УСТРОЙСТВО ДЛЯ УВЕЛИЧЕНИЯ ГЛУБИНЫ ФОКУСА
APPARATUS FOR INCREASING DEPTH OF FOCUS

Область техники
Настоящее изобретение относится к системам и устройствам формирования изображения, и более конкретно к линзовому устройству для формирования изображения с увеличенной глубиной фокуса.
Уровень техники
Увеличение глубины фокуса систем формирования изображения является очень важной базисной технологией, которая может быть использована в многочисленных приложениях, в частности, связанных с медициной, в которых соответствующие элементы (например камеры) должны вводиться в тело с целью наблюдения и выявления проблематичных тканей. Другой областью является производство офтальмологических элементов, включая очковые линзы, контактные линзы, интраокулярные (внутриглазные) линзы и другие линзовые элементы, вводимые в глаз хирургическим путем. Решение задачи увеличения глубины фокуса актуально также для оптических устройств типа микроскопов или камер для применений в промышленности, медицине, видеонаблюдении, в потребительских товарах и в других областях, где необходимо обеспечить фокусирование света и где данная задача решается с помощью линзовых систем при необходимости относительного перемещения между фокусирующим устройством и плоскостью изображения и/или объекта посредством механического движения, осуществляемого вручную или посредством привода с электронным управлением.
Для достижения увеличенной глубины фокуса оптической системы были предложены различные подходы. Один из хорошо известных подходов, разработанный автором настоящего изобретения, описан в документе WO 03/076984. Данный подход обеспечивает формирование изображения с увеличением глубины фокуса чисто оптическими средствами. Система формирования изображения обеспечивает изображения приемлемого качества для объектов, находящихся в широком диапазоне расстояний от данной системы. Предпочтительный вариант системы формирования изображения содержит объект, вспомогательную линзу, составную фазовую маску и приемник, установленный на оптической оси. Свет от объекта фокусируется вспомогательной линзой в паре с составной фазовой маской с формированием изображения в плоскости приемника. Данный способ основан на установке фазового элемента с высоким пространственным разрешением вблизи апертуры (зрачка) линзы таким образом, что обеспечивается непрерывный набор фокусных расстояний.
Другой подход описан, например, в следующих публикациях: US 6069738; US 6097856; WO 99/57599; WO 03/052492. В соответствии с этим подходом используется кубическая фазовая маска в плоскости апертуры, причем для получения сфокусированного изображения требуется дополнительная цифровая обработка. Более конкретно, в US 6069738 описана аппаратура и способы увеличения глубины фокуса в проекционных системах. Оптическая система для получения в проекционной плоскости сфокусированного изображения при расширенной глубине поля содержит кодирующую маску или устройство оптического кодирования для внесения в световой пучок информации об объекте (или, что эквивалентно, информации о желательном изображении), а также маску для увеличения глубины поля проекционной системы (маску УГП). В дополнение к внесению информации об объекте, кодирующая маска кодирует свет от источника света для того, чтобы скомпенсировать изменения, вносимые маской УГП, так что никакой дополнительной обработки не требуется.
В US 6097856 описаны устройство и способ уменьшения погрешностей в системах формирования изображения, имеющих увеличенную глубину поля. Усовершенствованная оптоэлектронная система формирования изображения предназначена для использования с объектами, освещаемыми некогерентным излучением, и обеспечивает получение изображений с пониженным содержанием погрешностей изображения. Система формирования изображения содержит оптический компонент для построения промежуточного изображения объекта, приемник изображения для приема промежуточного изображения и выдачи сигнала, соответствующего промежуточному изображению, а также средства обработки для обработки данного сигнала с получением сигнала, соответствующего окончательному изображению с уменьшенным содержанием погрешностей изображения. Это уменьшение достигается частично за счет включения в состав оптического компонента фазовой маски, чтобы сделать его оптическую передаточную функцию (ОПФ) относительно инвариантной в некотором диапазоне рабочих расстояний, а также амплитудной маски, пропускание которой является непрерывно убывающей функцией расстояния от ее центра. Это уменьшение достигается частично также за счет введения в средства обработки усовершенствованной обобщенной функции восстановления, которая изменяется в соответствии с, по меньшей мере, неидеальной расчетной некогерентной ОПФ оптического компонента при условии приближенно оптимальной фокусировки.
В WO 99/57599 описана оптическая система для увеличения глубины поля и для снижения чувствительности к длине волны некогерентной оптической системы. Предусматривается введение в некогерентную систему оптической маски специального назначения. Данная маска рассчитана таким образом, чтобы оптическая передаточная функция оставалась практически постоянной в пределах некоторого интервала положений фокусировки. Обработка сигнала, соответствующего результирующему промежуточному изображению, устраняет изменения, вносимые маской в оптическую передаточную функцию, и обеспечивает получение сфокусированного изображения в пределах увеличенной глубины поля. Обычно маска помещается в плоскости апертуры (апертурной диафрагмы) оптической системы или в плоскости изображения этой диафрагмы, или вблизи данных плоскостей. Маска предпочтительно модифицирует только фазу, но не амплитуду светового пучка, хотя возможны и изменения амплитуды за счет фильтров или аналогичных элементов. Подобная маска может быть применена для увеличения рабочего диапазона пассивных дальномерных систем.
В WO 03/052492 предлагается методика обеспечения увеличенной глубины фокуса (УГФ) для человеческого глаза путем модифицирования контактных линз, интраокулярных имплантов или поверхности самого глаза. Данный результат достигается внесением селективных фазовых изменений в соответствующий оптический элемент (например, путем изменения толщины поверхности). Подобные фазовые изменения обеспечивают УГФ-кодирование волнового фронта и делают оптическую передаточную функцию, по существу, постоянной в пределах некоторого расстояния от положения фокусировки. В результате на сетчатке формируется кодированное изображение, которое декодируется мозгом человека с получением сфокусированного изображения в пределах расширенной глубины фокуса.
Другие альтернативные подходы, описанные, например, в US 6554424 (а также в патентных заявках США US 20040114103, US 20040114102 и US 20030142268) и в US 4955904, используют аподизацию в плоскости апертурной диафрагмы. Более конкретно, в US 6554424 описаны система и способ увеличения глубины фокуса человеческого глаза. Система состоит из линзового тела, оптические характеристики которого выбраны из расчета создания интерференции света, и точечной оптической диафрагмы, расположенной, по существу, в центре оптической системы. Оптическая часть может быть сконфигурирована для создания рассеяния света или выполнена из отражающего материала. Альтернативно, оптическая система может увеличивать глубину фокуса с использованием сочетания интерференции, рассеяния, отражения и/или поглощения света. Оптическая система может быть также выполнена в виде серии концентрических кружков, переплетений, паттернов частиц или изогнутых линий. Один из вариантов контроля пациента при подборе офтальмологических линз предусматривает применение контрольной точечной диафрагмы в линзе для увеличения глубины фокуса глаза пациента. Другой метод для увеличения глубины фокуса предусматривает хирургическую имплантацию маски в глаз пациента.
В US 4955904 описана снабженная маской интраокулярная линза для имплантации в человеческий глаз. Когда зрачок глаза сужен, маска, которая блокирует только часть тела линзы, совместно со зрачком задает небольшое входное отверстие, что увеличивает глубину фокуса подобно тому, как это имеет место в камере-обскуре. Когда зрачок расширен, дополнительный свет может проходить через зрачок вокруг маски и достигать сетчатки, что позволяет человеку видеть при более слабом освещении. В одном из вариантов маска задает маленькое круглое отверстие и окружающее его кольцо большего размера. Маленькое круглое отверстие обеспечивает дополнительную фокусирующую способность, промежуточную между фокусирующими способностями, необходимыми для рассматривания объектов на большом расстоянии и вблизи. Предлагается также способ лечения катаракты, предусматривающий замену очков подобной маскированной интраокулярной линзой.
Некоторые другие методы улучшения зрения раскрыты в нижеперечисленных патентных публикациях.
Патент США №5748371 описывает оптические системы с расширенной глубиной поля. Система для увеличения глубины поля и уменьшения чувствительности к длине волны, а также эффектов дефокусировки, вносимой аберрациями линзы некогерентной оптической системы, содержит специальную оптическую маску, вводимую в некогерентную систему. Оптическая маска рассчитывается таким образом, чтобы получить, по существу, постоянную оптическую передаточную функцию в пределах некоторого интервала положений фокусировки. Обработка сигнала, соответствующего результирующему промежуточному изображению, устраняет изменения, вносимые маской в оптическую передаточную функцию, и обеспечивает получение сфокусированного изображения в пределах увеличенной глубины поля. Обычно маска помещается в главной плоскости или в плоскости изображения главной плоскости оптической системы. Маска предпочтительно модифицирует только фазу, но не амплитуду светового пучка. Она может быть применена для увеличения рабочего диапазона пассивных дальномерных систем.
В WO 01/35880 описаны мультифокальная асферическая линза, оптическая плоскость, помещаемая, с целью коррекции близорукости, в непосредственной близости от зрачка, способ получения такой оптической поверхности и лазерная хирургическая система для осуществления данного способа. Оптическая поверхность включает первую зрительную область, вторую зрительную область, окружающую первую, и третью зрительную область, окружающую вторую область. Первая зрительная область имеет постоянную оптическую силу, вторая зрительная область характеризуется интервалом значений оптической силы, третья зрительная область имеет вторую, по существу, постоянную оптическую силу, отличную от первой оптической силы. При этом, по меньшей мере, одна из первой, второй и третьей зрительных областей имеет асферическую поверхность, тогда как другие зрительные области имеют сферические поверхности. Указанный способ включает изменение формы роговицы, чтобы получить требуемую оптическую поверхность. Роговица может быть модифицирована на своей передней или нижележащей поверхности путем абляции с помощью эксимерного лазера, хирургического лазера, резки струей воды или иной текучей среды, включая жидкости и газы. Способ предусматривает также получение указанной оптической поверхности путем наложения на роговицу контактной линзы, имеющей желательные оптические характеристики. Лазерная хирургическая система содержит генератор лазерного пучка и контроллер лазерного пучка для управления пучком, направляемым на роговицу, чтобы удалить заданный объем роговичной ткани из участка в оптической области роговицы посредством радиационной абляции. В результате формируют перепрофилированную зону, имеющую первую зрительную область, вторую зрительную область, окружающую первую, и третью зрительную область, окружающую вторую область.
Патент США №5965330 описывает способы изготовления линзы с кольцевой маской, кромка которой обеспечивает уменьшение дифракции. В соответствии с этими способами кольцевая маска на теле линзы имеет "мягкий край", сформированный за счет плавного уменьшения пропускания в радиальном направлении от центра к области кольцевой маски. Данные способы основаны на введении различных количеств окрашивающего агента (например, красителя) в заданные части линзы.
В WO 03/012528 описано устройство для генерирования светового пучка с увеличенной глубиной фокуса. Устройство содержит бинарную фазовую маску, которая формирует дифракционную картину, включающую в себя основное яркое кольцо и два боковых кольца, кольцевую апертурную маску, пропускающую только часть дифракционной картины, и линзу, благодаря которой световой пучок, прошедший через кольцевую диафрагму, сходится в направлении оптической оси и пересекает ее. Когда сходящийся световой пучок пересекает оптическую ось, имеет место конструктивная интерференция с формированием светового пучка, который обладает увеличенной глубиной фокуса.
Патенты США №№5786883, 5245367 и 5757458 описывают контактную линзу с кольцевой маской, рассчитанной для нормально функционирующего зрачка человеческого глаза. Кольцевая маска формирует точечную диафрагму на контактной линзе, что делает возможным постоянную фокальную коррекцию. Наружный диаметр кольцевой маски выбирается таким, чтобы обеспечить возможность пропускания через зрачок пользователя большего количества световой энергии по мере уменьшения уровня яркости. Контактная линза может быть выполнена с двумя раздельными и различными зонами оптической коррекции как в области малого входного зрачка, так и в области за кольцевой маской. Тем самым достигается функциональная возможность формирования изображения как для яркого, так и для слабого освещения, причем в широком диапазоне расстояний.
Патент США №5260727 описывает интраокулярные и контактные линзы с большой глубиной фокуса. Оптическая сила подобных линз может быть постоянной, однако, амплитуда и фаза волны изменяются по поверхности зрачка. Такие линзы могут быть получены путем затенения их отдельных участков в рамках выбранной геометрической конфигурации (например, концентрической, параллельной или радиальной) в соответствии с некоторой математической функцией, например с распределением Гаусса или с функцией Бесселя. Линза может иметь единственную оптическую силу или различные оптические силы, например являться бифокальной.
В патенте США №5905561 предложена линза с кольцевой маской для коррекции зрения, имеющая кромки, снижающие дифракцию. Данная кольцевая маска на теле линзы образует "мягкий край" за счет плавного уменьшения пропускания в радиальном направлении от центра к области кольцевой маски.
В патенте США №5980040 предложена контактная линза с точечной диафрагмой. У данной линзы имеется оптически прозрачное тело с вогнутой поверхностью, адаптированной к кривизне глаза пациента, и выпуклая поверхность. У линзы имеются три области: (1) кольцевая область с первой оптической силой; (2) область в центре кольцевой области, совпадающем с оптическим центром линзы, по существу, представляющая собой точечное отверстие; и (3) вторая кольцевая область большей площади, наружная по отношению к первой кольцевой области.
Патент США №5662706 описывает линзу с кольцевой маской, имеющей переменное пропускание для исправления оптических дефектов, таких как ночная миопия, сферическая аберрация, аниридия, кератоконус, роговичные рубцы, проникающая кератопластика и осложнения после рефракционной хирургии. Отверстие кольцевой маски сделано большим, чем обычные точечные контактные линзы. У отверстия имеется "мягкий" внутренний край, и пропускание маски постепенно увеличивается в радиальном направлении к ее наружной кромке.
В патенте США №5225858 описана мультифокусная офтальмологическая линза, предназначенная для имплантации в глаз, а также, альтернативно, для наложения на роговицу или для введения в нее. Линза имеет оптическую ось, центральную зону и множество кольцевых зон, окружающих центральную зону. Две из этих кольцевых зон имеют первый участок, корригирующий дальнее зрение, и второй участок, корригирующий ближнее зрение. В интраокулярном варианте корригирующая сила линзы между участками для дальнего и ближнего зрения является возрастающей, причем каждый из вторых участков имеет основной сегмент, в котором корригирующая сила линзы является, по существу, постоянной. Оптическая сила в центральной области изменяется в пределах этой области.
В патенте США №6554859 предложена интраокулярная линза для имплантации в глаз пациента. У линзы имеется мультифокусная оптическая часть и подвижный компонент. Максимальная добавочная оптическая сила линзы меньше, чем требуется для полной коррекции ближнего зрения псевдофакического глаза. Подвижный компонент присоединен к оптической части и адаптирован для взаимодействия с глазом пациента таким образом, чтобы обеспечить аккомодационное перемещение оптической части внутри глаза. Предложены также линзовые системы с двумя оптическими и с двумя подвижными компонентами. Интраокулярные линзы и линзовые системы особенно полезны при имплантации в глаз пациента после удаления хрусталика.
В патентах США №№6576012 и 6537317 описана бинокулярная линзовая система для улучшения зрения пациента. Система содержит первую и вторую офтальмологические линзы. Каждая из этих линз адаптирована для имплантации в глаз, а также, альтернативно, для наложения на роговицу или для введения в нее. Первая линза имеет первую базовую оптическую силу для коррекции дальнего зрения, тогда как базовая оптическая сила второй офтальмологической линзы рассчитана на коррекцию, отличную от коррекции дальнего зрения. Офтальмологические линзы могут быть интраокулярными линзами или естественными линзами, или линзами, которые имплантируются в глаз пациента без удаления или с удалением хрусталика.
В патенте США №6474814 описана мультифокусная офтальмологическая линза с "наведенной апертурой". Мультифокусные линзы формируются неконическими асферическими оптическими поверхностями. Различные альтернативные формы поверхности формируют центральную область дальнего зрения, окруженную оптической "ступенькой". Эта оптическая ступенька имеет оптическую силу, быстро возрастающую в радиальном направлении, что создает наведенную апертуру, через которую вынуждены концентрироваться кортикальные элементы зрительной системы. Подобная апертура приводит к повышению четкости при дальнем зрении. Неконические асферические оптические поверхности рассчитываются таким образом, чтобы обеспечить желательные распределения оптической силы. Функции подобных поверхностей могут быть упрощенно описаны в виде полиномиальных рядов, которые могут быть использованы при компьютерном управлении станками для обработки контактных линз. Описанная технология применима к контактным склеральным и интраокулярным линзам, а также к линзам, формируемым, в том числе хирургическим путем, на роговичной ткани или внутри нее.
Патент США №6527389 предлагает усовершенствованную мультифокусную офтальмологическую линзу, имеющую множество чередующихся зон с различной оптической силой, которая плавно изменяется в пределах каждой зоны, а также при переходе от одной зоны к другой. Другими словами, предусматривается множество (не менее двух) концентрических зон, в которых переходы от коррекции ближнего зрения к коррекции дальнего зрения (т.е. от оптической силы, обеспечивающей коррекцию ближнего зрения, к оптической силе, обеспечивающей коррекцию дальнего зрения), затем опять к коррекции ближнего зрения и снова к коррекции дальнего зрения и т.д. (или в обратном порядке) являются плавными. Все изменения оптической силы являются непрерывными, без каких-то резких переходов или "границ". Описаны два варианта подобной технологии. В первом варианте плавные изменения оптической силы в изменяющихся направлениях обеспечиваются плавным изменением кривизны задней поверхности линзы, что приводит к изменению угла падения световых лучей на глаз. Во втором варианте плавные изменения оптической силы в изменяющихся направлениях обеспечиваются созданием неоднородных характеристик поверхности, показатели преломления материала которой плавно изменяются в радиальном направлении (с удалением от оптической оси).
В патенте США №5715031 представлены конструкции концентрической асферической мультифокусной линзы, в которых используется сочетание асферической передней поверхности (обеспечивающей уменьшение аберраций и улучшение контрастного зрения) с концентрической мультифокусной задней поверхностью с целью создания линзы, обеспечивающей четкое зрение на расстоянии и ближнее зрение без потери контраста, которая обычно имеет место в известных концентрических мультифокусных линзах для одновременного дальнего и ближнего зрения. Асферическая поверхность улучшает функцию передачи модуляции (частотно-контрастную характеристику, ЧКХ) комбинации линза-глаз, что улучшает фокусировку и контраст для изображений и для удаленных, и для близких объектов. Предложенные конструкции применимы как для контактных, так и для интраокулярных линз.
В патенте США №6024447 описана улучшенная монофокальная офтальмологическая линза для обеспечения коррекции монофокального зрения с улучшенной глубиной фокуса. Линза может быть имплантирована в глаз, помещена перед глазом или введена в роговицу глаза. Офтальмологическая линза имеет базовую оптическую силу в расчете на коррекцию дальнего зрения, первую зону, имеющую первую корригирующую силу, и вторую зону, имеющую вторую корригирующую силу. Вторая зона расположена радиально снаружи первой зоны. Первая зона обеспечивает корригирующую силу для ближней области, а вторая зона обеспечивает корригирующую силу для дальней области. Максимальная диоптрийность первой зоны примерно на 0,7 диоптрии превышает базовую диоптрийность, а минимальная диоптрийность второй зоны примерно на 0,5 диоптрии меньше базовой диоптрийности.
Первая зона предназначена для фокусирования света на первом заданном расстоянии от сетчатки пользователя, тогда как вторая предназначена для фокусирования света на втором заданном расстоянии от его сетчатки. Второе заданное расстояние противоположно по знаку и примерно равно по величине первому заданному расстоянию. Третья зона, которая, по существу, аналогична первой зоне, расположена радиально снаружи относительно второй зоны, а четвертая зона, которая, по существу, аналогична второй зоне, расположена радиально снаружи относительно третьей зоны. Третья корригирующая сила, которую имеет третья зона, приблизительно такая же, как корригирующая сила первой зоны. Четвертая корригирующая сила, которую имеет четвертая зона, приблизительно такая же, как вторая корригирующая сила второй зоны.
Патент США №6451056 описывает интраокулярную линзу для увеличения глубины фокуса. Интраокулярная линза обеспечивает существенно улучшенную глубину фокуса для точного зрения вблизи и вдали, будучи намного тоньше, чем природная линза. Эта линза является жесткой, выгнутой назад и приспособлена для установки в заднюю часть капсулы хрусталика. Данный оптический элемент удален от роговицы на большее расстояние, чем естественная линза, так что конус света, выходящий из него и падающий на сетчатку, будет намного меньше, чем конус света, выходящий из естественной линзы. В типичном варианте такой элемент имеет толщину около 1,0 мм, а расстояние от него до роговицы равно 7,0-8,0 мм.
В документе WO 03/032825 описан способ конструирования контактной линзы или иного корригирующего элемента для коррекции пресбиопии у пациента. Данный способ основан на измерении волновой аберрации с целью обеспечения наилучшего варианта коррекции. Предпочтительным является коррекция посредством мультифокусной контактной линзы для последовательной альтернативной коррекции зрения или использование корригирующей линзы для одновременной коррекции форм зрения. Способ разработки коррекции, улучшающей зрение, направлен на коррекцию аберраций высших порядков таким образом, чтобы после коррекции остаточная аберрация высших порядков, обладающая круговой симметрией, была большей, чем остаточная асимметричная аберрация высших порядков. Коррекция асимметричных аберраций высшего порядка согласно способу направлена на аберрации, обусловленные децентрировкой мультифокусной контактной линзы, обладающей остаточной сферической аберрацией, что обеспечивает увеличение глубины поля зрения.
В ЕР 0369561 описаны система и способ изготовления дифракционных контактных и интраокулярных линз. Оптическая система для осуществления данного способа содержит следующие основные компоненты, установленные в согласованном порядке вдоль оптической оси: лазер для испускания ультрафиолетового излучения вдоль оптической оси; маску в виде зонной пластинки, установленную в лазерном пучке, и линзу, формирующую посредством лазерного излучения изображение маски на вогнутой внутренней поверхности глазной линзы, положение которой совпадает с поверхностью изображения оптической системы. В результате имеет место абляция глазной линзы в соответствии со сформированным изображением маски с целью формирования зонной пластинки на глазной линзе. Лазерный пучок сканирует зонную пластинку, чтобы сформировать в плоскости изображения составное изображение. В альтернативном варианте фазовая зонная пластинка формируется на вогнутой поверхности стеклянной заготовки, совмещенной с поверхностью изображения, для того чтобы получить инструмент для изготовления форм, по которым затем изготавливаются линзы. Источником излучения является эксимерный лазер на фториде аргона, испускающий у 193 нм. Линза имеет переменное увеличение, что позволяет формировать изображения маски различных размеров с целью получения зонных пластинок, имеющих требуемую оптическую силу.
Известные методы обладают, однако, такими недостатками, как неизбежное рассеяние значительной части энергии в другие области поля зрения системы, необходимость последующей цифровой обработки; дефекты пропускания определенных пространственных частот и недостаточная энергетическая эффективность.
Раскрытие изобретения
Таким образом, существует потребность в разработке чисто оптического способа получения увеличенной глубины фокуса.
Настоящее изобретение решает рассмотренные проблемы путем создания устройства для формирования изображения, использующего оптический элемент, расположенный смежно с эффективной апертурой данного устройства или прикрепленный к ней, или встроенный в нее. Следует отметить, что термин "эффективная апертура устройства для формирования изображения" в контексте описания означает действующее отверстие устройства и может соответствовать реальному размеру линзы, формирующей изображение, или апертурной диафрагме, расположенной перед данной линзой (такая ситуация соответствует, например, зрачку глаза в офтальмологических применениях). Следует также отметить, что устройство для формирования изображения согласно изобретению может использовать набор элементарных линз, и в этом случае применяется набор оптических элементов, каждый из которых ассоциирован с соответствующей ему линзой. Оптический элемент согласно изобретению сконфигурирован, как недифракционный тонкослойный оптический элемент, влияющий на фазу, который кодирует апертуру линзы таким образом, чтобы полностью оптическими средствами обеспечить эффект увеличения глубины фокуса. При этом оптический элемент может быть выполнен, как чисто фазовый элемент или как элемент, влияющий на фазу и амплитуду. Термин "полностью оптические средства" в данном описании означает, что потребность в обработке изображения отпадает или, по меньшей мере, существенно уменьшается.
Оптический элемент по изобретению нечувствителен к длине волны и к полихроматическому освещению, он не рассеивает энергию к внешним зонам поля зрения. Тем самым он обеспечивает в интересующей области очень высокую энергетическую эффективность (близкую к 100%) и, кроме того, не требует аподизации. Важно отметить, что такая высокая энергетическая эффективность не может быть достигнута дифракционным оптическим элементом (даже если он выполнен чисто фазовым) вследствие отклонения части света в нежелательные порядки дифракции. Поскольку реализация изобретения не требует последующей цифровой обработки, оно пригодно для офтальмологических применений или иных "некомпьютерных" приложений.
Оптический элемент согласно изобретению выполнен таким образом, чтобы задать маску (предпочтительно бинарную) фазовых сдвигов для пространственно низких частот. На практике это требование может быть реализовано построением оптического элемента таким образом, чтобы сформировать, по меньшей мере, один участок (например, в форме линии или окружности), на котором имеет место фазовый сдвиг (переход) и который далее именуется участком фазового сдвига (или, для краткости, участком сдвига). Подобный участок будет окружен в плоскости линзы, формирующей изображение, участками этой линзы. Данный, по меньшей мере, один участок оптического элемента образует вместе с участками линзы заданный паттерн, сформированный пространственно разделенными оптически прозрачными деталями, обладающими различными оптическими свойствами (например, различным образом влияющими на фазу света, проходящего через линзовое устройство для формирования изображения).
Положение (положения) участка (участков) сдвига в составе оптического элемента в плоскости линзы, формирующей изображение (т.е. в плоскости ее апертуры, которая может быть перестроена) определяется (определяются), по меньшей мере, размером указанной апертуры линзы. Эти положения предпочтительно выбираются таким образом, чтобы обеспечить правильное отношение фазовой интерференции между частями светового потока, проходящими через различные участки указанного устройства, и тем самым обеспечить уменьшение квадратичного фазового сомножителя, обусловленного выходом светового пучка из фокуса указанной линзы. Тем самым максимизируется оптическая передаточная функция (ОПФ) при дефокусировке линзового устройства для формирования изображения.
Как было отмечено выше, для разработки оптимальной конфигурации оптического элемента, обеспечивающего увеличенную глубину фокуса (УГФ-элемента), необходимо учесть эффективную апертуру линзы, формирующей изображение. Могут быть также приняты во внимание распределение оптической силы данной линзы и/или фокусное расстояние: поскольку УГФ-элемент не имеет оптической силы, он может быть добавлен к линзе, формирующей изображение, чтобы сместить интервал увеличенной глубины фокуса при заданной оптической силе.
Оптимальная геометрия и размеры УГФ-элемента (т.е., по меньшей мере, одного участка сдвига) определяются с использованием оптимизационного алгоритма (основанного на числовом или аналитическом подходе и обеспечивающего увеличение глубины фокуса при низких пространственных частотах полностью оптическими средствами). Данный алгоритм определяет N положений для участка (участков) сдвига в составе указанного элемента, ассоциированного с данной линзой (т.е. для заданного размера ее эффективной апертуры). Применительно к офтальмологическим приложениям, в которых эффективная апертура линзы (зрачка глаза или контактной линзы, или очковой линзы) может быть задана относительно узким интервалом значений, общим для большинства пациентов, УГФ-элемент по изобретению может быть сделан универсальным для огромного количества пациентов. Такой универсальный УГФ-элемент может быть выполнен обеспечивающим глубину фокуса, эквивалентную 5 диоптриям для эффективной апертуры 2-3 мм. Для меньшего количества пациентов, имеющих большее различие между ближним зрением и дальним зрением, конструкция УГФ-элемента учитывает оптическую силу линзы, формирующей изображение, с которой должен ассоциироваться УГФ-элемент.
Положение (положения) участка (участков) сдвига (составляющего π для той длины волны, для которой рассчитывается УГФ-элемент) обеспечивает (обеспечивают) инвариантность в отношении квадратичных искажений фазы (что увеличивает когерентную передаточную функцию (КПФ) линзы, формирующей изображение, соответствуя эффекту выхода светового пучка из фокуса) при выполнении операции автокорреляции. Поскольку апертурная маска (образованная УГФ-элементом и линзой, формирующей изображение) построена из участков сдвига с низкими пространственными частотами, она не рассеивает энергию из нулевого порядка дифракции, так что ее энергетическая эффективность близка к 100%.
Следует отметить, что операция автокорреляции КПФ выполняется с целью вычисления оптической передаточной функции (ОПФ) системы формирования изображения. Положение (положения) участка (участков) сдвига УГФ-элемента можно вычислить, используя итеративный алгоритм, в котором рассматриваются М положений и выбираются те из них, которые обеспечивают максимальный контраст в ОПФ для набора положений вне фокуса. Оптимизация (максимизация) контраста ОПФ в данном случае реально означает обеспечение ОПФ при дефокусировке, как можно в большей степени отличающейся от нуля.
УГФ-элемент по изобретению выполняется с возможностью обеспечить правильное отношение фазовой интерференции, способствующее существенному уменьшению квадратичного фазового сомножителя, который обусловлен выходом светового пучка из фокуса. УГФ-элемент представляет собой элемент, влияющий на фазу (например, выполненный в форме чисто фазовой бинарной маски), который не является ни преломляющим, ни дифракционным. В отличие от преломляющего элемента, УГФ-элемент, выполняющий функцию фильтра, может быть выполнен в виде тонкого фазового слоя, нанесенного литографическим методом, имеющим низкую стоимость. Толщина фазового слоя будет составлять только одну длину волны (около 0,5 мкм в случае дневного освещения), так что технология изготовления будет аналогична технологии для обычных дифракционных оптических элементов.
С другой стороны, в отличие от дифракционных оптических элементов, УГФ-элемент по изобретению содержит только детали, соответствующие очень низким пространственным частотам. При этом элемент содержит только весьма ограниченное количество таких деталей и различных значений периодов низкой пространственной частоты (около 1000 длин волн). Свойства оптического элемента по изобретению позволяют получить истинно энергетически эффективный УГФ-элемент, поскольку вся энергия не только проходит через элемент (по существу, являющийся чисто фазовым), но и концентрируется в интересующей области как в поперечном, так и в продольном направлениях (в отличие от дифракционного элемента, который разделяет энергию между несколькими продольными фокальными плоскостями или между порядками дифракции в поперечном направлении).
Таким образом, высокая (близкая к 100%) энергетическая эффективность оптического элемента обеспечивает увеличенную глубину фокуса, в отличие от подходов, использующих дифракционные оптические элементы, разделяющие энергию между несколькими порядками дифракции/фокальными плоскостями, и, по существу, эквивалентных применению уменьшенных апертур (также дающих увеличенную глубину фокуса). Кроме того, низкие пространственные частоты (используемые согласно изобретению) устраняют чувствительность к длине волны и к полихроматическому освещению, которая составляет проблему для дифракционных оптических элементов. Важно также отметить, что предложенный подход является полностью оптическим, не требующим вычислений. Таким образом, его использование в офтальмологических применениях не предполагает необходимости декодирования, осуществляемого мозгом, или процесса адаптации, поскольку изображение с увеличенной глубиной фокуса эквивалентно изображению самого объекта.
В соответствии с одним из широких аспектов настоящего изобретения предлагается устройство для формирования изображения, содержащее формирующий изображение линзовый блок, включающий, по меньшей мере, одну линзу, имеющую определенную апертуру, которая может быть перестроена, и, по меньшей мере, один оптический элемент, ассоциированный с указанной, по меньшей мере, одной линзой и выполненный с возможностью обеспечить увеличенную глубину фокуса указанного устройства. Оптический элемент сконфигурирован, как недифракционный оптический элемент, влияющий на фазу и задающий фазовый сдвиг посредством деталей с низкими пространственными частотами. При этом он совместно с ассоциированной с ним линзой образует заданный паттерн, сформированный пространственно разделенными оптически прозрачными деталями, обладающими различными оптическими свойствами, тогда как положение, по меньшей мере, одного участка фазового сдвига на оптическом элементе в пределах плоскости линзы определяется, по меньшей мере, размером указанной апертуры.
В соответствии с другим широким аспектом изобретения предлагается устройство для формирования изображения, содержащее формирующий изображение линзовый блок, включающий, по меньшей мере, одну линзу, имеющую определенную апертуру, которая может быть перестроена, и, по меньшей мере, один оптический элемент, ассоциированный с указанной, по меньшей мере, одной линзой и выполненный с возможностью обеспечить увеличенную глубину фокуса указанного устройства. Оптический элемент сконфигурирован, как чисто фазовая недифракционная бинарная маска, задающая участок фазового сдвига, соответствующий низким пространственным частотам. Данный оптический элемент совместно с ассоциированной с ним линзой образует заданный паттерн, сформированный пространственно разделенными оптически прозрачными деталями, обладающими различными оптическими свойствами. При этом положение, по меньшей мере, одного участка фазового сдвига на оптическом элементе в пределах плоскости линзы определяется, по меньшей мере, размером указанной апертуры.
В соответствии еще с одним аспектом изобретения предлагается устройство для формирования изображения, содержащее формирующий изображение линзовый блок, включающий, по меньшей мере, одну линзу, имеющую определенную апертуру, которая может быть перестроена, и, по меньшей мере, один оптический элемент, ассоциированный с указанной, по меньшей мере, одной линзой и выполненный с возможностью обеспечить увеличенную глубину фокуса указанного устройства. Оптический элемент сконфигурирован, как недифракционный оптический элемент, влияющий на фазу и задающий фазовый сдвиг посредством деталей с низкими пространственными частотами. При этом он совместно с ассоциированной с ним линзой образует заданный паттерн, сформированный пространственно разделенными оптически прозрачными деталями, обладающими различными оптическими свойствами. Положение, по меньшей мере, одного участка фазового сдвига на оптическом элементе в пределах плоскости линзы определяется, по меньшей мере, размером указанной апертуры так, что оптический элемент обеспечивает правильное отношение фазовой интерференции между частями светового потока, проходящими через различные участки указанного устройства. В результате обеспечивается уменьшение квадратичного фазового сомножителя, обусловленного выходом светового пучка из фокуса линзы, формирующей изображение. Тем самым максимизируется ОПФ при дефокусировке указанного устройства путем обеспечения указанной ОПФ, как можно в большей степени отличающейся от нуля.
В соответствии еще с одним широким аспектом изобретения предлагается устройство для формирования изображения, содержащее формирующий изображение линзовый блок, включающий, по меньшей мере, одну линзу, имеющую определенную апертуру, которая может быть перестроена, и, по меньшей мере, один оптический элемент, ассоциированный с указанной, по меньшей мере, одной линзой и выполненный с возможностью обеспечить увеличенную глубину фокуса указанного устройства. Оптический элемент сконфигурирован, как недифракционный оптический элемент, влияющий на фазу и задающий фазовый сдвиг посредством деталей с низкими пространственными частотами. При этом он совместно с ассоциированной с ним линзой образует заданный паттерн, сформированный пространственно разделенными оптически прозрачными деталями, обладающими различными оптическими свойствами. Положение, по меньшей мере, одного участка фазового сдвига на оптическом элементе в пределах плоскости линзы определяется, по меньшей мере, размером указанной апертуры таким образом, чтобы уменьшить чувствительность устройства к смещениям КПФ указанной линзы при выходе из состояния фокусировки.
В соответствии еще с одним широким аспектом изобретения предлагается устройство для формирования изображения, содержащее набор линз, каждая из которых имеет определенную апертуру (которая может быть перестроена), и набор оптических элементов, каждый из которых ассоциирован с соответствующей ему линзой набора. При этом каждый оптический элемент выполнен с возможностью обеспечить увеличенную глубину фокуса указанного устройства и сконфигурирован, как недифракционный оптический элемент, влияющий на фазу и задающий фазовый сдвиг посредством деталей с низкими пространственными частотами. Каждый оптический элемент совместно с ассоциированной с ним линзой образует заданный паттерн, сформированный пространственно разделенными оптически прозрачными деталями, обладающими различными оптическими свойствами. Положение, по меньшей мере, одного участка фазового сдвига на оптическом элементе в пределах плоскости линзы определяется, по меньшей мере, размером указанной апертуры.
В соответствии с другим аспектом изобретения предлагается формирующая изображение линза, предназначенная для использования в очках. Линза задает определенную апертуру, которая может быть перестроена, и несет оптический элемент, выполненный с возможностью обеспечить увеличенную глубину фокуса устройства для формирования изображения и сконфигурированный, как недифракционный оптический элемент, влияющий на фазу и задающий фазовый сдвиг посредством деталей с низкими пространственными частотами. Оптический элемент совместно с ассоциированной с ним линзой образует заданный паттерн, сформированный пространственно разделенными оптически прозрачными деталями, обладающими различными оптическими свойствами. Положение, по меньшей мере, одного участка фазового сдвига на оптическом элементе в пределах плоскости линзы определяется, по меньшей мере, размером указанной апертуры.
В соответствии со следующим аспектом изобретения предлагается дисплейное устройство, несущее устройство для формирования изображения, которое содержит набор линз, каждая из которых имеет определенную апертуру (которая может быть перестроена), и набор оптических элементов, каждый из которых ассоциирован с соответствующей ему линзой набора. При этом каждый оптический элемент выполнен с возможностью обеспечить увеличенную глубину фокуса указанного устройства и сконфигурирован, как недифракционный оптический элемент, влияющий на фазу и задающий фазовый сдвиг посредством деталей с низкими пространственными частотами. Каждый оптический элемент совместно с ассоциированной с ним линзой образует заданный паттерн, сформированный пространственно разделенными оптически прозрачными деталями, обладающими различными оптическими свойствами. Положение, по меньшей мере, одного участка фазового сдвига на оптическом элементе в пределах плоскости линзы определяется, по меньшей мере, размером указанной апертуры.
Должно быть понятно, что такое дисплейное устройство может быть статическим устройством или устройством динамического типа, предназначенным для использования совместно с электронным устройством (таким как мобильный телефон) или в качестве его составной части.
В соответствии еще с одним аспектом изобретения предлагается система для создания изображения на плоскости приемника, содержащая линзовое устройство для формирования изображения. Данное устройство образовано формирующим изображение линзовым блоком, включающим, по меньшей мере, одну линзу, имеющую определенную апертуру, которая может быть перестроена, и, по меньшей мере, один оптический элемент, ассоциированный с указанной, по меньшей мере, одной линзой и выполненный с возможностью обеспечить увеличенную глубину фокуса указанного устройства. Оптический элемент сконфигурирован, как недифракционный оптический элемент, влияющий на фазу и задающий фазовый сдвиг посредством деталей с низкими пространственными частотами. Оптический элемент совместно с ассоциированной с ним линзой образует заданный паттерн, сформированный пространственно разделенными оптически прозрачными деталями, обладающими различными оптическими свойствами, тогда как положение, по меньшей мере, одного участка фазового сдвига на оптическом элементе в пределах плоскости линзы определяется, по меньшей мере, размером указанной апертуры. В результате оптический элемент обеспечивает правильное отношение фазовой интерференции между частями светового потока, проходящими через различные участки указанного устройства, и тем самым - уменьшение квадратичного фазового сомножителя, обусловленного выходом светового пучка из фокуса указанной линзы, с максимизацией ОПФ при дефокусировке указанного устройства.
В соответствии со следующим аспектом изобретения предлагается оптический элемент для использования совместно с линзой, формирующей изображение, с целью увеличения глубины фокуса. Оптический элемент сконфигурирован, как недифракционный оптический элемент, влияющий на фазу и формирующий заданный паттерн участков фазового сдвига, соответствующих низким пространственным частотам, причем этот паттерн определяется апертурой (которая может быть перестроена) используемой линзы.
В соответствии с другим аспектом изобретения предлагается оптический элемент для использования совместно с линзой, формирующей изображение, с целью увеличения глубины фокуса. Оптический элемент сконфигурирован, как чисто фазовый недифракционный бинарный элемент, формирующий заданный паттерн участков фазового сдвига, соответствующих низким пространственным частотам. Этот паттерн определяется апертурой (которая может быть перестроена) формирующей изображение линзы. В соответствии еще с одним аспектом изобретения предлагается оптический элемент для увеличения глубины фокуса при формировании изображения, сконфигурированный, как недифракционный оптический элемент, влияющий на фазу и формирующий заданный паттерн участков фазового сдвига, соответствующих низким пространственным частотам.
В соответствии еще с одним аспектом изобретения предлагается оптический элемент для увеличения глубины фокуса при формировании изображения. Он сконфигурирован, как недифракционный оптический элемент, влияющий на фазу и задающий фазовый сдвиг посредством деталей, соответствующих низким пространственным частотам. При этом данный элемент формирует заданный паттерн участков фазового сдвига, расположенных с учетом апертуры (которая может быть перестроена) формирующей изображение линзы, для которой спроектирован данный элемент. В результате образуются участки сдвига в заданных положениях в пределах плоскости указанной линзы и обеспечивается возможность периодической репликации поперечного фазового профиля светового поля, распространяющегося через указанную линзу с данным оптическим элементом.
В соответствии еще с одним аспектом изобретения предлагается оптический элемент для увеличения глубины фокуса при формировании изображения. Он сконфигурирован, как чисто фазовый недифракционный бинарный элемент, задающий фазовый сдвиг посредством деталей, соответствующих низким пространственным частотам. Данный элемент формирует заданный паттерн участков фазового сдвига, расположенных с учетом апертуры (которая может быть перестроена) формирующей изображение линзы, для которой спроектирован данный элемент В результате образуются участки сдвига в заданных положениях в пределах плоскости указанной линзы и обеспечивается возможность периодической репликации поперечного фазового профиля светового поля, распространяющегося через указанную линзу с данным оптическим элементом.
В соответствии еще с одним аспектом изобретения предлагается способ обеспечения увеличенной глубины фокуса в системе формирования изображения. Способ включает использование кодирования эффективной апертуры формирующей изображение линзы путем снабжения указанной линзы недифракционным оптическим элементом, влияющим на фазу, с образованием устройства, обеспечивающего фазовый сдвиг посредством деталей с низкими пространственными частотами и формирование в плоскости указанной линзы заданного паттерна пространственно разделенных оптически прозрачных деталей, обладающих различными оптическими свойствами. Тем самым обеспечивается отношение фазовой интерференции между частями пучка излучения, проходящего через различные участки линзового устройства, которые соответствуют различным деталям паттерна. В результате имеют место уменьшение квадратичного фазового сомножителя, обусловленного выходом светового пучка из фокуса указанной линзы, и максимизация оптической передаточной функции (ОПФ) линзового устройства для формирования изображения при дефокусировке.
В соответствии с другим аспектом изобретения предлагается способ обеспечения увеличенной глубины фокуса в системе формирования изображения, включающий формирование влияющего на фазу недифракционного оптического элемента для использования с формирующей изображение линзой, имеющей определенную эффективную апертуру. Формирование данного элемента включает выбор в пределах указанной апертуры N положений для фазовых сдвигов таким образом, чтобы обеспечить максимальный контраст ОПФ системы формирования изображения для набора положений дефокусировки. Тем самым обеспечивают ОПФ для состояния дефокусировки, насколько возможно, отличную от нуля.
Краткое описание чертежей
Чтобы сделать изобретение более понятным и показать, как оно реализуется на практике, далее в качестве неограничивающего примера со ссылкой на прилагаемые чертежи будут описаны его предпочтительные варианты.
На фиг.1А схематично иллюстрируется система формирования изображения, использующая линзовое устройство согласно изобретению.
На фиг.1В схематично иллюстрируется другой пример линзового устройства согласно изобретению.
На фиг.1C схематично изображен еще один пример линзового устройства для формирования изображения согласно изобретению, пригодный для использования с дисплейным устройством.
На фиг.1D и 1Е представлены примеры оптического элемента по изобретению, выполненного за одно с линзой, формирующей изображение.
На фиг.2А-2С представлены три примера контура оптического элемента по изобретению, совместимого с линзовым устройством для формирования изображения.
Фиг.3A-3D иллюстрируют эффект изобретения по сравнению с традиционным подходом.
2
На фиг.4A-4I приведены примеры изображения лица при изменении параметра 4ψ/D дефокусировки от -0,2 (на фиг.4А) до 0,2 (на фиг.4I) с шагом 0,05 для случая использования оптического элемента по изобретению.
2
На фиг.5A-5I приведены примеры изображения лица при изменении параметра 4ψ/D дефокусировки от -0,2 (на фиг.5А) до 0,2 (на фиг.5I) с шагом 0,05 для случая, когда оптический элемент по изобретению не используется.
На фиг.6 иллюстрируются результаты анализа чувствительности оптического элемента к изменениям длины волны.
На фиг.7A-7D представлены экспериментальные результаты формирования изображения розетки с УГФ-элементом по изобретению и без него. Так, фиг.7А соответствует изображению розетки в фокусе, без УГФ-элемента, фиг.7В - изображению розетки в фокусе, с УГФ-элементом, фиг.7С - изображению розетки не в фокусе, без УГФ-элемента и фиг.7D - изображению розетки не в фокусе, с УГФ-элементом.
На фиг.8A-8D и на фиг.9А-9Н представлены результаты экспериментальной верификации способа повышения глубины фокуса по изобретению для полихроматического пространственно некогерентного освещения.
Фиг.10А иллюстрирует применение изобретения для повышения офтальмологической глубины фокуса для случая, когда оптический элемент прикреплен к контактной линзе.
Фиг.10В иллюстрирует применение изобретения для повышения офтальмологической глубины фокуса для минимального расстояния, при котором фокусировка достигается с использованием оптического элемента по изобретению и без него.
Осуществление изобретения
На фиг.1А схематично иллюстрируется система 10 формирования изображения, использующая линзовое устройство 12 согласно изобретению. Система 10 формирования изображения образована объектом 13, изображение которого нужно получить, линзовым устройством 12 для формирования изображения и приемником 16 света. Устройство 12 для формирования изображения содержит некоторое количество линз 12А (обычно одну линзу, как в рассматриваемом примере), имеющих некоторую эффективную апертуру D (соответствующую в данном примере диаметру линзы), и некоторое количество оптических элементов 12В (в данном примере единственный оптический элемент), ассоциированных (ассоциированный) с линзами (линзой) 12А. Такой оптический элемент 12В сконфигурирован и действует как элемент, увеличивающий глубину фокуса (УГФ-элемент).
Оптический элемент 12В сконфигурирован в соответствии с параметрами линзы 12А, например с ее эффективной апертурой и, возможно, с распределением ее оптической силы и/или фокусного расстояния. Оптический элемент 12В сконфигурирован в виде недифракционной маски, влияющей на фазу. Маска 12В предпочтительно выполнена за одно с линзой (как это представлено в рассматриваемом примере), т.е. в виде паттерна на поверхности линзы. Однако в общем случае маска 12В может быть и отдельным элементом, прикрепленным к линзе или расположенным вблизи нее. Такой вариант иллюстрируется на фиг.1В, где показана система 100 формирования изображения, использующая линзовое устройство 112, в состав которого входят линза 12А и недифракционный оптический элемент 12В, влияющий на фазу и расположенный перед линзой, в непосредственной близости от нее.
1
2
3
4
1
2
3
4
На фиг.1C схематично показана система 200 формирования изображения согласно другому примеру изобретения. Здесь линзовое устройство 212 содержит набор линз 12А, образованный в данном примере четырьмя линзами (индивидуально обозначенными, как L, L, L и L), и набор оптических элементов 12В (индивидуально обозначенных, как OE, OE, ОЕ и ОЕ), каждый из которых ассоциирован с линзой набора (т.е. с элементарной линзой многолинзовой системы).
Подобная система 200 может быть, например, использована совместно с дисплейным устройством (или с экраном) 13 (представляющим собой объект) с целью облегчить наблюдение дисплея/экрана (например, в мобильном телефоне) людям с проблемами ближнего зрения. Устройство 212 для формирования изображения установлено на небольшом расстоянии (несколько миллиметров) от поверхности 13' панели дисплея 13. В данном примере набор оптических элементов 12В расположен за набором элементарных линз 12А по направлению распространения света от объекта 13 к приемнику 16 света (к глазу пациента). Использование подобных наборов элементарных линз и УГФ-элементов позволяет максимально приблизить ближайшую плоскость FP фокусировки устройства 212 для формирования изображения к плоскости объекта 13. Благодаря этому люди с проблемами в отношении ближнего зрения, а также люди с нормальным зрением будут способны видеть экран дисплея. Кроме того, приближение ближайшей плоскости фокусировки к объекту сокращает коэффициент уменьшения изображения объекта.
В предпочтительном варианте оптические элементы 12В выполнены, как чисто фазовые бинарные маски. Следует, однако, отметить, что в общем случае эти элементы могут быть выполнены, как амплитудно-фазовые маски.
Оптический элемент 12В выполняется таким образом, чтобы задать участок сдвига, соответствующий низкой пространственной частоте, и, в сочетании с зонами линзы 12А, сформировать требуемый паттерн пространственно разделенных, по существу, оптически прозрачных деталей, по-разному влияющих на фазу проходящего через них света. Таким образом, паттерн образуется в плоскости линзы, формирующей изображение, одним или более участков сдвига оптического элемента, разделенных участками линзы. Участки сдвига - это участки фазовых сдвигов, равных π, для некоторых длин волн, для которых разработан набор масок 12В. Расположение этих переходных участков (в пределах плоскости линз 12А) определяется эффективной апертурой линзы 12А (и, возможно, ее оптической силой) таким образом, чтобы максимизировать дефокусированную ОПФ (т.е. ОПФ при дефокусировке) всего устройства, формирующего изображение. С этой целью паттерн задают таким, чтобы обеспечить правильное отношение фазовой интерференции между частями светового потока, проходящими через различные участки линзового устройства, и тем самым обеспечить уменьшение квадратичного фазового сомножителя, обусловленного выходом светового пучка из фокуса линзы, формирующей изображение.
1
2
1
2
1
2
Как показано на фиг.1D и 1Е, оптический элемент может быть реализован в виде рельефа на поверхности линзы (см. фиг.1D), т.е. в виде паттерна пространственно разделенных участков R и R, соответствующих изменяющейся толщине линзы, или в виде паттерна участков R' и R', изготовленных из материалов с различными показателями преломления n и n (см. фиг.1Е). В последнем случае на выбранные пространственно разделенные участи поверхности линзы может быть нанесен соответствующий оптически прозрачный материал с показателем преломления, отличным от показателя преломления линзы.
1
1
2
2
На фиг.2А-2С представлены два конкретных неограничивающих примера контура оптического элемента 12В. В примере по фиг.2А маска выполнена в виде кольцевого участка 14 сдвига (в общем случае, по меньшей мере, одного такого участка, но может быть использован и набор концентрических колец). В примере по фиг.2В маска выполнена в виде решетки, образованной двумя парами взаимно перпендикулярных полосок (линий) B-B' и В-В'. В примере по фиг.2С элемент 12В представляет собой маску в виде двумерного набора полосок BE, образующих решетку. Участки сдвига по длине полосок соответствуют фазовым сдвигам, равным π, а участки пересечения взаимно перпендикулярных полосок соответствуют нулевому фазовому сдвигу. Оптимизированный контур оптического элемента находится с помощью решающего алгоритма, который будет описан далее.
Следует отметить, что маска (паттерн) может быть как симметричной, так и несимметричной относительно центра линзы. Например, четыре полоски, создающие фазовые сдвиги, равные π (две вертикальные (вдоль оси Y) и две горизонтальные (вдоль оси X)), показанные на фиг.2В, могут быть смещены в поперечном направлении в плоскости X-Y из положения, симметричного центру линзы.
Хотя это и не представлено на чертежах, паттерн может задавать также микроструктуры внутри участков фазового сдвига (например, внутри создающего фазовый сдвиг, равный π, кольца на фиг.2А). Более конкретно, каждый участок фазового сдвига может давать фазовый сдвиг, например, π/2, π, изменяющийся с низкой пространственной частотой.
Согласно настоящему изобретению УГФ-элемент 12В может иметь форму маски из N сегментов в пределах эффективной апертуры линзы 12А, формирующей изображение. При этом должно быть понятно, что вместо маски, блокирующей энергию в некоторых сегментах и пропускающей ее в других сегментах, изобретение предлагает, по существу, чисто фазовую недифракционную маску 12В, соответствующую 1 или (-1) в зависимости от сегмента.
Как уже упоминалось, маска 12В строится так, чтобы максимизировать дефокусированную ОПФ системы формирования изображения путем обеспечения инвариантности к квадратичному фазовому фактору (который появляется, когда изображение дефокусировано и является сомножителем когерентной передаточной функции (КПФ) линзы, формирующей изображение). В связи с этим, чтобы оптимизировать маску 12В, проводится поиск сегментов, которые обеспечат значение пропускания, равное (-1). В результате ОПФ с искажением вследствие дефокусировки будет максимально удалена от нулевого значения. Поскольку маска 12В - это двоичная фазовая маска, энергетическая эффективность не рассматривается (пропускание равно 100%). В соответствии с данными критериями поиск проводится по всем возможным вариантам апертурной кодирующей маски и их комбинациям. Дисторсия вследствие дефокусировки моделируется умножением апертуры на следующее выражение:
где  - это КПФ линзы 12А, формирующей изображение, соответствующая положению объекта, изображение которого строится, вне положения фокусировки, D - диаметр линзы 12А (в общем случае ее эффективная апертура), ν - координата апертуры линзы (в плоскости КПФ), а ψ - фазовый коэффициент, характеризующий степень дефокусировки:
где λ - длина волны, u - расстояние между линзой 12А и объектом 13, v - расстояние между линзой 12А и приемником 16, a F - фокусное расстояние линзы, формирующей изображение. Следует отметить, что в данном контексте выражение "линза, формирующая изображение" означает эффективную апертуру данной линзы. При выполнении условия формирования изображения:
фазовый фактор ψ равен нулю.
ОПФ вычисляется, как автокорреляция КПФ с ней самой:
Операция автокорреляции состоит из смещения двух функций КПФ во взаимно противоположных направлениях с последующим умножением и суммированием результатов. Полученная таким образом ОПФ связана с пространственной частотой, которая соответствует величине смещения. Применительно к высоким частотам (большим сдвигам) умножение и суммирование в случае дефокусировки дают, в среднем, нулевой результат. Следовательно, когда изображение дефокусировано, ОПФ не передает высоких частот.
Фазовая маска (например, кольцо) согласно изобретению направлена на ослабление подавления высоких частот при больших сдвигах КПФ (ОПФ представляет собой автокорреляцию КПФ). С этой целью маска выполняется так, чтобы инвертировать знак для части светового поля, которое (для линзы без УГФ-коррекции) имело среднее нулевое значение (именно поэтому ОПФ не обеспечивало передачу высоких частот). ОПФ представляет собой преобразование Фурье функции размытия точки (ФРТ) и используется для описания функции пропускания пространственных частот применительно к интенсивности в случае некогерентного освещения. Следовательно, математическая формулировка максимизации ОПФ имеет вид:
n
n
Другими словами, нужно определить значения a, которые дают максимальные значения для минимумов выражения для автокорреляции, где a=(1, -1) (т.е. эта величина может равняться 1 или -1). Следует отметить, что приведенный итеративный цифровой алгоритм является конкретным, но не ограничивающим примером задания конфигурации УГФ-элемента. Могут быть использованы и другие методы, например цифровой подход, основанный на минимизации энтропии или на максимальном подобии, или на ином цифровом или аналитическом принципе и обеспечивающий увеличенную глубину фокуса чисто оптическими средствами с использованием низких пространственных частот.
Фиг.3A-3D иллюстрируют эффективность изобретения. Три примера абсолютного значения ОПФ, называемого функцией передачи модуляции (Modulation Transfer Function - MTF), получены для различных значений фазового сомножителя: ψ=1,6 на фиг.3А; ψ=4,8 на фиг.3В; ψ=9,8 на фиг.3С и ψ=12,8 на фиг.3D. На каждой из этих фигур кривая С1 соответствует MTF для состояния фокусировки, а кривая С2 соответствует MTF дефокусированной системы формирования изображения без использования корректирующего оптического элемента (УГФ-элемента) по изобретению (типа маски 12В на фиг.1). Кривая С3 соответствует MTF дефокусированной системы, снабженной корректирующим элементом. Инвариантность в поперечном направлении может быть достигнута использованием фазового элемента, обеспечивающего периодическую, например поперечную, репликацию фазового профиля. Так, в варианте по фиг.2С, соответствующем примеру маски в виде двумерного набора базовых элементов BE, в случае, когда значительные поперечные сдвиги (высокие частоты) подавляют часть фазового профиля, дополняющая часть фазового профиля вводится от другого пространственного периода маски, создавая фазовый период посредством репликации. Таким образом, репликация базового периода сдвигов (т.е. базового элемента BE) уменьшает чувствительность к поперечным сдвигам.
Инвариантность в продольном направлении обеспечивается следующим образом. При заданном продольном расстоянии между фазовым элементом и приемником (плоскостью линзы, формирующей изображение, или плоскостью эффективной апертуры этой линзы, которая в офтальмологических приложениях является линзой человеческого глаза) необходимо учесть распространение функции маски в свободном пространстве на это расстояние. В результате будет найдено распределение фазы и амплитуды. Амплитуда отбрасывается, оставляя только фазовый профиль. Во многих случаях бинаризация фазовой функции также может дать достаточно хороший результат. При этом бинаризация дает пространственную маску, более простую в изготовлении.
2
На фиг.4A-4I и на фиг.5A-5I показано, как выглядит изображение лица при изменении параметра дефокусировки 4ψ/D от -0,2 (на фиг.4А и 5А) до 0,2 (на фиг.4I и 5I) шагами по 0,05. На фиг.4A-4I представлен случай использования (оптимально спроектированной) маски по изобретению, тогда как на фиг.5A-5I представлен случай, когда никакой маски кодирования апертуры не применяется. В этом примере УГФ-элемент был выполнен аналогично представленному на фиг.2В. Как хорошо видно на представленных фигурах, использование маски, кодирующей апертуру, приводит к различиям в дисторсии изображений на фиг.4A-4I и 5A-5I.
1
0
0
0
1
2
На фиг.6 представлены результаты оценки чувствительности кодовой маски (УГФ-элемента) по изобретению к изменениям длины волны. В рассматриваемом примере линзовое устройство для формирования изображения (линза с кодовой маской) освещалось излучением с длиной волны λ=0,8λ, где λ - длина волны, для которой была рассчитана и изготовлена маска, служащая для создания фазового сдвига, равного π (фазовых сдвигов, равных π). Использовался параметр дефокусировки 4ψ/D=0,15. Как можно видеть, полученная дисторсия вследствие дефокусировки благодаря использованию маски остается очень малой, несмотря на то, что маска уже не является оптимальной (поскольку параметры паттерна маски соответствуют фазовым сдвигам, равным π, для λ, а не для λ).
На фиг.7A-7D представлены экспериментальные результаты, полученные при формировании изображения розетки. На фиг.7А представлено изображение, полученное для розетки в положении фокусировки, без использования УГФ-элемента по изобретению. Изображение на фиг.7В получено для розетки в положении фокусировки, с использованием УГФ-элемента. Изображение на фиг.7С получено для розетки в положении дефокусировки, без использования УГФ-элемента. Изображение на фиг.7D получено для розетки в положении дефокусировки, с использованием УГФ-элемента. УГФ-элемент в данном примере аналогичен элементу по фиг.2А. Видно, что использование УГФ-элемента по изобретению обеспечивает улучшение в отношении высоких пространственных частот и влияет на качество, когда система сфокусирована.
Следует отметить, что по отношению ко всем изображениям, приведенным на фиг.4A-4I, 5A-5I, 6 и 7A-7D и демонстрирующим существенное увеличение глубины фокуса, не применялось никакой цифровой обработки изображения. Такая обработка может дополнительно улучшить достигнутые результаты.
Была проведена экспериментальная верификация способа увеличения глубины фокуса для случая полихроматического пространственно некогерентного освещения (общей подсветки). Экспериментальные условия были таковы: фокусное расстояние линзы, формирующей изображение: F=90 мм; расстояние между данной линзой и объектом: v=215,9 мм; расстояние между линзой и приемником (типа ПЗС): u=154,3 мм; апертура линзы: D=16 мм. Следовательно, фазовый сомножитель ψ равняется 13, когда объект смещен на расстояние 1,5 мм из плоскости фокусировки, и 17, когда это расстояние равно 2 мм. Значение сомножителя ψ рассчитывается согласно уравнению (2) с подстановкой соответствующих расстояний и диаметра линзы (ее апертуры) оптической системы. Полученные при этих условиях экспериментальные результаты представлены на фиг.8A-8D и 9А-9Н. УГФ-элемент был выполнен подобным представленному на фиг.2А.
Изображение на фиг.8A-8D соответствует положению фокусировки без оптического элемента по изобретению; положению фокусировки с использованием такого элемента, положению дефокусировки без оптического элемента при ψ=13 (+1,5 мм) и положению дефокусировки с оптическим элементом при ψ=13 (+1,5 мм).
На фиг.9А-9С приведены изображения, полученные соответственно в положении фокусировки без оптического элемента; в положении дефокусировки без оптического элемента при ψ=13 (+1,5 мм) и в положении дефокусировки без оптического элемента при ψ=17 (+2 мм). Фиг.9D-9F аналогичны фиг.9А-9С, но получены с применением оптического элемента. На фиг.9G представлено расфокусированное изображение при ψ=13 (+1,5 мм), полученное при отсутствии оптического элемента и при полихроматическом освещении; тогда как на фиг.9Н представлено расфокусированное изображение при ψ=13 (+1,5 мм), полученное с оптическим элементом при полихроматическом освещении.
Как было показано выше, линзовое устройство согласно изобретению может быть использовано в офтальмологических применениях. Чтобы обеспечить возможность введения в глаз линзы, формирующей изображение, поверхность линзового устройства должна быть плоской. Технологии, пригодные для изготовления требуемого линзового устройства (т.е. линзы, формирующей изображение, с плоским паттерном), включают, например, травление (влажное или сухое), лазерное сверление или шлифование на токарном станке с получением желаемой пространственной структуры (пространственного рельефа) и с последующим заполнением удаленного объема материалом с показателем преломления, отличным от показателя преломления материала линзы. Разница в показателях преломления подбирается таким образом, что наружная область маски является плоской при обеспечении желаемой разности фаз. Эта разность фаз выполняет функции буферной фазовой области, которая обеспечивает выравнивание свойств различных областей в пределах апертуры линзы для эффекта интерференции. Еще один вариант технологии предусматривает диффузию или фотополимеризацию, которая не включает проявления и удаления полимеризованного материала. Еще один возможный подход, относящийся к хирургии глаза, состоит в имплантации искусственной ткани с показателем преломления, отличным от показателя преломления ткани глаза.
УГФ-элемент по изобретению (не имеющий оптической силы) добавляют к определенной линзе, которая должна иметь заданную оптическую силу. Например, если пациенту нужны очки, имеющие -1 диоптрию и 3 диоптрии соответственно для ближнего и дальнего зрения, УГФ-элемент по изобретению может быть сконструирован для использования с любыми из этих очков, с учетом апертуры соответствующих линз, чтобы получить глубину фокуса, эквивалентную 5 диоптриям. Более конкретно, в данном примере можно использовать линзы, имеющие 1 диоптрию, с УГФ-элементом по изобретению, причем УГФ-элемент взаимодействует с линзой, оптическая сила которой соответствует 1 диоптрии, и обеспечивает глубину поля в пределах от -1,5 до 3,5 диоптрий. Таким образом, пациент может использовать только одни очки с оптической силой, равной 1 диоптрии. Эта оптическая сила очков (линз, формирующих изображение) будет складываться с действием УГФ-элемента.
Подобный УГФ-элемент максимизирует дефокусированную ОПФ линзового устройства (соответствующим образом модулируя профиль КПФ очковых линз) за счет создания соответствующего отношения фазовой интерференции между частями светового пучка, проходящими через различные участки линзы. Как следствие, уменьшается квадратичный фазовый сомножитель, появляющийся в результате того, что часть света не проходит через фокус линзы. Автор изобретения обнаружил, что для большинства пациентов пригоден УГФ-элемент с конфигурацией, подобной представленной на фиг.2С. При этом базовый период (период базового элемента BE) для элемента по фиг.2С составляет примерно 3 мм, а расстояние между двумя смежными полосками - примерно 1,875 мм при толщине полоски около 0,375 мм.
Если УГФ-элемент, обеспечивающий заданную глубину фокуса, выполняется на поверхности линзы для офтальмологических приложений, такой как контактная линза, он может быть пересчитан в диоптрийный интервал. Диаметр (эффективная апертура) глазной линзы может изменяться в интервале от 2 мм до 6-7 мм в зависимости от условий освещения. Оптический элемент определяет диоптрийный интервал, в пределах которого изображение находится в фокусе. Автор обнаружил, что для результирующего интервала фазового сомножителя ψ (примерно до 17) в условиях освещения, при которых диаметр зрачка глаза равен 2 мм, диоптрийный интервал Р превышает 5 (от -2,5 до 2,5). При моделировании использовалась формула:
На фиг.10А-10В представлены результаты моделирования, иллюстрирующие использование изобретения для увеличения офтальмологической глубины фокуса. На фиг.10А представлено моделирование диоптрийного интервала, получаемого при прикреплении УГФ-элемента к контактной линзе. Диаметр глазной линзы, в зависимости от освещения, изменяется от 2 мм до 6-7 мм. Для моделирования использовалось уравнение (6).
min
min
При моделировании, проиллюстрированном на фиг.10В, использовалась линза с фиксированным фокусным расстоянием. Если расстояние между линзой и приемником равно фокусному расстоянию линзы (v=F), изображение будет в фокусе, начиная с некоторого расстояния u и до бесконечности. Расстояние u определяется следующим образом:
При v=F получаем:
min
Графики u с УГФ-элементом по изобретению и без него представлены на фиг.10В. Можно видеть, что при наличии элемента по изобретению минимальное расстояние намного меньше. Следовательно, общий диапазон фокусировки намного больше. В этой связи следует отметить, что для человеческого глаза v=15 мм.
Как уже упоминалось, на фиг.1C представлен вариант линзового устройства по изобретению, образованного набором элементарных линз и набором УГФ-элементов (предназначенных для использования совместно с дисплейным устройством или экраном). Необходимые параметры устройства могут быть определены следующим образом.
Примем, что расстояние u между экраном 13 и набором элементарных линз 12А равно примерно 2 мм; расстояние v между экраном 13 и ближайшей фокальной плоскостью FP равно 40 см; а расстояние R между глазом 16 и ближайшей фокальной плоскостью FP близко к 1 м. Объект 13 образован экраном (дисплеем) мобильного телефона. Набор линз 12А формирует изображение плоскости объекта 13 в ближайшей фокальной плоскости FP:
что соответствует f=2,01 мм.
Параметр дефокусировки записывается, как
,
где λ - длина волны.
min
При наличии УГФ-элемента значение данного параметра без ухудшения 5 качества изображения может достигать 15, а без него - 2-3. Диаметр D элементарных линз набора может быть задан таким образом, чтобы (для получения минимального уменьшения изображения) минимальное расстояние v между экраном 13 и ближайшей фокальной плоскостью FP было близким к плоскости объекта 13. Коэффициент уменьшения изображения
.
min
Чтобы получить v=u=2 мм, необходимо, чтобы:
.
Отсюда:
.
Следует отметить, что без УГФ-элемента минимальное расстояние v было бы равно:
.
Это соответствует коэффициенту уменьшения, равному 8 (16 мм/2 мм). При таком коэффициенте было бы невозможно различать символы на экране.
Прикрепление к экрану набора элементарных линз 12А уменьшило видимое разрешение. Разрешение подобной системы формирования изображения имеет следующее ограничение:
.
Поскольку детали, появляющиеся на экране, имеют размеры, превышающие это значение, наличие набора элементарных линз не влияет на разрешение.
В соответствии с представленными расчетами человек с нормальным зрением, который сфокусировал свои глаза на экран (или на плоскость, расположенную на 2 мм позади него) будет наблюдать сфокусированное изображение.
Настоящее изобретение может внести качественные изменения в широкий набор различных приложений, в том числе: в традиционные офисные устройства, содержащие камеры, такие как видеокамеры, сканеры (например, для считывания штрих-кодов) и веб-камеры; традиционные системы формирования изображения, включая камеры и приемники, например камеры мобильных телефонов, камеры в автомобилях, камеры наблюдения, машинное зрение, фотография, телевидение высокой четкости, видеоконференции, радарные системы формирования изображений (которые обычно испытывают трудности дефокусировки), эндоскопия и пассивные биомедицинские исследования, томография, дисплеи и т.д. Применение элемента по изобретению, увеличивающего глубину фокуса, в эндоскопии и в пассивных биомедицинских исследованиях сделает возможным наблюдение сфокусированных изображений внутренних органов, которые до этого не удавалось получить из-за невозможности точного позиционирования медицинского прибора. Другие возможные применения изобретения включают коррекцию хроматических аберраций в различных оптических системах, например применительно к оптической связи; средства записи/считывания, используемые с носителями информации, такими как традиционные DVD или многослойные носители, использующие отражение или флуоресценцию.
Настоящее изобретение может быть использовано также в офтальмологических приложениях, включая контактные линзы, очковые стекла, интраокулярные линзы или любые иные линзы, устанавливаемые вблизи глаза или вводимые в любую его часть. Очевидным примером является использование изобретения людьми, страдающими близорукостью (миопией), у которых развивается пресбиопия и которым вследствие возрастных изменений их природных глазных линз требуются очки для чтения. Благодаря изобретению такие люди смогут пользоваться единственной парой линз, например в качестве очковых линз, контактных линз, внутрироговичных линз, факичных или афакичных интраокулярных линз или линз, имплантируемых в какую-либо иную часть глаза. При этом данные линзы могут использоваться применительно к любому расстоянию, малому или большому.
Другим очевидным применением изобретения является его использование в качестве интраокулярной линзы, т.е. искусственной линзы, имплантированной в глаз после удаления катаракты. Обычные искусственные линзы, имплантируемые в настоящее время, имеют только один фокус. Поэтому человек, в глаз которого такая линза имплантирована, имеет весьма ограниченную глубину фокуса и должен использовать очки для большинства дистанций наблюдения. Осуществление изобретения применительно к имплантируемым линзам позволит пациенту иметь зрение с фокусировкой на любые дистанции. Другим примером офтальмологического применения является замена мультифокусных очковых линз, которые обычно конструируются таким образом, что каждый сегмент поверхности линзы имеет свое фокусное расстояние, так что пациент должен смещать свой глаз, чтобы сфокусировать его на объекты, находящиеся на различных расстояниях. Использование изобретения в очковых или контактных линзах позволит человеку, страдающему пресбиопией, видеть в фокусе объекты на любых расстояниях через любую часть линзы.
Во всех применениях изобретения, включая рассмотренные примеры, изображения объектов, расположенных на различных расстояниях, фокусируются на сетчатку (или на приемник) без заметной потери энергии, в отличие от ситуации с использованием мультифокусных контактных или интраокулярных линз.
Специалисты в данной области без труда поймут, что в описанные варианты изобретения могут быть внесены различные модификации и изменения, не выходящие за пределы изобретения, определяемого прилагаемой формулой.