Оптическая система формирования изображений с высоким разрешением

 

ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ФОРМИРОВАНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ С ВЫСОКИМ РАЗРЕШЕНИЕМ , содержгицая транспарант с пе1жодической дифракционной структурой и объектив, о т л и ч а iota а я с я тем, что, с целью увеличения разрешения при сохранении габаритов системы, указанная структура транспаранта выполнена в виде системы концентрических колец с периодически изменяющейся в радиальных направлениях функцией пропускания, причем функция пропускания центральной части транспаранта,диат метр которой равен 1/3-1/4 апертуры объектива, имеет постоянный период , функция пропускания его периферийной части соответствует функции пропускания зонной пластинки Френеля , размер первичной зоны перифе{эийной части совпадает с периодом функции пропускания центральной часг ти транспаранта, а сам он установлен вплотную к объективу или выполнен на любой из его поверхностей и имеет одинаковый с объективо «1 диаметр. Ф 4: СК

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (19) (11) 3(51) G 02 В 27/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АВТОРСКОМ,Ф СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (21) 3508141/18-10 (22) 29.10.82 (46) 15.01.84. Бюл. Р 2 (72) В.К.Аблеков, М.ф.дмитриев, .С.А.Колядки и А.В .Фролов (53) 535.8(088.8) (56) 1. Ландсберг Г.С. Оптика М., Наука, 1976, с. 346-.348.

2. Малов A.Н., Морозов В.Н, Компанец И.Н., Попов 10.М. Формирование изображения в когерентной системе с синтезированной апертурой. - Квантовая злектроника, Т.4, 1977, 9. 9, с. 1981-1983 (прототип). (54 ) (57 ) ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ФОРМИРОВАНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ С ВЫСОКИМ РАЗРЕШЕНИЕМ, содержащая транспарант с периодической дифракционной структурой и объектив, о т л и ч а ющ а я с я тем, что, с целью увеличения разрешения при сохранении габаритов системы, указанная структура транспаранта выполнена в виде системы концентрических колец с периодически изменяющейся в радиальных направлениях функцией пропуска".. ния, причем функция пропускания центральной части транспаранта,диа-, метр которой равен 1/3-1/4 апертуры объектива, имеет постоянный перйод, функция пропускания его периферийной части соответствует функции пропускания зонной пластинки Френеля, размер первичной зоны периферийной части совпадает с периодом функции пропускания центральной части транспаранта, а сам он установлен Я вплотную к объективу или выполнен на любой из его поверхностей и имеет одинаковый с объективом диаметр.

1067461

Изобретение относится к,оптике и может быть использовано для формирова ния иэображений объектов с высоким разрешением, например при когерентном освещении объектов, без увеличения апертуры оптическоЙ систе . 5

Известна оптическая .система формирования иэображений, представляющая собой объектив.,Поскольку образование изображения в такой системе го существу является следствием двух 10 дифракций, одна из которых соответствует переходу волны от объекта до входного зрачка, а другая — переходу от выходного зрачка до изображения, то разрешение определяется апер. 15 турой системы, r.е. наименьшим размером зрачка, ограничивающего сферический волновой фронт с некоторым распрецелением амплитуд, строящим изображение объекта. Чем меньше апер; 0 тура оптической системы, тем меньшая часть сферической, волны проходит в пространство изображения и, следовательно, тем меньше будет информации о кривизне сферической поверхности. Эта неопределенность выражается в степени дифракционной размытости изображения, его разрешении, оцениваемом, например, разме-. ром центрального максимума Эйри 11 .

Однако в этой системе для увеличения разрешения изображения (у.";вше ния его дифракционной размытости требуется увеличение апертуры оптической системы, что ведет к увеличению ее весогабаритных характе- 35 ристик.

Наиболее близкой к предлагаемой по технической сущности является oIIтическая система формирования изображений с высоким разрешением, содер- 40 жащая транспарант с периодической дифракционной структурой и объектив. В этом устройстве укаэанная структура транспаранта выполнена в виде дифракционной решетки, введе- 45 ние которой позволяет передать через объектив несколько различных участков поверхности сферической волны.

Это дает дополнительную информацию о радиусе кривизны волнового фронта,. а следовательно, приводит к увеличению разрешения изображения объекта.

В данном случае происходит синтез апертуры, что эквивалентно увеличению относительного отверстия оптичес. кой системы Г23. 55

Однако указанная система также обладает недостатками, которые заклю" чаются в том, что для увеличения разрешения необходимо, чтобы апертура дифракционной решетки, установленной 60 вблизи объектива, была больше его апертуры либо при той же апертуре требуется отнесение решетки на некоторое расстояние от объектива. Таким образом и в этом случае увеличение разрешения сопровождается увеличением габ аритон системы.

Цель изобретения — увеличение разрешения при сохранении габаритов системы.

Поставленная цель достигается тем, что н оптической системе форми» ронания иэображений с высоким разрешением, содержащей транспарант с периодической дифракционной структурой и объектив, указанная структура транспаранта выполнена в виде системы концентрических колец с периодически изменяющейся в радиальных направлениях функцией пропускания, причем функция пропускания центральной части транспаранта, диаметр которой равен 1/3-1/4 апертуры объектива, имеет постоянный период, функция пропускания его периферийной части соответствует функции пропускания эонной пластинки Френеля, размер первичной зоны периферийной. части совпадает с периодом функции пропускания центральной части транспаранта, а сам он устанонлен вплотную к объективу или выполнен . на любой из его поверхностей и имеет одинаковый с объективом диаметр.

На фиг.1 представлена оптическая схема предлагаемой системы; на фиг.2; вид транспаранта с кольцевой структурой. ,Предлагаемая оптическая система состоит иэ транспаранта 1 с периодической дифракционной структурой, которая выполнена в виде системы концентрических колец с периодически изменяющейся в радиальных направлеЙиях функцией пропускания, и обви ;— тива 2, При этом функция пропускания центральной части 3 транспаранта 1, диаметр Э которой ранен

1/3-1/4 апертуры 2 объектива 2, имеет постоянный период, функция пропускания его периферийной части 4 соответствует функции пропускания зонной пластинки Френеля, размер первичной эоны 5 периферийной части

4 совпадает с.периодом функции пропускания центральной части 3 транс.паранта 1, а сам он установлен вплот,ную к объективу 2 или выполнен на одйой из его поверхностей и имеет одинаковый с объективом 2 диаметр Dot.

Работа предлагаемого устройства осуществляется следующим образом.

Пусть волновое поле объекта Йб4 падает на вход объектива 2, перед ко торым установлен амплитудно-фазовый транспара.нт 1 с функцией пропускания (х . Тогда в плоск- сти формирования иэображения волновое поле

Яа) определяется следующим образом:

Хе

g() =J u(x)t(iA exp(-ia>x)ch

-Хф

/.1067461 4" (") 5О

fcdl м3, Ж Г где )(=1(д 1 = -, -)Г- относительные коор-. динаты во входной плоскости объектива 2 и в плоскости иэображения; 5 и. V, — соответственно линейные координаты, 3. — длина волны светового поля>

Х вЂ” фокусное расстояние объектива 2;

2хо2.фу .— относительный размер апертуры объектива 2 и трансп ранта 1, 2 =Все — линейный размер апертуры объектива 2

15 и транспаранта 1.

Если рассматривается объект в виде точечного источника, то на объек-- тив 2 падает плоская волна. При отсутствии транспаранта 1 (u(y =1) 2О в плоскости изображения формируется распределение поля - -", ширина центрального максимума которого

В на 2X / s определяет разрешаюую способность объектива 2. 25

Таким образом, задача увеличения разрешения сводится к построению ,.транспаранта, описываемого функцией 0(х1, который обеспечил бы сужение центрального максимума распределения поля в плоскости изобращения, например в идеальном случае, до величины дельта-функции Дирака

P(cd) . Рассмотрим этот случай.

Требуется получить в плоскости изображения распределение поля в виде функции p(cd) на конечном интервале С-(й,la4$ (ограниченная зона повышенного разрешения1.

Конечность размера транспаран,та 1 и конечность области наблюдения в плоскости изображения позволяют представить функцию пропускания транспаранта U(p) и 8 (сд) в виде рядов по системе вытянутых. Угловых 45 сфероидальных функций g+ (x) ), (,Д ф)- система их собственныХ значений, С = Xa(403

Оф - YaÄy(x), 86Ф ЙЬЬ(в (,), Мр

: ii f6cai)4„cia )cking (м

00р .Отметим, что Ub) и Б ф связаны ,конечньпи преобразованием Фурье

Жи).(оСйехр(иах сЬ, Щ |и) .Со)

-Ъ

Подставляя 1) в (4) и учитывая 2) и (3), получаем коэффициенты раэ. ложения 1)

$/ "«=,— ";„) ", б

Заменяя в выражении И) коэффициенты о.,), согласно Ю находим искомое выражение для функции пропускания транспаранта 1.. м, Ъ ь

"(»=g 5 "А,-4(о) .ь) (хмЯ

Для практического применения ряда (6) необходимо ограничиться конечным числом членов м

Так, при К>20 имеем следующую аппроксимацию рядов (6) и (2):

® "."" 3(X) х (о

= Xa М 1 Г(О,6

de

Ме 4 =—

ЭС йх

Анализ выражения (8) показывает, что для увеличения разрешения необ.ходимо иметь Ж 1. При этом функция пропускания дифракционного транспаранта 1 в центральной части 3 размером 1/3-1/4.апертуры объектива 2 является периодической функцией, изменяющейся по закону косинуса, а функция пропускания дифракционного транспаранта 1 в периферийной части 4 повторяет закон эонной пластинки

Френеля, причем размер первичной эоны 5 указанной зонной пластинки

ФРенеля совпадает с периодом функции пропускания центральной части 3.

Кроме того, на периферийной части 4 дифракционного транспаранта 1, соответствующей зонной пластине Френеля, функция пропускания по .амплитуде монотонно возрастает к краю, например-, по линейному закону.

В силу ограниченной зоны повышенного разрешения 2Ч,, после зрения объектива 2 ограничивается величиной угла s4 /f . При g = 20 и С = 6,25 разрешающая способность увеличивается в 6 раз по сравнению с объективом без дифракционного транспаранта при сохранении размеров его апертуры.

Таким образом, предлагаемая систе. ма по сравнению с базовым объектом -, прототипом позволяет существенно повы сить разрешение при сохранении ее rdбаритов.

1067461

Составитель В.Кравченко

Техред С.Легеэа . Корректор A. Ференц

Редактор М.Петрова филиал ППП "Патент", r. Уагород, ул. Проектная, 4

Заказ 11206/50 Тирал(50 1 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5