Способ записи и восстановления многоцветного изображения объекта

 

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

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК .

ОЛИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (46) 28.02.91. Бюл. У 8 (21) 4341247/25 (22) 10.12.87 ,(72) Н. Г. Власов, А. H. Заборов и А. В, Яновский (53) 772. 99(088.8) (56) Оптическая голография. Под ред.

Г. Колфилда. М.: Мир, 1982, т, 1, с. 208.

J. Nontilla, R. Heruantes. Color

photography by speckle interfегоmetry in white light, Optics Acta, 1982, ч. 29, Ф 6, р. 843-846. (54) СПОСОБ ЗАПИСИ И ВОССТАНОВЛЕНИЯ

ИНОГОЦВЕТНОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ ОБЪЕКТА (57) Изобретение относится к голографии и может:быть использовано для записи на монохромные и фазовые реги/

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

Целью изобретения является повышение яркости восстановленного иэобра" жения объекта.

На фиг. 1 показан схематический блок записи устройства, реализующего способ; иа 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 кон„„SU„„3508803 А 1 (51) 5 С 03 Н 1/26

2 стрирующие среды и последующего восстановления многоцнетиьм иэображений объектов. Целью изобретения является повьнпение яркости восстановленного изображения объекта. Мультиплицирование объектного волноноro фронта в плоскости формирования сфокусиронанного промежуточного изображения объекта осуществляют путем пропускания объектного излучения через .двумерный растр с идентичными ячейками, а фильтрацию пространстненных частот при записи и восстановлении осуществляют путем. пропускания излучения через бинарный фильтр, выполненньй в виде двух центрально-симметричньм относительно оптической осн щелей. 5 ил. фигурации элемента разрешения и НПЧ на фотографии с НПЧ для спектральной. составляющей с произвольной длиной волны Л (упомянутой выше .первичной составляющей цветности);.на фиг. 5схема .расчета дифракционной эффективности фотографии с НПЧ для спектральной составляющей с произвольной длиной волны А, Блок записи устройства, реализую щего описываемый способ (фиг. 1) содержит объект 1; оптическую систему (ОС) 2 с плоскостью 3 фокусирования; коллиматор 4; двумерный растр 5 с идентичными ячейками; ОС 6; фильтр пространственных частот (ФПЧ) 7, ОС

8; плоскость 9 отфильтрованного объекта изображения, фотопластину 10, 3 15ПЯ803

Растр 5 устаноклен в предметной плоскости (пл<>скости 3 формирования сфокусированного промежуточного иэображения объекта (ИО) ОС 2. Коллима5 тор 4 может быть установлен как перед растром 5, так и за ним, задняя главная точка ОС 2 совмещена с передним фокусом коллимат о ра 4. 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.

l0 установлена в эаднеи фокальной плоскости ОС О. 20

Объект I может как излучать, так и отражать свет внешнего источника.

Двумерный растр 5 может быть изготовлен известными способами. ФПЧ 7 может быть изготовлен механическим, фото- 25 графическим, фотолитографическим или другими известными способами. От фо топластины требуется чувствительность к излучению в пределах всего видимого диапазона. 30

Блок восстановления устройства, реализующего предлагаемЫй способ (фиг. 2) содержит: источник белого света 11; ОС 12; фотографию с НПЧ (представляющую собой экспонированную и химически обработанную фото.ппастину ) 10; ОС 13", ФПЧ 14, однотип; ный с ФПЧ 7 и отличающийся от него лишь. масштабом; ОС 15 с плоскостью .16 фокусировки и экран 17.

Источник белого света 11 (ртутная лампа или лампа накаливания) установлен в переднем фокусе ОС 12. Фотография с НПЧ пластины 10 установлена в передней фокальной плоскости ОС

13. ФПЧ 14 установлен в плоскости, с кОторой совмещены передняя фокальная плоскость ОС 15 и задняя фокальная плоскость OC 13, Экрай 17 ус, тановлен в фокальной плоскости ОС 1».

Фокусные расстояния OC 6, 8; 13 и

15 обозначены (фиг. 1 и 2) через E „

f 1, f и f соответственно.

Шаг растра 5, а следовательно, диаметр ячейки растра не превышает раэ- 5 мера элемента разрешения в промежуточном сфокусированном ИО на плоскость 3. Пространственно-частотный спектр кольцевой дифракционной решетки, нредставляи11пп1 собой ячейку растра 5, имеет форму окружности.

Предложенный способ реализуется с помощью описанной схемы следующим образом.

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

ИЭ мультиплицируют объектный волновой фронт путем пропускания объектного излучения через двумерный растр 5.

Выполняют фильтрации 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;

ОС 8. Записывают фотографию объекта с НПЧ пластины 10 путем экспонирова" ния в плоскость фокусировки ИО на плоскость 9 фотопластины с последующей химической обработкой этой фотопластины.

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 I2. Затем после получения с помощьи ОС 13 спектра пространственных частот, проходящего фотографию e .

НПЧ-излучения, выполняют пространственную фильтрацию таких спектральных составляющих восстановленного ИО, с которыми были записаны соответствующие несущие пространственные частоты на фотографии, путем пропускания восстановленного излучения через бинарный фильтр ФПЧ 14. Формирование многоцветного ИО выполняют с помощью ОС

15. ИО на плоскость 16 наблюдается на экране 17 (фиг.,2).

Далее поскольку каждому элементу разрешения в ИО на плоскость 3 должен соответствовать элемент разрешения в

ИО на плоскость 9 и ИО на плоскость

i6, а ячейка растра " не превосходит размера элемента разрешения 1 сфокусированного в плоскости растра 5 ИО на плоскость 3, то анализ процесса записи-восстановления многоцветного

ИО можно производить по каждой индивидуальной ячейке растра 5. Операция мультнплицирования иллюстрируется для элемента обьектного волкового

5 15088 фронта (фиг. 1) на произвольной ячейке растра 5 (фактически для одного элемента разрешения в ИО на плоскость 3). Показаны лучи, совпадающие с нормалями к элементам рассматриваемых при анализе волновых фронтов в сечении этих волновых фронтов плоскостью чертежа (фнг. 1).

Ф

Обозначив интенсивность спектраль- 10 ной составляющей с длиной волн М в пределах некоторой ячейки растра через Ъ (Д), операцию мультиплицирования для данной спектральной составляющей на данной ячейке растра 5 можно 15 записать в виде b (3)t. В плоскости пространственных частот (благодаря наличию коллиматора 4, направляющего главный луч пучка, формирующего элемент разрешения на любой ячейке раст- 20 ра, параллельно оптической оси блока записи, плоскость пространственных частот совпадает с задней фокальной плоскостью ОС 6) распределение поля для спектральной составляющей Л про- 25 порционально b (h)F )t), где F (Фурье-образ функции в фигурных скобках (рассматривается случай преобразования когерентного излучения, поскольку на ячейке растра 5 ввиду ра- 30 венства ее диаметра размеру элемента разрешения в ИО на плоскость 3 поле спектральной составляющей Л является когерентным). Обращаясь к выражению (I) для t H применяя известные пра- 35 вила для определения Фурье-образа функции, определяем, что OC 6 создает в пространственно-частотной плоскости распределение поля

40 (b(A)/2 ft а) сР (Д2Ч г /Л f, )

- 2 7 а 36> I, (2 dr /Л f ) /(2 dr /Л f, ), (! ) где д — дельта-;функция Дирака;

I — функция Бесселя первого по3

45 рядка;

r. — текущая радиальная коордннаI та в пространственно-частотной пло скос ти;

® — операция свертки.

5(Показано соответствующее (I) распределение поля (фиг. 3) в плоскости пространственных частот с учетом обычного при проведении анализа оптических систем упрощен та, состоящего в том, что рассматривается только

55 . центральный лепесток функции

I,(2 и dr /Af„)/(2 и dr /A f, ) с шириной 1, 22 3 Г /d.

О3

Кроме того, показано (фиг. 3) каким образом в плоскости пространственнь.х частот фильтруется спектральная составляющая 3 . Иэ спектра для составляющей A ФПЧ 7 пропускает пространственные частоты только через участки, ограниченные двумя криволинейными четырехугольниками, расположенными центрально-симметрично относительно начала координат (оптической оси блока записи) под углом 0 (1 — Л,„„„) ri/(Л „, — я„„„) относительно выбранно го направления. Для составляющих с длинами волн вблизи границ 1 „и Ь, видимого диапазона вырезаемые и пропускаемые фильтром фигуры, очевидно, не будут четырехугольниками, а будут иметь более сложную форму. Тем не менее на начальном этапе анализ а можно огра ничиться случаем с криволинейными четырехугольниками, допуская отсутстВие 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 планно снижается до нуля.

Особенность формы ФПЧ 7 (аналогично, ФПЧ 14) осложняет получение точного аналитического выражения для распределения поля в плоскости hopмирования ИО на плоскость 9. Анализ упрощается аппроксимацией криволинейных четырехугольников параллелограммами (фиг. 4). Данное приближение обеспечивает точность анализа, достаточную для доказательства реализуемости и преимущества предлагаемого способа над прототипом, что несложно подтвердить геометрически путем совмещений фиг. 4 с фиг. 3, при котором совмещаются вершины одноименных четырехугольников и параллелограммов, и вычисления относительных 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, большем 50), где а— радиальная пространственная частота, отклонение формы параллелограмма от формы криволинейного четырехугольника, выраженные через о1 ношение площади несовпадаюших элементов обеих. фи1508803 гур к площади совпадающих элементов (что, н конечном счете, и определяет различие реальной дифракционной картины от приближенной) составляет не

5 более нескольких процентов.

В соответствии с приведенной (фиг. 4) схемой показано поле спектральной составляющей h за ФПЧ 7, где криволинейные четырехугольники аппро- 10 ксимиронаны параллелограммами. Распределение поля дпя составляющей, Л ч в плоскости формирования ИО на плос-; кость 9 представляет собой Фурье-образ из двух показанных параллелограм- 15 мои, размеры. и форма которых опредеЛяют размеры. и форму соответствующеГо элемента разрешения.в ИО на плоскость 9, а их расположение определяет НПЧ. НПЧ, очевидно, равна 2а,/f„ 2< т.е. имеет постоянное значение для всех спектральных составляющих, а направление НПЧ для каждой спектральной составляющей определяется соответствующим ей углом 9Л. Указанные осо- 25 бенности записи фотографии с НПЧ объясняют тот факт, что пространственную фильтрацию спектральных составляющих, с которыми записаны соответствующие им НПЧ, осуществляют при 3п восстановлении фильтром, подобным фильтру, использованному при записи, с коэфАициентом подобия 8,/ р, дпя (фиг. 1 и 2) системы, равным 2 fgf

Размер элемента разрешения в ИО на плоскость 9 отфильтрованного изображения ячейки для спектральной составляющей Л (при обычном приближенииэто ширина первого максимума дифрака ционной картины ) в направлении ОЛ, 4О очевидно, равен d йГ /f,, а в перпендикулярном направленйи — d

h f /Н, где H (фиг. 3) можно считать равным H = r 8 Л f 8, так что (Э

d 4* f /f., a 8.

Формирование отфильтрованного изо,бражения элемента разрешения в ИО 9 на плоскость 9 показано на фиг. 5, гдЕ элементы разрешения для отдельных спектральных составляющих аппроксимируются прямоугольниками со сторонами

d и d . Отношение d „/d характеризует минимальное угловое разделение, 44/, элементов разрешения дпя двух ч различных спектральных составляющих, Очевидно, что у 2 d /d 2 ad8

Таким эбразом, угол ч определяет с точки зрения дифракции максимальное число раздельных спектральных каналон, и, н которых производится запись фотографии с НПЧ (2) n - К/v - Гade/2 а также наилучшее дифракционное разрешение по спектру

I дЛ = (Л „„,— Л „,)/n = 2(Л (3) С другой стороны предельное разрешение по спектру определяется также иэ геометрических соображений (фиг. 3). Обозначив геометрическое разрешение по спектру 44, получим дпя него выражение 4Л"- dr,/f, а. ПоСКОЛЬКУ Вr, св (Л,4,и, — Л „„) f ÂÞ, та дЛ =(Л„„,- Л „„1Е/т. (4) Сравнивая выражения (3) и (4), находим, что оптимальное, т.е. минимально возможное при заданных а и d, разрешение по спектру, д Л, имеет место в случае 4Л = йЛ = 6Д, при условии О /2/ad = 1,4//ad. Учить вая взаимосвязь между 8 и аг,, находим условие для оптимального 8 не- выполнение которого уменьшит спектральное разрешение,и следовательно,исказит цветопередачу; либо вообще не позволит записать фотографии НПЧ.

Допустим далее, что в излучении, формировавшем некоторый элемент pasрешения н ИО на плоскость 3, присут.ствовала спектральная составляющая. с длиной волны Л, Допустим также с целью упрощения анализа, что в этом излучении в полосе длин волн .Л 1 ьЛ> где В 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 по . углом 9Л и глубиной модуляции, пропорциональной интенсивности спектральной составляющей Ь . Далее решетка модулирует падающее на нее на этапе восстановления излучение, à OC 13.формирует в плоскости пространственных частот

Фурье-образ функции пропускания решетки для произвольной спектральной составляющей Л источника излучения

9 15088

11 (фиг. 2), Поскольку Ф11Ч 14 не пропускает прямо проходящего через фотографию с НПЧ излучение, то отгутствие в излучении объекта с некоторого

5 элемента разрешения его поверхности составляющей исключает образонания соответствующей элементарной решетки в элементе разрешения на фотографии, исключает дифракцию излучения в нену-10 левые порядки и, следовательно, исключает возможность появления н спект-1 ре излучения, формирующего элемент

I разрешения в ИО на плоскость 16, спектральной составляющей Л . Анализ 15 процесса дифракции восстананлинаюшего излучения на элементе разрешения и фильтрации дифра гирова нно го из луч ения технически сложнее, чем анализ процесса записи, однако основан на 20 совершенно аналогичных принципах и приводит к таким же результатам. В частности, устанавливается, что приведенные в формуле условия не размер щелей фильтров выражают ФПЧ 14 наиболее выгодное с точки зрения на этапе восстановления изображения условие фильтрации спектральной составляющей с которой была записана данная решетка. Естественно, при этом фильт- 30 руются и соседние спектральные составляющие восстанавливающего источника, а с помощью схемы, аналогичной пока— занной на фиг. 3, можно определить, что ширина полосы пропускаемых ФПЧ 14 3 (на половине максимума) длин волн, дифрагировавших на рассматриваемой элементарной решетке, равна dЛ

Аналогично тому, как это было сделано для операции фильтрации при за- 40 .писи фотографии с НПЧ пластины 10, можно определить, что размер элеменJ та разрешения в многоцветном ИО на плоскость 16 н дифракционном прибликении не превьппает размера изоб- 45 ражения кольцевой дифракционной решетки в этом же ИО-16 в приближении геометрической оптик и.

Яркость восс тановленного из ображения при прочих равных условиях пропорциональна светоотдаче излучения с элемента разрешения на фотографии с

НПЧ. Допустим, не нарушая общности анализа, что в спектре излучения при записи фотографии с НПЧ присутст- вуют и (уравнение 2) спектральных составляющих. B этом случае светоотдача излучения в отдельную спектральную составляющую при восстановлении

03

10 многоцветного ИО в прототипе снижается в 1/и по сравнению со случаем записи на одной спектральной составляющей. Применяя схему (фиг. 5), получим, что для достаточно больших и, когда соблюдается условие fi/2 n— sin (f/2 n) с учетом дифракции с участкон элемента разрешения, модулированных литпь собственной НПЧ и

НПЧ соседних спектральных составляющих, беэ учета дифракции с остальных участков, светоотдача н отдельную спектральную составляющую уменьшается менее, чем н 3/4 и.

Условие Ч/2 n sin (Г/2 п) соблюдается с высокой точностью уже для и ) 10, т.е. с учетом 61= 1,4/ ad и уравнения (2),для 1(ad 14. Следо- . вательно, вновь обращаясь к источнику белого света, при соблюдении последнего условия обеспечивается повьппение яркости по сравнению с прото- типом не менее, чем н 3 n/4 "= !Гад /2 раза и, тем самым достигается поставленная цель изобретения. Например, для d 0,1 мм и а = IOOO лик/им яркость многоцветного ИО при восстановлении повышается по сравнению с прототипом приблизительно в 15 раз.

Кроме того, изобретение обеспечивает повышение точности передачи распределения яркости в изображении по сравнению с прототипом. Действительно, яркость элемента разрешения восстановленного многоцветного изо-. бражения объекта в прототипе зависит при прочих равных условиях от заполнения спектра излучения, формирующего данный элемент, т.е. при.отсутствии излучения в некоторых участках спектра яркость элемента воэ растет по сравнению с яркостью других элементов благодаря поньппению светоот †дачи в каждую записанную составляющую. Предложенный способ исключает указанный недостаток, поскольку каж-, дая составляющая спектра записывается на отдельный участок в изображении элемента разрешения на фотографии с НПЧ.

Формула изобретения

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

3 l2 ния в сфокусированном промежуточном изображении объекта, а Фильтрацию пространственных частот при записи и восстановлении фотографии с несущей пространственной частотой осуществляют путем пропускания излучения через бинарный фильтр, выполненный в виде двух центрально-симметричных относительно оптической оси щелей, 4 каждая из которых развернута в 180градусном секторе вдоль отрезка спирали Архимеда с минимальным и макси-. мальным радиусами соответственно равными: гг „...„, Рt ма" аю с границы видимого диапазона оптического участка спектра электромагнитных волн; масштабные коэффициенты пространственно-частотного преобразования в оптических трактах соответственно записи и восстановления при радиальной ширине щелей, равной: и

I (2 fr а г)Р (r), 30 где 1 (.) - функция Бесселя нулевого порядка; г — радиальная координата в полярной системе координат с полюсом в центре ячей KH и - диаметр ячейки растра; (1, 0 „r сd/2 а — радиальная пространственная частота, и с шагом между центрами ячеек, не превышающим размер элемента разрешепри записи dr, I,4,з, (p „,- „„) * Б /(т4);

40 при восстановлении dr !,4p (h„„-л„" Ф/(1 Га).

I I 150880 плоскости формирования которого мультиплицируют объектный волновой Фронт> выполняют фильтрацию пространственных частот мультиплицированного волнового фронта, Формируют отфильтрованное изображение объекта, записывают фотографию объекта с несущей пространственной частотой и восстанавливают с фотографии изображение объекта, после чего выполняют пространственную фильтрацию таких спектральных составляющих восстановленного изображения объекта, с которыми

6bUlH записаны соответствующие несу щие пространственные частоты на фотографии, и формируют многоцветное при записи г,„„„ф Л„„„., r иэображение объекта, о т л и ч аю шийся . тем, что, с целью повышения яркости восстановленноro мнопри восстановлении r P М а, гоцветного изображения объекта, мин 1;мин . мультиплицирование волнового фронта осуществляют путем пропускания объектного излу гения через двумерный гдето „„ и Л„„„, растр с идентичными ячейками, переменная составляющая t амплитудного пропускания каждой нз которых опреде- ляется выражением, 1508803 иа3

Составитель В. Аджалов

Редактор В. Трубченко Техред М.Моргентал Корректор Т.Колб

Заказ 870

Подписное

Тираж 284

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., л. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. ужгород, ул. Гагарина, 101