ФУРЬЕ-объектив Советский патент 1992 года по МПК G02B9/34 

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано в голографии, когерентных оптических процессорах с пространственно-частотной фильтрацией и т.п.

Известен Фурье-объектив (ФО) с вынесенным в переднюю фокальную плоскость входным зрачком, корригированный в прямом и обратном ходе лучей, т.е. для двух предметных плоскостей - бесконечно удаленной и передней фокальной плоскости, состоящей из двояковыпуклой линзы и отрицательного мениска, который при диагонали кадра транспаранта (обрабатываемого изображения) мм, максимальной пространственной частоте , длине волны Я 0,6328 мкм и фокусном расстоянии мм обеспечивает практически предельное разрешение - волновая аберрация в плоскости наилучшей установки не превышает ,25 А. Информационная емкость обрабатываемого изображения составляет при этом макс 0,5dK Паакс 2,88-10 элементов ( I - размер квадратного кадра).

Недостатком этого объектива является наличие комы, которая не позволяет увеличить размеры обрабатываемого транспаранта, т.е. увеличить информационную емкость обрабатываемого изображения. Так, при диагонали кадра мм и волновая аберрация из-за комы достигает ,45 А, что заметно превышает критерий Марешаля.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является объектив, содержащий две плосковыпуклые линзы, обращенные выпуклыми поверхностями друг к другу, причем выпуклая поверхность первой плосковыпуклой линзы концентрична осевой точке входного зрачка - переднему фокусу объектива, а выпуклая поверхность второй плосковыпуклой линзы выполнена апланатичной заднему фокусу второй линзы. Однако такой объектив обеспечивает высокое разрешение - лишь при небольших размерах транспаранта из-за сферической аберрации в прямом ходе (лучей) и комы - в обратном ходе,

Целью изобретения является увеличение информационной емкости обрабатыва

Ё

V| С СЛ VJ Ю VI

емого изображения за счет улучшения качества изображения и увеличения размеров поля зрения,

Цель достигается тем, что объектив содержит две плосковыпуклые линзы, обращенные выпуклыми поверхностями друг к другу, отличающийся тем, что выпуклая поверхность первой плосковыпуклой линзы выполнена апланатичной переднему фокусу второй плосковыпуклой линзы, выпуклая поверхность второй плосковыпуклой линзы - концентричной заднему фокусу объектива, а перед первой плосковыпуклой линзой установлен афокальный компенсатор в виде плосковыпуклой линзы и отрицательного мениска, обращенной выпуклыми поверхностями друг к другу, при этом расстояние между передним фокусом объектива и афокальным компенсатором составляет не более 0,05 фокусного расстояния объектива.

Отличительными признаками объектива являются выполнение выпуклой поверхности первой плосковыпуклой линзы, апланатичной переднему фокусу второй плосковыпуклой линзы, выпуклой поверхности второй плосковыпуклой линзы, концентричной заднему фокусу объектива, и введение перед первой плосковыпуклой линзой афокального компенсатора в виде плосковыпуклой линзы и отрицательного мениска, обращенных выпуклыми поверхностями друг к другу, при этом расстояние между передним фокусом объектива и афокальным компенсатором составляет не более 0,05 фокусного расстояния объектива.

На фиг. 1 показана принципиальная схема ФО; на фиг. 2 - оптическая схема предложенного ФО (а) и графики его аберраций (б).

Фурье-объектив осуществляет оптическое преобразование Фурье от амплитудного коэффициента пропускания входного транспаранта, помещенного в его передней фокальной плоскости, и формирует Фурье- спектр в своей задней фокальной плоскости. Принципиальная оптическая схема (см. фиг. 1) включает кадровое окно 1 транспаранта, расположенное в передней фокальной плоскости ФО 2, и плоскость Фурье-спектра 3, совмещенную с задней фокальной плоскостью ФО.

Транспарант, помещенный в кадровое окно 1, освещается когерентной плоской волной, сформированной с помощью лазера и осветительной системы (на фиг. 1 не показаны). В результате дифракции на транспаранте плоская волна преобразуется в набор сферических волн; ФО 2 одновреи

10

15

20

25

30

менно преобразует дифрагированные плоские волны в сферические, образуя в задней фокальной плоскости (амплитудно-фазовый) Фурье-спектр.

При преобразовании плоских волн в сферические (в прямом ходе лучей, т.е. якобы при бесконечно удаленной предметной плоскости ) входным зрачком ФО является кадровое окно транспаранта, ограничивающее световые диаметры плоских волн (, ), а угловое поле зрения определяется максимальным углом дифракции W А VMSKC.

В то же время при преобразовании сферических волн в плоские (т.е. при расположении предметной плоскости в передней фокальной плоскости объектива ) входной зрачок будет бесконечно удален от ФО (), ограничивая его угловую апертуру, численно равную максимальному углу дифракции А макс; линейное поле зрения определяется размерами транспаранта . При эквивалентном расчете ФО в обратном ходе лучей (предметная плоскость в оо) входной зрачок расположен в задней фокальной плоскости ( ), а его диаметр бвх 2 AfMaKcf ; угловое поле равно W tfK/2f .

В идеальном случае (при отсутствии аберраций) распределение поля в задней фокальной плоскости ФО имеет вид

U( х , y )F{tTP( |; /}},

0)

где F - символ преобразования Фурье; Ј, г)- координаты плоскости транспаранта; х , у - координаты задней фокальной плоскости.

При наличии аберраций это распределение поля искажается и принимает вид

U( Ј,Ж1 ()(x ,y )x хР(х ,у ; Јj/, ),ф(2)

где h(x , y )F{P( |, г} ; х , у )} - функция рассеяния ФО в прямом ходе лучей, т.е. при бесконечно удаленной предметной плоскости () и плоскости изображения в задней фокальной плоскости (); Р( Ј,

х y«j exp{jkcD( |, r); х , у )} - аберрационная функция входного зрачка, расположенного в передней фокальной плоскости ФО (в прямом ходе лучей); $( |, tj ; х , у) - волновая аберрация ФО в прямом ходе лучей; Р(х , у ;

|, / )(х , у ; Ј, щ)} - аберрационная функция (в обратном ходе лучей) входного зрачка, расположенного в задней фокальной плоскости ФО; 6(х , у ; |, г ) - волновая аберрация ФО в обратном ходе лучей.

Это выражение показывает, что аберрации ФО в прямом ходе лучей размывают Фурье-спектр транспаранта, а в обратном ходе лучей искажают фазовое распределение Фурье-спектра, из-за чего при обрат- ном преобразовании Фурье размывается восстановленное изображение, т.к. (2) можно представить в виде

U(x , у ; |, у ){Р{ТТР( |, rj ) jgh( I r )®h(x , у1),

где h( |, т} )F{P(x , у ; Ј j; )} - функция рассеяния ФО в обратном ходе лучей.

Проведенный авторами анализ показал, что основными аберрациями известно- го объектива в обратном ходе являются сферическая и кома. В то же время известен двухлинзовый расклеенный афокальный компенсатор (Вычислительная оптика. Справочник, 1984, с. 194), располагаемый вблизи входного зрачка, который при определенной конфигурации линз может вносить положительную сферическую аберрацию. Но при этом такой компенсатор вносит отрицательную кому, сильно зависящую от ди- аметра входного зрачка (диагонали кадра dx) и обычно существенно ухудшающую качество корригируемого объектива. При выполнении линз компенсатора из одинакового стекла он не вносит кривизны и астиг- матизма.

Таким образом, использование известного компенсатора сферической аберрации в сочетании с известным объективом неэффективно.

В соответствии с изобретением (см. фиг. 2а) известный объектив, содержащий две плосковыпуклые линзы, обращенные выпуклыми поверхностями друг к другу, разворачивается на 180°, при этом выпук- лая поверхность первой плосковыпуклой линзы является апланатичной переднему фокусу второй плосковыпуклой линзы, выпуклая поверхность второй плосковыпуклой линзы является концентричной заднему фокусу объектива, а перед первой плосковыпуклой линзой устанавливается афокальный компенсатор в виде плосковыпуклой линзы и отрицательного мениска, обращенных выпуклыми поверхностями друг к другу, при этом расстояние между передним фокусом объектива и афокальным компенсатором составляет не более 0,05 фокусного расстояния объектива.

Такой силовой компонент обладает на- ряду с отрицательной сферической аберрацией положительной комой. Поэтому сочетание данного объектива и известного компенсатора дает положительный эффект,

так как в прямом ходе лучей предлагаемый ФО корригирован на сферическую аберрацию, кому и астигматизм, а в обратном ходе - на кому и астигматизм. По сравнению с известным объективом у предложенного скор- ригированы сферическая аберрация в прямом ходе и кома в обратном ходе. Это позволяет получить высокую разрешающую способность в прямом и обратном ходе лучей при увеличенных по сравнению с известными Фурье-объективами размерами обрабатываемых изображений.

Изобретение иллюстрируется следующим примером. Фурье-объектив с фокусным расстоянием мм имеет следующие конструктивные параметры:

,5

,5

щ-1-51466

,51466

,7125

,51466

На фиг. 26 приведены графики волновых аберраций предложенного ФО в прямом и обратном ходе лучей, полученные при MM, , Д 0,6328 мкм. Из этих графиков видно, что и в прямом и в обратном ходе лучей в плоскостях наилучшей установки волновые аберрации не превышают 0,25 А , т.е. объектив обеспечивает практически предельное разрешение при обработке транспарантов с размерами, в 1,5 раза превышающими известные. Таким образом, информационная емкость обрабатываемых с помощью предложенного объектива изображений заметно увеличена - более чем в 2 раза.

Формула изобретения Фурье-объектив, содержащий две плосковыпуклые линзы, обращенные выпуклыми поверхностями друг к другу, отличающийся тем, что, с целью увеличения информационной емкости обрабатываемых изображений за счет улучшения качества изображения и увеличения размеров поля зрения, выпуклая поверхность первой плосковыпуклой линзы выполнена апланатичной переднему фокусу второй плосковыпуклой линзы, выпуклая поверхность второй плосковыпуклой линзы выполнена концентрично заднему фокусу объектива, а перед первой плосковыпуклой линзой установлен афокальный компенсатор в виде плосковыпуклой линзы и

отрицательного мениска, обращенных вы- объектива и афокальным компенсатором со- пуклыми поверхностями друг к другу, при ставляет не более 0,05 фокусного расстоя- этом расстояние между передним фокусом ния объектива.

Использование: голография, когерентные оптические процессоры. Сущность изобретения: в силовом компоненте из двух плосковыпуклых линз выпуклая поверхность первой линзы апланатична переднему фокусу второй линзы, выпуклая поверхность второй линзы концентрична заднему фокусу объектива, перед первой плосковыпуклой линзой установлен афокальный компенсатор в виде плосковыпуклой линзы и отрицательного мениска. 2 ил.

-1.5 4,0-0.5

№

Составитель Л. Тимашова Редактор Т. Л ошкарева Техред М.МоргенталКорректор О. Густи

Заказ 3384ТиражПодписное

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

t г 1,0

0,5

0 Р/л -ifl -0,1 -0.6 -0,1, -o.i

-0.5 1.0

/,

//

i /

№

/ .&

W

-0,5 -1.0

$V. 2