Способ записи и восстановления многоцветного изображения объекта Советский патент 1991 года по МПК G03H1/26 

Изобретение относится к голографии и предназначено для записи на монохромные и фазовые регистрирующие среды и последующего восстановления многоцветных изображений объектов.

Целью изобретения является повышение яркости восстановленного ийобра- жения обьекта.

На фиг. 1 показан схематический блок записи устройства, реализующего способ; на фиг. 2 - блок восстановления устройства, реализующего способ; на фиг. 3 - схема фильтрации в плоскости пространственных частот спектральной составляющей с произвольной длиной волны (первичной составляющей цветности) при записи фотографии с несущей пространственной частотой (НПЧ); на фиг. 4 - схема расчета конфигурации элемента разрешения и НПЧ на фотографии с НПЧ для спектральной, составляющей с произвольной длиной волны Л (упомянутой вьш1е .первичной составляющей цв етности); на фиг, 5 схема расчета дифракционной эффективности фотографии с Ш1Ч для спектральной составляющей с произвольной длиной волны Д.

t

Блок записи устройства, реализующего описьшаемьй способ (фиг, I) содержит объект 1; оптическую систему (ОС) 2 с плоскостью 3 фокусирования; коллиматор 4; двумерньй растр 5 с идентичными ячейками; ОС 6; фильтр пространственных частот (ФГГЧ) 7, ОС 8; плоскость 9 отфильтрованного объекта изображения, фотопласткну 10.

СП

о

00 00

о

00

Рпстр 5 устпиоплеи в тгредметЕЮй п-поскости (плоскости 3 формировпния сфокусированного промежуточного изображения о(5ъекта (ИО) ОС 2, Коллиматор Д может быть установлен как перед растром 5, так и за ним, задняя главная точка ОС 2 совмещена с передним фокусом коллиматора А. Передняя фокальная плоскость второй ОС 6 совмещена с плоскостью 3 фокусирования промежуточного ИО или, иначе, с плоскостью .растра 5. ФПЧ 7 установлен в задней фокальной плоскости (плоскости пространственных частот) ОС 6. Передняя фокальная плоскость ОС 8 совмещена с задней фокальной ОС 6 и, следовательно, с ФПЧ 7. Фотопластина.- 10 установлена в задней фокальной плоскости ОС 0.

Объект Г может как излучать, так и отражать свет внешнего источника. ДвумерньпЧ растр 5 может быть изготовлен известными способами. ФПЧ 7 может быть изготовлен механическим, фотографическим, фотолитографическим или другими известными способами. От фо- топлабтины требуется чувствительность к излучению в пределах всего видимого диапазона.

Блок восстановления устройства реализующего предлагаемЬй способ (фиг. 2) содержит: источник белого света II; ОС 12; фотографию с НПЧ (представляющую собой экспон.ирован- нуто и химически обработанную фотопластину ) 10; ОС 13; ФПЧ 1Д, однотип,- ньА с ФПЧ 7 и отличающийся от него лишь масштабом; ОС 15 с плоскостью ..16 фокусировки и экран 17.

Источник белого света 1I (ртутная лампа или лампа накаливания) установлен в переднем фокусе ОС 12. Фотография с ШЧ пластины 10 установлена в передней фокальной плоскости ОС 13. ФПЧ 14 установлен в плоскости, с которой совмещены передняя фо- кальная плоскость ОС 5 и задняя фокальная плоскость ОС 13. Экрай 17 yc тановлен в фока.льной плоскости ОС 1 Фокусные.расстояния ОС 6, 8, 13 и 15 обозначены (фиг. 1 и 2) через f ,,

f 1 f 1 f 4 соответственно.

Шаг растра 5, а следовательно.

аметр ячейки растра не превышает раз- мери элемента разрешения в промежуточном сфокусированном ИО на .плоскость 3. Пространственно-частотный спектр кольцевой дифракционной решет

ки, предстпплжощий с.оГюй ячейку растра 5, имеет форму окружности.

ПредпожениьвЧ способ реализуется с помощью описанной схемы следующим об- . разом.

Формируют в белом свете посредством ОС 2 сфокусированное ИО на плоскость 3. В плоскости 3 формирования

ИО мультиплицируют объектный волновой фронт путем пропускания объектного излучения через двумерный растр 5. Выполняют фильтрацию пространственных частот в полученном с помощью ОС

6 спектре пространственных частот мультиплицированного волнового фронта путем пропускания излучения через бинарный ФПЧ 7, формируют отфильтрованное ИО- на плоскость 9 посредством i

ОС 8. Записьш ают фотографию объекта с НПЧ пластины 10 путем экспонирования в плоскость фокусировки ИО на . плоскость 9 фотопластиШ) с последующей химической обработкой этой фото

пластины., .

Восстанавливают с фотографии с НПЧ на пластину 10 в плоскости 9 ИО путем освещения данной фотографии коллимированным пучком белого света от источника 11, где коллиматором является ОС 12. Затем после получения с помощью ОС 13 спектра пространственных частот, проходящего фотографию с Г

НПЧ-излучения, выполняют пространственную фильтрацию таких спектральных составляющих восстановленного ИО, с которыми были записаны соответствующие несущие пространственные частоты

3 фотографии, путем пропускания восстановленного излучения через бинарный фильтр ФПЧ 14. Формирование многоцветного ИО выполняют с помощью ОС 15, ИО на плоскость 16 наблмдается на

экране 17 (фиг. ,2).

50

55

Далее поскольку каждому элементу разрешения в ИО па плоскость 3 должен соответствовать элемент разрешения в ИО на плоскость 9 и ИО на плоскость 16, а ячейка растра i не превосходит размера элемента раз решения d сфокусированного в плоскости растра 5 ИО на плоскость 3, то анализ процесса записи-восстановления многоцветног ИО можно производить по каждой индивидуальной ячейке растра 5. Операция кгультиплицирования иллюстрируется для элемейта объектного волнового

15П8

фронта (фнг. 1) нл произвольной ячейке растра 5 (фактически для элемента разрешения в НО на плоскость 3). Показаны лучи, совпадающие с нормалями к элементам рассматриваемых при анализе волновых фронтов в сечении этих волновых фронтов плоскостью чертежа (фиг. I).

Кроме того, показано (фиг. 3), каким образом в плоскости пространственных частот фапьтруется спектральная составляющая , Из спектра для составляющей А ФПЧ 7 пропускает пространственные частоты только через участки, ограниченные двумя криволинейными четырехугольниками, располо

Изобретение относится к голографии и может .быть использовано для записи на монохромные и фазовые регистрирующие среды и последующего восстановления многоцретньк изображений объектов. Целью изобретения является повьнпение яркости восстановленного изображения объекта. Мультиплицирование объектного волнового фронта в плоскости формирования сфокусированного промежуточного изображения объекта осуществляют путем пропускания объектного излучения через двумерный растр с идентичнь1ми ячейками, а фильтрацию пространственных частот при записи и восстановлении осуществляют путем, пропускания излучения через бинарный фштьтр, выполненный в виде двух центрально-симметричных относительно оптической оси щелей, 5 ип. г л

Обозначив интенсттвность спектраль- ю женными центрально-симметрично отноной составляющей с длиной волн / в пределах некоторой ячейки растра через b (А), операцию мультиплицирования для данной спектральной составляющей на данной ячейке растра 5 можно записать в виде b (;)t. В плоскости пространственных частот (благодаря наличию коллиматора 4, направляющего главный луч пучка, формирующего элемент разрешения на любой ячейке раст- 20 сложную форму. Тем не менее на на

ра, параллельно оптической оси блока записи, плоскость пространственных частот совпадает с задней фокальной плоскостью ОС 6) распределение поля для спектральной составляющей ; пропорционально b (A)Fftj, где F Г - Фурье-образ функции в фигурных скобках (рассматривается случай преобразования когерентного излучения, поскольку на ячейке растра 5 ввиду равенства ее диаметра размеру элемента разрешения в ИО на плоскость 3 поле спектральной составляющей Л является когерентным). Обращаясь к выражению (I) для t, и, применяя известные пра- вила для определения Лурье-образа функции, определяем, что ОС 6 создает в пространственно-частотной плоскости распределение поля

(b(A)/2ffa)f (121Гг /Af, ) - -2 a}« I,(2ff dr /Af ,)/(2i dr // f,)

(1)

где (f - дельта-пункция Дирака;

I, - функция Бесселя первого порядка;

г - текущая радиальная координата в пространственно-частотной плоскости; 0 операция свертки. Показано соответствующее (I) распределение поля (фиг. 3) в плоскости пространственных частот с учетом обычного при проведении анализа оптических систе - упрощения, состоящего в том, 1то рассматривается только центральный лепесток функции

- T,-(2ff dr /n,)/(2 /Af,) с шириной 1,22 fi,/d.

сительно начала координат (оптической оси блока записи) под УГЛОМ 0д

( - ),«.е- ) относительно выбранного направления. Для cocтaвляюш тx с длинами волн лблизи границ/ 1,„ и ,- диапазона вырезаемые и пропускаемые фипьт- ром фигуры, очевидно, не будут четырехугольниками, а будут более

5

,

0

чальном этапе анализа можно ограничиться случаем с криволинейными че- тьфехугольниками, допуская отсутст- в.ие в спектре длин волн объекта на этапе записи и восстановления при краевых составляющих видимого диапазона. Такой подход тем более справедлив по той причине, что кривая видности человеческого глаза в краях видимого диапазона длин волн плавно снижается до нуля.

Особенность формы ФПЧ 7 (аналогично, ФПЧ 14) осложняет получение точного аналитического выражения для распределения поля в плоскости формирования ИО на плоскость 9. Анализ упрощается аппроксимацией криволинейных четырехугольников параллелограммами (фиг. 4). Данное приближение О обеспечивает точность анализа, достаточную для доказательства реализуемости и преимущества предлагаемого способа над прототипом, несложно подтвердить геометрически путем ; 5 совмещений фиг. 4 с фиг. 3, при котором совмещаются вершины лдноименных четырехугольников и параллелограммов, и вычисления относителытых значений площадей для несовпадающих элементов (; упомянутых фигур. Такие вычисления показывают, что при достаточно большой величине определяющего разрешение по спектру длин волн произведения ad (как правило, болыпем 50), где а- с радиальная пространственная частота, отклонение формы параллелограмма от формы криволинейного четырехугольника, вырлженн(.1е через отношение площади несовпадаюршх элементов обеих, фигур к площади совпадающих элементов (что, в конечном счете, и определяет различие реальной дифракционной картины от приближенной) составляет не более нескольких процентов.

В соответствии с приведенной (фиг. 4) схемой показано поле спектральной составляющей Л за ФПЧ 7, где криволинейные четырехугольники аппро- ксимированы параллелограммами. Распределение поля дпя составляющей . А в плоскости формирования ИО на плос- ; кость 9 представляет собой Фурье-об- раз из двух показанных параллелограм- ИОВ, размеры,и форма которых определяют размеры, и форму соответствующего элемента разрещения-в ИО на плоскость 9, а их расположение определяет НПЧ, НПЧ, очевидно, равна 2a-,/f, т,е, имеет постоянное значение для всех спектральных составляющих, а направление НПЧ для каждой спектральной составляющей определяется соответствующим ей углом б;,. Указанные осо- бенности записи фотографии с НПЧ рбъясняют тот факт, что пространственную фильтрацию спектральных составляющих, с которыми записаны соответствующие им НПЧ, осуществляют при t восстановлении фильтром, подобным фильтру, использованному при записи, с коэффициентом подобия /Jj/ р, дпя (фиг. 1 и 2) системы, равным 2 Размер элемента разрешения в ИО на плоскость- 9 отфильтрованного изображения ячейки для спектральной составляющей А (при обычном приближении - это шир1гаа первого максимума дифракционной картины ) в направлении в. очевидно, равен d df /f , а в перпендикулярном направлении - d Plf-j/H, где И (фиго 3) можно считать равным И г 0 Л 5,6, так что d fa/f,ae.

Формирование отфильтрованного изображения элемента разрещения в ЙО 9 на плоскость 9 показано на фиг. 5, . где элементы разрешения дпя отдельны спектр.гльньк составляющих аппроксими руются прямоугольниками со сторонами d и dj. Отнощение dj/d характеризует минимальное угловое разделение, Y, элементов разрещения дпя двух различных спектральных составляющих, Очевидно, что ц 2 u Jd 2 ad9. Таким гобразом, угол ч определяет с точки зрения дифракции максимальное число раздельных спектральных каналов, п, в которых производится запись фотографии с НПЧ

п f/v fPad9/2

(2)

а также наилучшее дифракционное разрешение по спектру

I

( -«и«)/П 2(,, . -А„.„ )

(3)

с другой стороны, предельное разрешение по спектру определяется также из геометрических соображений (фиг. 3). Обозначив геометрическое разрешение по спектру лЛ , получим дпя него выражение 4 dr,/f,a. Поскольку иг, ( ififlS/, то

(.чс

)в11Г.

(А)

сравнивая выражения (3) и (4), находим, что оптимальное, т.е. минимально возможное при заданных а и d, разрешение по спектру, лД , имеет место в случае 4Л &Л ад , при условии 0 /2/ad 1,4//ad. Учитывая взаимосвязь между в иdr, находим условие для оптимального в , невыполнение которого уменьшит спектральное разрещение/ И следовательно,и казит цветопередачу; либо вообще не позволит записать фотографии р НПЧ, Допустим далее, что в излучении, формировавшем некоторый элемент разрешения в ИО на плоскость 3, присут- ;ствовала спектральная составляющая с дпиной волны А . Допустим также с целью упрощения анализа, что в этом излучении в полосе длин волн Д ± дД, где jd Л определено ранее, как разрешение по спектру, отсутствовали другие спектральные составляющие. Тогда в сопряженном элементе разрешения фотографии с НПЧ пластины 10 присутствует решетка, соответствующая А, т.е. с соответствующей шириной, направлением вектора под углом 0 и глубиной модуляции, пропорциональной интенсивности спектральной составляющей Л . Далее решетка модулирует падающее на нее на этапе восстановления излучение, а ОС 13 формирует в плоскости пространственных частот Фурье-образ функции пропускания решетки для произвольной спектральной составляющей л источника излучения

П (фиг. 2). Поскольку Ф)1Ч не пропускает прямо проходя1цего через фотографию с ИПЧ излучение, то отсутствие в излучении объекта с некоторого элемента разрегаения его поверхности составляющей исключает образования соответству ощей элементарной решетки в элементе разрешения на фотографии,

исклгочает дифракцию излучения в нену- лированных лишь собственной 1ШЧ и

левые порядки и, следовательно, исключает возможность появления в спек ре излучения, формирующего элемент разрешения в ИО на плоскость 16, спектральной составляющей И. Анализ процесса дифракции восстанавливающего излучения на элементе разрешения и фильтрации дифрагированного излучения Технически сложнее, чем анализ процесса записи, однако основан на совершенно аналогичных принципах и приводит к таким же результатам. В частности, устанавливается, что приведенные в формуле условия не размер щелей фильтров выражают ФПЧ 1Д наи- более выгодное с точки зрения на этапе восстановления изображения услови фильтрации спектральной составляющей А, с которой была записана данная )егаетка. Естественно, при этом фипьт руются и соседние спектральные составляющие восстанавливающего источника а с помощью схем1)1, аналогичной показанной на фиг, 3, можно определить, что ширина полосы пропускаемых ФПЧ 14 (на половине максимума) длин волн,

.дифрагировавших на рассматриваемой элементарной ре четке, равна и А,Аналогично тому, как это было сделано для операции фильтрации при за-

писи фотографии с НГГЧ пласти гы 10, можно определить, что размер элемента разрешения в многоцветном ИО на плоскость 16 в дифракционном приближении не превьпиает размера изоб- ражения кольцевой дифракционной решетки в этом же ИО-16 в приближении

геометрической оптики.

Яркость восстановленного изображения при прочих равных условиях про- порциональна светоотдаче излучения с элемента разрешения на фотографии с НПЧ, Допустим, не нарушая обпшости анализа, что в спектре излучения при: записи фотографии с НПЧ присутст- вуют ti (уравнение 2) спектральн ых составляющих. В этом случае светоотдача излучения в отдельную спектральную составляющую при восстановлении

многоцпетного НО в прототипе снижается в I/п по сравнению со случаем записи на одной спектральной составляющей. Применяя схему (фиг, 5), получим, что для достаточно больших п, когда соблюдается условие 7Г/2 п - sin (/2 п) с учетом дифракции с участков элемента разрешения, модуfffI4 соседних спектральных составляющих, без учета дифракции с остальных участков, светоотдача в отдельную спектральную составляющую уменьшается менее, чем в 3/4 п.

Условие f/2 п sin ( / /2 п) соблюдается с высокой точностью уже для п 10, т,е. с учетом 6 1,4//ad и уравнения (2), для ff/adT 14. Следовательно, вновь обращаясь к источнику белого свет а, при соблюдении последнего условия обеспечивается повышение яркости по сравнению с прото типом не менее, чем в 3 п/4 /2 раза и, тем самым достигается поставленная цель изобретения. Например, для d О,1 мм и а 1000 лин/м яркость многоцветного ИО при восстановлении повьш1ается по сравнению с прототипом приблизительно в 15 раз,

Кроме того, изобретение обеспечивает повыиение точности передачи распределе ия яркости в изображении по сравнению с прототипом. Действительно, яркость элемента разрешения восстановленного многоцветного изо-. бражения объекта в цротот.ше зависит при прочих равных условиях от заполнения спектра излучения, формирующего данный элемент, т.е, при отсутствии излучения в некоторых участках спектра яркость элемента возрастет по сравнению с яркостью других элементов благодаря повьш1ению светоотдачи в каждую записанную составляющую. Предложенный способ исключает указанный недостаток, поскольку каж- дая составляюа1ая спектра записьшает- ся на отдельньй участок в изображении элемента разрешения на фотографии с НПЧ.

Формула изобретения

Способ записи и восстановления многоцветного изображения объекта, заключающийся в том, что формируют в белом свете сфокусированное промежуточное изображение объекта в

fff

gfuff.f

Фаг. и

Составитель В, Аджалов Редактор В. Трубченко Техред М.Моргентал Корректор Т.Колб

Заказ 870

Тираж 284

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат Патент, г. Ужгород, ул. Гагарина, 101

IS

Фир.г

St

Подписное