DE2060618A1 - Verfahren und Einrichtung zum Nachbilden einer Optik grosser OEffnung - Google Patents

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8397-70/Dr.v.B/Elf

C-1022

U.S.Ser.No. 883,534

filed: December 9, 1969

George W.Stroke, Setauket, N.Y. (V.St.A.)

Verfahren und Einrichtung zum Nachbilden einer Optik grosser öffnung

Stand der Technik

In den letzten Jahren sind eine Reihe von Versuchen unternommen worden, das von Sir Martin RyIe und seinen Mitarbeitern für die Radioastronomie angegebene Apertursyntheseprinzip auf das optische Gebiet zu übertragen. Dieses Apertursyntheseprinzip, über das zusammenfassend in dem von R.C.Hansen herausge gebenen Buch "Microwaves Scanning Antennas", Verlag Academic Press, New York, 1964, berichtet wird, besteht darin, zwei kleine Antennen in bezug aufeinander zu bewegen und die von einer Hochfrequenzquelle in ihnen induzierten Ströme abzutasten, die in entsprechenden Elementen einer hypothetischen Antennenanordnung grosser Abmessungen induziert worden wären. Die erforderliche Synthese wird dann mit Hilfe eines elektronischen Digitalrechners durchgeführt. Durch dieses Verfahren wird in der Praxis eine Antenne grosser Abmessungen durch eine Rechnung ersetzt.

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Es sei ferner auf das nun berühmte radioastronomische Bildsyntheseverfahren verwiesen, das als "Culgoora Annular-Aperture Radioheliography" bekannt ist und auf Arbeiten von J.Paul Wild beruht, der gezeigt hat, wie man durch ein elektronisches Realzeit-Analogrechnungsverfahren ein Bild der Sonne synthetisieren oder zusammensetzen kann, wie man es durch eine ganz ausgefüllte öffnung erhalten würde, während die Bilder (eine 3000-Punkt-Anordnung die praktisch gleichzeitig abgebildet wird tatsächlich nur durch eine ringförmige öffnung erhält, siehe z.B. J.P.Wild, Proceedings of the Royal Society (London) A286 (1965) 499. Wenn auch keine direkten Beziehungen zu dem von RyIe angegebenen Apertürsyntheseverfahren bestehen, kann das Wild'sehe radioastronomische Verfahren sowohl als "Apertur-Synthese" oder als "Bildentwicklungsverfahren"(Bilddekonvolutionsverfahren) angesehen werden. j

Es ist jedoch darauf hinzuweisen, daß Radioteleskope keine ab- : bildenden Systeme im engeren Sinne sind, - Radioteleskope enthalten keine fotografischen Platten - , so daß man das \ Bild, wenn ein solches mit einem Radioteleskop hergestellt werden soll, mit Hilfe eines Computers zusammensetzen muss. Bei der Bilderzeugung mit einem Radioteleskop werden ausserdem nur sehr wenige Bildpunkte in Betracht gezogen. Beispielsweise werden bei radioteleskopischen Untersuchungen der Sonne nicht mehr j als 50 Bildpunkte gleichzeitig abgebildet und die durch diese 50 Bildpunkte gebildete Linie wird dann abgetastet, um innerhalb einer Sekunde ein Raster aus 3000 Bildpunkten zu erzeugen. Bei einem fotografischen Bild kann andererseits die Fotoplatte eine Auflösung von 100 Linien pro Millimeter haben und jeder Quadratmillimeter der Fotografie enthält dann 10 000 Lichtpunkte. Eine

10 mm grosse Fotografie enthält also schon eine Million Bildpunkte und die Anzahl der Bildpunkte nimmt im wahrsten Sinne des Wortes mit zunehmender Grosse der Fotografie astronomische

Werte an, so daß für die Synthese eines grösseren Bildes mit Hilfe eines Computers schätzungsweise zwei Monate Rechenzeit j

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pro Bild erforderlich werden. Rechenzeiten dieser Länge sind für die Praxis prohibitiv, aber zumindest theoretisch könnte das mit Computern arbeitende radioastronomische Verfahren auf das optische Gebiet übertragen werden.

Das Interesse, die für die Radioastronomie entwickelten Verfahren auf das optische Gebiet zu übertragen, beruht darauf, daß für viele Anwendungen fotografische Systeme grosser Brennweite benötigt werden, z.B. für Luftbildaufnahmen von einem Flugzeug oder Satelliten aus oder in der Astronomie, wo grosse Brennweiten benötigt werden, um Bilder ausreichender Vergrösserung zu erhalten. Mit der Vergrösserung der Brennweite darf jedoch das Verhältnis von Öffnung zu Brennweite nicht verschlechtert werden, da sonst die Auflösung leidet, d.h. daß die Beugungsunschärfe, die ungefähr gleich fX/D muss genügend kleingehalten werden, z.B. in der Grössenordnung weniger Wellenlängen, und es ist daher erforderlich, daß mit zunehmender Brennweite auch der Durchmesser der öffnung vergrössert wird. Wenn z.B. eine Brennweite von 10 m gefordert wird, muss der üffnungsdurchmesser des optischen Systems 5 m betragen, wenn eine Beugungsunschärfe von höchstens 2 Wellenlängen ge- \ fordert wird. Wenn man daran denkt, daß die grösste existierende Teleskopoptik einen Durchmesser von 200 Zoll (etwa 5m) hat und daß für fotografische Geräte gut korrigierte Linsensysteme j und nicht die in der Astronomie üblichen Spiegeloptiken benötigt werden, ist leicht einzusehen, daß optische Systeme mit Brennweiten der erwähnten Grössenordnung praktisch nicht realisierbar sind, sicher nicht für die Verwendung an Bord eines Luft- j oder Raumfahrzeuges. Es ist auch völlig unmöglich, eine so grosse Menge Spezialglas zu schmelzen, wie für ein einwandfrei korrigiertes Objektiv so grossen Durchmessers , das praktisch : bis zu 8 oder 10 Linsenelemente erfordert, benötigt wird. , Es ist also nicht nur unmöglich, optische Linsen mit dem erfor- ! derlichen Durchmesser und der erforderlichen Güte herzustellen '

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und selbst wenn man sie herstellen könnte, würde sich ein ortsbeweglicher Einsatz infolge ihrer Grosse und ihres Gewichtes verbieten.

Es ist auch schon versucht worden, die bemerkenswerten Vorteile des von RyIe angegebenen radioastronomischen Apertursyntheseprinzips auf das optische Gebiet zu übertragen, soweit bekann jb, werden dabei jedoch entweder umfangreiche und langwierige Fourier-Transformations-Rechnungen mit einem elektronischen Digitalrechner benötigt oder man muß das endgültige Bild mit Hilfe von komplizierten und nicht zufriedenstellenden holographischen Intensitätssuperpositionsverfahren herstellen, siehe z.B. die Veröffentlichungen von Dennis Gabor, dem Erfinder und anderen in "Physics Letters" 18, 116 (1965) und von J.S.Wilczynski "A Double Objective Telescope With Common Focus (Synthetic Aperture Optical Telescope)" , veröffentlicht im IBM Research Report RC-1988 vom 13.März 1968. Ganz abgesehen von den geschätzten zwei Monaten Rechenzeit, die für die Zusammensetzung eines fotografischen Bildes durch das ersterwähnte Verfahren erforderlich ist, würde die Qualität zweifelsohne erheblich zu wünschen übrig lassen. Bei dem derzeitigen Stand der Holographie ist andererseits das mit dem holographischen Intensitätssuperpositionsverfahren erreichbare Auflösungsvermögen um GrossenOrdnungen schlechter als bei Photographien hoher Auflösung.

Ausser dem noch nicht zufriedenstellend gelöstem Problem des Zusammensetzens der mit dem Wilczynski-Verfahren möglicherweise erhältlichen Teilauflösungsbildern ergibt sich noch die weitere Schwierigkeit, daß beim Versuch, das Äquivalent eines grossen , komplizierten und hochauflösenden Objektivs synthetisch herzustellen, die für die Synthese verwendeten kleinen

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Komponenten mit einer Präzision, die vergleichbar mit derjenigen ist, mit der die Elemente des grossen Objektivs in diesem angeordnet sind, so an die verschiedenen Stellen gebracht werden müssen, daß sie den Bereich überdecken, der von dem grossen Objektiv (bzw. der grossen Linse) eingenommen wird. Optisch ausgedrückt bedeutet dies eine Präzision in der Grössenordnung von Wellenlängen, nämlich Toleranzen in der Grössenordnung von 2,5 χ 10 mm, die in Systemen, in denen die Linsenkomponenten zum überstreichen der grossen Fläche des nachzubildenden Objektivs oder der nachzubildenden Linse bewegt werden, sehr schwierig, wenn überhaupt eingehalten werden können.

Im Hinblick auf die oben erwähnten Mängel der bekannten Versuche zur Synthese oder Nachbildung von optischen Systemen grosser öffnung liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Einrichtung anzugeben, die eine relativ einfache direkte Synthese oder Nachbildung von optischen Systemen grosser öffnung ermöglichen.

Insbesondere sollen durch die Erfindung ein Verfahren und eine Einrichtung angegeben werden, mit denen a posteriori ein weitgehendes Äquivalent des Bildes , das man mit einer Optik grosser öffnung erhalten würde, in Fällen, wo nur optische Systeme kleiner öffnung verwendet werden können, synthetisch hergestellt werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst.

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Vorteile

Durch das Verfahren gemäss der Erfindung kann ein hochaufgelöstes optisches Bild mit vollem "Raumfrequenzumfang" durch einfache überlagerung eines geeigneten Satzes von Teilfrequenzbereich-Fotografien , die entweder getrennt oder gleichzeitig erhalten wurden, in einer einzigen fotografischen Platte erzeugt werden. Dieses Prinzip lässt sich z.B. experimentell mit Hilfe eines Satzes geeigneter "Masken-Aperturen" verifizieren , die nacheinander vor eine einzige fotografische Linse oder ein fotografisches Objektiv grosser öffnung und vollen Raumfrequenzumfanges gebracht werden, um ein und dieselbe fotografische Platte nacheinander mit den Teilbildern mit dem begrenzten Raumfrequenzumfang und mit kleiner öffnung zu belichten. Das resultierende Bild ist praktisch gleichwertig einem mit der Linse voller öffnung und vollen Raumfrequenzumfang erhaltenen Bild. Der Begriff "grosse Öffnung" soll dabei ein grosses Verhältnis von D/f z.B. in der oben angegebenen Grössenordnung bedeuten.

Ein wichtiger Vorteil der vorliegenden Erfindung ist die Realisierung eines neuen Prinzips optischer Apertursynthese, durch das im nachhinein die Auflösung, die bei einzelner Verwendung einer Anzahl von Objektiven kleiner öffnung erreichbar ist, in praktisch realisierbaren Systemen, mit denen die experimentellen Ergebnisse praktisch realisiert sind, vergrössert wird; es wird also die Konstruktion von optischen Teileleraenten möglich, die wie Elemente der nachzubildenden grossen Apertur wirken und gleichzeitig den oben erwähnten extremen loleranzbedingungen genügen. Im Gegensatz zu den bekannten Verfahren, bei denen es erforderlich war, mindestens eine Linsenkomponente nacheinander an verschiedene Stellen zu bringen, um die grosse Fläche der nachzubildenden Linse zu synthetisieren, werden bei der vorliegenden Erfindung eine Anzahl von Komponenten unter Systemen , und zwar soviele wie zur Nachbildung einer vorgege-

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benen Öffnung erforderlich sind, mit den erforderlichen Toleran zen vormontiert und in fester gegenseitiger Lage in einer Kamera oder einem anderen optischen System angeordnet. Die verschiedenen Teil- oder Komponentensysteme, von denen jeder Teil sowohl die Brechkraft als auch die Prismenwirkung entsprechend dem nachzubildenden Bereich der Linse grosser Öffnung hat, liefern jeweils eine teilaufgelöste Fotografie, entweder direkt, bei aufeinanderfolgenden Belichtungen durch die einzelnen Teilsysteme, oder durch gleichzeitige Belichtung durch alle Teilsysteme, oder indirekt durch Kombination mehrerer getrennter Teilbilder unter Anwendung bekannter fotografischer Verarbeitungsverfahren. Es ist also nicht notwendig, daß die einzelnen Komponenten unter Systeme nacheinander arbeiten, wie es bei den bekannten dynamischen Systemen der Fall ist.

Die Erfindung ist jedoch nicht auf statische Systeme beschränkt sondern kann auch bei dynamischen Systemen Verwendung finden, wobei dann ein erheblicher Teil der den bekannten dynamischen Systemen anhaftenden Schwierigkeiten vermieden wird. Die Erfindung kann z.B. zur Nachbildung eines Beugungsgitters grosser Öffnung verwendet werden, indem man ein GittefiLement in sorgfältig kontrollierter Weise bezüglich eines feststehenden zweiten Gitterelementes bewegt.

Erläuterung der Erfindung

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele von Verfahren und Einrichtungen geraäss der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert, es zeigen:

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Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Versuchsaufbaues zur Realisierung des Prinzips der Apertursynthese oder -nachbildung durch Superposition oder überlagerung von Komponenten- oder Teilbildern kleiner öffnung in ein und derselben fotografischen Plattei

Fig. 2 eine Fotografie eines Testobjekts , das durch eine elementare Komponenten- oder Teilöffnung aufgenommen wurde, und die Modulations-Übertragungsfunktionskurve der öffnung;

Fig. 3 eine zusammengesetzte , "synthetisierte" Eotografie desselben Testobjekts, die durch aufeinanderfolgendes Belichten ein und derselben fotografischen Platte durch Sätze von Teilöffnungspaaren hergestellt wurde, und die Modulations-tibertragungsfunktionen (MTF-Funktionen) der öffnungen;

Fig. 4 eine schematische Darstellung des Young'sehen Doppelspaltabbildungsprinzips, auf die bei der Erläuterung der in den Figuren 2 und 3 dargestellten Ergebnisse und der mitspielenden optischen Prinzipien Bezug genommen wird;

Fig. 5 eine schematische Darstellung , die zeigt, wie eine Linse grosser öffnung als aus einer Vielzahl kleiner Komponenten- oder Teillinsensysteme bestehend angesehen werden kann;

Fig. 6 eine schematische Draufsicht eines vormontierten Komponenten- oder Teilsystems mit zwei optischen Elementen;

Fig. 7 eine scheraatische Seitenansicht einer Kamera in Kombination mit einem Teilsystem der in Figur 6 dargestellten Art;

Fig.7A eine Vorderansicht der öffnung der in Figur 7 dargestellten Kamera;

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. Fig. 8 eine schematische Seitenansicht einer Anordnung , bei der eine Vielzahl von Teilsystemen nacheinander in die nachzubildende öffnung gebracht wird;

Fig. 9 eine Seitenansicht eines Teiles einer Anordnung aus einer Vielzahl räumlich getrennt angeordneter Teilsysteme;

Fig. IO eine schematische Seitenansicht einer Anordnung zur vollen Synthese oder Nachbildung einer Apertur mit Komponenten- oder Teil-Untersystemen;

Fig. 1OA eine Stirnansicht der öffnung der Kamera gemäss Figur 10;

Fig.Il eine schematische Darstellung des Strahlenganges bei der dynamischen Nachbildung einer Apertur und

Fig.12 eine scheraatische Darstellung einer Anordnung zum Unterdrücken niederfrequenter Redundanz in Teilbildern.

Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels

Kurz zusammengefasst besteht das vorliegende Verfahren darin, einfach mehrere nur einen Teil des Frequenzbereiches umfassende Teilbilder kleiner öffnung direkt in ein und derselben fotografischen Platte zu überlagern. Das Ergebnis ist einem Bild äquivalent, wie es mit einem den vollen Frequenzumfang erfassenden optischen System grosser öffnung erhalten würde. Ein wesentlicher Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht in der ErkenntÄie, daß nicht nur das Prinzip der Apertursynthese eines Radioteleskops auf das optische Gebiet angewendet werden kann, sondern auch dass die Ausführbarkeit im Laboratorium bewiesen werden kann, ohne daß es nötig wäre, das System selbst zu

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bauen, so daß man die auf viele 100 000 Mark geschätzten Kosten für Versuchsaufbauten sparen kann. Die Realisierbarkeit des Erfindungsgedankens lässt sich dadurch einfach beweisen, daß man einen Satz von Maskenöffnungen nacheinander vor ein und dasselbe fotografische Objektiv , das eine grosse öffnung und den vollen Raumfrequenzumfang hat, bringt und ein und dieselbe fotografische Platte nacheinander mit den Teilbildern niedriger öffnung und begrenzten Raumfrequenzumfangs belichtet. Mit anderen Worten gesagt, kann die Funktionsfähigkeit des neuen optischen Prinzips , auf dem die Erfindung beruht, mit einem Modell bewfesen werden, ohne daß man dabei eine bewegliche kleine öffnung sehr genau bezüglich einer festen öffnung bewegen muss, was sonst zur Demonstrierung des Prinzips erforderlich wäre. Der verwendete Versuchs- oder Modellaufbau ist in Figur 1 dargestellt. Weisses Licht von einer Lichtquelle 10 fällt nacheinander durch eine Mattscheibe 12, ein Testbild 14, einen Satz von Maskenöffnungen, die nacheinander vor das Objektiv 16 einer Kamera 18 gebracht werden, die eine übliche fotografische Platte 20 enthält.

Zur Verifizierung des Prinzips wird zuerst ein lestbild durch eine elementare Teilöffnung fotografiert, nämlich eine quadratische öffnung mit 1 mm Seitenlänge in der Maske, deren "Modulationsübertragungsfunktion" (MTF) T_Q , die gleich der Autokorrelationsfunktion des Feldes ist, das von einer monochromatischen Quelle in der Austrittspupille der öffnung erzeugt wird , neben der öffnung dargestellt ist. Das etwa 13 mm breite Bild wurde mit gewöhnlichem inkohärenten Licht von einem 90 mm breiten Testbild unter Verwendung eines Schneider-Objektivs , f » 240 ram , gemacht. Eine vergrösserte Kopie dieses Bildes ist in Figur 2 dargestellt.

Der nächste Schritt des Experimentes bestand darin, ein und dieselbe fotografische Plätte nacheinander durch Sätze von jeweils 2 Teilöffnungen der in Figur 3 dargestellten Form zu

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belichten. Insbesondere wurden die aufeinanderfolgenden Belichtungen zuerst mit der Maske 22a gemacht, die das ganze Objektiv mit der Ausnahme der mit "O" und ^wl" bezeichneten durchsichtigen Flächen, die jeweils 1 χ 1 mm groß waren, abdeckte, als nächstes durch die Maske 22b , die das ganze Objektiv mit der Ausnahme der durchsichtigen Bereiche "O" und "2" abdeckte und dann durch die Maske 22c mit den durchsichtigen Bereichen ¹¹O" und "3". Man sieht, daß die Öffnungen in diesen drei Fällen in waagerechter Richtung beabstandet sind. Anschliessend wurden drei aufeinanderfolgende Belichtungen durchgeführt, bei denen die Öffnungen in senkrechter Richtung beabstandet sind, wie die Masken 22d, 22e und 22f zeigen. Die Maske war so konstruiert, daß die sechs aufeinanderfolgenden Belichtungen im Effekt durch die Form eines kopfstehenden "L" aufweisende Öffnung gemacht wurde, die bezüglich des Objektivs so angeordnet war, wie es etwa in der Mitte von Figur dargestellt ist. Keine der kleinen Öffnungen der Maske war grosser als die elementare Teilöffnung, die bei der Herstellung der in Figur 2 dargestellten schlecht aufgelösten Fotografie verwendet wurde. Die Modulationsübertragungsfunktionen T , ^T02' ^TO3 ^usw* ' ^{die unten} rechts in Figur 3 dargestellt sind, entsprechenden horizontalen Komponenten. Die Vergleichsweise dargestellte MTF T₀₀ entspricht dem gestrichelt dargestellten horizontalen Schlitz OC, dessen Abmessungen einem die drei Teilöffnungen 0, l, 2, und 3 enthaltenden Schlitz entsprechen. Die vergrösserte Kopie des synthetisierten oder zusammengesetzten Bildes, das durch die aufeinanderfolgende Belichtung der fotografischen Platte erhalten wurde, ist in Figur 3 links dargestellt.

Vergleicht man die Figuren 2 und 3 so sieht man, daß in der mit der einen kleinen Teilöffnung aufgenommene Fotografie keiner der horizontalen und vertikalen Balken des Testbildes durch diese kleine Öffnung aufgelöst werden konnte. Man sieht auch,

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daß das Halbtonbild des Fotomodells unscharf aussieht, als ob es durch irgendetwas beeinträchtigt worden wäre. Bei der zusammengesetzten oder synthetisierten Fotografie gemäss Figur 3 sind andererseits sowohl die horizontalen als auch die vertikalen Testbalkenmuster nicht nur in der Mitte sondern auch in den Kreisabschnitten in den Ecken des Bildes bemerkenswert gut aufgelöst. Auch das Halbtonbild ist erheblich schärfer als in Figur 2, ausserdem sind Buchstaben im Testbild lesbar, was bei Figur 2 nicht der Fall ist. Ein Vergleich des zusammengesetzten Bildes gemäss Figur 3 mit einem durch die volle öffnung OC gemachten Bild zeigte ausserdem , daß das zusammengesetzte Bild bezüglich der Raumfrequenzauflösung und des Kontrastee dem Bild "voller öffnung" in einem bemerkenswerte Grade nahekommt. Die erhaltenen Aufnahmen wurden mit einem verhältnismässig harten Papier (Kodabromide F4) kopiert, es wurde jedoch absichtlich ein Testbild mit kleinen Kontrasten verwendet, um bei der Superposition der sechs Teilfotografien im linearen Bereich der logarithmischen Schwärzungskurve zu bleiben. Im vorliegenden Falle wurde das Prinzip dadurch verifiziert, daß ein und dieselbe fotografische Platte nacheinander durch Sätze von Teilöffnungspaaren belichtet wurde. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß die Teilfotografien sowohl gleichzeitig als auch nacheinander gemacht werden können, je nachdem wie es für eine vorgegebene Anwendung erforderlich ist. Hierauf wird noch näher eingegangen werden.

Es sei ferner darauf hingewiesen, daß die Maskenform gemäss Figur 3, die eine Synthese entsprechend nur einer vollen horizontalen und einer vollen vertikalen öffnung ergibt, nur ein Beispiel darstellt. Wenn man das Bild durch eine nur bis auf eisen vollen horizontalen oder vollen vertikalen Schlitz maskierte öffnung gemacht hätte, wurden zwar die horizontalen und vertikalen Balken, jedoch keine anderen Merkmale, aufgelöst wer-

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den. Die Auflösung würde noch besser werden, als bei Figur 3, wenn noch zusätzlich andere Öffnungspaare verwendet werden, die ausserdem noch den Teil der Öffnung nachbilden, der zur Auflösung vonJRaumfrequenzkomponenten erforderlich ist, die im Winkel zu den horizontalen oder vertikalen Komponenten verlaufen. Eine solche Synthese wirkt sich besonders auffallend auf das Halbtonbild aus und natürlich auch auf die Zeichen und Buchstaben, die in anderen Teilen der Fotografie erscheinen. Das dies der Fall ist, wurde dadurch bewiesen, daß in derselben Fotografie eine Vielzahl von Bildern überlagert wurde, die nacheinander vom selben Testbild durch einen Schlitz aufgenommen wurden, der vor dem Kameraobjektiv in verschiedene Winkellagan gedreht wurde.

Bei Verwendung der beschriebenen Masken wurden die aufeinanderfolgenden Belichtungen offensichtlich durch Paare von Elementarbereichen des Kanter aob j ektivs gemacht, die jeweils den Elementarbereich "O" geraeinsam hatten. Hieraus folgt, daß wenn man eine Anzahl von optischen Komponenten- oder Teilsystemen, die jeweils mindestens 2.'Linsen- oder GbjektiTßLemente mit optischen Eigenschaften, die den Elementarbereichen der "echten" Linse oder dem "echten" Objektiv entsprechen, enthalten, hier gestellt werden und an dieselben Stellen wie die Elementarbereiche der "echten" Linse oder dem "echten" Objektiv gebracht werden können, es möglich sein müsste, die Linse oder das Objektiv grosser Öffnung mit einer Anzahl solcher Teilsysteme nachzubilden, die als Aggregation den ganzen Bereich, der durch die "echte" Linse oder das "echte" Objektiv eingenommen wird, nicht voll auszufüllen brauchen.

Das Prinzip der Optik mit synthetischer Apertur oder Bildsynthese durch synthetische Aperturen, kann am einfachsten mathematisch erklärt werden, wie es in der Veröffentlichung "Synthesis of Large-Aperture Optics by Successive Exposure of a Single Photographic Plate Through Successively Placed Sauill-

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Aperture Optics", erschienen in^Optics Communications",1970. Die wesentlichen Teile des Prinzips lassen sich jedoch qualitativ anhand des bekannten Young"sehen Doppelspalt-Interferometers erläutern, das in Figur 4 dargestellt ist. In Fipr 4 ist mit L ein gut korrigiertes Linsensystem bezeichnet, dessen Durchmesser gleich der "zu synthetisierenden" öffnung A ist. Vor dem Linsensystem L ist eine Blende mit zwei schmallen Spalten angeordnet, deren Abstand zwei. 2d beträgt. Zur Vereinfachung sei angenommen, daß die Breite w der Spalte klein im Vergleich zum Abstand der Spalte ist. Man beachte, daß die Spalte unsymmetrisch bezüglich des Linsensystems L angeordnet sind.

Es sei nun aiii einzelner Punkt No. 1 im Objekueaum links vom Linsensystem L betrachtet. Das Bild dieses Punktes in der Brennebene des Li.naensystems L ist die bekannte Doppelspalt-Interferen^figur in Form einer sinusförmigen Intensitätsver-

teilung in der Bildebene, deren Maximaidea Aosxrand Ä.f/2d ha- !

be η« i

Es sei nun weiterhin angenommen, daß sich im Objektraum ein '' zweiter Punkt No.2 befindet, der mit dem Punkt No.1 nicht kohärent ist; und eine solche Lage ftat, daß sein Bild aus dem j gleicnen sinusförmigen Interferenzmuster basteht, das jedoch genau um eine Periode bezüglich des durch den Punkt No.1 erzeugten Interferenzmuster verschoben igte Die beiden von inkohärenten Ob jektpunkteüi herrührenden Interferensmuster werden sich also AutensltatsiVasbig addieren und <1ä.s resultierende Inter¹ ferenzmuster wird in allen praktischen Fällen nicht von dem durch einen einzigen Punkt erzeugten Interferenzmuster zu unter-! scheiden sein. Den beiden Interierenzmuatern wird sich intensitatsTiaasig das gleiche Muster überlagern, wenn auch ein dritter Punkt vorhanden ist_f der längs der Achse im Objektraum um eine weitere Einheit, nämlich M Af/2d beabstandet ist (wobei M der Vergröeserungsfaktor des Linsensystems ist),usw. wenn noch weitere in entsprechenden Abständen folgende Punkte vorhanden sind.

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Es kann leicht gezeigt werden, daß die vorstehende Superposition für Objekte in unendlichem Abstand vom Linsensystem, z.B. nicht nur für Punkte sondern auch für Linien, die senkrecht zur Zeichenebene verlaufen, gilt. Die entsprechenden Interferenzfiguren sind dann entsprechende Linien (genauer gesagt Hyperbeln* wie aus der geometrischen Optik bekannt ist.

Bezüglich des dargestellten Doppelspaltsystems sei schliesslioh noch darauf hingewiesen, daß das System ein Bild in Form einer sinusförmigen Xnterferensstrelfenflgur auch von einem Objekt erzeugt, das selbst aus einer sinusförmigen Intensitätsverteilung besteht. Man kann daher folgern, daß die Doppelspaltanordnung zusammen alt dem Linsensystem L eine slnusförmige Inteneitätsverteilung, deren Periode der dargestellten Inter ferenzfigur entspricht, perfekt abbildet. Streng genommen hängt das Verhältnis des Abstände« der Intensitätsverteilung des Objektes zum Abstand der Intensitateverteilung in der Interferenzstreif enf lgur (also im Bild des Objekts) von der Vergrösserung des verndeten Linsensystem ab. Ganz streng betrachtet ist die Analyse anwendbar auf die "örtliche"Beschreibung der Besiehungen von Objekt und Bild auf der Basis von "Raumfrequenzen" .

Die Betrachtung kann nun auf die Erzeugung von Bildern durch da· Linsensystem L ausgedehnt werden, wenn dieses mit anderen Spalten, die einen anderen Abstand oder eine andere Orientierung haben, maskiert ist. Jedes dieser zusätzlichen Systeme 1st für sich allein la der Lage, eine sinusförmige Xntensitätsverteilung im Objektraum , die dem Abstand und der Orientierung der Spalte entspricht, exakt abzubilden. Die Betrachtung kann ferner auf die Abbildung von Halbtonobjekten oder Szenen ausgedehnt werden, wenn man daran denkt, daß die Xntensitätsvertellung (Leuchtdichteverteilung) eines Objekts oder einer Szene bekanntlich als Superposition einer Anzahl von sinusförmigen Teilintensitatsverteilungen mit entsprechend gewählter Amplitude

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und gegenseitiger Lage angesehen werden kann. Mit anderen Worten gesagt, kann man jede normale Intensitäts- oder Leucht- \ dichteverteilung in einer optischen Szene als räumliche Fouriert-Superposition von sinusförmig IntensitätsVerteilungen verschiedener Frequenzen und Orientierungen ansehen. Diese Fourierüberlagerung gilt selbstverständlich für jeden speziellen Objektbereich im gleichen mathematischen Sinne, wobei natürlich jedem Objektbereich ein anderer Fourierausdruck entspricht. Dieser Unterschied ist genau das was den Unterschied in dem was wir als Bild eines speziellen Bereiches ansehen, Charakterijsiert. Etwas konkreter ausgedrückt, sortiert die •'Doppelspaltmaske¹' aus jedem Bild die entsprechende Raumfrequenzkomponente aus, die die verschiedenen Objektbereiche, welche solche Raumfrequenzen enthalten, charakterisiert. Dies lässt sich leicht durch das klassische optische Experiment, bei dem man das Objekt durch ein solches Tellöffnungssystem betrachtet, demonstrieren: Man sieht auf dem Objekt gleichsam wie aufgemalt kleine gitterartige Komponente, die alle die gleiche räumliche Frequenz und Orientierung haben und deren Intensität davon abhängt, wieviel von der speziellen räumlichen Frequenz in dem betreffenden Objektbereich vorhanden ist. Die Ergebnisse dieses Experiments sind besondere eindrucksvoll, wenn man ein Testbild mit verschiedenen Frequenzen durch ein System von zwei Spalten betrachtet, wie es bei der oben erwähnten Veröffentlichung zur Erläuterung verwendet wurde, da man dann keine der Frequenzen in Testbild sieht, mit der Ausnahme derjenigen Frequenz, die der speziellen Orientierung und dem speziellen Abstand der Doppelspaltmaskenöffnung entspricht.

Das oben beschriebene Modell zeigt, daß Komponenten- oder Teilsysteme zur Synthetisierung, lusammensetzung oder Nachbildung einer Öffnung oder eines Bildes mindestens zwei im Abstand voneinander angeordnete öffnungen aufweisen müssen. In der Praxis können die öffnungen nicht nur mit Hilfe von Spalten

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sondern auch, wie noch erläutert werden wird, mit Hilfe kleiner Komponenten- oder Teilöffnungen dargestellt werden, die kreisförmig, rechteckig, dreieckig, quadratisch sein oder irgen eine andere gewünschte Form haben können. Wenn auch offensichtlich mindestens zwei öffnungen erforderlich 3ind, um die Raurafrequenzkomponenten verschiedener Abstände zu erhalten, kann es in gewissen praktischen Fällen wünschenswert sein, Öffnungen verschiedener Typen zu verwenden, z.B. eine grosse und eine kle ne öffnung, oder zwei oder drei öffnungen, die so angeordnet sind, daß entsprechende Unterbereiche oder Teilfrequenzbereiche besser aussortiert werden als es mit der beispielsweise erwähnten einfachen Anordnung, die nur zwei öffnungen entiiielc, möglich ist.

Es war oben bereits erwähnt worden, daß öle aufeinanderfolgenden Belichtungen durch verschiedene Masken bei dem oben erläuterten Experiment so angesehen werden können als ob sie durch entsprechende Paare von Eleraentarbereichen des Kameraobjektivs gemacht worden wären, wobei alle Paare den Elementarbereich "O" geraeinsam haben, und daß wenn optische Teilsysteme, die jeweils zwei Linsen- oder Objektivelemente mit Eigenschaften, die den jeweiligen Elementarbereichen entsprechen, hergestellt und in die gleiche relative Lage gebracht werden könnten, eine Linse oder ein Objektiv grosser öffnung synthetisiert oder nachgebildet werden könnte. Wie dies in der Praxis durchgeführt werden kann, ist in Figur 5 schematisch dargestellt. Figur 5 zeigt, wie eine Linse 26 als aus einer Vielzahl von Elementen oder Teilen bestehend angesehen werden kann, wie es ja auch tatsächlich bei vielen optischen Systemen, einschliesslich Linsen oder Objektiven , der Fall ist. Die Linse 26 mit der dargestellten Querschnittsform kann z.B. so angesehen werden, als ob sie aua einer mittleren Platte 28 mit plan parallelen. Oberflächen, mit denen zwei weitere Glasteile 30 und 32 verkittet sind, bestände. Die Linse kann ferner durch Schnitte in den gestrichelt eingezeichneten Horizontalebenen unterteilt

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werden und der mittlere horizontale Abschnitt 30 kann als aus zwei Linsenelementen mit Krümmungen entsprechend der Krümmung der "echten" Linse 26 und aus einem flachen Glasstück mit Abmessungen entsprechend der mittleren vertikalen Platte 28 bestehend angesehen werden, wie es bei (O) dargestellt ist. In entsprechender Weise kann ein horizontaler Abschnitt am Rand der "echten" Linse als aus einem Linsenelernent bestimmter Krümmung, einem flachen Glasstück und einem Prisma mit Winkeln, die in Kombination mit den anderen beiden Elementen das optische Äquivalent des betreffenden Slementarbereiches der Linse ergeben, bestehend angesehen werden ν Die Form der Elemente, die das optische Element der anderen Bereiche der echten Linse 26 ergeben, sind in Ficrir 5 ebenfalls dargestellt.

Offensichtlich müssten zur Herstellung von Teilsystemen mit optischen Eigenschaften,die einem Teilbereich, z.B. einer Linse entsprechen _t einwandfrei korrigierte Siebente verwendet werden, da es ohne gut korrigierte Elemente unmöglich ist, ein gutkorrigiertes Systerri ?.-j. erhalten, '3^s setnersej ts erforderlich ist, um die oben erwähnten viel ien längen tojLcranze^ zu erfüllen. Man mass also ä.^für Serge tragen, daß dip» einzelnen Linsenkomponenten jedes» Teilsystems mit den üblichen optischen Herstellungsverfahren geschliffen, poliert und in geeignetem Abstand von der optischen Achse angeordnet werden*

Wie bereits bei der obigen quantitativen Erläuterung des Prinzips erwähnt worden war, müssen die einzelnen Teilsysteme jeweils mindestens zwei Linsenelemente enthalten (die wie es bei der Erläuterung der Figur 4 angedeutet worden war, hergestellt werden können) und die geraäss einem wichtigen Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung so als Einheit vormontiert werden, daß der richtige Abstand und die gegenseitige Ausrichtung der Elemente gewährleistet sind und die entsprechenden Elementarbereiche der Linse getreu dargestellt werden. Beispielsweise werden, wie es in Figur 6 schematisch dargestellt ist, zwei

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kleihe Linsenelemente 34 und 36, die ausserdem mit "O" bzw. "n" bezeichnet sind und jeweils, wie oben erläutert, aus einer Anzahl optischer E lenient β bestehen können, durch einen geeigneten mechanischen Rahmen 38, der aus einem formstabilen und vorzugsweise leichten Material besteht, in einer gemeinsamen Ebene gehaltert werden· Der Rahmen enthält vorzugsweise als integralen Teil «in piezoelektrisches oder ähnliches Raum- oder Lagesteuersystern 40, das durch Signale von einem schematise^ dargestellten fotoelektrischen Laserinterferometer 42 so gesteuert wird, daß der geforderte Abstand und die geforderte Orientierung des Elemente "O" bezüglich des Elements ^Nn" eingehalten werden. Detektor- und Wandlersysteme, mit denen ein gewünschter Abstand und «In« gewünschte Ausrichtung mit den erforderliche» Toleranten eingestellt oder eingehalten werden können, sind von anderen optischen Systemen her bekannt, z.B. bei interferoeetrischen Servosteuerungen, wie sie z.B. im Handbuch der Physik, Herausgeber S. Flügge, Springer-Verlag Berlin und Heidelberg, X967, Seiten 420 bis 750 , im Abschnitt "Beugungsgitter" erwähnt sind. Ss lässt sich z.B. mathematisch seigea, daß «in« Abstandstolerani zwischen den beiden Elementen , die da« 20-fache der Wellenfronttoleranz beträgt, für ein f/lp-Syatem annehmbar 1st. Wenn also die Toleranz der einzelnen Element« , at.B. «ine Wellenlänge beträgt, ist es erforderlich, den Abstand «wischen den Elementen "O" und "n" innerhalb einer Toleranz von 20 Wellenlängen oder etwa 2 5

^rJ μ» zu halten, was bei» derzeitigen stand der Technik

ohne weiteres möglich 1st.

Aus den Maakimkonfigurationen gemäss Figur 3 und der Erläuterung von Figur 4 kann geschlossen werden, daß ein« optische Apertur oder Öffnung durch eine Anzahl von Komponenten oder Teilen des iß Figur 6 dargestellten Typs synthetisiert oder nachgebildet werden kann, dl« In dem normalerweise durch die Linse oder das Objektiv eines Kamerasysteus normalerweise eingenommenen Raum so angeordnet sind, daß diese Komponenten-

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oder Teilelemente im Effekt als Elementarteile der zu synthetisierenden grossen Linse bzw. des zu synthetisierenden grossen Objektivs wirken. Um dies zu erreichen, ist es nicht immer notwendig, an jede Stelle des zu synthetisierenden grossen optischen Systems ein kleines Element zu bringen, das sowohl die dem betreffenden Bereich entsprechende Brechkraft als auch die diesem Bereich entsprechende Prismenwirkung mit Wellenlängenpräzision hat, man braucht vielmehr nur solche Elemente zu verwenden, wie sie zur Nachbildung des gewünschten "vollen" Raumfrequenzbereiches erforderlich sind. Durch die Verwendung der eben erwähnten vormontierten Teilsysteme ist es möglich, Teilfotografien mit partieller Auflösung nacheinander zu machen oder, gewünschtenfalls können die Komponenten oder Teilsysteme nebeneinander angeordnet und gleichzeitig verwendet werden, worauf noch mehr eingegangen wird. Mit anderen Worten gesagt, ist es nicht erforderlich, die Teilsysteme wie bei dynamischen Anordnungen eins nach dem anderen zu verwenden.

Nachdem die zwei oder mehr Elemente enthaltenden Teilsysteme im Prinzip beschrieben worden sind, soll nun auf das Problem eingegangen werden, wieviel Teilsysteme erforderlich sind, oder wieviel Bilder geringer Auflösung einander überlagert werden müssen, um eine vorgegebene öffnung nachzubilden. In Abhängigkeit vom Raumfrequenzgehalt der abzubildenden Szene können Anzahl, Typen und Anordnungen der Untersysterne angegeben werden, die erforderlich sind, um eine öffnung oder ein Linsensystem nachzubilden, das in der Lage ist, die im abzubildenden Objekt enthaltenden Raumfrequenzen getreu wiederzugeben. Theoretisch lässt sich dies am vollständigsten entweder mit Hilfe von MTF-Synthesediagrammen, wie sie in Figur 3 j dargestellt sind, oder mit den entsprechenden Beugungsfunktionen! erreichen. Grundsätzlich ist die zu synthetisierende MTF

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gleich der Summe der MTFen der Teilsysteme , welche jeweils gleich der Autokorrelationsfunktion des Feldes ist, das in der Austrittspupille des Teilsystems durch Beleuchtung mit einer punktförmigen Lichtquelle erzeugt wird. Je nach der verwendeten Brennweite , kann es für eine zufriedenstellende Abbildung eines vorgegebenen Objekts nötig werden, die ganze "echte" öffnung des optischen Systems (Linse oder Objektiv) mit Komponentenuntersystemen auszufüllen. In anderen Fällen wird es andererseits nicht erforderlich sein, die öffnung ganz auszufüllen, um eine annehmbare Abbildung zu erreichen, tatsächlich genügte die L-förmige öffnung, die bei dem anhand von Figur 3 erläuterten Experiment verwendet worden war> um das betreffende Bild sozusagen "zufriedenstellend" wiederzugeben. Im Falle der Figur 3 ist es also bekannt, daß die zu synthetisierende öffnung nur L- förmig und nicht ein volles Quadrat zu sein braucht und es gibt ausserdem noch verschiedene Möglichkeiten, die öffnung innerhalb des "L" zu synthetisieren, wobei nur die Bedingung erfüllt zu werden braucht, daß sowohl der yertikale als auch der horizontale Teil der L-förmigen öffnung voll nachgebildet werden muss. Zusammenfassend gesagt, können also Anzahl und Anordnung der zur Synthese einer vorgegebenen gröaeeren Apertur erforderlichen zwei oder mehr öffnungen umfassenden Teilsysteme bestimmt werden und sie hängen in hohem Masse von der für die spezielle Anwendung geforderten Auflösung ab.Es dürfte auch klar sein, daß die Abmessungen der Teilöffnungen "O^M und "n* in jedem der Teilsysteme nicht gleich au sein braucht, um die gewünschten Teilfotograiien partiellen Frequenzbereiche zu erhalten, die asur Synthese des Bilde« vollen Frequenzbereiches erforderlich sind, es ist auch nicht nötig, daß alle "O"-öffnungen die gleichen Abmessungen haben. In entsprechender Welse können für dieses Zweck mehr als awei Teilöffnungen in jedem der Teilsysteme mit gleichen'oder verschiedenen Abmessungen verwendet werden.

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L;; j_fi_fj

Nachdein die Bedingungen für zwei oder mehr öffnungen in jedem Teilsystem und allgemeine Kriterien für die Bestimmung der zur Synthese einer vorgegebenen öffnung erforderlichen Anzahl angegeben worden sind, sollen nun einige Systemorganisationen zur Realisierung dieser Prinzipien beschrieben werden.

Figur 7 zeigt ein System einfachster Form zur Synthese oder Nachbildung einer optischen Apertur, in erster Linie als Einführung für die komplizierteren Systeme, die später beschrieben werden. Es enthält eine Kamera 50 mit einer fotografischen Platte 52, auf der die gewünschte Ssene oder das gewünsch te Objekt abzubild&n sind. Die -za synthetisierende oder nachzubildende öffnung A ist durch ain strichpunktiertes Ellipsoid 54 scheraatisch dargestellt. Vor der "öffnung" befindet sich ein einziges Teilsystem, das ein paar optische Elemente enthält, die mit "O^l! und"n" beseichnet and in einem vorgegebenen Abstand zueinander durch einen Rahmen 38 gehaltert aLnC, dessen KoiifctruXtton in Verbindung mit Figur 6 erläutert worden war. Fiyur 7A zeigt die Winkellage der beiden optischen öffnungen und ihre Abstände bezüglich des ümfanges der Öffnung A. Die Vorrichtung zur Halterung dea Teilsystems in der dargestellten Lage ist der Deutlichkeit halber weggelassen worden= Wie oben erläutert wurden iat, wird ein Teilbild geringer Auflösung, das die von dem betreffenden Z'Ä^?aiö££nurigösystem durchgeiaeeenen Fi&umfrequenzen enthält, auf der fotografische« Platte 52 abgebildet, wenn ©Ine S-sene oder ein Objekt durch dieses EweiuffnuriC^aysteai aufgenommen wird.

Das in Figur '7 dargestellte Teilsystem würde für sich alleine bei der in Betracht gezogenen Anwendung keine "zufriedenstellende " Auflösung ergeben und man kann daher eine Anzahl von Teilsystemen, die dem dargestellten ähneln, aber verschiedenen Abstand und Orientierung der öffnungen aufweisen, nach-

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einander vor die öffnung A bringen und ein und dieselbe fotografische Platte 52 nacheinander durch diese zusätzlichen Teilsysteme belichten, uradas synthetisierte oder zusammengesetzte Bild hoher Auflösung zu erhalten, ganz ähnlich wie das in Verbindung mit Figur 3 beschriebene Experiment durchgeführt worden war und auch mit entsprechenden Ergebnissen. Figur 8 zeigt schematisch eine Anordnung, durch die viele verschiedene Teilsysteme, die mit 01, 02, 03 und 04 bezeichnet sind, nacheinander in die nachzubildende öffnung A gebracht werden können. Die jeweils in der anfand von Figur 6 beschriebenen Weise vormontierten Teilsysteme haben, wie dargestellt, verschiedene Abstände zwischen den entsprechenden öffnungen und werden vor die öffnung A durch ein Schienensystem 56 gebracht, das durch eine nlchtdargestellte Einrichtung so weitergeschaltet werden kann, daß die einzelnen Teilsysteme nacheinander vor die Kamera gebracht werden. Die Teilbilder können nacheinander mit der gleichen fotografischen Platte aufgenommen werden, wobei dann eine direkte Superposition der Teilbilder partiellen Frequenzbereichs stattfindet, oder die Teilbilder können auf mehrere Platten (z.B. für jedes Teilsystem eine Platte) aufgenommen und später zusammengesetzt werden. Die "Addition" der getrennten Platten oder Filme kann dadurch ziemlich einfach erfolgen, daß man die einzelnen Teilfotografien (die selbstverständlich sorgfältig angepasst und einjustiert sein müssen, was mit handelsüblichen Geräten möglich ist, nacheinander auf dieselbe Platte vergrössert.

Es ist einleuchtend, daß bei Verwendung eines Systems der in < Figur 8 dargestellten Art auf einem »ich bewegenden Luftfahrzeug durch jedes der nacheinander eingeschalteten Teilsysteme eine etwas andere Szene fotografiert wird, da es eine endliche - Zeit braucht, um die verschiedenen Teilsysteme vor die öffnung der Kamera zu bringen, die Luftbildtechnik kennt jedochVer-. fahren zur Kompensation solcher Fehler und die dargestellten

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Ausführungsbeispiele können leicht für solche Anwendungen angepasst werden.

Verschiedene bei den bekannten Systemen in der Praxis auftretende Probleme, einschließlich von der Bewegung herrührenden Probleme, können leicht durch eine Anordnung gleichzeitig arbeitender Teilsysteme gelöst werden, wie sie in Figur 9 dargestellt ist. Dieses System enthält im Effekt eine Vielzahl getrennter Kamerasysteme, die jeweils ein Gehäuse mit einem Plattenhalter und einer "öffnung" aufweisen, vor der ein einziges Teilsystem mit zwei öffnungen in einer räumlich getrennten oder verschiedenen Konfiguration angeordnet ist. In Figur 9 sind nur drei solcher Systeme dargestellt, selbstverständlich werden in der Praxis so viele Systeme vorhanden sein, wie erforderlich sind, was anhand der oben beschriebenen Versuche leicht festgestellt werden kann. Die einzelnen Kameras brauchen nicht zusammenhängen oder aneinanderzugrenzen und man kann Spiegelsysteme verwenden, um die Teilbilder auf die betreffenden Platten zu werfen. Eine solche Konfiguration ist besonders zweckmässig für die Aufnahme von Objekten oder Szenen, die soweit entfernt sind, daß innerhalb der gewünschten Auflösung von den verschiedenen Orten der verschiedenen Teilsystem aus keine Paralaxe mehr bemerkbar ist. Es ist ersichtlich, daß die Teilsysteme der verschiedenen Kamerasysteme verschieden sind, indem sie sich hinsichtlich der Abstände und/oder Winkel- ; lage der öffnungen unterscheiden.

Bei der Anordnung gemäss Figur 9 werden die Teilbilder vorzugsweise alle gleichzeitig aufgenommen und dann später in der anhand von Figur 8 erläuterten Weise zusammengesetzt. Wenn es die Situation erfordert, können die Teilbilder jedoch auch zeit-J lieh nacheinander oder in Gruppen aufgenommen werden und die ; verschiedenen Teilbilder nacheinander zu einer einzigen Fotografie zusammengesetzt werden, um das hochaufgelöste Bild zu erzeugen.

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Figur 10 zeigt noch eine weitere "statische" Anordnung, bei der eine öffnung voll mit Teiluntersystemen nachgebildet ist, die durch kleine Kreise dargestellt sind, aus individuellen optischen Elementen (z.B. einer Linse) und nicht aus den "gepaarten" Teilsystemen, die in Verbindung mit den Figuren 6 bis 9 erwähnt wurden, bestehen und auf konzentrischen Kreisen so angeordnet sind, daß sie die ganze Fläche der nachzubildenden öffnung im wesentlichen voll ausfüllen. Wegen der Kreissymmetrie haben alle Teilsysteme auf einem vorgegebenen Kreis dieselben optischen Eigenschaften, sie unterscheiden sich jedoch von Kreis zu Kreis um die volle Linse nachzubilden, insbesondere durch eine geeignete ausseraxiale Montierung. Bei einer solchen Anordnung bilden offensichtlich jeweils zwei vorgegebene Untersysteme ein "Paar" für die die obige Doppelspalttheorie gilt, so daß jedes dieser Paare ein Teilbild liefert, das sich zu den Teilbildern aller anderen Paare in ein und derselben Fotografie addiert. Es ist ferner einleuchtend, daß man ein hochaufgelöstes Bild erhält, obgleich die Linsenöffnung durch die Teilsysteme nicht voll ausgefüllt wird.

Wie bereits angedeutet worden war, ist der Erfindungsgedanke auch auf dynamische Systeme anwendbar, d.h. Systeme, bei denen mindestens ein optisches Element beweglich ist, um die öffnung oder gegebenenfalls geeignete Teile von ihr zu übesstreichen. Wie bei den statischen Systemen sind Untersysteme mit zwei Komponenten erforderlich, von denen jedoch nur eines in seiner Lage fixiert ist, während das andere bezüglich dieses fixierten Elementes beweglich ist, um die gewünschte öffnung zu überstreichen, oder abzutasten. Es ist zwar theoretisch möglich, dieses Prinzip auf die Synthese oder Nachbildung eines optischen Systems grosser öffnung anzuwenden, es dürfte jedoch praktisch schwer realisierbar sein, da das bewegliche Element in eine Reihe diskreter Lagen gebracht und in diesen jeweils so justiert werden muss, wie es den Eigenschaften des zugehörigen

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Elementarbereichs des nachzubildenden optischen Systems entspricht. Das dynamische Prinzip lässt sich jedoch bei manchen Anwendungen leicht realisieren, insbesondere der Herstellung von grossen Beugungsgittern. Die Bemühungen während der letzten 10 Jahre , die in dieser Hinsicht unternommen worden sind, haben eine Million Dollar gekostet und nur eine Abmessungsvergrösserung um den Faktor 2 ergeben. Durch Anwendung eines dynamischen Systems gemäss der vorliegenden Erfindung ist es nun möglich, hochauflösende Gitter mit wesentlich grösserer Öffnung als es bisher möglich war, herzustellen.

Figur 11 zeigt schematisch eine optische Anordnung zur dynamischen Synthese eines Beugungsgitters mit einer Öffnung A unter Verwendung eines feststehenden und eines beweglichen Beugungsgitters. Am einen Rand der synthetisch herzustellenden oder nachzubildenden Öffnung A ist ein Gitter G_ befestigt, während ein zweites bewegliches Gitter G₁ genau gleicher Form mittels einer nicht dargestellten Vorrichtung so gelagert ist, daß es in genau kontrollierter Weise Schritt für Schritt in mit G., G₂ ... G bezeichnete Lagen gebracht werden kann, wobei sich die letzte Lage am anderen Rand der Öffnung A befindet. Bei jedem Schritt wird das bewegliche Gitter um eine Strecke transportiert , die gleich seiner Länge ist. Man beachte, daß das bewegliche optische Bauteil bei diesem System nur eine geradlinige Bewegung auszuführen hat, und daß seine opti- ', sehen Eigenschaften bei Änderung der Lage nicht verändert zu werden brauchen. Die geforderten Toleranzen von Bruchteilen von Wellenlängen sind bei einer solchen Anordnung also praktisch realisierbar. j

Das System gemäss Figur 11 enthält ausser den erwähnten Gittern noch eine Lichtquelle CO, deren Licht durch eine Linse 62 auf einen Spalt 64 fokussiert wird und dann auf einen Kollimatoripiegel 66 fällt, der sphärisch oder parabolisch sein kann und die öffnung Ά mit einem parallelen Lichtbündel ausleuchtet. Die Gitterelemente G₀ und G^ reflektieren das auf-

fallende Licht auf einen sphärischen oder parabolischen Kameraspiegel 68, der seinerseits das Bild der beiden Gitterelemente auf eine fotografische Platte 70 abbildet. Im Betrieb werden aufeinanderfolgende Belichtungen gemacht, die erste während sich das bewegliche Gitter G. neben dem feststehenden Gitter G_Q befindet, die nächste dann mit dem beweglichen Gitter in der zweiten Stellung, deren Abstand von der ersten gleich der Länge des beweglichen Gitters ist usw. bis das bewegliche Gitter die nachzubildende öffnung überquert hat. Wie bei dem Beispiel mit dem Doppelspalt wird in jeder Stellung des beweglichen Gitters ein partielles oder Teilbild auf die fotografische Platte belichtet, wobei sich die aufeinanderfolgenden Bilder niedriger Auflösungauf der Schicht 70 der Platte überlagern und ein Bild ergeben, das demjenigen gleichwertig ist, das erhalten würde, wenn sich das feststehende Gitter über die ganze öffnung A erstrecken würde. Es lässt sich zeigen, daß es billiger ist, ein Gitter sehr grosser öffnung in der anhand von Figur Ii beschriebenen Weise synthetisch zu erzeugen als zu versuchen, ein Gitter vergleichbarer Grosse durch Zusammensetzung einer Vielzahl von Gitterelementen zu konstruieren.

Die vorangehenden Erläuterungen betrafen zwar nur die Synthese oder Nachbildung von Linsensystemen, Objektiven oder Öffnungen, für sichtbares Licht, es lässt sich jedoch leicht einsehen, daß der Erfindungsgedanke in gleicher Weise auf alle abbildenden Systeme für beliebige Frequenzen des elektromagnetischen Spßktrums anwendbar sind, von Röntgenstrahlen bis Hochfrequenzschwingungen , der Erfindungsgedanke ist sogar auch auf akustische Abbildung anwendbar. Die Begriffe "zu synthetisierende oder nachzubildende öffnung" oder "zu synthetisierendes oder nachzubildendes Linsensystem oder Objektiv" soll also auch Systeme umfassen, die ganz odar teilweise aus Spiegeln

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oder Beugungsgittern oder Prismen oder irgendwelchen anderen Vorrichtungen bestehen, die zur Erzeugung eines Bildes verwendet werden können. Der Begriff "Bild" soll ausserdem nicht auf Bilder im Sinne des Bildes einer Person oder einer Szene beschränkt sein, sondern auch z.B. Bilder von Spektrallinien, wie sie in der Spektroskopie vorkommen, und auch irgendwelche Arte von Signalen, die in Form einer Intensitätsverteilung auf einer fotografischen Platte darstellbar oder auf dem Umweg über irgendeinen Aufnehmer , z.B. ein bewegliches Mikrophon und einen Schreiber , darstellbar sind. Das Anwendungsgebiet der Erfindung geht also wesentlich über die erläuterten optischen Beispiele hinaus.

In den obigen Erläuterungen ist eine Anzahl von Möglichkeiten zur Überlagerung der Teilbilder angegeben worden, z.B. durch aufeinanderfolgendes Belichten ein und derselben fotografischen Platte oder durch aufeinanderfolgendes Belichten ein und derselben fotografischen Platte mit einer Anzahl getrennt hergesteller Teilbilder. Bei beiden Verfahren tritt ein sogenannter "niederfrequenter Untergrund", der manchmal auch als "niederfrequente Redundanz" bezeichnet wird, auf, da die endgültige Fotografie aus einer Summe von partiell aufgelösten Bildern besteht. Dies ist auch bei der Fotografie in Figur 3 ersichtlich und bedeutet, daß in den Bereichen des Bildes , in denen die Teilbilder nicht alle Linien auflösen, trotzdem ein Untergrund vorhanden ist. Dies bedeutet, daß der Untergrund auch beim Zusatz der noch fehlenden Frequenzen nicht vollständig weiß würde, sondern einen etwas grauen Ton annimmt. Dieser scheinbare Nachteil des vorliegenden Verfahrens lässt sich ziemlich einfach vermeiden. Wenn eine Fotografie durch eine Reihe von Aufnahmen einer Orginalszene auf ein und derselben Platte synthetisch hergestellt wird, lässt sich der graue Untergrund durch eine kontrastreiche Verarbeitung , wie sie in der Fototechnik bekannt ist, weitestgehend unterdrücken.

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Beim Zusammensetzen einer' Anzahl von vielen Teilbildern zu einer einzigen Fotografie stehen zwei Verfahren zur Unterdrückung des niederfrequenten Untergrundes zur Verfügung: Das eine besteht darin, }ede Teilfotografie kontrastreich zu verarbeiten, wobei dann automatisch der niederfrequente Untergrund in dem jeweiligen Bild unterdrückt wird, und dann die "gefilterten" Fotografien zu dem einen hoch aufgelösten Bild zu vereinigen.

Ein anderes, eleganteres Verfahren zur Unterdrückung des Untergrundes, das als "Raumfrequenzfilterung" bekannt ist, soll anhand von Figur 12 erläutert werden. Bei diesem Verfahren wird die niederfrequente Redundanz der einzelnen Teilbilder dadurch beseitigt, daß die Teilfotografien nacheinander in ein kollimiertes Bündel kohärenten Lichtes gebracht werden, das beispielsweise mittels eines Lasers 72 und einer Kollimatorlinse 74 erzeugt wird. Das Teilbild wird im einen Brennpunkt einer zweiten Linse 76 (die ausserdem mit L₁ bezeichnet ist) angeordnet, die in ihrer Brennebene ein Spektrum der Raumfrequenzen der Teilfotografie erzeugt. Indem man in die Brennebene ein geeignetes, die räumliche niederfrequente Redundanz dämpfendes Filter 78 bringt, das einfach aus einer Glasplatte bestehen kann, die in der i4itte einen Fleck zur Dämpfung der niederen Raumfrequenzen enthält, und das Spektrum dann mit einer zweiten Kollimatorlinse 80 (L₂) auf eine fotografische Platte 82 abbildet, erhält man auf dieser ein Bild , ohne die niederfrequente Redundanz. Die gefilterten Bilder der verschiedenen Teilfotografien werden dann in der beschriebenen Weise in einer einzigen Fotografie vereinigt, um das hochaufgelöste Bild zu erzeugen, das den niederfrequenten Untergrund nun nicht mehr enthält. Die für die Verwendung von Lasern bei der Raumfrequenzfilterung typischen Probleme können für die Zwecke der Synthese hochaufgelöster Bilder mit Anordnungen , wie sie in der US-PS 3,482,102 be- . schrieben sind, leicht weitestgehend vermieden werden. Unter

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Uraständen wird man auch bekannte Raumfilterverfahren mit inkohärentem Licht, die z.B. mit Apodisationsanordnungen arbeiten, vorziehen.

Aus dem Obigen ist ersichtlich, daß durch die Erfindung ein verhältnismässig einfacher Weg geschaffen worden ist, um das mit Computersynthese arbeitende Prinzip des Radioteleskops mit synthetischer Apertur dadurch auf das optische Gebiet zu übertragen, daß ein hochaufgelöstes Bild in einer einzigen Fotografie aus einer Anzahl von Komponenten- oder Teilbildern partieller Auflösung zusammengesetzt wird, wobei die hochaufgelöste Fotografie entweder durch aufeinanderfolgendes Belichten ein und derselben fotoempfindlichen Schicht durch Sätze kleiner öffnungen hindurch erhalten oder mittels einer Vielzahl solcher Teilbilder, die gleichzeitig und jeweils durch einen vorgegebenen Satz von öffnungen aufgenommen wurden, hergestellt werden kann. Das Verfahren etlaubt z.B. die Synthese oder Simulation von Linsen oder Objektiven grosser Öffnung, die aus technischen oder herstellungsmässigen Schwierigkeiten nicht praktisch realisiert werden können, durch Verwendung einer Vielzahl kleiner optischer Elemente, die leicht herstellbar sind. Die direkte fotografische Superposition mit inkohärentem Licht vermeidet ausserdem die bei Lasern typischerweise auftretenden Störflecken und anderen Schwierigkeiten, wie störende Interferenzfiguren, die die Auflösung und die Bildqualität bei optischen Systemen, welche mit kohärentem Licht arbeiten, einschließlich der Holographie , beeinträchtigen und begrenzen.

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Claims (21)

1. Patentansprüche

   ij) Verfahren zum Nachbilden einer Optik grosser Öffnung , dadurch gekennzeichnet, daß mit inkohärenter Strahlung eine Mehrzahl von Bildern erzeugt wird, die jeweils eine bestimmte räumliche Frequenzkomponente der gewünschten grossen Öffnung enthalten und daß diese Bilder durch fotografische Superposition mit inkohärenter Strahlung in einer einzigen fotografischen Platte vereinigt werden.
2. 2.) Verfahren nach Anspruch 1, dadur. cn gekennzeichnet, daß die Addition mit inkohärentem Licht durchgeführt wird.
3. 3.) Verfahren nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet, daß die Bilder mit inkohärentem Licht erzeugt und mit inkohärentem Licht addiert werden.
4. 4.) Verfahren nach Anspruch 1, d a d u rc h gekennzeict net , daß die Bilder mit Röntgenstrahlen erzeugt und mit inkohärentem Licht addiert werden.
5. 5.) Verfahren nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß die Bilder mit Ultraschallstrahlung erzeugt und mit inkohärentem Licht addiert werden.
6. 6.) Verfahren nach Anspruch 3,dadurch gekennzeichnet, daß die Bilder nacheinander unmittelbar mit ein und derselben fotografischen Platte gemacht werden.
7. 7.) Verfahren nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet , daß die Bilder gleichzeitig erzeugt und später nacheinander in einer einzigen fotografischen Platte addiert werden.

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8. 8.) Verfahren nach Anspruch 3,dadurch gekennzeichnet , daß die Bilder gleichzeitig erzeugt und später nacheinander in einer einzigen fotografischen Platte überlagert werden.
9. 9.) Verfahren nach Anspruch 7,dadurch gekennzeichnet, daß ausserdem die niederfrequente Redundanz in jedem der Bilder vor ihrer Superposition in der einen fotografischen Platte unterdrückt wird.
10. 10.)Verfahren nach Anspruch 8,dad urch gekennzeichnet , daß ausserdem die niederfrequente Redundanz in jedem der Bilder vor ihrer Superposition in der einen fotografischen Platte unterdrückt wird.
11. 11.) Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, unter Verwendung von Bauelementen kleiner Öffnung, gekennzeichnet ,durch eine Anordnung, die mindestens zwei Bauelemente (34,36) kleiner Öffnung enthält, die in einer vorgegebenen festen Lage in bezug aufeinander angeordnet sind und optische Eigenschaften entsprechend verschiedenen Elementarbereichen einer nachzubildenden Optik grosser Öffnung (A) aufweisen, einer eine fotografische Platte (52) enthaltende Kameraanordnung (50) und einer Vorrichtung zur Positionierung der Bauelemente kleiner Öffnung bezüglich der Kameraanordnung um die fotografische Platte (52) mit den von den Bauelementen übertragenen Raumfrequenzkomponenten eines Objektes zu belichten.
12. 12.) Einrichtung nach Anspruch ll_rdadurch gekennzeichnet , daß eine Vielzahl der ersterwähnten Anordnungenj vorgesehen sind, die jeweils mindestens zwei Bauteile kleiner Öffnung, die in fester Lage in bezug aufeinander angeordnet sind, enthalten.

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13. 13.) Einrichtung nach Anspruch 12,dadurch gekenn zeichnet, daß die Anordnungen eine vorgegebene feste Lage in bezug aufeinander und bezüglich der Kameraanordnung haben(Figur 9).
14. 14.) Einrichtung nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch eine Transportvorrichtung (56) , die die verschiedenen Anordnungen, die jeweils mindestens zwei Bauelemente kleiner Öffnung enthalten, in eine Betriebslage bezüglich der Kameraanordnung bringt, um die fotografische Platte sukzessive zu belichten.
15. 15.) Einrichtung nach Anspruch 11,dadurch gekennzeichnet , daß die Kameraanordnung eine Anzahl getrennter Kameras enthält, die in einer vorgegebenen Anordnung angeord net sind und jeweils eine fotografische Platte enthalten und daß jeder Kamera mindestens eine der die zwei oder mehr Bauteile kleiner Öffnung enthaltenden Anordnungen so zugeordnet ist, daß die fotografischen Platten der Kamera gleichzeitig mit den Raumfrequenzkomponenten eines Objektes, die durch die jeweiligen Bauelemente kleiner Öffnung durchgelassen werden, belichtet werden können(Figur 9).
16. 16.) Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet , daß soviele Bauelemente kleiner Öffnung vorgesehen sind, daß die Fläche der nachzubildenden Öffnung (A) im wesentlichen vollständig ausgefüllt ist (Figur 10 und IQA).
17. 17.) Einrichtung nach Anspruch 16,dadurch gekennz ei c h η e t , daß die Bauelemente kleiner Öffnung in konzentrischen Kreisen angeordnet sind (Figur 1OA).
18. 18.) Einrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet , daß die optischen Eigenschaften aller Bauelemente kleiner Öffnung, die auf einem vorgegebenen Kreis liegen,

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    unter sich gleich sind, sich jedoch von den optischen Eigenschaften der auf benachbarten Kreisen liegenden Bauelemente unterscheiden.
19. 19.) Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch !.,gekennzeichnet durch die Kombination einer Anordnung aus mehreren getrennten Kameras, die jeweils eine Belichtungsöffnung mit Abmessungen entsprechend der nachzubildenden Apertur (A) aufweisen und eine eigene fotografische Platte enthalten, eine entsprechende Anzahl von Untersystemen (0,1; O,n; O,n-1) mit jeweils mindestens zwei Bauelementen kleiner Öffnung , die mit fester Beziehung zueinander gelagert sind und optische Eigenschaften entsprechend verschiedenen Elementarbereichen der nachzubildenden grösseren Öffnung (A) aufweisen, und eine Vorrichtung, die jeweils eines der üntersysteme in der Belichtungsöffnung jeder einzelnen.Kamera haltert, um die zugehörige fotografische Platte mit den von den Bauelementen durchgelassenen Raumfrequenzkomponenten eines Objektes zu belichten, wobei die einzelnen Kameras gleichzeitig betätigbar sind und dabei eine Vielzahl getrennter Bilder liefern, die jeweils vorgegebene Raurafrequenzkomponenten der göwünschten grösseren öffnung enthalten.
20. 20.) Einrichtung zur Herstellung eines Beugungsgitters kleiner öffnung nach dem Verfahren gemäss Anspruch 1, unter Verwendung kleiner Beugungsgitterelemente, gekennzeichnet durch eine Kameraanordnung (68) mit einer fotografischen Platte (70) , zwei Beugungsgitterleraente von denen das eine (G_n) \ feststehend angeordnet und das zweite (G₁) bezüglich des feststehenden Elementes geradlinig beweglich gelagert ist, und eine Belichtungsanordnung (60, 62,64,66), die eine Lichtquelle (60) enthält und die fotografische Platte mit Bildern zu be-

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    lichten gestattet, die bei verschiedenen Anordnungen der beiden Beugungsgitterelemente in bezug aufeinander erzeugt werden.
21. 21.) Einrichtung nach Anspruch 20,dadurch gekennzeichnet, daß das eine Gitterelement (G-) am einen Ende des nachzubildenden Gitters angeordnet ist, während das zweite Gitter element zwischen einer an das erste Gittere leinen t angrenzenden Lage und einer Lage am anderen Ende des nachzubildenden Gitters beweglich ist.

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