Способ формирования оптического изображения в некогерентном свете и устройство для его осуществления (варианты)

 

Изобретение относится к методам и средствам преобразования оптического излучения для формирования изображения объектов в некогерентном свете. В оптической системе (ОС) осуществляют: заданное искажение оптического хода лучей посредством введенной в ОС амплитудно-фазовой маски (АФМ); оптико-электронное преобразование искаженного изображения объекта и вычитание искажений, вносимых АФМ и ОС. Вычитание искажений осуществляют посредством согласованной пространственной фильтрации искаженного изображения. Искажение оптического хода лучей осуществляют в направлении, близком или совпадающем с ортогональным по отношению к искажениям, вызываемым дефокусировкой и аберрациями ОС. При этом обеспечивают возможность получения функции искажений, которая обладает вращательной симметрией. Устройство для реализации способа включает ОС с, по меньшей мере, одной линзой, а также последовательно расположенные средство искажения оптического хода лучей в виде АФМ, оптико-электронный преобразователь искаженного изображения и средство вычитания искажений, выполненное в виде согласованного пространственного фильтра. Согласно одному из вариантов исполнения, АФМ выполнена в виде двух установленных соосно и конфокально линзовых растров с расположением линз в каждом из них по концентрическим окружностям. По меньшей мере один из линзовых растров установлен с возможностью поворота вокруг оптической оси ОС на заданный угол. Предусмотрены и иные варианты исполнения АФМ, в виде дифракционного оптического элемента, в котором направление и частота штрихов дифракционной структуры зависят от радиуса соответствующей кольцевой зоны при постоянстве упомянутых параметров дифракционной структуры в окружном направлении в пределах упомянутой зоны. Технический результат - качественное восстановление изображения исходного объекта инвариантное дефокусировке. 4 с. и 5 з. п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к области оптики, в частности к методам и средствам оптического преобразования электромагнитного излучения, и может быть широко использовано при формировании оптического изображения объектов (преимущественно, протяженных) в некогерентном свете для повышения качества изображения.

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. , 1976 г. , стр. 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. ).

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.

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, N 12, 1988 г. ; M. Mino, Y. Okano "Improvement in the OTF of Defocussed Optical System Through the Use of Shaded Apertures", Appl. Optics, 10, N 10, 1971 г. ).

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.

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, N 5748371, кл. G 02 В 5/18, 1998 г. ).

В указанных технических решениях 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, Рассматриваемые способ и устройство для его осуществления позволяют при их реализации значительно уменьшить влияние ошибок дефокусировки на качество формируемого изображения объекта, а также позволяют учитывать и снижать остаточные аберрации оптической системы.

К недостаткам данных известных технических решений 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.

Кроме того, в вышерассмотренных известных технических решениях искажения изображения точки вносимые в оптическую систему посредством кубической фазовой маски определяются частными производными (по зрачковым координатам) от функции вида: а(x³ + y³). 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.

Наиболее близкими по отношению к заявленным объектам изобретения являются известные из уровня техники способ формирования оптического изображения протяженного объекта в некогерентном свете и устройство для его осуществления основанные на комбинированном использовании амплитудной и кубической фазовых масок (US, N 6097856, кл. G 06 К 9/20, 01.08.2000 г. ).

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.

Устройство для формирования оптического изображения объекта в некогерентном свете (для реализации вышеописанного способа) включает оптическую систему с, по меньшей мере, одной линзой, а также последовательно расположенные по ходу лучей средство искажения оптического хода лучей (т. е. изменения оптической передаточной функции упомянутой системы) в виде амплитудно-фазовой маски, оптико-электронный преобразователь формируемого оптической системой искаженного промежуточного изображения и средство вычитания искажений, вносимых амплитудно-фазовой маской и оптической системой в целом, реализованное численно на ЭВМ как обобщенный согласованный пространственный фильтр (используемый для согласованной пространственной фильтрации искаженного промежуточного изображения).

Данным известным техническим решениям присущи те же недостатки, что и ранее рассмотренным способу и устройству для его осуществления по патенту US, N 5748371. Следует также отметить что в каждом из вышеупомянутых технических решений необходима численная обработка формируемого изображения, что требует дополнительных затрат времени на обработку исходной информации и вычислительных средств, и не только усложняет конструкцию оптической системы, но и исключает возможность получения восстановленного изображения в реальном масштабе времени (т. е. исключается возможность использования данных известных технических решений в системах, требующих высокой скорости обработки исходной информации).

Кроме того, искажения в изображении точечного источника света, вызванные вводом в систему кубической фазовой маски (функция фазовой задержки которой имеет вид: ΔΦ = k(x³+ y³) определяются частными производными от упомянутой функции по зрачковым координатам "X" и "Y", т. е. пропорциональны "x²", "y²". В то же время искажения вносимые дефокусировкой пропорциональны, соответственно, "x" и "y" 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.

В основу заявленного изобретения была положена задача создания такого способа формирования оптического изображения объекта в некогерентном свете и устройства для его осуществления, посредством которых можно получать в реальном масштабе времени качественное восстановленное изображение исходного объекта инвариантное относительно дефокусировки.

Поставленная задача в отношении объекта изобретения "способ" осуществляется посредством того, что в способе формирования оптического изображения объекта в некогерентном свете, согласно которому 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, согласно изобретения, 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.

Оптимально, чтобы соотношение меридиональной и сагиттальной компонент заданного искажения, вносимого в ход лучей, было установлено таким образом, что при наличии в оптической системе равных по абсолютной величине дефокусировок противоположного знака точки пересечения световых лучей, проходящих на одинаковых и/или близких по величине расстояниях от центра амплитудно-фазовой маски, лежат в плоскости оптимальной фокусировки промежуточного изображения в кольцевой зоне окружности одного радиуса, величина которого превышает величины искажений, вызываемых дефокусировкой и аберрациями оптической системы в пределах каждой такой кольцевой зоны.

Целесообразно для оптико-электронного преобразования искаженного промежуточного изображения использовать оптически адресуемый пространственный модулятор света, а согласованную пространственную фильтрацию этого изображения в когерентном свете осуществлять при использовании двойного оптического Фурье-преобразования.

Разумно в процессе формирования искаженного промежуточного изображения объекта путем заданного искажения оптического хода лучей посредством амплитудно-фазовой маски, последней сообщать циклическое вращательное движение.

Поставленная задача в отношении объекта изобретения "устройство" (по одному из вариантов исполнения) достигается посредством того, что в устройстве для формирования оптического изображения объекта в некогерентном свете, включающем оптическую систему с, по меньшей мере, одной линзой, а также последовательно расположенные: средство искажения оптического хода лучей в виде амплитудно-фазовой маски; оптико-электронный преобразователь формируемого искаженного промежуточного изображения и средство вычитания искажений, вносимых амплитудно-фазовой маской и оптической системой в целом, согласно изобретения, амплитудно-фазовая маска выполнена в виде двух, установленных соосно и конфокально, линзовых растров с расположением линз в каждом из них по концентрическим окружностям, при этом, по меньшей мере, один из линзовых растров установлен с возможностью поворота вокруг оптической оси системы на угол, регламентируемый величиной заданного искажения оптического хода лучей упомянутой системы.

Поставленная задача в отношении объекта изобретения "устройство" по другому варианту исполнения достигается посредством того, что в устройстве для формирования оптического изображения объекта в некогерентном свете, включающем оптическую систему с, по меньшей мере, одной линзой, а также последовательно расположенные: средство искажения оптического хода лучей в виде амплитудно-фазовой маски; оптико- электронный преобразователь формируемого искаженного промежуточного изображения; средство вычитания искажений, вносимых амплитудно-фазовой маской и оптической системой в целом, согласно изобретения, амплитудно-фазовая маска выполнена в виде дифракционного оптического элемента с направлением штрихов дифракционной структуры, близким к радиальному и с монотонным изменением упомянутого направления и частоты штрихов по мере удаления от центра дифракционного элемента.

Штрихи дифракционной структуры дифракционного элемента могут быть выполнены с треугольным профилем, высоту которого выбирают из условия обеспечения максимальной дифракционной эффективности этой структуры.

Поставленная задача в отношении объекта изобретения "устройство" еще по одному варианту исполнения достигается посредством того, что в устройстве для формирования оптического изображения объекта в некогерентном свете, включающем оптическую систему с, по меньшей мере, одной линзой, а также последовательно расположенные: средство искажения оптического хода лучей в виде амплитудно-фазовой маски; оптико-электронный преобразователь формируемого искаженного промежуточного изображения; средство вычитания искажений, вносимых амплитудно-фазовой маской и оптической системой в целом, согласно изобретения, амплитудно-фазовая маска выполнена в виде дифракционного оптического элемента, направление штрихов дифракционной структуры которого определяется уравнением следующего вида: Φ = Φ_i+ kρ², где Φ и ρ - нормированные полярные координаты в плоскости амплитудно-фазовой маски; Φ_i- полярный угол, определяющий направление i-го штриха в начале координат; k - постоянный коэффициент; В данном случае штрихи дифракционной структуры дифракционного элемента также могут быть выполнены с треугольным профилем, высоту которого выбирают из условия обеспечения максимальной дифракционной эффективности этой структуры.

Изобретение иллюстрируется графическими материалами.

Фиг. 1 представляет принципиальную схему устройства для формирования оптического изображения протяженного объекта с регулируемой глубиной резко изображаемого пространства, в которой в качестве амплитудно- фазовой маски используются два линзовых растра.

Фиг. 2 и 3 иллюстрируют искаженные промежуточные изображения трех точечных источников (объектов) в плоскости оптико-электронного преобразователя при оптимальной фокусировке и максимальной дефокусировке, соответственно, полученные в оптической системе посредством одной из модификаций амплитудно-фазовой маски.

Фиг. 4 представляет вариант выполнения амплитудно-фазовой маски в виде дифракционного оптического элемента с криволинейными штрихами.

Фиг. 5 представляет промежуточное изображение протяженного объекта, искаженное под действием дефокусировки и амплитудно-фазовой маски.

Фиг. 6 представляет восстановленное изображение объекта на фиг. 5 Физический принцип реализации (осуществления) патентуемого способа формирования оптического изображения объекта в некогерентном свете заключается в следующем.

В оптической системе с одной или несколькими линзами 1, 2, 3, 4, и 5 (см. фиг. 1) посредством амплитудно-фазовой маски осуществляют заданное искажение оптического хода лучей (т. е. изменение передаточной функции упомянутой системы), отраженных исходным объектом 6, освещенным некогерентным светом (например, посредством источника 7 излучения). Упомянутое искажение оптического хода лучей осуществляют в направлении, близком (преимущественно, совпадающем) с ортогональным по отношению к искажениям, вызываемым дефокусировкой и аберрациями оптической системы. При этом обеспечивают вращательную симметрию функции заданного искажения. То есть, при повороте амплитудно-фазовой маски вокруг своей оси, вносимые в оптический ход лучей искажения не изменяются. Искажение хода лучей в оптической системе может быть осуществлено различными известными из уровня техники средствами, которые указаны ниже при описании вариантов устройств для реализации патентуемого способа. Далее осуществляют оптико-электронное преобразование сформированного искаженного промежуточного изображения и последующее вычитание искажений, вносимых амплитудно-фазовой маской и оптической системой в целом, посредством осуществления согласованной пространственной фильтрации искаженного промежуточного изображения.

Согласно патентуемого способа соотношение меридиональной и сагиттальной компонент заданного искажения (вносимого в ход лучей) устанавливают таким образом, что при наличии в оптической системе равных по абсолютной величине дефокусировок противоположного знака точки пересечения световых лучей, проходящих на одинаковых и/или близких по величине расстояниях от центра амплитудно-фазовой маски, лежат в плоскости оптимальной фокусировки промежуточного изображения в кольцевой зоне окружности одного радиуса. При этом величина упомянутого радиуса значительно превышает величины искажений, вызываемых дефокусировкой и аберрациями оптической системы в пределах каждой такой кольцевой зоны. Посредством этого обеспечивается значительный выигрыш по освещенности формируемого изображения.

Для оптико-электронного преобразования искаженного промежуточного изображения целесообразно использовать оптически адресуемый пространственный модулятор света (AOSLM). При этом согласованную пространственную фильтрацию этого изображения необходимо проводить в когерентном свете (например, генерируемом источником излучения 8) при использовании двойного оптического Фурье-преобразования.

В процессе формирования промежуточного изображения объекта (путем заданного искажения оптического хода лучей посредством амплитудно-фазовой маски), оптимально последней (т. е. упомянутой маске) сообщать циклическое вращательное движение. В результате этого при формировании искаженного промежуточного изображения объекта обеспечивается сглаживание неоднородностей обусловленных погрешностью изготовления амплитудно-фазовой маски и усреднение импульсного отклика системы в целом.

Поскольку в заявленном способе формирования оптического изображения объекта (преимущественно, протяженного) в некогерентном свете 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).

На фиг. 2 и 3 приведены искаженные промежуточные изображения трех точечных источников (объектов) в плоскости оптико-электронного преобразователя 9 при расположении указанных источников в плоскости оптимальной фокусировки (фиг. 2) и при максимальной дефокусировке оптической системы (фиг. 3), полученные посредством одной из модификаций амплитудно-фазовой маски. Нетрудно заметить, что распределение освещенности в пятне имеет вид кольца и остается практически неизменным при дефокусировке (наблюдается лишь незначительное изменение внутреннего диаметра кольца). Так как импульсный отклик системы остается неизменным при дефокусировке, возможно построение согласованного пространственного фильтра 10 при расположении объекта в плоскости оптимальной фокусировки. Такой фильтр 10 обеспечит вычитание искажений в конечном изображении объекта 6 при произвольной дефокусировке оптической системы.

Устройство для формирования оптического изображения объекта 6 (преимущественно, протяженного) в некогерентном свете согласно одного из вариантов исполнения (см. п. 5 формулы изобретения и фиг. 1 графических материалов) включает в себя оптическую систему с одной или несколькими линзами 1, 2, 3, 4, и 5, а также последовательно расположенные (по ходу отраженных от исходного объекта 6 лучей) средство искажения оптического хода лучей в виде амплитудно-фазовой маски, оптико-электронный преобразователь 9 формируемого искаженного промежуточного изображения, средство вычитания искажений, вносимых амплитудно-фазовой маской и оптической системой в целом, выполненное в виде согласованного пространственного фильтра 10, а также приемник 11 изображения. Оптико-электронный преобразователь 9 формируемого искаженного промежуточного изображения может быть выполнен, например, в виде оптически адресуемого пространственного модулятора света. Приемник 11 изображения может быть выполнен, например, в виде решетки точечных диафрагм с линзовым растром и ПЗС - камеры. Амплитудно- фазовая маска в данном варианте исполнения выполнена в виде двух (установленных соосно и конфокально) линзовых растров 12 и 13 с расположением линз 14 (в каждом из них) по концентрическим окружностям. При этом, по меньшей мере, один из линзовых растров 12 и 13 установлен с возможностью поворота вокруг оптической оси системы на угол, величина которого регламентируется величиной заданного искажения оптического хода лучей упомянутой системы.

Устройство для формирования оптического изображения объекта 6 (преимущественно, протяженного) в некогерентном свете (согласно другого варианта исполнения, по п. 6 формулы) отличается от ранее описанного варианта исполнения лишь тем, что амплитудно-фазовая маска выполнена в виде дифракционного оптического элемента (см. фиг. 4) с направлением штрихов дифракционной структуры, близким к радиальному и с монотонным изменением упомянутого направления и частоты штрихов по мере удаления от центра дифракционного элемента. Штрихи дифракционной структуры дифракционного элемента могут быть выполнены с треугольным профилем, высоту которого выбирают из условия обеспечения максимальной дифракционной эффективности этой структуры.

Согласно еще одного варианта исполнения устройства форма штрихов дифракционного оптического элемента в радиальном направлении определяется уравнением следующего вида: Φ = Φ_i+ kρ²,
где Φ и ρ - нормированные полярные координаты в плоскости амплитудно-фазовой маски;
Φ_i- полярный угол, определяющий направление i-го штриха в начале координат;
k - постоянный коэффициент.

В данном случае штрихи дифракционной структуры дифракционного элемента также могут быть выполнены с треугольным профилем, высоту которого выбирают из условия обеспечения максимальной дифракционной эффективности этой структуры.

Принцип работы первого варианта исполнения (по п. 5 формулы) устройства для формирования оптического изображения протяженного источника в некогерентном свете (по фиг. 1) заключается в следующем.

Рассеянные наблюдаемым объектом 6 пучки лучей от источника некогерентного света 7 передаются объективом (линзой 3) на амплитудно-фазовую маску, выполненную в виде двух соосных и конфокальных друг другу линзовых растров 12 и 13. Каждая элементарная линза 14 первого растра 12 формирует уменьшенное изображение объекта 6 в своей фокальной плоскости, а соответствующая ей линза 14 второго растра 13 снова переносит его (объекта 6) изображение в бесконечность. При повороте одного из растров 12 или 13 вокруг своей оси на некоторый угол "α" изображение объекта 6 в фокальной плоскости другого растра смещается в тангенциальном направлении на величину Δ = αρ, где ρ - расстояние от центра соответствующего растра 12 или 13 до оси соответствующей элементарной линзы 14. В результате все элементарные пучки лучей на выходе растра 13 отклоняются в тангенциальном направлении на угол ψ = αρ/f, где f - фокусное расстояние элементарной линзы 14 соответствующего растра. В дальнейшем все элементарные пучки лучей фокусируются объективом (линзой 2) на поверхности оптико-электронного преобразователя 9. При расположении объекта 6 в плоскости оптимальной фокусировки оптической системы и при α = 0 мы получим неискаженное изображение объекта 6. При α ≠ 0 любая точка объекта 6 преобразуется в пятно рассеивания в виде круга почти постоянной интенсивности, диаметр которого примерно равен D = 2Fψ_max, где F - фокусное расстояние соответствующего объектива.

При наличии в оптической системе дефокусировки смещение лучей происходит в осевом сечении системы пропорционально радиусу "ρ" и величине дефокусировки "δ". Суммарное действие искажений, вносимых в ход лучей дефокусировкой и амплитудно-фазовой маской, практически не вызывает изменения пятна рассеивания, если выполняется соотношение Fα/f ≫ δ/F. C учетом факта, что искажения вносимые амплитудно-фазовой маской и дефокусировкой почти ортогональны, относительное изменение диаметра пятна рассеивания будет пропорционально квадрату отношения (δ/F)/(Fα/f). Для сравнения - при использовании кубической фазовой маски изменение диаметра пятна рассеивания происходит пропорционально первой степени указанного соотношения. То есть, при прочих равных условиях заявленные способ и устройства для его осуществления позволяют существенно увеличить глубину резко изображаемого пространства.

Теперь, когда выяснены условия, при которых импульсный отклик системы остается неизменным при дефокусировке, вернемся снова к рассмотрению схемы на фиг. 1. Для восстановления неискаженного изображения объекта 6 необходимо осуществить согласованную пространственную фильтрацию промежуточного искаженного изображения, полученного в некогерентном свете. Указанную операцию можно провести как с помощью специального цифрового процессора, так и чисто физически посредством использования оптического коррелятора. Для этой цели в схеме на фиг. 1 в предлагаемом устройстве используется оптически адресуемый пространственный модулятор 9 света. Подсветка упомянутого модулятора 9 ведется (через поляризационный кубик 15) когерентным светом со стороны поверхности противоположной той, на которой формируется промежуточное искаженное изображение, а рассеянный модулятором 9 когерентный свет подвергается пространственной фильтрации с помощью оптической системы двойного Фурье-преобразования, включающей объективы (линзы 3 и 4), а также согласованный пространственный фильтр 10, помещенный в их общем фокусе. В качестве согласованного пространственного фильтра 10 может использоваться, например, Фурье-голограмма промежуточного искаженного изображения точечного источника при его расположении в плоскости оптимальной фокусировки оптической системы. В результате фильтрации в заднем фокусе соответствующего объектива (линзы 4) получается неискаженное изображение объекта 6, которое считывается далее посредством приемника изображения 11, выполненного, например, в виде цифровой камеры. Отметим, что промышленность еще достаточно далека от решения задачи производства оптически адресуемых модуляторов света высокой скорости и пространственного разрешения, передающих полутоновые изображения, однако, уже наметились перспективные решения.

Принцип работы другого варианта исполнения устройства (по п. 6 формулы) основан на введении искажения в ход световых лучей посредством амплитудно-фазовой маски в виде дифракционного оптического элемента (ДОЭ). Как уже отмечалось выше, в соответствии с п. 2 формулы изобретения, данный способ наиболее эффективно работает, если при дефокусировке противоположных знаков элементарные пучки лучей, проходящих через амплитудно-фазовую маску на постоянном расстоянии "ρ" от центра упомянутой маски, пересекают плоскость формирования промежуточного искаженного изображения в зоне окружности одинакового радиуса, зависящего от "ρ" и достаточно большого по сравнению с величинами искажений, вызываемых дефокусировкой и аберрациями оптической системы в пределах каждой такой кольцевой зоны. Для получения такого эффекта может быть использован, например, ДОЭ с радиальными штрихами, частота которых на периферии достаточно велика, чтобы обеспечить инвариантность импульсного отклика оптической системы, а следовательно, и оптической передаточной функции, относительно дефокусировки. Для повышения эффективности преобразования ДОЭ можно разбить на достаточно узкие кольцевые зоны, в которых период дифракционной структуры сохраняется примерно постоянным, так что одинаковые дифракционные порядки фокусируются на окружностях одинакового радиуса, образуя изображение точечного источника в виде набора узких дифракционных колец, а в идеальном случае (для ДОЭ с "блеском") только одно кольцо с плавным снижением интенсивности к периферии. При использовании такого рода амплитудно-фазовой маски мы получим при прочих равных условиях значительный выигрыш в освещенности пятна рассеяния (по сравнению с прототипом), что позволяет снизить требования к оптико-электронному преобразователю (вместо 10-12 битного АЦП ограничится 8-битным).

В другом возможном варианте (см. фиг. 4) форма штрихов ДОЭ имеет вид согласно функции
Φ = Φ_i+ kρ²,
где Φ и ρ - нормированные полярные координаты в плоскости амплитудно-фазовой маски;
Φ_i- полярный угол, определяющий направление i-го штриха в начале координат;
k - постоянный коэффициент, зависящий от длины волны применяемого излучения, протяженности объекта и числа штрихов ДОЭ.

Как и в описанном выше случае ДОЭ может быть разбит на кольцевые зоны, отличие, однако состоит в том, что одинаковые дифракционные порядки фокусируются на окружностях разного радиуса и, следовательно, не вызывают интерференционных эффектов, приводящих к изменению импульсного отклика системы.

При использовании предлагаемых АФМ целесообразно ввести аподизацию входного зрачка посредством амплитудной маски с нулевым пропусканием в центральной зоне и с плавным увеличением коэффициента пропускания к периферии для повышения однородности распределения света в пятне рассеяния и уменьшения его поперечных размеров (ширины кольца).

Профиль штриха ДОЭ предпочтительно должен быть треугольной формы для получения максимальной дифракционной эффективности АФМ. В этом случае практически вся световая энергия будет перекачиваться в первый порядок дифракции, что существенно снижает уровень фона в формируемом промежуточном искаженном изображении и облегчает восстановление неискаженного изображения объекта 6.

Таким образом, заявленные способ и устройство для его осуществления могут быть широко использованы 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. 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. Более того, в качестве амплитудно-фазовой маски в предлагаемом способе и устройстве для его осуществления может быть использовано любое средство, вызывающее отклонения соответствующих пучков излучения в направлении ортогональном аберрациям системы, формирующей изображение (осуществляющей, в общем случае, проективное преобразование информационного сигнала). Амплитудно-фазовая маска может быть выполнена как в виде отдельного элемента (или двух - амплитудной и фазовой масок), так и совмещена с элементом, строящим изображение. Например, ДОЭ может одновременно выполнять как функцию амплитудно-фазовой маски, так и фокусирующего элемента, при соответствующем изменении формы штрихов.

Следует также отметить, что проведенные выше рассуждения ни в коей мере не ограничивают области применения предлагаемого способа и устройства для его осуществления 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.

Формула изобретения

1. Способ формирования оптического изображения в некогерентном свете, согласно которому 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, отличающийся тем, что 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.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что соотношение меридиональной и сагиттальной компонент заданного искажения, вносимого в ход лучей, устанавливают таким образом, что при наличии в оптической системе равных по абсолютной величине дефокусировок противоположного знака точки пересечения световых лучей, проходящих на одинаковых и/или близких по величине расстояниях от центра амплитудно-фазовой маски, лежат в плоскости оптимальной фокусировки промежуточного изображения в кольцевой зоне окружности одного радиуса, величина которого превышает величину искажений, вызываемых дефокусировкой и аберрациями оптической системы в пределах каждой такой кольцевой зоны.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для оптико-электронного преобразования искаженного промежуточного изображения используют оптически адресуемый пространственный модулятор света, а согласованную пространственную фильтрацию этого изображения в когерентном свете осуществляют при использовании двойного Фурье-преобразования.

4. Способ по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что в процессе формирования искаженного промежуточного изображения объекта путем заданного искажения оптического хода лучей посредством амплитудно-фазовой маски, последней сообщают циклическое вращательное движение.

5. Устройство для формирования оптического изображения объекта в некогерентном свете, включающее оптическую систему с, по меньшей мере, одной линзой, а также последовательно расположенные: средство искажения оптического хода лучей в виде амплитудно-фазовой маски; оптико-электронный преобразователь формируемого искаженного промежуточного изображения и средство вычитания искажений, вносимых амплитудно-фазовой маской и оптической системой в целом, отличающееся тем, что амплитудно-фазовая маска выполнена в виде двух установленных соосно и конфокально линзовых растров с расположением линз в каждом из них по концентрическим окружностям, при этом, по меньшей мере, один из линзовых растров установлен с возможностью поворота вокруг оптической оси системы на угол, регламентируемый величиной заданного искажения оптического хода лучей упомянутой системы.

6. Устройство для формирования оптического изображения объекта в некогерентном свете, включающее оптическую систему с, по меньшей мере, одной линзой, а также последовательно расположенные: средство искажения оптического хода лучей в виде амлитудно-фазовой маски; оптико-электронный преобразователь формируемого искаженного промежуточного изображения; средство вычитания искажений, вносимых амплитудно-фазовой маской и оптической системой в целом, отличающееся тем, что амплитудно-фазовая маска выполнена в виде дифракционного оптического элемента с направлением штрихов дифракционной структуры близким к радиальному и с монотонным изменением упомянутого направления и частоты штрихов по мере удаления от центра дифракционного элемента с возможностью обеспечения инвариантности импульсного отклика оптической системы относительно дефокусировки.

7. Устройство по п. 6, отличающееся тем, что штрихи дифракционной структуры дифракционного элемента выполнены с треугольным профилем, высоту которого выбирают из условия обеспечения максимальной дифракционной эффективности этой структуры.

8. Устройство для формирования оптического изображения объекта в некогерентном свете, включающее оптическую систему с, по меньшей мере, одной линзой, а также последовательно расположенные: средство искажения оптического хода лучей в виде амплитудно-фазовой маски; оптико-электронный преобразователь формируемого искаженного промежуточного изображения; средство вычитания искажений, вносимых амплитудно-фазовой маской и оптической системой в целом, отличающееся тем, что амплитудно-фазовая маска выполнена в виде дифракционного оптического элемента, направление штрихов дифракционной структуры которого определяется уравнением следующего вида:
Φ = Φ_i+kρ²,
где Φ и ρ - нормированные полярные координаты в плоскости амплитудно-фазовой маски;
Φ_i - полярный угол, определяющий направление i-го штриха в начале координат;
k - постоянный коэффициент,
с возможностью обеспечения инвариантности импульсного отклика оптической системы относительно дефокусировки.

9. Устройство по п. 8, отличающееся тем, что штрихи дифракционной структуры дифракционного элемента выполнены с треугольным профилем, высоту которого выбирают из условия обеспечения максимальной дифракционной эффективности этой структуры.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6