Способ формирования оптического изображения в некогерентном свете

 

Изобретение относится к методам и средствам преобразования оптического излучения для формирования изображения объектов в некогерентном свете. Его применение при формировании изображений позволяет получить технический результат в виде повышения их качества за счет компенсации ошибок фокусировки оптической системы. Этот результат достигается благодаря тому, что 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. Компенсацию искажений осуществляют посредством согласованной пространственной фильтрации промежуточного искаженного изображения. При этом одновременно формируют два промежуточных искаженных изображения объекта во встречных пучках лучей. Компенсацию упомянутых искажений в процессе согласованной пространственной фильтрации осуществляют после совмещения этих изображений и векторного сложения сигналов в одноименных точках совмещенных изображений. 4 з.п.ф-лы, 18 ил.

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.

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).

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, 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.).

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, 5748371, кл. G 02 В 5/18, 1998 г.).

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.

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.

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.

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.

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.).

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.

Данному известному техническому решению присущи те же недостатки, что и ранее рассмотренному способу по патенту 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 (х³+у³), 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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Оптимально промежуточные искаженные изображения объекта формировать одновременно, при этом использовать встречные пучки лучей со взаимно перпендикулярной поляризацией.

Изобретение иллюстрируется графическими материалами.

Фиг.1 дает вариант оптической системы для реализации заявленного способа с двумя источниками света.

Фиг.2 иллюстрирует промежуточные искаженные изображения объекта, формируемые оптической системой по фиг.1.

Фиг. 3 - вариант оптической системы для реализации заявленного способа с одним источником света и системой зеркал.

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.

Фиг. 5 иллюстрирует промежуточные искаженные изображения объекта, формируемые оптическими системами по фиг.3 и фиг.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).

Фиг.7 иллюстрирует исходный объект.

Фиг. 8 иллюстрирует функцию отклика оптической системы с фазовой маской для технического решения, принятого за прототип.

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.

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.

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).

Фиг.14 - аксонометрическая проекция функции отклика по фиг.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).

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).

Физический принцип реализации (осуществления) патентуемого способа формирования оптического изображения объекта в некогерентном свете заключается в следующем.

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 90^o 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.

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.

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/).

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).

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.

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.

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.

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).

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.

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.

Формула изобретения

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.

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.

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.

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.

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.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13, Рисунок 14, Рисунок 15, Рисунок 16, Рисунок 17, Рисунок 18