Оптическая система формирования изображений с высоким разрешением Советский патент 1984 года по МПК G02B27/00 G02B27/44 

Изобретение относится к. оптике и может быть использовано для формиров ния изображений объектов с высоким разрешением, например при когерентном освещении объектов, без увеличения апертуры оптической системы.

Известна оптическая .система формирования изображений, представляющая собой объектив. ,Поскольку образование изображения в такой системе го существу является следствием двух дифракций, одна из которых соответствует переходу волны от объекта до входного зрачка, а другая - переходу от выходного зрачка до изображения, то разрешение определяется апер турой системы, т.е. лаименьшим размером зрачка, ограничивающего сферический волновой фронт с некоторым распределением амплитуд, строящим изображение объекта. Чем меньше anep тура оптической системы, тем меньшая часть сферической :волны проходит в пространство изображения и, следовательно, тем меньше будетинформации о кривизне сферической поверхности. Эта неопределенность выражается в степени дифракционной размытости изображения, его разрешении, оцениваемом, например, размером центрального.максимума ЭйриС13.

Однако в этой системе для увеличения разрешения изображения(y f- Ttbui ния его дифракционной размытости требуется увеличение апертуры оптической системы, что ведет к увеличению ее весогабаритных характеристик. .. Наиболее близкой к предлагаемой по технической сущности является оптическая система Формирования изображений с высоким разрешением, содер жащая транспарант с периодической дифракционной структурой и объектив , В этом устройстве указанная структура транспаранта выполнена в виде дифракционной решетки, введение которой позволяет передать через объектив несколько различных участков поверхности сферической волны. Это дает дополнительную информацию о радиусе кривизнь волнового фронта, а следовательно, приводит к увеличению разрешения изображения объекта. В данном случае происходит синтез апертуры, что эквивалентно увеличению относительного отверстия оптической системы Г21.

Однако указанная система также обладает недостатками, которые заключаются в том, что для увеличения разрешения необходимо, чтобы апертура дифракционной решетки, установленной вблизи объектива, была больше его апертуры либо при той же апертуре требуется отнесение решетки на некоторое расстояние от объектива. образом и в этом случае увели-

чение разрешения сопровождаетсяувелчением габэритов Системы.

Цель изобретения - увеличение разрешения при сохранении габаритов системы.

Поставленная цель достигается тем, что в оптической системе форми рования изображений с высоким разрешением, содержащей транспарант с Г 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 апертурл объектива, имеет постоянный период, 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 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.2вид транспаранта с кольцевой структурой .

,Предлагаемая оптическая система состоит из транспаранта 1 с периодической дифракционной структурой, которая выполнена в виде системы концентрических колец с периодически изменяющейся, в радиаль ных направлейиях функци.ей пропускания/ и oO-ffei тива 2. При этом функция пропускания центральной части 3 транспаранта 1, диаметр D которой равен 1/3-1/4 апертуры Docf объектива 2, имеет постоянный период, функция пропускания его периферийной части 4 соответствует функции пропускания зонной пластинки Френеля, размер первичной зоны 5 периферийной части 4 совпадает с. периодом функции пропускания центральной части 3 трансдаранта 1, а сам он установлен вплот(Ную JK объективу 2 или выполнен на одной из его поверхностей и имеет одинаковый с ббъективом 2 диаметр Лo(.

Работа предлагаемого устройства осуществляется следующим образом. ,

Пусть волновое поле объекта 60 падает на вход объектива 2, перед ко торым установлен амплитудно-фазовый транспарант 1 с функцией пропускания М . Тогда в плоскости фор ирования изображения волновое поле л)определяется следующим образом:

Хо

( U{x)fCx exp{4,(0x|otx j

-Хо I Ji ITT где Ч щ-у1 « - Г- относительные коор динаты во входной плоскости оОъектива 2 ив плоскости изображения} У и. V - соответственно линейные координаты Л. - длина волны светового ПОЛЯ) f - фокусное расстояни , объектива 2; 2..4jj|- - относительный разм апертуры объектива и трансп-лранта 1, 2.o l5crf- - линейный размер апертуры объектива и транспаранта 1. Если рассматривается объект в ви де точечного источника, то на объек тив 2 падает плоская волна. При отсутствии транспаранта 1 (u6t 1) в плоскости изображения формируется распределение поля ((( , шири на центрального максимума которого равна определяет разрешаю рую способность объектива 2. Тр1ким образом, задача увеличения разрешения сводится к построению .транспаранта, описываемого функцией и (t / который обеспечил бы сужение центргшьноГо максимума распределения поля в плоскости изобра жения, например в идеальном случае до величины дельта-функции Дирака . Рассмотрим этот случай. „, Требуется получить в плоскости изображения р.эспределение поля в ви де функции (ц)) на конечном интерва ле t-tJai o (о Рзниченная зона повышенного разрешения. Конечность размера транспаран.та 1 и конечность области наблюдения в плоскости изображения позволя ют представить функцию пропускания транспаранта U6 тл S (.соУ) в виде рядов по системе вытянутых угловых сфероидальных функций )}j (Лот ЛпСоЙ- система их собственных значений, С XaCO(ii UW- AnHiCx lxl«.Xo, (i) &) И.Шо, СИ , fin-ijaMSnCcogyai (3 lOb . Отметим, что U60 и 8) связаны (Конечным преобразованием Фурье (., С) Подставляя. Ш в (4) и учитывая 2 и C3i , получаем коэффициенты раз; ложения С1) л , ч (fl I Заменяя в выражении С11 коэф фициенты (aJ, согласно С51 находим искомое выражение для функции пропускания транспаранта 1. . fL -J -t :°Vtv,bcX WfeiM Для практического прикюнения ряда (G необходимо ограничиться конечным числом членов VI . Так, при имеем следующую аппроксимацию рядов (6 и (. (б .., 1Ы, Анализ выражения (8) показывает, что для увеличения разрешения необ.ходимо иметь . При этом функция .пропускания дифракционного транспаранта 1 в центральной части 3 размером 1/3-1/4.апертуры объектива 2 является периодической функцией, изменякядейся по закону косинуса, а функ:ция пропускания дифракционного транспаранта 1 в периферийной части 4 повторяет закон зонной пластинки Френеля, причем размер первичной зоны 5 указанной зонной пластинки Ф зенеля 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 ьоны повышенного разрешения 2Ма, после зрения объектива 2 ограничивается величиной угла &/f . При N 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 система по сравнению с базовым объекте -, прототипом позволяет существенно повы сить разрешение при сохранении ее га баритов.

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 пропуска- ния, 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