ОБЪЕКТИВ С ИНВАРИАНТНОЙ МПФ
LENS WITH INVARIANT MODULATION TRANSFER FUNCTION (MPF)

Изобретение относится к области оптики, а более конкретно к конструкции объективов, предназначенных для использования в фотокамерах с целью получения цветных снимков с большой глубиной резко изображаемого пространства.
При фото- или видеосъемке для расширения глубины резко изображаемого пространства изменяют фотографический объектив видеокамеры, получая заведомо нерезкое изображение, а затем применяют специальные алгоритмы обработки получившегося видеокадра и получают видеокадр с резким изображением снимаемой сцены (пространства), начиная с какой-то минимальной дальности. При этом используется специальное кодирование волнового фронта проходящего через объектив излучения, в результате он дает нерезкое изображение всей снимаемой сцены. Введение кодирования волнового фронта проходящего через объектив излучения эквивалентно изменению функции зрачка объектива или какой-то части оптической системы. Наиболее часто в схему объектива вводят специальный элемент - фазовую маску, которая обеспечивает заранее известное изменение оптического пути проходящих лучей света на величину фазовой добавки. Такой метод используется, например, в решениях, описанных в следующих опубликованных или выложенных патентных заявках: US №2004/0257543 [1], ЕР №1687829 [2], ЕР №1478966 [3], ЕР 1779152 [4].
В решениях [1, 2, 3] введение фазовой маски вызывает изменение функции зрачка литографической оптической системы и обеспечивает расширение глубины резко изображаемого пространства. Вследствие этого система может быть изготовлена или использована с меньшими требованиями по точности, меньшей стоимостью и/или увеличенной пропускной способностью. Система может использоваться, чтобы сформировать точный рисунок интегральной схемы в присутствии дефокусировки или несоосности оптических элементов литографической системы.
Указанные методы [1, 2, 3] применимы лишь к литографических системам. Здесь отсутствует электронная обработка изображения, а изображение сфокусировано в плоскости фоторезиста и не является размытым. Причем глубина резко изображаемого пространства в этом случае составляет несколько микрометров. Во всех работах функция фазовой добавки либо осесимметрична, либо имеет вид полинома только с целыми степенями.
В решении [3] приведен способ кодирования волнового фронта, который формирует оптическое изображение видеокадра, его обработку с некоторой функцией преобразования так, чтобы получить резкое изображение. Примером функции преобразования может быть редуцирующий фильтр или фильтр для разделения цветов. При этом кодирующий элемент является осесимметричным. Данный способ и устройство также предназначены для того, чтобы обработать цветные изображения, разделяя цветовую и пространственную информацию по своим каналам. Устройство используется для уменьшения сложности дополнительной оптикоэлектронной обработки или стоимости различных электронных устройств.
В решении [4] описаны способ и устройство для расширения глубины резко изображаемого пространства. Изображающая система включает линзу, имеющую определенную эффективную апертуру, и оптический элемент, связанный с этой линзой. Оптический элемент формируется как фазовый модулятор, определяющий передачу низких пространственных частот. Оптический элемент и изображающая линза определяют заданный образец, сформированный раздельными обособленно существенно оптически прозрачными средами различных оптических свойств. Однако главный отличительный признак данного патента - применяемая фазовая маска - является структурированной, что резко усложняет процесс ее изготовления.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является техническое решение, описанное на сайте http://www.cdm-optics.com [5] под заголовком Wavefront Coding Overview, где представлен разработанный на основе кодирования волнового фронта объектив-синглет с фазовой маской на входе (см. Фиг.1) со следующими техническими параметрами:
- Диапазон резко отображаемых дальностей: от 60 см до ∞;
- Фокусное расстояние F=3 mm;
- Диафрагменное число f/#=3.0;
- Величина углового поля зрения FOV=60 (±30) градусов;
- Материал - оптический пластик РММА.
Данное устройство не лишено недостатков. Фазовая маска расположена перед объективом-синглетом, что не позволяет обеспечить хорошую инвариантность его модуляционной передаточной функции (МПФ). Объектив имеет малую светосилу, а также не обеспечивает инвариантности в широком диапазоне рабочих дальностей съемки. Его ближняя граница съемки - 60 см, а перспектива на снимке утрирована.
3
3
Величина дополнительного фазового сдвига F в зависимости от координат х, у проходящего маску луча определяется формулой F(x,y)=ax+by.
Таким образом, во всех известных решениях при малых дальностях съемки инвариантность МПФ нарушается. Кроме того, недостаточно высокая светосила объективов-аналогов не позволяет получить высокое отношение сигнал/шум, необходимое для работы в сумерках.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в разработке усовершенствованного объектива, который при повышенной светосиле имел бы инвариантную МПФ в более широком диапазоне дальностей съемки.
Технический результат достигается за счет создания усовершенствованного объектива с инвариантной МПФ, состоящего из четырех последовательно расположенных вдоль оптической оси однолинзовых компонентов: силовой линзы, по меньшей мере двух менисков, коррекционного компонента и плоскопараллельной пластинки, на первой поверхности которой нанесена фазовая маска с заданным профилем, отличающийся тем, что
- передняя поверхность плоскопараллельной пластинки, на которой нанесен фазовый рельеф, совмещена с плоскостью апертурной диафрагмы (АД);
- структура объектива квазисимметрична относительно плоскости АД, которая находится внутри объектива,
- профиль глубины фазового рельефа ортогонален относительно поперечных координатах в плоскости АД и зависит от четырех рациональных параметров
x
y
x
y
A, A, B, B
x
x
mах
у
y
max
Bx
By
Ф(х,у)=Ф(х)+Ф(у), мм; Ф(x)=А(x/x); Ф(y)=A(y/y)
х
у
x
у
мах
мах
Параметры профиля маски для обеспечения инвариантности МПФ выбраны в диапазонах А≈А=0.007…0.012 мм; B≈В=2.4…2.9, а x, y - максимальные световые размеры маски.
Для обеспечения инвариантности объектива была разработана новая концепция его построения. Сущность концепции состоит в выполнении двух стадий разработки, после которых получают конструкцию объектива-ахромата с инвариантной МПФ на всех дальностях съемки, для всех полевых углов и всех рабочих длин волн.
На первой стадии разрабатывают объектив достаточно высокого качества изображения для средней плоскости рабочего диапазона дальностей. Плоскость апертурной диафрагмы должна находиться внутри структуры объектива. Причем относительно этой плоскости структура объектива квазисимметрична.
На второй стадии в плоскость апертурной диафрагмы (АД) вводится плоскопараллельная пластинка, на первой поверхности которой нанесен фазовый рельеф. Задание определенного распределения глубины рельефа по поверхности пластинки обеспечивает инвариантность МПФ.
Изобретение поясняется чертежом Фиг.1, где изображена оптическая схема объектива. Причем фазовая маска с необходимым законом профиля расположена в плоскости АД, относительно которой схема объектива квазисимметрична.
Объектив без фазовой маски рассчитывается на минимум волновых аберраций для средней точки рабочего диапазона рабочих дальностей. Структура объектива содержит 4 последовательно расположенных на оптической оси линзы: силового компонента 1, менисков 2 и 3, коррекционного компонента 4. Причем схема рассчитана так, что апертурная диафрагма (АД) расположена между компонентами 2 и 3.
x
y
x
y
Фазовая маска нанесена на передней поверхности плоскопараллельной пластинки, помещенной в плоскости АД. Профиль глубины фазового рельефа ортогонален относительно поперечных координатах в плоскости АД и зависит от четырех рациональных параметров A, A, B, B
x
x
max
y
y
mах
Bx
By
Ф(х,у)=Ф(х)+Ф(у), мм; Ф(x)=А(х/х); Ф(y)=А(у/у)
х
у
x
у
мах
мах
Параметры профиля маски для обеспечения инвариантности МПФ выбраны в диапазонах А≈А=0.007…0.012 мм; B≈В=2.4…2.9, а x, y - максимальные световые размеры маски…
Ниже приведен пример конкретного выполнения объектива с фазовой маской, обеспечивающий инвариантность МПФ согласно настоящему изобретению. Оптическая схема объектива с фазовой маской приведена на Фиг.2.
Графики МПФ с единой средней кривой МПФ, подтверждающие ее инвариантность для всех рабочих длин волн, полевых углов и дальностей съемки, приведены на Фиг.3-5.
Графики МПФ для всех рабочих длин волн и полевых углов приведены соответственно для дальностей 400 мм, ∞-ти и 220 мм.
В Табл. приведены конструктивные параметры объектива - радиусы поверхностей, толщины промежутков и марки стекол линз. Апертурная диафрагма расположена на поверхности 6.
OBJ STANDARD Infinity 200 131.092 0
1 EVENASPH +8pow 1.536499 1.033312 -FPL51 2.76855 - 0.09540922
2 STANDARD 12.53391 0.1 2.414362 -0.0003516848
3 EVENASPH 2.572751 0.2 POLYCARB 1.945284 -1.352054
4 EVENASPH 1.917497 0 POLYCARB 1.640051 -4.133317
5 BINARY2 1.9174970.1872133 1.640051 -4.133317
STO STANDARD Infinity 0 1.602046 0
7 USERSURF SODC02 Infinity 0.2 330R 1.613659 0
8 STANDARD Infinity 0.7229564 1.617607 0
9 EVENASPH -1.331381 0.9429718 POLYCARB 1.661329 0.8774411
10 EVENASPH -1.976054 0.02 2.432324 -1.029234
11 EVENASPH 5.736642 1.563224 ACRYLIC 2.769006 3.729272
12 EVENASPH 4.300620 0.9246703 3.089852 0.008266434
IMA STANDARD Infinity 3.37111 0
SURFACE DATA DETAIL:
Surface OBJ: STANDARD
Surface 1: EVENASPH+8pow
Coeff on r 2:0
Coeff on r 4: 0.00058976302
Coeff on r 6: -5.4235834e-005
Coeff on r 8:0
Surface 2: STANDARD
Surface 3: EVENASPH
Coeff on r 2:0
Coeff on r 4: -0.028205387
Coeff on r 6: -0.0025904771
Coeff on r 8: -0.0034900072
Coeff on r 10:0
Surface 4: EVENASPH
Coeff on r 2:0
Coeff on r 4: 0.066452197
Coeff on r 6: -0.13946953
Coeff on r 8: 0.25280027
Coeff on r 10: -0.19643043
Coeff on r 12: -0.085196469
Coeff on r 14: 0.12968379
Coeff on r 16:0
Surface 5: BINARY_2
Diffract Order: 1
Coeff on r 2:0
Coeff on r 4: 0.066452197
Coeff on r 6: -0.13946953
Coeff on r 8: 0.25280027
Coeff on r 10: -0.19643043
Coeff on r 12: -0.085196469
Coeff on r 14: 0.12968379
Coeff on r 16: 0
Maximum term: 2
Maximum rad ар: 0.9
Term on P to 2: -34.676651
Term on P to 4: 1.6879704
Surface STO: STANDARD
Surface 7: USERSURF (SODC_02.DLL) SODC_02~0.01 ^2.5
acx: 0.01
арх: 2.5
асу: 0.01
ару: 2.5
Surface 8: STANDARD
Surface 9: EVENASPH
Coeff on r 2: 0
Coeff on r 4: -0.0193 86268
Coeff on r 6: 0.15942073
Coeff on r 8: -0.46257483
Coeff on r 10: 0.6212868
Coeff on r 10: 0.6212868
Coeff on r 12: -0.33892826
Coeff on r 14: 0
Coeff on r 16: 0
Surface 10: EVENASPH
Coeff on r 2: 0
Coeff on r 4: 0.0063493897
Coeff on r 6: -0.0065492235
Coeff on r 8: -0.00037721482
Coeff on r 10: 0
Surface 11: EVENASPH
Coeff on r 2: 0
Coeff on r 4: -0.0026558242
Coeff on r 6: -0.00036643155
Coeff on r 8: 0
Surface 12: EVENASPH
Coeff on r 2: 0
Coeff on r 4: -0.038533213
Coeff on r 6: 0.0083328956
Coeff on r 8: -0.0016494476
Coeff on r 10: 0.00012203802
Coeff on r 12: 0
Surface IMA: STANDARD
Объектив предназначен для использования в фото- и видеокамерах с целью получения цветных снимков с большой глубиной резко изображаемого пространства.
Предложенная схема объектива обеспечивает инвариантность МПФ для всех полевых углов, всех рабочих длин волн и всех дальностей от бесконечности до 180 мм.
L=18 см-∞.
f=5,0 мм
f/#=2,0 (более светосильный)
2w=46.5°(±23.25°).
Диагональ CCD равна ~4,5 мм. Естественная перспектива.
Изобретение может найти применение в оптическом приборостроении, а именно в проектировании светосильных объективов-ахроматов с инвариантной МПФ для всех полевых углов и с расширенным диапазоном дистанций съемки от бесконечности до 180 мм.