ОБЪЕКТИВ ДЛЯ ГОЛОГРАФИЧЕСКИХ СИСТЕМ Российский патент 1999 года по МПК G02B5/32 G02B9/04 

Изобретение относится к области оптических измерений и может быть использовано в оптических системах наблюдения, фоторегистрации, а также в голографических системах.

Известно многолучевое интерференционное устройство (заявка N 94035715/50 от 23.09.94 г, положительное решение от 05.04.96 г.), содержащее на одной оптической оси точечный источник когерентного линейно поляризованного излучения, установленные по ходу излучения две параллельные поверхности, выполненные сферическими из оптически прозрачного материала, с одним центром кривизны, но различными радиусами кривизны, а также фоточувствительный приeмник излучения. В данном устройстве многолучевая интерференция возникает в результате интерференции вторичных волн, центры которых находятся на первой сферической поверхности. Светоделение возникает за счeт частичного отражения падающего светового потока от первой и второй сферических поверхностей многолучевого интерференционного устройства. Фокусировка оптических лучей происходит с помощью линзы с концентрическими сферическими поверхностями.

Недостатком данного многолучевого интерференционного устройства является то, что с его помощью возможно получать лишь информацию о местоположении объекта (фазовую составляющую сигнала), но невозможно получить информацию о геометрических размерах объекта (амплитудную составляющую сигнала).

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому объективу для голографических систем является система записи голограммы Фурье-Фраунгофера, которая известна как схема записи в фокальных плоскостях (схема фокус-фокус). Эта схема описана в монографии Оптическая голография: Пер. c англ. /Под ред. Г.Колфилда.-М.:Мир, 1982, c. 187. В этой схеме объект и точечный опорный источник расположены в передней фокальной плоскости двояковыпуклой линзы, а фотопластинка помещается в задней фокальной плоскости этой линзы. Каждая точка объекта создает параллельный пучок света, который падает на фотопластинку. Внеосевой точечный опорный источник также преобразуется двояковыпуклой линзой, в результате чего формируется коллимированный опорный пучок, распространяющийся под некоторым углом к оптической оси. Наблюдая со стороны голограммы, можно видеть, что и объект, и опорный источник фактически располагаются в бесконечности.

Недостатком прототипа является отсутствие возможности определить пространственное положение объекта относительно голографической системы.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является отсутствие возможности определить пространственное положение объекта относительно голографической системы.

Поставленная задача решается тем, что в объективе для голографической системы, содержащей двояковыпуклую линзу 1 и концентрический сферический мениск 2, у которых главные плоскости совпадают, передний фокус объектива совпадает с передним фокусом F₂ концентрического сферического мениска 2, задний фокус - с задним фокусом (-F₁) двояковыпуклой линзы 1, объект расположен в передней фокальной плоскости концентрического сферического мениска 2, объект расположен в передней фокальной плоскости концентрического сферического мениска 2, а трехмерное изображение формируется в задней фокальной плоскости двояковыпуклой линзы 1.

Технический результат, который может быть получен при реализации предлагаемого изобретения заключается в том, что такой объектив позволяет создавать монокулярные голографические телевизионные системы за счет учета дифракционных эффектов возникающих на концентрическом линзовом мениске.

На чертеже представлена схема объектива для голографических систем.

Объектив для голографических систем содержит расположенные на одной оптической оси концентрический сферический мениск 2 и двояковыпуклую линзу 1. Главная оптическая плоскость голографического объектива HH' совпадает с главными оптическими плоскостями концентрического сферического мениска 2 и двояковыпуклой линзы 1. Центр кривизны C₂ концентрического сферического мениска 2 расположен на пересечении главной оптической плоскости объектива HH' и оптической оси, при этом r₁ и r₂ радиусы кривизны большей и меньшей сферических поверхностей концентрического сферического мениска 2 соответственно. Объект А наблюдения располагается в области переднего фокуса объектива F₂, а приемник изображения располагается в области заднего фокуса голографического объектива (-F₁).

Объектив для голографических систем работает следующим образом.

Объект А наблюдения, расположенный в области переднего фокуса объектива F₂, освещается произвольно расположенным источником когерентного света (не изображен). Таким образом, каждая точка объекта наблюдения является источником вторичных волн. Концентрический сферический мениск 2 выполняет роль многолучевого интерферометра, толщина которого d определяется по формуле:
d = n • r² ₁ /(f • (n - n₀) + n • r₁), (1)
где r₁ - радиус кривизны первой сферической поверхности,
n - показатель преломления оптически однородного материала,
n₀ - показатель преломления среды,
f - фокусное расстояние.

Для концентрического сферического мениска 2 волновой фронт точечного источника, находящегося в переднем фокусе F₂, представляется плоским волновым фронтом за главной оптической плоскостью HH' этого концентрического сферического мениска. При малом радиусе кривизны r₁ первой сферической поверхности и малой толщине d концентрического сферического мениска 2 главная оптическая плоскость HH' находится вне объема этой линзы. Концентрический сферический мениск 2 имеет главную плоскость в центре кривизны C₂ концентрических сферических поверхностей. Двояковыпуклая линза 1 имеет главную оптическую плоскость HH'. Конструкция голографического объектива такова, что главная плоскость концентрического сферического мениска 2, находящаяся в точке C₂, совмещена с главной плоскостью HH' двояковыпуклой линзы 1. Это позволяет сформировать трехмерное изображение в заднем фокусе двояковыпуклой линзы, определяемом по формуле:
f = n • r / (n - n₀), (2)
где f - фокусное расстояние,
n - показатель преломления оптически однородного материала,
n₀ - показатель преломления среды,
r - радиус кривизны сферической поверхности,
без искажения информации о геометрических размерах исследуемого объекта. Запись голографического изображения означает регистрацию как фазы, так и амплитуды сигнала исследуемого объекта. Данный объектив выполняет проецирование голографического изображения на приемник излучения. Если фотоприемник находится в заднем фокусе объектива, на который падает плоский световой поток, то амплитуда светового потока на фотоприемнике будет максимальна. Если точечный источник излучения находится в переднем фокусе концентрического сферического мениска 2, то сферическая волна пройдя через этот мениск будет иметь плоский волновой фронт. В этом случае осуществляется фазовая модуляция сигнала. Плоский волновой фронт после прохождения концентрического сферического мениска с помощью двояковыпуклой линзы 1 преобразуется в точку изображения в заднем фокусе объектива, то есть осуществляется амплитудная модуляция светового сигнала. Таким образом, данный объектив позволяет получить голографическое изображение исследуемого объекта, фиксируя как фазовую составляющую сигнала с помощью концентрического сферического мениска 2, выполняющего роль многолучевого интерферометра, так и амплитудную составляющую с помощью двояковыпуклой линзу 1. В качестве приемника излучения можно использовать матрицу фоточувствительных элементов на приборах с зарядовой связью (ПЗС) или фотопленку. Для получения изображения высокой четкости необходимо использовать фоторегистрирующий материал с высоким разрешением, например матрицу элементов на ПЗС с размерами каждого элемента 6.8 х 7.12 мкм или фотопленку с размером зерна не более 2 мкм.

Предлагаемый объектив для голографических систем обладает следующими достоинствами: возможность получения голографического изображения, простота конструкции и малые размеры объектива.

Промышленное применение: предлагаемый объектив для голографических систем найдет применение в голографических системах обработки информации, в частности в системах точного позициирования.

Объектив для голографических систем относится к области оптических измерений. Объектив для голографических систем содержит расположенные в однородной среде на одной оптической оси концентрический сферический мениск и двояковыпуклую линзу таким образом, что их главные оптические плоскости совпадают. При этом исследуемый объект размещают в передней фокальной плоскости объектива, а приемник излучения - в задней. Произвольно расположенный источник когерентного света освещает исследуемый объект. Вследствие этого каждая точка исследуемого объекта становится источником вторичных волн. Концентрический сферический мениск выполняет роль многолучевого интерферометра, а двояковыпуклая линза проецирует получаемую интерференционную картину на приемник излучения. Объектив для голографических систем позволяет получить голографическое изображение исследуемого объекта, фиксируя как фазовую так и амплитудную составляющие сигнала. В качестве приемника излучения выбирают матрицу фоточувствительных элементов на приборах с зарядовой связью с высокой разрешающей способностью. Объектив для голографических систем позволяет получить голографическое изображение высокого качества, упростить конструкцию и уменьшить размеры объектива. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Объектив для голографических систем, содержащий двояковыпуклую линзу, отличающийся тем, что дополнительно содержит концентрический сферический мениск, расположенный перед двояковыпуклой линзой, при этом главные плоскости мениска и двояковыпуклой линзы совпадают, передний фокус объектива совпадает с передним фокусом концентрического сферического мениска, а задний фокус объектива совпадает с задним фокусом двояковыпуклой линзы. 2. Объектив по п.1, отличающийся тем, что объект расположен в передней фокальной плоскости концентрического сферического мениска, а трехмерное изображение формируется в задней фокальной плоскости двояковыпуклой линзы.