RU2132077C1 - Lens for holographic systems - Google Patents

Abstract

FIELD: optical measurements. SUBSTANCE: lens for holographic systems has concentric spherical meniscus and biconvex lens so placed on one optical axis in homogeneous medium that their principal optical axes coincide. In this case examined object is located in front focal plane of lens and radiation detector is positioned in rear one. Source of coherent light situated at will illuminates examined object. Thanks to this each point of examined object is source of secondary waves. Concentric spherical meniscus functions as multi- beam interferometer and biconvex lens throws image of obtained interference picture on radiation detector. Lens for holographic systems makes it feasible to generate holographic image of examined object recording both phase and amplitude components of signal. Matrix of photosensitive elements based on charge-coupled devices with high resolving power is chosen in the capacity of radiation detector. EFFECT: generation of high-quality holographic image, simplified design and reduced dimensions of lens. 1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области оптических измерений и может быть использовано в оптических системах наблюдения, фоторегистрации, а также в голографических системах. The invention relates to the field of optical measurements and can be used in optical surveillance systems, photographic recording, as well as in holographic systems.

Известно многолучевое интерференционное устройство (заявка N 94035715/50 от 23.09.94 г, положительное решение от 05.04.96 г.), содержащее на одной оптической оси точечный источник когерентного линейно поляризованного излучения, установленные по ходу излучения две параллельные поверхности, выполненные сферическими из оптически прозрачного материала, с одним центром кривизны, но различными радиусами кривизны, а также фоточувствительный приeмник излучения. В данном устройстве многолучевая интерференция возникает в результате интерференции вторичных волн, центры которых находятся на первой сферической поверхности. Светоделение возникает за счeт частичного отражения падающего светового потока от первой и второй сферических поверхностей многолучевого интерференционного устройства. Фокусировка оптических лучей происходит с помощью линзы с концентрическими сферическими поверхностями. A multipath interference device is known (application N 94035715/50 from 09/23/94, positive decision from 04/05/96), containing on one optical axis a point source of coherent linearly polarized radiation, two parallel surfaces made spherical from optically mounted along the radiation axis transparent material, with one center of curvature, but with different radii of curvature, as well as a photosensitive radiation detector. In this device, multipath interference occurs as a result of interference of secondary waves whose centers are on the first spherical surface. Beam splitting occurs due to the partial reflection of the incident light flux from the first and second spherical surfaces of a multipath interference device. Focusing of optical rays occurs using a lens with concentric spherical surfaces.

Недостатком данного многолучевого интерференционного устройства является то, что с его помощью возможно получать лишь информацию о местоположении объекта (фазовую составляющую сигнала), но невозможно получить информацию о геометрических размерах объекта (амплитудную составляющую сигнала). The disadvantage of this multipath interference device is that with its help it is possible to obtain only information about the location of the object (phase component of the signal), but it is impossible to obtain information about the geometric dimensions of the object (amplitude component of the signal).

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому объективу для голографических систем является система записи голограммы Фурье-Фраунгофера, которая известна как схема записи в фокальных плоскостях (схема фокус-фокус). Эта схема описана в монографии Оптическая голография: Пер. c англ. /Под ред. Г.Колфилда.-М.:Мир, 1982, c. 187. В этой схеме объект и точечный опорный источник расположены в передней фокальной плоскости двояковыпуклой линзы, а фотопластинка помещается в задней фокальной плоскости этой линзы. Каждая точка объекта создает параллельный пучок света, который падает на фотопластинку. Внеосевой точечный опорный источник также преобразуется двояковыпуклой линзой, в результате чего формируется коллимированный опорный пучок, распространяющийся под некоторым углом к оптической оси. Наблюдая со стороны голограммы, можно видеть, что и объект, и опорный источник фактически располагаются в бесконечности. The closest in technical essence to the proposed lens for holographic systems is the Fourier-Fraunhofer hologram recording system, which is known as the focal plane recording scheme (focus-focus scheme). This scheme is described in the monograph Optical Holography: Per. c English / Ed. G. Culfield.-M.: Mir, 1982, p. 187. In this scheme, the object and the point reference source are located in the front focal plane of the biconvex lens, and the photographic plate is placed in the rear focal plane of this lens. Each point of the object creates a parallel beam of light that falls on the photographic plate. An off-axis point reference source is also converted by a biconvex lens, as a result of which a collimated reference beam is formed, propagating at an angle to the optical axis. Observing from the hologram side, one can see that both the object and the reference source are actually located at infinity.

Недостатком прототипа является отсутствие возможности определить пространственное положение объекта относительно голографической системы. The disadvantage of the prototype is the inability to determine the spatial position of the object relative to the holographic system.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является отсутствие возможности определить пространственное положение объекта относительно голографической системы. The problem to which the invention is directed is the inability to determine the spatial position of the object relative to the holographic system.

Поставленная задача решается тем, что в объективе для голографической системы, содержащей двояковыпуклую линзу 1 и концентрический сферический мениск 2, у которых главные плоскости совпадают, передний фокус объектива совпадает с передним фокусом F₂ концентрического сферического мениска 2, задний фокус - с задним фокусом (-F₁) двояковыпуклой линзы 1, объект расположен в передней фокальной плоскости концентрического сферического мениска 2, объект расположен в передней фокальной плоскости концентрического сферического мениска 2, а трехмерное изображение формируется в задней фокальной плоскости двояковыпуклой линзы 1.The problem is solved in that in a lens for a holographic system containing a biconvex lens 1 and a concentric spherical meniscus 2, in which the main planes coincide, the front focus of the lens coincides with the front focus F _{2 of the} concentric spherical meniscus 2, the back focus with the rear focus (- F ₁ ) a biconvex lens 1, the object is located in the front focal plane of the concentric spherical meniscus 2, the object is located in the front focal plane of the concentric spherical meniscus 2, and three-dimensional An image is formed in the rear focal plane of the biconvex lens 1.

Технический результат, который может быть получен при реализации предлагаемого изобретения заключается в том, что такой объектив позволяет создавать монокулярные голографические телевизионные системы за счет учета дифракционных эффектов возникающих на концентрическом линзовом мениске. The technical result that can be obtained by implementing the present invention is that such a lens allows you to create monocular holographic television systems by taking into account the diffraction effects arising on a concentric lens meniscus.

На чертеже представлена схема объектива для голографических систем. The drawing shows a lens circuit for holographic systems.

Объектив для голографических систем содержит расположенные на одной оптической оси концентрический сферический мениск 2 и двояковыпуклую линзу 1. Главная оптическая плоскость голографического объектива HH' совпадает с главными оптическими плоскостями концентрического сферического мениска 2 и двояковыпуклой линзы 1. Центр кривизны C₂ концентрического сферического мениска 2 расположен на пересечении главной оптической плоскости объектива HH' и оптической оси, при этом r₁ и r₂ радиусы кривизны большей и меньшей сферических поверхностей концентрического сферического мениска 2 соответственно. Объект А наблюдения располагается в области переднего фокуса объектива F₂, а приемник изображения располагается в области заднего фокуса голографического объектива (-F₁).The lens for holographic systems contains a concentric spherical meniscus 2 and a biconvex lens 1 located on the same optical axis 1. The main optical plane of the holographic lens HH 'coincides with the main optical planes of the concentric spherical meniscus 2 and the biconvex lens 1. The center of curvature C _{2 of the} concentric spherical meniscus 2 is located the intersection of the main optical plane of the lens HH 'and the optical axis, with r ₁ and r _{2 the} radii of curvature of the larger and smaller spherical surfaces of the con centric spherical meniscus 2, respectively. The object A of observation is located in the region of the front focus of the lens F ₂ , and the image receiver is located in the region of the back focus of the holographic lens (-F ₁ ).

Объектив для голографических систем работает следующим образом. The lens for holographic systems works as follows.

Объект А наблюдения, расположенный в области переднего фокуса объектива F₂, освещается произвольно расположенным источником когерентного света (не изображен). Таким образом, каждая точка объекта наблюдения является источником вторичных волн. Концентрический сферический мениск 2 выполняет роль многолучевого интерферометра, толщина которого d определяется по формуле:
d = n • r² ₁ /(f • (n - n₀) + n • r₁), (1)
где r₁ - радиус кривизны первой сферической поверхности,
n - показатель преломления оптически однородного материала,
n₀ - показатель преломления среды,
f - фокусное расстояние.The object A of the observation, located in the front focus area of the lens F ₂ , is illuminated by an arbitrarily located source of coherent light (not shown). Thus, each point of the object of observation is a source of secondary waves. Concentric spherical meniscus 2 serves as a multipath interferometer, the thickness of which d is determined by the formula:
d = n • r ² ₁ / (f • (n - n ₀ ) + n • r ₁ ), (1)
where r ₁ is the radius of curvature of the first spherical surface,
n is the refractive index of an optically homogeneous material,
n ₀ is the refractive index of the medium,
f is the focal length.

Для концентрического сферического мениска 2 волновой фронт точечного источника, находящегося в переднем фокусе F₂, представляется плоским волновым фронтом за главной оптической плоскостью HH' этого концентрического сферического мениска. При малом радиусе кривизны r₁ первой сферической поверхности и малой толщине d концентрического сферического мениска 2 главная оптическая плоскость HH' находится вне объема этой линзы. Концентрический сферический мениск 2 имеет главную плоскость в центре кривизны C₂ концентрических сферических поверхностей. Двояковыпуклая линза 1 имеет главную оптическую плоскость HH'. Конструкция голографического объектива такова, что главная плоскость концентрического сферического мениска 2, находящаяся в точке C₂, совмещена с главной плоскостью HH' двояковыпуклой линзы 1. Это позволяет сформировать трехмерное изображение в заднем фокусе двояковыпуклой линзы, определяемом по формуле:
f = n • r / (n - n₀), (2)
где f - фокусное расстояние,
n - показатель преломления оптически однородного материала,
n₀ - показатель преломления среды,
r - радиус кривизны сферической поверхности,
без искажения информации о геометрических размерах исследуемого объекта. Запись голографического изображения означает регистрацию как фазы, так и амплитуды сигнала исследуемого объекта. Данный объектив выполняет проецирование голографического изображения на приемник излучения. Если фотоприемник находится в заднем фокусе объектива, на который падает плоский световой поток, то амплитуда светового потока на фотоприемнике будет максимальна. Если точечный источник излучения находится в переднем фокусе концентрического сферического мениска 2, то сферическая волна пройдя через этот мениск будет иметь плоский волновой фронт. В этом случае осуществляется фазовая модуляция сигнала. Плоский волновой фронт после прохождения концентрического сферического мениска с помощью двояковыпуклой линзы 1 преобразуется в точку изображения в заднем фокусе объектива, то есть осуществляется амплитудная модуляция светового сигнала. Таким образом, данный объектив позволяет получить голографическое изображение исследуемого объекта, фиксируя как фазовую составляющую сигнала с помощью концентрического сферического мениска 2, выполняющего роль многолучевого интерферометра, так и амплитудную составляющую с помощью двояковыпуклой линзу 1. В качестве приемника излучения можно использовать матрицу фоточувствительных элементов на приборах с зарядовой связью (ПЗС) или фотопленку. Для получения изображения высокой четкости необходимо использовать фоторегистрирующий материал с высоким разрешением, например матрицу элементов на ПЗС с размерами каждого элемента 6.8 х 7.12 мкм или фотопленку с размером зерна не более 2 мкм.For a concentric spherical meniscus 2, the wavefront of a point source located in the front focus F ₂ appears to be a plane wavefront behind the main optical plane HH 'of this concentric spherical meniscus. With a small radius of curvature r _{1 of the} first spherical surface and a small thickness d of the concentric spherical meniscus 2, the main optical plane HH 'is outside the volume of this lens. The concentric spherical meniscus 2 has a principal plane at the center of curvature C _{2 of the} concentric spherical surfaces. The biconvex lens 1 has a major optical plane HH ′. The design of the holographic lens is such that the main plane of the concentric spherical meniscus 2, located at point C ₂ , is aligned with the main plane HH 'of the biconvex lens 1. This allows you to create a three-dimensional image in the back focus of the biconvex lens, determined by the formula:
f = n • r / (n - n ₀ ), (2)
where f is the focal length
n is the refractive index of an optically homogeneous material,
n ₀ is the refractive index of the medium,
r is the radius of curvature of the spherical surface,
without distorting information about the geometric dimensions of the investigated object. Recording a holographic image means recording both the phase and the signal amplitude of the object under study. This lens projects a holographic image onto a radiation receiver. If the photodetector is in the back focus of the lens onto which the flat light flux falls, then the amplitude of the light flux at the photodetector will be maximum. If the point source of radiation is in the front focus of the concentric spherical meniscus 2, then the spherical wave passing through this meniscus will have a plane wave front. In this case, phase modulation of the signal is carried out. After passing through a concentric spherical meniscus using a biconvex lens 1, the flat wavefront is converted to an image point in the back focus of the lens, that is, amplitude modulation of the light signal is carried out. Thus, this lens allows you to obtain a holographic image of the object under study, fixing both the phase component of the signal using a concentric spherical meniscus 2, which acts as a multipath interferometer, and the amplitude component using a biconvex lens 1. As a radiation detector, you can use a matrix of photosensitive elements on devices charge-coupled (CCD) or film. To obtain a high-definition image, it is necessary to use a high-resolution photo-recording material, for example, an array of elements on a CCD with each element measuring 6.8 x 7.12 microns or a film with a grain size of no more than 2 microns.

Предлагаемый объектив для голографических систем обладает следующими достоинствами: возможность получения голографического изображения, простота конструкции и малые размеры объектива. The proposed lens for holographic systems has the following advantages: the ability to obtain a holographic image, the simplicity of design and the small size of the lens.

Промышленное применение: предлагаемый объектив для голографических систем найдет применение в голографических системах обработки информации, в частности в системах точного позициирования. Industrial application: the proposed lens for holographic systems will find application in holographic information processing systems, in particular in accurate positioning systems.

Claims (2)

1. Объектив для голографических систем, содержащий двояковыпуклую линзу, отличающийся тем, что дополнительно содержит концентрический сферический мениск, расположенный перед двояковыпуклой линзой, при этом главные плоскости мениска и двояковыпуклой линзы совпадают, передний фокус объектива совпадает с передним фокусом концентрического сферического мениска, а задний фокус объектива совпадает с задним фокусом двояковыпуклой линзы. 1. The lens for holographic systems containing a biconvex lens, characterized in that it further comprises a concentric spherical meniscus located in front of the biconvex lens, the main planes of the meniscus and the biconvex lens coincide, the front focus of the lens coincides with the front focus of the concentric spherical meniscus, and the back focus The lens coincides with the back focus of the biconvex lens. 2. Объектив по п.1, отличающийся тем, что объект расположен в передней фокальной плоскости концентрического сферического мениска, а трехмерное изображение формируется в задней фокальной плоскости двояковыпуклой линзы. 2. The lens according to claim 1, characterized in that the object is located in the front focal plane of the concentric spherical meniscus, and a three-dimensional image is formed in the rear focal plane of the biconvex lens.