases and, therefore, the resolution of the optical system as a whole and, accordingly, the quality of the formed image of the original object increases (J. Ojeda-Castaneda at ol., "High Focal Depth By Apodiration and Digital Resporation ", Appl. Optics, 27, 12, 1988; M.Mino, Y. Okano" Improvement in the OTF of Defocussed Optical System Through the Use of Shaded Apertures ", Appl. Optics, 10, 10, 1971 .).

Однако, как и в вышерассмотренных случаях, данный известный из уровня техники способ только частично уменьшает влияние ошибок фокусировки (в случае смещения исходного объекта из плоскости наилучшей фокусировки оптической системы или в случае протяженности упомянутого объекта вдоль оптической оси системы) за счет некоторого уменьшения освещенности формируемого изображения. However, as in the above cases, this method known from the prior art only partially reduces the effect of focusing errors (in the case of a displacement of the original object from the plane of the best focusing of the optical system or in the case of the length of the said object along the optical axis of the system) due to some decrease in the illumination of the image .

Известен также способ формирования оптического изображения протяженного объекта в некогерентном свете и устройство для его осуществления, обеспечивающие возможность уменьшения ошибки дефокусировки посредством введения в ход световых лучей специальной фазовой маски (US, 5748371, кл. G 02 В 5/18, 1998 г.). There is also a method of forming an optical image of an extended object in incoherent light and a device for its implementation, providing the possibility of reducing the defocusing error by introducing a special phase mask into the light rays (US, 5748371, class G 02 B 5/18, 1998).

В указанном техническом решении используется одна или несколько линз для формирования изображения на поверхности оптико-электронного преобразователя, а в одной из главных плоскостей оптической системы установлена кубическая фазовая маска, посредством которой изменяют оптическую передаточную функцию (т.е. искажают оптический ход лучей) упомянутой системы (формирующей изображение) таким образом, что она (оптическая передаточная функция) сохраняется практически неизменной при дефокусировке оптической системы в достаточно широких пределах. Далее сформированное искаженное изображение фиксируют посредством оптико-электронного преобразователя и восстанавливают из него неискаженное окончательное изображение методом согласованной пространственной фильтрации с помощью цифрового фильтра, реализуемого аппаратно или численно посредством ЭВМ. The indicated technical solution uses one or several lenses to form an image on the surface of the optoelectronic converter, and in one of the main planes of the optical system a cubic phase mask is installed, by means of which the optical transfer function (i.e., distort the optical path of the rays) of the said system is changed (forming an image) in such a way that it (optical transfer function) remains almost unchanged when defocusing the optical system in a sufficiently wide range of ate. Next, the generated distorted image is fixed by means of an optoelectronic converter and the undistorted final image is restored from it by the method of matched spatial filtering using a digital filter implemented in hardware or numerically by means of a computer.

Рассматриваемый способ позволяет при его реализации значительно уменьшить влияние ошибок дефокусировки на качество формируемого изображения объекта, а также позволяет учитывать и снижать остаточные аберрации оптической системы. The considered method allows, when implemented, to significantly reduce the effect of defocusing errors on the quality of the generated image of the object, and also allows you to take into account and reduce the residual aberration of the optical system.

К недостаткам данного известного технического решения следует отнести высокие требования к качеству оптико-электронного преобразователя в связи с тем, что для получения высококачественного изображения необходимо производить оцифровку сигнала в каждой конкретной точке изображения не хуже чем 10. ..12 бит. При наличии шума приемника и/или уменьшении числа уровней квантования сигнала качество восстановленного изображения существенно ухудшается, а эффект увеличения глубины резко изображаемого пространства снижается. The disadvantages of this known technical solution include the high quality requirements of the optoelectronic converter due to the fact that to obtain a high-quality image, it is necessary to digitize the signal at each specific point in the image no worse than 10. ..12 bits. In the presence of receiver noise and / or a decrease in the number of quantization levels of the signal, the quality of the reconstructed image deteriorates significantly, and the effect of increasing the depth of the sharply imaged space decreases.

Кроме того, в вышерассмотренном известном техническом решении искажения изображения точки, вносимые в оптическую систему посредством кубической фазовой маски, определяются частными производными (по зрачковым координатам) от функции вида: а(х3 + у3). Следовательно, направления упомянутых искажений в значительной мере совпадают с направлением искажений, вызываемых дефокусировкой, что приводит к "размазыванию" восстановленного изображения точечного источника в случае его смещения из фокуса оптической системы.In addition, in the above-mentioned well-known technical solution, image distortion points introduced into the optical system by means of a cubic phase mask are determined by partial derivatives (with respect to pupil coordinates) of a function of the form: a (x 3 + y 3 ). Consequently, the directions of the mentioned distortions coincide to a large extent with the direction of the distortions caused by defocusing, which leads to the “smearing” of the reconstructed image of a point source in case of its displacement from the focus of the optical system.

Известен также способ формирования оптического изображения протяженного объекта в некогерентном свете, основанный на комбинированном использовании амплитудной и кубической фазовых масок (US, 6097856, кл. G 06 К 9/20, 01.08.2000г.). There is also a method of forming an optical image of an extended object in incoherent light, based on the combined use of amplitude and cubic phase masks (US, 6097856, class G 06 K 9/20, 08/01/2000).

Согласно данному рассматриваемому способу в оптической системе с, по меньшей мере, одной линзой последовательно осуществляют: заданное искажение оптического хода лучей (т. е. изменение оптической передаточной функции упомянутой системы) посредством введенной в систему амплитудно-фазовой маски; оптико-электронное преобразование сформированного оптической системой искаженного промежуточного изображения объекта и последующее вычитание искажений, вносимых амплитудно-фазовой маской и оптической системой в целом, посредством осуществления согласованной пространственной фильтрации упомянутого промежуточного изображения. According to this method under consideration, in an optical system with at least one lens, the following are successively carried out: a predetermined distortion of the optical path of the rays (that is, a change in the optical transfer function of the said system) by means of an amplitude-phase mask introduced into the system; optoelectronic conversion of the distorted intermediate image of the object formed by the optical system and subsequent subtraction of the distortions introduced by the amplitude-phase mask and the optical system as a whole by means of coordinated spatial filtering of the said intermediate image.

Данному известному техническому решению присущи те же недостатки, что и ранее рассмотренному способу по патенту US 5748371. This known technical solution has the same disadvantages as the previously discussed method according to patent US 5748371.

Кроме того, искажения в изображении точечного источника света, вызванные вводом в систему кубической фазовой маски (функция фазовой задержки которой имеет вид: Δφ =k (х33), определяются частными производными от упомянутой функции по зрачковым координатам "X" и "У", т.е. пропорциональны "х2" "у2". В то же время искажения, вносимые дефокусировкой, пропорциональны соответственно "х" и "у" и имеют то же направление. В связи с этим качество восстановленного изображения существенно зависит от величины дефокусировки и, следовательно, не удается восстановить идеальное изображение источника, особенно в случае протяженного объекта.In addition, the distortions in the image of a point light source caused by the introduction of a cubic phase mask (the phase delay function of which has the form: Δφ = k (x 3 + y 3 ) are determined by the partial derivatives of the function with respect to the pupil coordinates "X" and " Y ", that is, proportional to" x 2 "," to 2 ". At the same time, the distortions introduced by defocusing are proportional to" x "and" y ", respectively, and have the same direction. In this regard, the quality of the reconstructed image substantially depends on the amount of defocusing and, therefore, ANOVA ideal image of the source, particularly in the case of an extended object.

Наиболее близкими по отношению к заявленному объекту изобретения является известный из уровня техники способ формирования оптического изображения протяженного объекта в некогерентном свете по заявке РФ 2000132488, кл. G 06 K 9/20, 2001 г. Closest to the claimed subject matter of the invention is a method known from the prior art for generating an optical image of an extended object in incoherent light according to the application of the Russian Federation 2000132488, cl. G 06 K 9/20, 2001

В данном известном из уровня техники способе формирования оптического изображения объекта в некогерентном свете в оптической системе с, по меньшей мере, одной линзой последовательно осуществляют: заданное искажение оптического хода лучей посредством введенной в оптическую систему амплитудно-фазовой маски; оптико-электронное преобразование сформированного искаженного промежуточного изображения объекта и последующее вычитание искажений, вносимых амплитудно-фазовой маской и оптической системой в целом, посредством осуществления согласованной пространственной фильтрации искаженного промежуточного изображения. Заданное искажение оптического хода лучей осуществляют в направлении, близком или совпадающем с ортогональным по отношению к искажениям, вызываемым дефокусировкой и аберрациями оптической системы, с обеспечением вращательной симметрии функции заданного искажения. In this prior art method for generating an optical image of an object in incoherent light in an optical system with at least one lens, the following are successively carried out: a predetermined distortion of the optical path of the rays by means of an amplitude-phase mask inserted into the optical system; optoelectronic conversion of the generated distorted intermediate image of the object and the subsequent subtraction of distortions introduced by the amplitude-phase mask and the optical system as a whole, by means of coordinated spatial filtering of the distorted intermediate image. The specified distortion of the optical path of the rays is carried out in a direction close to or coinciding with orthogonal with respect to the distortions caused by defocusing and aberrations of the optical system, while ensuring the rotational symmetry of the function of the given distortion.

К недостаткам данного рассматриваемого технического решения следует отнести следующее. Поскольку при дефокусировке (возникающей в процессе изменения пространственного положения объекта) происходит изменение функции отклика оптической системы, компенсация дефокусировки возможна лишь в ограниченных пределах, в которых упомянутая функция отклика незначительно отличается от того, что заложено в исходную математическую модель. Если же функция отклика оптической системы изменяется в более широком диапазоне, то возникает необходимость в корректировке исходной математической модели. В результате этого процесс расшифровки формируемого изображения усложняется, поскольку алгоритм расшифровки невозможно заключить в жесткие логические рамки. The disadvantages of this technical solution under consideration include the following. Since during defocusing (arising in the process of changing the spatial position of an object), the response function of the optical system changes, compensation for defocusing is possible only to a limited extent, within which the mentioned response function is slightly different from what is included in the original mathematical model. If the response function of the optical system varies over a wider range, then there is a need to adjust the original mathematical model. As a result of this, the decryption process of the generated image is complicated, since the decryption algorithm cannot be enclosed in a rigid logical framework.

В основу заявленного изобретения была положена задача расширения функциональных возможностей способа формирования оптического изображения объекта в некогерентном свете за счет увеличения допустимого диапазона дефокусировки, в котором можно получать в реальном масштабе времени качественное восстановленное изображение исходного объекта, инвариантное относительно дефокусировки. The claimed invention was based on the task of expanding the functionality of a method for generating an optical image of an object in incoherent light by increasing the allowable defocusing range in which a real-time quality reconstructed image of the original object that is invariant with respect to defocusing can be obtained.

Поставленная задача осуществляется посредством того, что в способе формирования оптического изображения в некогерентном свете, согласно которому в оптической системе с, по меньшей мере, одной линзой, последовательно осуществляют оптико-электронное преобразование формируемого промежуточного искаженного изображения объекта и последующую компенсацию искажений, вносимых дефокусировкой и оптической системой в целом, посредством осуществления согласованной пространственной фильтрации промежуточного искаженного изображения, согласно изобретению формируют два промежуточных искаженных изображения объекта во встречных пучках лучей, а компенсацию упомянутых искажений в процессе согласованной пространственной фильтрации осуществляют после совмещения этих промежуточных изображений и векторного сложения сигналов в одноименных точках совмещенных изображений. The task is carried out by the fact that in the method of forming an optical image in incoherent light, according to which in an optical system with at least one lens, the optoelectronic conversion of the formed intermediate distorted image of the object is carried out sequentially and the subsequent compensation of distortions introduced by defocusing and optical system as a whole, through the implementation of a consistent spatial filtering of the intermediate distorted image, according to The invention forms two intermediate distorted images of the object in the opposing beam of rays, and the compensation for the above distortions in the process of matched spatial filtering is carried out after combining these intermediate images and vector addition of signals at the same points of the combined images.

Целесообразно предварительно в оптической системе обеспечивать близость по модулю величин дефокусировок упомянутых промежуточных изображений, полученных во встречных пучках лучей, векторное сложение сигналов в одноименных точках совмещенных изображений осуществлять с противоположным знаком, а согласованную пространственную фильтрацию проводить с учетом абсолютных значений величин дефокусировки без учета возможных смещений объекта в процессе формирования изображения. It is advisable to first ensure in the optical system that the defocusing values of the aforementioned intermediate images obtained in oncoming beams of rays are close, vector addition of signals at the same points of the combined images is carried out with the opposite sign, and coordinated spatial filtering is carried out taking into account the absolute values of defocusing values without taking into account possible object displacements in the process of image formation.

Для дальнейшего увеличения допустимого диапазона дефокусировки в процессе формирования промежуточного искаженного изображения объекта в каждом из упомянутых встречных пучков лучей дополнительно осуществляют заданное искажение оптического хода лучей в направлении, близком или совпадающем с ортогональным по отношению к искажениям, вызываемым дефокусировкой и аберрациями оптической системы, с обеспечением вращательной симметрии упомянутой функции заданного искажения посредством введенных в оптическую систему амплитудно-фазовых масок. To further increase the permissible range of defocusing during the formation of an intermediate distorted image of an object in each of the said oncoming beams of rays, a predetermined distortion of the optical path of the rays is additionally carried out in a direction close to or coinciding with orthogonal to the distortions caused by defocusing and aberrations of the optical system, providing rotational symmetries of the specified function of a given distortion by means of amplitude-phase m introduced into the optical system asok.

Целесообразно также перед проецированием формируемого промежуточного искаженного изображения объекта на плоскости приемника изображения каждый из упомянутых встречных пучков лучей (несущих упомянутое изображение объекта) подвергать диафрагмированию. It is also advisable before projecting the generated intermediate distorted image of the object on the plane of the image receiver, each of the said oncoming beams of rays (carrying the said image of the object) to undergo aperture.

Оптимально промежуточные искаженные изображения объекта формировать одновременно, при этом использовать встречные пучки лучей со взаимно перпендикулярной поляризацией. It is optimal to form intermediate distorted images of an object at the same time, while using counterpropagating beams of rays with mutually perpendicular polarization.

Изобретение иллюстрируется графическими материалами. The invention is illustrated in graphic materials.

Фиг.1 дает вариант оптической системы для реализации заявленного способа с двумя источниками света. Figure 1 gives a variant of the optical system for implementing the inventive method with two light sources.

Фиг.2 иллюстрирует промежуточные искаженные изображения объекта, формируемые оптической системой по фиг.1. Figure 2 illustrates the intermediate distorted image of the object formed by the optical system of figure 1.

Фиг. 3 - вариант оптической системы для реализации заявленного способа с одним источником света и системой зеркал. FIG. 3 is an embodiment of an optical system for implementing the inventive method with one light source and a mirror system.

Фиг. 4 - вариант оптической системы для реализации заявленного способа с одним источником света, системой зеркал и фазовыми масками, посредством которых осуществляется заданное искажение оптического хода лучей в каждом из встречных пучков лучей. FIG. 4 is an embodiment of an optical system for implementing the inventive method with a single light source, a system of mirrors and phase masks, through which a given distortion of the optical path of the rays in each of the oncoming beams of rays is carried out.

Фиг. 5 иллюстрирует промежуточные искаженные изображения объекта, формируемые оптическими системами по фиг.3 и фиг.4. FIG. 5 illustrates intermediate distorted images of an object formed by the optical systems of FIG. 3 and FIG. 4.

Фиг. 6 иллюстрирует изменение функции отклика оптической системы (формирующей изображение) при изменении (увеличении и уменьшении) расфокусировки относительно исходного состояния оптической системы (т.е. состояния оптической системы при заданном значении расфокусировки). FIG. 6 illustrates the change in the response function of the optical system (forming an image) with a change (increase and decrease) in defocusing relative to the initial state of the optical system (i.e., the state of the optical system at a given value of defocus).

Фиг.7 иллюстрирует исходный объект. 7 illustrates a source object.

Фиг. 8 иллюстрирует функцию отклика оптической системы с фазовой маской для технического решения, принятого за прототип. FIG. 8 illustrates the response function of an optical system with a phase mask for a technical solution adopted as a prototype.

Фиг. 9 и фиг.11 - искаженные промежуточные изображения исходного объекта по фиг.7, реализованные посредством технического решения, принятого за прототип, при величине расфокусировки, равной 2 относительным единицам и 6 относительным единицам соответственно. FIG. 9 and 11 - distorted intermediate images of the original object of FIG. 7, implemented by means of a technical solution adopted as a prototype, with a defocus value of 2 relative units and 6 relative units, respectively.

Фиг. 10 и фиг.12 - восстановленные изображения исходного объекта по фиг. 7, реализованные посредством технического решения, принятого за прототип, при величине расфокусировки, равной 2 относительным единицам и 6 относительным единицам соответственно. FIG. 10 and FIG. 12 are reconstructed images of the original object of FIG. 7, implemented by means of a technical solution adopted as a prototype, with a defocus value of 2 relative units and 6 relative units, respectively.

Фиг.13 - функция отклика оптической системы согласно заявленному изобретению в случае векторного сложения с противоположным знаком сигналов в одноименных точках совмещенных изображений (по п.2 формулы изобретения). Fig - response function of the optical system according to the claimed invention in the case of vector addition with the opposite sign of the signals at the same points of the combined images (according to claim 2).

Фиг.14 - аксонометрическая проекция функции отклика по фиг.13. Fig.14 is a perspective view of the response function of Fig.13.

Фиг.15 и фиг.17 - искаженные промежуточные изображения исходного объекта по фиг. 7, реализованные посредством заявленного технического решения, при величине расфокусировки, равной 3 относительным единицам и 6 относительным единицам соответственно (вариант, реализованный в соответствии с п.3 формулы изобретения). FIG. 15 and FIG. 17 are distorted intermediate images of the original object of FIG. 7, implemented by the claimed technical solution, with the defocus value equal to 3 relative units and 6 relative units, respectively (option implemented in accordance with claim 3 of the claims).

Фиг. 16 и фиг.18 - восстановленные изображения исходного объекта по фиг. 7, реализованные посредством заявленного технического решения при величине расфокусировки, равной 3 относительным единицам и 6 относительным единицам соответственно (вариант, реализованный в соответствии с п.3 формулы изобретения). FIG. 16 and FIG. 18 are reconstructed images of the original object of FIG. 7, implemented by the claimed technical solution with a defocus value equal to 3 relative units and 6 relative units, respectively (option implemented in accordance with claim 3 of the claims).

Физический принцип реализации (осуществления) патентуемого способа формирования оптического изображения объекта в некогерентном свете заключается в следующем. The physical principle of the implementation (implementation) of the patented method of forming an optical image of an object in incoherent light is as follows.

В оптической системе с, по меньшей мере, одной линзой 1 последовательно осуществляют оптико-электронное преобразование формируемого (на приемнике 2 изображения) промежуточного искаженного изображения 3 и 31 исследуемого объекта 4 и последующую компенсацию искажений, вносимых дефокусировкой и оптической системой в целом. Компенсацию упомянутых искажений реализуют посредством осуществления согласованной пространственной фильтрации. При этом на приемнике 2 изображения формируют (как правило, одновременно) два промежуточных искаженных изображения 3 и 31 объекта 4 во встречных (преимущественно взаимно поляризованных под углом 90o поляризационными светоделителями 5) пучках лучей (генерируемых или двумя автономными источниками 6 некогерентного излучения /фиг.1/, или одним источником 6 некогерентного излучения и системой поворотных зеркал 7 /фиг.3 и фиг.4/). При проецировании промежуточных искаженных изображений 3 и 31 на поверхность приемника 2 упомянутые встречные пучки лучей пропускают через диафрагму 8, что позволяет исключить наложение изображений, формируемых в проходящем и отраженном свете. Для этого диафрагмируются (перекрываются) либо осевые, либо внеосевые пучки лучей света, что соответствует либо теневому изображению, либо изображению в светлом поле.In an optical system with at least one lens 1, the optoelectronic conversion of the formed (at the image receiver 2) intermediate distorted image 3 and 3 1 of the studied object 4 is carried out sequentially and the subsequent compensation of distortions introduced by defocusing and the optical system as a whole. Compensation of the aforementioned distortions is realized by means of coordinated spatial filtering. At the same time, at the receiver 2, the images form (as a rule, simultaneously) two intermediate distorted images 3 and 3 1 of the object 4 in the opposed beam beams (mainly mutually polarized at an angle of 90 ° by polarizing beam splitters 5) (generated by or two autonomous sources of incoherent radiation 6 / Fig. .1 /, or one source 6 of incoherent radiation and a system of rotary mirrors 7 / Fig. 3 and Fig. 4 /). When projecting intermediate distorted images 3 and 3 1 onto the surface of the receiver 2, said oncoming beams of rays are passed through the diaphragm 8, which eliminates the overlap of images formed in transmitted and reflected light. To do this, either axial or off-axis beams of light rays are diaphragmed (overlapped), which corresponds to either a shadow image or an image in a bright field.

Далее, упомянутые изображения 3 и 31 известными средствами считываются с приемника 2 изображения, совмещаются и векторно складываются, а полученное суммарное изображение подвергается согласованной пространственной фильтрации. При таком (двойном) формировании промежуточного искаженного изображения 3 и 31 объекта 4 функции отклика оптической системы для каждого из упомянутых изображений 3 и 31 будут изменяться в противоположных направлениях (т.е. для одного из изображений /например, изображения 3/ функция отклика будет уменьшаться, а для другого /соответственно изображения 31/ увеличиваться) в зависимости от направления дефокусировки, т.е. направления смещения исследуемого объекта 4. При этом первые производные функций отклика (характеризующие ее изменение) будут противоположны по знаку для каждого из рассматриваемых изображений 3 и 31 объекта 4. А отсюда следует, что в суммарном изображении эти составляющие первого порядка будут строго компенсировать друг друга (т.е. суммарное искажение конечного изображения объекта 4, обусловленное вкладом первых производных соответствующих функций отклика оптической системы, будет иметь нулевое значение). Графически изменение функции отклика φ(ρ) (где: ρ=(х-х0)2+(у-у0)2, х, у - координаты в плоскости приемника изображения, x0, у0 - координаты центра изображения точечного источника) оптической системы (относительно заданного исходного состояния системы при заданном значении расфокусировки) в зависимости от направления расфокусировки показано на фиг.6 графических материалов. Здесь: кривая "О" характеризует исходное состояние оптической системы при заданном (исходном значении расфокусировки); кривая "I" характеризует состояние оптической системы при уменьшении величины расфокусировки; кривая "II" характеризует состояние оптической системы при возрастании величины расфокусировки.Further, the mentioned images 3 and 3 1 are read by means of known means from the image receiver 2, are combined and vector-added, and the resulting total image is subjected to a consistent spatial filtering. With this (double) formation of an intermediate distorted image 3 and 3 1 of object 4, the response functions of the optical system for each of the mentioned images 3 and 3 1 will change in opposite directions (i.e., for one of the images / for example, image 3 / the response function will decrease, and for another / correspondingly image 3 1 / increase) depending on the direction of defocusing, i.e. the direction of displacement of the object under study 4. In this case, the first derivatives of the response functions (characterizing its change) will be opposite in sign for each of the considered images 3 and 3 1 of object 4. And it follows that in the total image these first-order components will strictly compensate each other (i.e., the total distortion of the final image of object 4, due to the contribution of the first derivatives of the corresponding response functions of the optical system, will have a zero value). Graphically change in the response function φ (ρ) (where: ρ = (x-x 0 ) 2 + (y-y 0 ) 2 , x, y are the coordinates in the plane of the image receiver, x 0 , y 0 are the coordinates of the center of the image of the point source ) optical system (relative to a given initial state of the system at a given value of defocusing) depending on the direction of defocusing shown in Fig.6 graphic materials. Here: curve "O" characterizes the initial state of the optical system at a given (initial value of defocusing); curve "I" characterizes the state of the optical system with a decrease in the amount of defocus; curve "II" characterizes the state of the optical system with increasing defocus value.

Таким образом, согласно заявленному способу на изменение (некомпенсируемое) функции отклика оптической системы (и соответственно качество конечного изображения исследуемого объекта 4) будут оказывать влияние исключительно четные производные указанной функции по параметру дефокусировки. Следовательно, в необходимых пределах потребуется регулировка оптической системы лишь в отношении второй производной функции отклика, что значительно расширяет (примерно в 2-3 раза по отношению к прототипу) допустимый диапазон расфокусировки оптической системы без заметного (визуально воспринимаемого) искажения качества конечного изображения исследуемого объекта 4 (что наглядно иллюстрируют фиг. 10 и фиг. 12 /прототип/, а также фиг.16 и фиг.18 /заявленное техническое решение/). Thus, according to the claimed method, the change (uncompensated) of the response function of the optical system (and, accordingly, the quality of the final image of the object under study 4) will be affected exclusively by even derivatives of this function with respect to the defocus parameter. Therefore, to the extent necessary, adjustment of the optical system will only be necessary with respect to the second derivative of the response function, which significantly expands (approximately 2-3 times with respect to the prototype) the allowable range of defocusing of the optical system without noticeable (visually perceptible) distortion in the quality of the final image of the studied object 4 (which is clearly illustrated in Fig. 10 and Fig. 12 / prototype /, as well as Fig. 16 and Fig. 18 / claimed technical solution /).

Для оптико-электронного преобразования искаженного промежуточного изображения целесообразно использовать оптически адресуемый пространственный модулятор света (AOSLM). При этом согласованную пространственную фильтрацию этого изображения возможно проводить непосредственно в когерентном свете при использовании двойного оптического Фурье-преобразования (в графических материалах условно не показано). For optoelectronic conversion of a distorted intermediate image, it is advisable to use an optically addressable spatial light modulator (AOSLM). At the same time, it is possible to carry out a consistent spatial filtering of this image directly in coherent light using the double optical Fourier transform (not conventionally shown in graphic materials).

Целесообразно в оптической системе (см. фиг.3) предварительно обеспечивать близость по модулю величин дефокусировок упомянутых промежуточных изображений 3 и 31, полученных во встречных пучках лучей, векторное сложение сигналов в одноименных точках совмещенных изображений осуществлять с противоположным знаком, а согласованную пространственную фильтрацию проводить с учетом абсолютного значения величин дефокусировки без учета возможных смещений объекта 4 в процессе формирования изображения 3 и 31. Данный вариант осуществления заявленного способа обеспечивает значительное повышение качества отфильтрованного изображения в силу взаимной компенсации шумовых составляющих изображения, а также способствует упрощению и стабилизации алгоритма согласованной пространственной фильтрации в связи с возможностью уменьшения до нуля некоторых интегральных моментов функции отклика оптической системы для суммарного изображения.It is advisable in the optical system (see Fig. 3) to preliminarily ensure that the defocusing values of the said intermediate images 3 and 3 1 obtained in the opposing beams of rays are modulo close, vector addition of signals at the same points of the combined images is carried out with the opposite sign, and spatial filtering is performed taking into account the absolute value of the defocus values without taking into account the possible displacements of the object 4 in the process of image formation 3 and 3 1 . This embodiment of the inventive method provides a significant increase in the quality of the filtered image due to the mutual compensation of the noise components of the image, and also helps to simplify and stabilize the algorithm of spatial matching filtering due to the possibility of reducing to zero some integral moments of the response function of the optical system for the total image.

Оптическая схема, реализующая такой вариант осуществления патентуемого способа показана на фиг.3 графических материалов. В данной оптической схеме близость по модулю величин дефокусировок упомянутых промежуточных изображений (полученных во встречных пучках лучей, формируемых одним источником 6 некогерентного излучения и системой обратных оптических зеркал 7) обеспечивается благодаря тому, что величина (l1+l2) в прямом ходе лучей близка по значению величине (l3+l4+l5) в обратном ходе лучей. Данная схема позволяет обеспечить наложение (в плоскости приемника 2 изображения) друг на друга искаженных изображений 3 и 31 объекта 4 (в прямом и обратном ходе лучей) с полным совмещением их адекватных точек и позволяет исключить электронно-оптические помехи, имеющие место, например, в оптической схеме по фиг.1.An optical circuit that implements such an embodiment of the patented method is shown in figure 3 of graphic materials. In this optical scheme, the closeness modulo the values of the defocusing of the mentioned intermediate images (obtained in the opposing beams of rays generated by a single source 6 of incoherent radiation and a system of inverse optical mirrors 7) is ensured due to the fact that the value (l 1 + l 2 ) in the direct path of the rays is close by the value of (l 3 + l 4 + l 5 ) in the reverse ray path. This scheme makes it possible to superimpose (in the plane of the image pickup 2) distorted images 3 and 3 1 of object 4 (in the forward and backward rays) on each other with a complete combination of their adequate points and eliminates the electron-optical noise that occurs, for example, in the optical scheme of figure 1.

Для дальнейшего увеличения допустимого диапазона дефокусировки в процессе формирования промежуточного искаженного изображения 3 и 31 исследуемого объекта 4 в каждом из упомянутых встречных пучков лучей дополнительно осуществляют заданное искажение оптического хода лучей в направлении, близком или совпадающем с ортогональным по отношению к искажениям, вызываемым дефокусировкой и аберрациями оптической системы, с обеспечением упомянутой функции заданного искажения вращательной симметрии посредством введенных в оптическую систему амплитудно-фазовых масок 9 и 91. В этом случае для реализации патентуемого способа необходимо использовать в пучках с прямым и обратным ходом лучей амплитудно-фазовые маски с противоположным направлением штрихов, что обеспечивает противоположное по знаку изменение функции отклика оптической системы при дефокусировке изображений, полученных во встречных пучках лучей.To further increase the permissible range of defocusing during the formation of an intermediate distorted image 3 and 3 1 of the investigated object 4, in each of the said oncoming beams of rays, a predetermined distortion of the optical path of the rays in the direction close to or coinciding with orthogonal to the distortions caused by defocusing and aberrations is additionally carried out optical system, with the provision of the aforementioned function of a given distortion of rotational symmetry by means of introduced into the optical system amplitude-phase masks 9 and 9 1 . In this case, to implement the patented method, it is necessary to use amplitude-phase masks with opposite strokes in beams with direct and reverse paths of rays, which provides an opposite sign in changing the response function of the optical system when defocusing images obtained in oncoming beams of rays.

Поскольку согласно данному варианту реализации заявленного способа формирования оптического изображения объекта (преимущественно протяженного) в некогерентном свете заданное искажение оптического хода лучей (т.е. оптической передаточной функции оптической системы) осуществляют в направлении, близком (преимущественно совпадающем) с ортогональным по отношению к искажениям, вызываемым дефокусировкой и аберрациями оптической системы, то промежуточное искаженное изображение точечного источника практически не изменяется даже при ошибках дефокусировки, достигающих половинного значения величин искажений, вносимых амплитудно-фазовой маской, так как световые лучи смещаются по касательной к пятну рассеяния при сохранении практически неизменным их положения относительно центра изображения. При этом распределение освещенности в пятне (в силу вращательной симметрии функции искажений) остается практически неизменным и при осуществлении согласованной пространственной фильтрации восстанавливается практически неискаженное изображение источника (исходного объекта). В качестве амплитудно-фазовой маски в предлагаемом способе может быть использовано любое известное средство, вызывающее отклонения соответствующих пучков лучей в направлении, ортогональном аберрациям системы, формирующей изображение (осуществляющей в общем случае проективное преобразование информационного сигнала). Since, according to this embodiment of the claimed method for forming an optical image of an object (mainly extended) in incoherent light, a given distortion of the optical path of the rays (i.e., the optical transfer function of the optical system) is carried out in a direction close (mainly coinciding) with orthogonal with respect to distortions, caused by defocusing and aberrations of the optical system, the intermediate distorted image of a point source practically does not change even with errors ah defocusing, reaches half the values of the distortions introduced by the amplitude-phase mask, since the light beams are shifted along a tangent to the spot scattering while maintaining substantially unchanged their position relative to the image center. In this case, the distribution of illumination in the spot (due to the rotational symmetry of the distortion function) remains almost unchanged and, when a coordinated spatial filtering is performed, a virtually undistorted image of the source (source object) is restored. As the amplitude-phase mask in the proposed method, any known means can be used that causes deviations of the corresponding beam of rays in the direction orthogonal to the aberrations of the image-forming system (which generally performs a projective transformation of the information signal).

Таким образом, заявленный способ может быть широко использован для преобразования электромагнитного и других типов излучений в случае, когда при формировании изображения объекта в соответствующем поле требуется инвариантность отображения относительно дефокусировки или других аберраций оптической системы. К этой области относятся прежде всего сканирующие преобразователи высокого разрешения, устройства для чтения информации с подвижного носителя, разнообразные устройства для измерения физических и геометрических характеристик трехмерных объектов, устройства распознавания образов, кино-, фото-, телевизионная техника, средства интроскопии в рентгеновском, оптическом и акустическом диапазонах и т.п. Thus, the claimed method can be widely used to convert electromagnetic and other types of radiation in the case when the imaging of the object in the corresponding field requires display invariance with respect to defocusing or other aberrations of the optical system. This area includes, first of all, high-resolution scanning converters, devices for reading information from a mobile medium, various devices for measuring the physical and geometric characteristics of three-dimensional objects, pattern recognition devices, film, photo, television equipment, introscopy tools in x-ray, optical and acoustic ranges, etc.

Следует также отметить, что проведенные выше рассуждения ни в коей мере не ограничивают области применения предлагаемого способа исключительно оптическим диапазоном в силу использования оптико-электронного преобразования, поскольку может быть использовано любое другое средство, достаточное для преобразования воздействующего на систему информационного сигнала в форму, доступную для последующего действия и восприятия. It should also be noted that the above considerations do not in any way limit the scope of the proposed method exclusively to the optical range due to the use of optoelectronic conversion, since any other means sufficient to convert the information signal acting on the system into a form accessible for subsequent action and perception.

Claims (5)

1. Способ формирования оптического изображения в некогерентном свете, согласно которому в оптической системе с, по меньшей мере, одной линзой последовательно осуществляют оптико-электронное преобразование формируемого промежуточного искаженного изображения объекта и последующую компенсацию искажений, вносимых дефокусировкой и оптической системой в целом, посредством осуществления согласованной пространственной фильтрации промежуточного искаженного изображения, отличающийся тем, что формируют два промежуточных искаженных изображения объекта во встречных пучках лучей, а компенсацию упомянутых искажений в процессе согласованной пространственной фильтрации осуществляют после совмещения этих промежуточных изображений и векторного сложения сигналов в одноименных точках совмещенных изображений. 1. A method of forming an optical image in incoherent light, according to which in an optical system with at least one lens, the optoelectronic conversion of the generated intermediate distorted image of the object and subsequent compensation of distortions introduced by defocusing and the optical system as a whole is carried out sequentially by spatial filtering of an intermediate distorted image, characterized in that two intermediate distorted images are formed the object in the oncoming beams of rays, and the compensation for the above distortions in the process of coordinated spatial filtering is carried out after combining these intermediate images and vector addition of signals at the same points of the combined images. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что предварительно в оптической системе обеспечивают близость по модулю величин дефокусировок упомянутых промежуточных изображений, полученных во встречных пучках лучей, векторное сложение сигналов в одноименных точках совмещенных изображений осуществляют с противоположным знаком, а согласованную пространственную фильтрацию проводят с учетом абсолютных значений величин дефокусировки без учета возможных смещений объекта в процессе формирования изображения. 2. The method according to p. 1, characterized in that preliminary in the optical system they provide modulus proximity of the defocus values of the said intermediate images obtained in the opposing beam of rays, the vector addition of signals at the same points of the combined images is carried out with the opposite sign, and the spatial filtering is carried out taking into account the absolute values of defocusing values without taking into account possible object displacements in the process of image formation. 3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что в процессе формирования промежуточного искаженного изображения объекта в каждом из упомянутых встречных пучков лучей дополнительно осуществляют заданное искажение оптического хода лучей в направлении, близком или совпадающем с ортогональным по отношению к искажениям, вызываемым дефокусировкой и аберрациями оптической системы, с обеспечением вращательной симметрии упомянутой функции заданного искажения посредством введенных в оптическую систему амплитудно-фазовых масок. 3. The method according to p. 1 or 2, characterized in that in the process of forming an intermediate distorted image of the object in each of the said oncoming beams of rays additionally carry out a given distortion of the optical path of the rays in a direction close to or coinciding with orthogonal to the distortion caused by defocusing and aberrations of the optical system, providing rotational symmetry of the specified function of a given distortion by means of amplitude-phase masks introduced into the optical system. 4. Способ по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что перед формированием промежуточного искаженного изображения объекта каждый из упомянутых встречных пучков лучей подвергают диафрагмированию. 4. The method according to any one of paragraphs. 1-3, characterized in that before the formation of an intermediate distorted image of the object, each of the said oncoming beams of rays is subjected to aperture. 5. Способ по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что промежуточные искаженные изображения объекта формируют одновременно, при этом используют встречные пучки лучей со взаимно перпендикулярной поляризацией. 5. The method according to any one of paragraphs. 1-4, characterized in that the intermediate distorted images of the object are formed simultaneously, using counterpropagating beams of rays with mutually perpendicular polarization.
RU2002102459A 2002-01-31 2002-01-31 Method of formation of optical image in noncoherent light RU2212044C1 (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2002102459A RU2212044C1 (en) 2002-01-31 2002-01-31 Method of formation of optical image in noncoherent light
PCT/RU2003/000025 WO2003065106A1 (en) 2002-01-31 2003-01-29 Method for forming optical image in incoherent light

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2002102459A RU2212044C1 (en) 2002-01-31 2002-01-31 Method of formation of optical image in noncoherent light

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2212044C1 true RU2212044C1 (en) 2003-09-10
RU2002102459A RU2002102459A (en) 2004-01-27

Family

ID=27656545

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2002102459A RU2212044C1 (en) 2002-01-31 2002-01-31 Method of formation of optical image in noncoherent light

Country Status (2)

Country Link
RU (1) RU2212044C1 (en)
WO (1) WO2003065106A1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2367986C1 (en) * 2008-02-18 2009-09-20 Корпорация "САМСУНГ ЭЛЕКТРОНИКС Ко., Лтд." Lens with invariant modulation transfer function (mpf)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1336684A (en) * 1970-03-09 1973-11-07 Rca Corp Achromatic depth-of-field correction for off-axis optical system
EP0562133A1 (en) * 1992-03-23 1993-09-29 Erland Torbjörn Sandström Method and apparatus for forming an image
RU2062501C1 (en) * 1988-10-24 1996-06-20 Товарищество с ограниченной ответственностью "Интеллект" Method of forming image of object
RU2149516C1 (en) * 1999-01-10 2000-05-20 Военный инженерно-космический университет им. А.Ф. Можайского Adaptive system for image formation

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1336684A (en) * 1970-03-09 1973-11-07 Rca Corp Achromatic depth-of-field correction for off-axis optical system
RU2062501C1 (en) * 1988-10-24 1996-06-20 Товарищество с ограниченной ответственностью "Интеллект" Method of forming image of object
EP0562133A1 (en) * 1992-03-23 1993-09-29 Erland Torbjörn Sandström Method and apparatus for forming an image
RU2149516C1 (en) * 1999-01-10 2000-05-20 Военный инженерно-космический университет им. А.Ф. Можайского Adaptive system for image formation

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2367986C1 (en) * 2008-02-18 2009-09-20 Корпорация "САМСУНГ ЭЛЕКТРОНИКС Ко., Лтд." Lens with invariant modulation transfer function (mpf)

Also Published As

Publication number Publication date
WO2003065106A1 (en) 2003-08-07
RU2002102459A (en) 2004-01-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5748371A (en) Extended depth of field optical systems
JP5328165B2 (en) Apparatus and method for acquiring a 4D light field of a scene
US7115849B2 (en) Wavefront coding interference contrast imaging systems
Tajima et al. Lensless light-field imaging with multi-phased fresnel zone aperture
US7583442B2 (en) Extended depth of field optical systems
JP2008511859A (en) Extended depth of focus using a multifocal length lens with a controlled spherical aberration range and a concealed central aperture
KR102036640B1 (en) Optical imaging method capable of high-speed correction of optical aberration
JP6484706B2 (en) Apparatus and method for recording images
US20190113885A1 (en) Incoherent holographic imaging with metasurfaces
JP2014103475A (en) Image processing method, image processing program, image processing apparatus and imaging apparatus
RU2179336C1 (en) Method and device for shaping optical image in incoherent light (alternatives)
CN107402447B (en) The design of LCD self-adapting optic system with PD image processing function
KR20210124041A (en) Apparatus, Method and System For Generating Three-Dimensional Image Using a Coded Phase Mask
EP3994529A1 (en) Calibration-free phase shifting procedure for self-interference holography
Cossairt et al. Digital refocusing with incoherent holography
RU2212044C1 (en) Method of formation of optical image in noncoherent light
CN113777777A (en) Photoelectric imaging system with laser defense function
JPH08262962A (en) Three-dimensional display method and three-dimensional display device
US6771422B1 (en) Real time optical information processing system
Young Pinhole imagery
Katkovnik et al. A novel binary and multilevel phase masks for enhanced depth-of-focus infrared imaging
WO2022158957A1 (en) Coded diffraction pattern wavefront sensing device and method
Seward et al. Focal plane masks in adaptive optics systems
JP7737283B2 (en) Hologram imaging device
Courjon et al. Modifications of the coherence properties of a light beam: applications in optical processing

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20090201