Способ записи и восстановления многоцветного изображения объекта

ОЮЗ СОВЕТСК СОЦИА ЛИСТ ИЧРЕСПУБЛИК . 088(51)5 С 03 Н 12 ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯК А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(56) Оптическая голография. Под ред, Г. Колфилда, М,: Мир, 1982, т, 1, с. 208.д. Мопй 111 а, К, Негцааев. Со 1 ог рЬоодгарЬу Ьу аресте 1 петГегошейгу дп чЬ 1 йе 11 яЬ, Орй 1 са Ас 1 а, 1982, ч. 29, Ф 6, р. 843-846.(54) СПОСОБ ЗАПИСИ И ВОССТАНОВЛЕНИЯ МНОГОЦВЕТНОГО 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 2стрирующие среды и последующего восстановления многоцнетиьм иэображений объектов. Целью изобретения является повьнпение яркости восстановленного изображения объекта. Мультиплицирование объектного волноного фронта в плоскости формирования сфокусированного промежуточного изображения объекта осуществляют путем пропускания объектного излучения через .двумерный растр с идентичными ячейками, а филь трацию пространстненных частот при записи и восстановлении осуществляют путем. пропускания излучения через бинарный фильтр, выполненньй в виде двух центральио-симметричньм относительно оптической осн щелей, 5 ил,фигурации элемента разрешения и НПЧна фотографии с НПЧ для спектральнойсоставляющей с произвольной длинойволны В (упомянутой выше, первичнойсоставляющей цветности); на фиг. 5 схема .расчета дифракционной эффективности фотографии с НПЧ для спектральной составляющей с произвольной длиной волны М,Блок записи устройства, реализую щего описываемый способ (фиг. 1) содержит объект 1; оптическую систему (ОС) 2 с плоскостью 3 фокусирования; коллиматор 4; двумерньй растр 5 с идентичными ячейками; ОС 6; фильтр пространственных частот (ФПЧ) 7, ОС 8; плоскость 9 отфильтрованного объекта изображения, Фотопластину 10,3 15 ПЯ 803Растр 5 установлен в предметнойплоскости (плскости 3 Формированиясфокусированного промежуточного иэображения объекта (ИО) ОС 2. Коллима 5тор 4 может быть установлен как передрастром 5, так и за ним, задняя главная точка ОС 2 совмещена с переднимФокусом коллиматора 4. Передняя Фокальная плоскость второй ОС 6 совмещена с плоскостью 3 фокусированияпромежуточного ИО или, иначе, с плоскостью, растра 5. ФПЧ 7 установлен взадней фокальной плоскости (плоскости пространственных частот) ОС 6.Передняя фокальная плоскость ОС 8совмещена с задней Фокальной ОС 6 и,следовательно, с ФПЧ 7. Фотопластина10 установлена в эаднеи Фокальнойплоскости ОС О. 20Объект 1 может как излучать, таки отражать свет внешнего источника.Двумерный растр 5 может быть изготовлен известными способами, ФПЧ 7 можетбыть изготовлен механическим, Фотографическим, Фотолитографическим илидругими известными способами. От фотопластины требуется чувствительностьк излучению в пределах всего видимого диапазона. 30Блок восстановления устройства,реализующего предлагаемЫй способ(представляющую собой экспонированную и химически обработанную фото.ппастину) 10; ОС 13; ФПЧ 14, однотип;ный с ФПЧ 7 и отличающийся от неголишь, масштабом; ОС 15 с плоскостью16 Фокусировки и экран 17.Источник белого света 11 (ртутнаялампа или лампа накаливания) установлен в переднем фокусе ОС 12, Фотография с НПЧ пластины 10 установленав передней фокальной плоскости ОС13. ФПЧ 14 установлен в плоскости,с кОторой совмещены передняя Фокальная плоскость ОС 15 и задняя фокальная плоскость ОС 13. Экрай 17 ус,4тановлен в Фокальной плоскости ОС .фокусные расстояния ОС 6, 8; 13 и5015 обозначены (фиг. 1 и 2) через й1и Гсоответственно,Шаг растра 5, а следовательно, диаметр ячейки растра не превышает раэмера элемента разрешения в промежуточном сфокусированном ИО на плоскость 3, Пространственно-частотныйспектр кольцевой дифракционной решетки, нредставляищий 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 фото- пластины. Восстанавливают с Фотографии с НПЧ на пластину 10 в плоскости 9 ИО путем освещения данной фотографии коллимироваииым пучком белого света от источника 11, где коллиматором является ОС 12. Затем после получения с помощьи ОС 13 спектра пространственных частот, проходящего фотографию с . НПЧ-излучения, выполняют пространственную фильтрацию таких спектральных составляющих восстановленного ИО, с которыми быпи 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 16, а ячейка растра " не превосходит размера элемента разрешения Й 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 дпя элемента обьектного волнового5 15088 фронта (фиг. 1) нд 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 фронтон в сечении этих волновых фронтов плоскостью чертежа (фцг. 1).Обозначив интенсивность спектраль ной составляющей с длиной волн Л в пределах некоторой ячейки растра через Ъ , операцию мультиплицирования для данной спектральной составляющей на данной ячейке растра 5 можно 15 записать в виде Ь (Я)1. В плоскости пространственных частот (благодаря наличию коллимдтора 4, направляющего главный луч пучка, формирующего элемент разрешения на любой ячейке раст ра, параллельно оптической оси блока записи, плоскость пространственных частот совпадает с задней фокдльной плоскостью ОС 6) распределение поля для спектральной составляющей Л 6 ро порционально Ь (Л)У с, где ГФурье-образ функции в фигурных скобках (рассматривается случай преобразования когерентного излучения, поскольку на ячейке растра 5 ввиду ра венства ее диаметра размеру элемента разрешения в ИО ца плоскость 3 поле спектральной составляющей Л является когерентным), Обращаясь к выражению (1) для й, и, пРименяя иэнестные правила для определения Фурье-образа функции, определяем, что ОС 6 создает в пространственно-частотной плоскости распределение поля 40( )где д - дельта-функция Дирака;1 - функция Бесселя первого по 45рядка;г. - текущая радиальная коорднната в пространственно-частотной плоскости;- операция свертки.51Показано соответствующее (1) распределение поля (фиг. 3) в плоскостипространственных частот с учетомобычного при проведении анализа оптических систем упрощения, состоящего в том, что рассматривается только55центральный лепесток функции1,(2 Г сЪг /Я Г ) /(2 й йг / Г, )с шириной 1,22 Я Е /с 1,О 36Кроме того, цокдэдцо (фиг. 3), каким образом в плоскости пространственных частот фильтруется спектральная составляющая 3 . Иэ спектра дпя составляющей Ь ФИЧ 7 пропускает пространственные частоты только через участки, ограниченные двумя криволинейными четырехугольниками, расположенными центрально-симметрично относительно начала координат (оптической оси блока записи) под углом 0Лини ) ф ( макс 1 ,ц ) ооси тельно выбранного ндпранления. Для составляющих с длицдмц волн вблизи границ 1 и Л, видимого диапазона вырезаемые ц пропускаемые фильтром фигуры, очевидно, не будут четырехугольниками, д будут иметь более сложную форму. Тем не менее на начальном этапе анализа можно ограничиться случаем с криволинейными четырехугольниками, допуская отсутстВие в спектре длин волн объекта нд этапе записи и восстановления при краевых составляющих видимого диапазона, Такой подход тем более справедлив по той причине, что кривая видцости человеческого глаза н краях видимого диапазона длин волн план- но снижается до нуля.Особенность формы ФПЧ 7 (аналогично, ФПЧ 14) осложняет получение точного аналитического выражения для распределения поля н плоскости формирования ИО ца 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 путемсовмещений фиг. 4 с фиг. 3, при котором совмещаются вершины одноименных четырехугольников и параллелограммов, и вычисления относительных значений площадей для цесовпддающих элементов упомянутых фигур. Такие вычисления показывают, что при достаточно большой величине определяющего разрешение по спектру длин волн произведения ай (как правило, большем 50), где а - радиальная пространственная частота, отклонение формы параллелограмма от формы криволинейного четырехугольника, выраженные через отношение площади несовпддаюших элементов обеих. фи 1508803гур к площади совпадающих элементов (что, в конечном счете, и определяет различие реальной диАракционной картины от приближенной) составляет не5 более нескольких процентов.В соответствии с приведенной (фиг, 4) схемой показано поле спект" ральной составляющей Л за ФПЧ 7, где криволинейные четырехугольники аппро О ксимированы параллелограммами. Распределение поля дпя составляющей, Лч в плоскости формирования ИО на плос-, кость 9 представляет собой Фурье-обраэ из двух показанных параллелограм иов, размеры. и форма которых опредеЛяют размеры. и форму соответствующеГо элемента разрешения.в ИО на плоскость 9, а их расположение определяет НПЧ. НПЧ, очевидно, равна 2 а ,/Г, 2 О т.е. имеет постоянное значение для всех спектральных составляющих, а направление НПЧ для каждой спектральной составляющей определяется соответствующим ей углом ОЛ, Указанные осо бенности записи фотографии с НПЧ объясняют тот факт, что пространственную фильтрацию спектральных составляющих, с которыми записаны соответствующие им НПЧ, осуществляют при и 3 О восстановлении Фильтром, подобным фильтру, использованному при записи, с коэффициентом подобия р,/ р, дпя (фиг. 1 и 2) системы, равным 2 Гз/Г Размер элемента разрешения в ИО на плоскость 9 отфильтрованного изображения ячейки для спектральной составляющей Л (при обычном приближенииэто ширина первого максимума дифракуционной картины ) в направлении ОЛ 4 Оочевидно, равен д щ йГ /Г а в перпендикулярном направленйи - Йли у 1 Г,/Н Где Н (фиги 3) можно считать равным Н = гОщ Л 1 В, так что1 уйЕ/Г,ад.45Формирование отфильтрованного изо,бражения элемента разрешения в ИО 9на плоскость 9 показано на фиг. 5,гдЕ элементы разрешения для отдельныхспектральных составляющих аппроксимируются прямоугольниками со сторонами50д и й . Отношение й /й характеризует минимальное угловое разделение,чу, элементов разрешения дпя двухразличных спектральных составляющих, Очевидно, что у 2 й,/д " 2 ад 6.Таким образом, угол ч определяет сточки зрения дифракции максимальное число раздельных спектральных кана лов, и, н которых производится запись фотографии с НПЧ(2) п К/м ГаИ/2 а также наилучшее дифракционное разрешение по спектруЛЛ = (Л, Лмин)/и = 2(Лмам(3) С другой стороны, предельное разрешение по спектру определяется также иэ геометрических соображений (фиг, 3). Обозначив геометрическое разрешение по спектру 4 Л, получим дпя него выражение 4 Л" Ог,/Г, а. Поскольку В г, св (Л , - Л ) ЕаОЖ то Сравнивая выражения (3) и (4), находим, что оптимальное, т. е. минимально возможное при заданных а и д, разрешение по спектру, д Л, имеет место в случае 4 Л = йЛ = 6 Д", при условии О Г 2/ай = 1,1/1 ад, Учить вая взаимосвязь между д и дг находим условие для оптимального д, не- выполнение которого уменьшит спектральное разрешение,и следовательно,ис" казит цветопередачу; либо вообще не позволит записать фотографии с НПЧ.Допустим далее, что в излучении, формировавшем некоторый элемент разрешения в 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 г ьЛ где В Л определено ранее, как разре" шение по спектру, отсутствовали другие спектральные составляющие. Тогда в сопряженном элементе разрешения фотографии с НПЧ пластины 10 присутствует решетка, соответствующая Ь, т.е. с соответствующей шириной, направлением вектора по, углом 9 Л и глубиной модуляции, пропорциональной интенсивности спектральной составляющей Ь . 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 излучения9 5088 11 (фиг. 2), Поскольку Ф 1 Ч 4 це пропускает прямо проходящего через фотографию с НПЧ излучение, то отгутствие в излучении объекта снекоторого5 элемента разрешения его поверхности составляющей исключает образования соответствующей элементарной репетки в элементе разрешения на Фотографии, исключает дифракцию излучения н нену левые порядки и, следовательно, исключает возможность появления в спектре излучения, формирующего элемент разрешения в ИО на плоскость 16,спектральной составляющей Л . Анализ 15 процесса дифракцци восстанавливающего излучения на элементе разрешения и фильтрации дифрагировднного излучения 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 наи более выгодное с точки зрения на этапе восстановления изображения условие фильтрации спектральной составляющейс которой была записана данная решетка, Естестненцо, при этом Фильт 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 35 (на половине максимума) дпиц волн, диФрагировавпих ца рассматриваемой элементарной решетке, равна ЛЛАналогично тому, как это было сделано для операции фильтрации при за писи Фотографии с НПЧ пластины О, можно определить что размер элемента разрешения в многоцветном ИОна плоскость 16 н дифракциоцном прибликении не превьппает размера изоб ражения кольцевой дифракционной решетки в этом же ИОв приближении геометрической оптики.Яркость восстановленного изображения при прочих равных условиях пропорциональна светоотддче излучения с элемента разрешения ца Фотографии с НПЧ. Допустим, не нарушая общности анализа, что в спектре излученияпри записи ФотограФии с НПЧ присутст вуют и (уравнение 2) спектральных составляющих, В этом случае светоотдача излучения в отдельную спектральную составляющую при восстановлении 031 Омногоцветного 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 Я 2 и фз 1 и (й/2 и) с учетом дифрдкции с участков элемента разрешения, модулированных лцтпь собственной НПЧ и НПЧ соседних спектральных составляющих, беэ учета дифракции с остальных участков, светоотдача в отдельную к спектральную составляющую уменьшается менее, чем н 3/4 и.Условие /2 и з 1 и (132 и) соблюдается с высокой точностью уже для и ) 1 О, т,е, с учетом 6= 14/Гад и уравнения (2),для Ю/ай 2 14, Следовательно, вновь обращаясь к источнику белого света, при соблюдении последнего условия обеспечивается повьппение яркости по сравнению с прото- типом не менее, чем н Э и/4 ": 17 Гад /2 раза и, тем самым достигается поставленная цель изобретения. Например, для йО,1 мм и а = 1000 лик/им яркость многоцветного ИО при восстановлении повышается по сравнению с прототипом приблизительно в 15 раз,Кроме того, изобретение обеспечивает повыпение точности передачи распределения яркости н 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 иэображении элемента разрешения на Фотографии с НПЧ.Формула из о бретенияСпособ записи и восстановления многоцветного иэображения объекта, заключающийся в том, что Формируют в белом свете сфокусированное промежуточное изображение объекта, в3 12ния 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 180- градусном секторе вдоль отрезка спирали Архимеда с минимальным и максимальным радиусами соответственно равными:о,к Р макс а,с границы видимого диапазона оптического участка спектраэлектромагнитных волн;масштабные коэффициенты пространствен" но-частотного преобразования в оптических трактах соответственно записи и восстановления при радиальной ширине щелей, равнойф р,и р1 (2 Ф а г)Р,1 (г),30 где 1,1( ) - функция Бесселя нулевогопорядка;г - радиальная координата вполярной системе координат с полюсом в центреячейкифй вдиаметр ячейки растра;0 с г с Д/2а - радиальная пространственная частота,и с шагом между центрами ячеек, не превышающим размер элемента разрешепри записи дг,14 Р Оекс мчи )ф Б /лд) 3 40 при восстановлении дг,4 р Рцс-л 2 й/(4 Га).11 150880плоскости формирования которого мультиплицируют объектный волновой фрОнтвыполняют фильтрацию пространственных частот мультиплицированного волнового фронта, формируют отфильтрованное изображение объекта, записывают фотографию объекта с несущейпространственной частотой и восстанавливают с фотографии изображениеобъекта, после чего выполняют пространственную фильтрацию таких спектральных составляющих восстановленного изображения объекта, с которымибыли записаны соответствующие несущие пространственные частоты на фотографии, и формируют многоцветное при записи г/3 В ца, г,иэображение объекта, о т л и ч аю щ и й с я . тем, что, с целью повышения яркости восстановленного мнопри восстановлении гД 4 а,гоцветного изображения объекта,МИН 1 .МмН 9мультиплицирование волнового фронтаосуществляют путем пропускания объ"ектного излучения через двумерный гдетои Лмюкс1 растр с идентичными ячейками, переменная составляющая 1 амплитудногопропускания каждой нз которых опреде-ляется выражением,1508803 Риз У оставитель В. Аджаловехред М.Моргентал Корректор Т.Ко В ченк дакт Подписно ираж 284 НТ СС ственно-издательский комбинат "Патент, г. ужгород,Гагарина, 101 роиэ ЗаказВНИИПИ осударственного комитета ло 113035, Москва, Жобретениям и открытиям Раушская наб., л, 4/5