DE2060618C3

DE2060618C3 -

Info

Publication number: DE2060618C3
Application number: DE2060618A
Authority: DE
Inventors: George W. Prof. Dr. Stony Brook N.Y. Stroke (V.St.A.)
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1969-12-09
Filing date: 1970-12-09
Publication date: 1980-04-24
Also published as: DE2060618A1; GB1331510A; DE2060618B2; US3785262A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung Vorrichtungen zum Durchführen eines solchen Verfahrens.

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 herausgegebenen 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.

Es sei ferner auf das nun berühmte radioastronomisehe Bildsyntheseverfahren verwiesen, das als »Culgoora Annular-Aperture Railioheliography« bekannt ist und auf Arbeiten von J. Paul Wild beruht, der gezeigt hat, wie man durch ein elektronisches Realzeit-Analog-

rechnungsverfahren 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. ]. P. Wild, Proceedings of the Royal Society (London) A 286 (1965) 499. Wenn auch keine direkten Beziehungen zu dem von RyIe angegebenen Apertursyntheseverfahren bestehen, kann das Wild'sche radioastronomische Verfahren sowohl als »Apertur-Synthese« oder als »Bildentwicklungsverfahren« (Bilddekonvolutionsverfahren) angesehen werden.

Es ist jedoch darauf hinzuweisen, daß Radioteleskope keine abbildenden 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 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 mm² große Fotografie enthält also schon eine Million Bildpunkte und die Anzahl der Bildpunkte nimmt im wahrsten Sinne des Wortes mit zunehmender Größe der Fotografie astronomische Werte an, so daß für die Synthese eines größeren Bildes mit Hilfe eines Computers schätzungsweise zwei Monate Rechenzeit pro Bild erforderlich werden. Rechenzeiten dieser Länge sind für die Praxis prohibitiv, aber zumindest theoretisch könnte das mit Computern arbeitende radioastronomische Verfahren auf das optiscne 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 ίλ/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 10m gefordert wird, muß der Öffnungsdurchmesser des optischen Systems 5 m betragen, wenn eine Beugungsunschärfe von höchstens 2 Wellenlängen gefordert wird. Wenn man daran denkt, daß die größte existierende Teleskopoptik einen Durchmesser von etwa 5 m hat und daß für fotografische Geräte gut korrigierte Linsensysteme 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 BorJ eines Luft- oder Raumfahrzeuges. Es ist auch völlig unmöglich, eine so große Menge Spezialgas zu schmelzen, wie für ein einwandfrei korrigiertes Objektiv so großen Durchmesser, das praktisch bis zu 8 oder tO Linsenelemente erfordert, benötigt wird. Es ist also nicht nur unmöglich, optische ϊ Linsen mit dem erforderlichen Durchmesser und der erforderlichen Güte herzustellen und selbst wenn man sie herstellen könnte, würde sich ein ortsbeweglicher Einsatz infolge ihrer Größe und ihres Gewichtes verbieten.

in Es ist auch schon versucht worden, die bemerkenswerten Vorteile des von RyIe angegebenen radioastronomischen Apertursyntheseprinzips auf das optische Gebiet zu übertragen, soweit bekannt, werden dabei jedoch entweder umfangreiche und langwierige

υ 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 Veröffent-

-'Ii lichungen von Dennis Gabor, dem Erfi: :>er und anderen in »Physics Letters« 18,1 i 6 (1965) und von J S. Wiiczynski »A Double Objective Telescope With Common Focus (Synthetic Aperture Optical Telescope)«, veröffentlicht im IBM Research Report RC-1988 vom

>> 13. März J968. 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 übt ig lassen. Bei

«ι dem derzeitigen Stand der Holographie ist andererseits das mit dem holographischen Intensitätssuperpositionsverfahren erreichbare Auflösungsvermögen um Größenordnungen schlechter als bei Photographien hoher Auflösung.

r> Außer dem noch nicht zufriedenstellend gelösten Problem des Zusammensetzens der mit dem Wilczynski-Verfahren möglicherweise erhältlichen Teilauflösungsbildern ergibt sich noch die weitere Schwierigkeit, daß beim Versuch, das Äquivalent eines großen,

in komplizierten und hochauflösenden Objektivs synthetisch herzustellen, die für die Synthese verwendeten kleinen Komponenten mit einer Präzision, die vergleichbar mit derjenigen ist, mit der die Elemente des großen Objektivs in diesem angeordnet sind, so an die

r· 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 id in der Größenordnung von 2,5 χ 10-⁴ mrn, die in Systemen, in denen die Linsenkomponenten zum Überstreichen der großen Fläche des nachzubildenden Objek'i/s oder der nachzubildenden Linse bewegt werden, sehr schwierig, wenn überhaupt eingehalten

π werden können.

Der vorliegenden Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und Vorrichtungen anzugeben, mit denen ein photographisches Bild mit einem Raumfr^quenzumfang synthetisch erzeugt

wi werden kann, der im wesentlichen gleich demjenigen einer entsprechenden Abbildung ist, wie sh ein abbildendes System großer öffnung liefer;, das praktisch nicht oder nur mit hohem Aufwand realisiert werden kann.

hi Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Verfahren der eingangs genannten Art durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.

Die Unteransprüche betreffen Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen sowie Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung.

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 Raumfrequenzumtangs 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 Bildsynthese, 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 Teilelementen möglich, die wie Elemente der nachzubildenden großen Apertur wirken und gleichzeitig den obenerwähnten extremen Toleranzbedingungen genügen. Im Gegensatz zu den bekannten Verfahren, bei denen es erforderlich war, mindestens eine Linsenkomponente nacheinander an verschiedene Stellen zu bringen, um Hip große Fläche der nachzubildenden Linse zu synthetisieren, werden bei gewissen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eine Anzahl von Komponenten-Untersystemen, und zwar so viele wie zur Nachbildung einer vorgegebenen öffnung erforderlich sind, mit den erforderlichen Toleranzen vormontiert und in fester gegenseitiger Lage in einer Kamera oder einem anderen optischen System angeordnet. Die verschiedenen Teil- oder Komponentensysteme, von denen jeder Te·! 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-Untersysteme nacheinander arbeiten, wie es bei den bekannten dynamischen Systemen der FaI! ist

Die Erfindung ist jedoch nicht auf statische Systeme beschränkt, sondern kann auch bei dynamischen Systemen Verwendung finden, wobei dann ein erheblicher Teii der den bekannten dynamischen Systemen anhaftenden Schwierigkeiten vermieden wird.

Die Erfindung kann z. B. für Nachbildung eines Beugungsgitters großer öffnung verwendet werden, indem man ein Gitterelement in sorgfältig kontrollierter Weise bezüglich eines feststehenden /weiten Gitterelements bewegt.

Erläuterung der Erfindung

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele von Verfahren und Einrichtungen gemäß der Erfindung an Hand der Zeichnung näher erläutert, es zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung eines Versuchs aufbaus zur Realisierung cl's Prinzips der Bildsynthese durch Superposition oder Überlagerung von Komponenten- oder Teilbildern kleiner Öffnung in ein und derselben fotografischen Platte,

Fig. 2 eine Fotografie eines Testobjekts, das durch eine elementare Komponenten- oder Teilöffnung aufgenommen wurde, und die Modulations-Überii'dgüfig5!ÜfiKiiöri5kürVC uCT wiinung,

F i g. 3 eine zusammengesetzte, »synthetisierte« Fotografie desselben Testobjekts, die durch aufeinanderfolgendes Belichten ein und derselben fotografischen Platte durch Sätze von Teilöffnungspaaren hergestellt wurde, und die Modulations-Übertragungsfunktionen (MTF-Funktionen) der Öffnungen,

I' i g. 4 eine schematische Darstellung des Young'-schen Doppelspaltabbildungsprinzips, auf die bei der Erläute jng der in den Fig. 2 und 3 dargestellten Ergebnisse und der mitspielenden optischen Prinzipien Bezug genommen wird,

F i g. 5 eine schematische Darstellung, die zeigt, wie eine Linse großer Öffnung als auj einer Vielzahl kleiner Komponenten- oder Teillinsensysteme bestehend angesehen werden kann,

F i g. 6 eine schematische Draufsicht eines vormontierten Komponenten- oder Teilsystems mit zwei optischen Elementen.

F i g. 7 eine schematische Seitenansicht einer Kamera in Kombination mit einem Teilsystem der in Fig. 6 dargestellten Art,

F i g. 7A eine Vorderansicht der öffnung der in F i g. 7 dargestellten Kamera.

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

F i g. 9 eine Seitenansicht eines Teils einer Anordnung aus einer Vielzahl räumlich getrennt angeordneter Teilsysteme,

Fig. 10 eine schematische Seitenansicht einer Anordnung zur vollen Synthese oder Nachbildung einer Apertur mit Komponenten-oder Teil-Untersyste >en,

Fig. 1OA eine Stirnansicht der öffnung der Kamera gemäß F ig. 10,

F i g. 11 eine schematische Darstellung des Strahlengangs bei der dynamischen Nachbildung einer Apertur und

Fig. 12 eine schematische Darstellung einer Anordnung zum Unterdrücken niederfrequenter Redundans in Teilbildern.

Beschreibung eines bevorzugten
Ausführungsbeispiels

Kurz zusammengefaßt besteht das vorliegend! Verfahren darin, einfach mehrere nur einen Teil de: Frequenzbereichs umfassende Teilbilder kleiner öff nung direkt in ein und derselben fotografischen Platte zi überlagern. Das Ergebnis ist einem Bild äquivalent, wi< es mit einem den vollen Frequenzumfang erfassender

optischen System großer Öffnung erhalten würde. Ein wesentlicher Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht in der Erkenntnis, daß nicht nur das Prinzip der Apertursynthese eines Radioteleskops auf das optische Gebiet angewendet werden kann, sondern auch das die Ausführbarkeit im Laboratorium bewiesen werden kann. » hne daß es nötig wäre, das System selbst zu bauen, so daß man die auf viele 100 000 Mark geschätzten Kosten für Versuchsaufbauten sparen kann. Die Realisierbarkeit des Erfindungsgedankins 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 Hie Funktionsfähigkeit des neuen optischen Prinzips, auf dem die Erfindung beruht, mit einem Modell bewiesen 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 F i g. 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.

Zu- Verifizierung des Prinzips wird zuerst ein Testbild durch eine elementare Teilöffnung fotografiert, nämlich eine quadratische öffnung mit 1 mm Seitenlänge in der Maske, deren »Modulationsübertragungsfunktion« (MTF) To, 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, /"=240 mm, gemacht. Eine vergrößerte Kopie dieses Bildes ist in F i g. 2 uargesieiit.

Der nächste Schritt des Experiments bestand darin, ein und dieselbe fotografische Platte nacheinander durch Sätze von jeweils 2 Teilöffnungen der in Fig.3 dargestellten Form zu belichten. Insbesondere wurden die aufeinanderfolgenden Belichtungen zuerst mit der Maske 22a gemacht, die das ganze Objektiv mit der Ausnahme der mit »0« und »1« bezeichneten durchsichtigen Flächen, die jeweils 1 χ 1 mm groß waren, abdeckte, als nächstes durch die Maske 22t, die das ganze Objektiv mit der Ausnahme der durchsichtigen Bereiche »0« und »2« abdeckte und dann durch die Maske 22c mit den durchsichtigen Bereichen »0« 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 22<i 22eund 22/zeigen. Die Maske war so konstruiert, daß die sechs aufeinanderfolgenden Belichtungen im Effekt durch die die Form eines kopfstehenden »L« aufweisende Öffnung gemacht wurde, die bezüglich des Objektivs so angeordnet war, wie es etwa in der Mitte von F i g. 3 dargestellt isL Keine der kleinen Öffnungen der Maske war größer als die elementare Teilöffnung, die bei der Herstellung der in Fig.2 dargestellten schlecht aufgelösten Fotografie verwendet wurde. Die Modula;ionsübertragungsfunktionen Tm, T02, 7^₁ usw., die unten rechts in F i g. 3 dargestellt sind, entsprechen den horizontalen Komponenten. Die vergleichsweise dargestellte MTF T(X entspricht dem gestrichelt dargestellten horizontalen Schlitz OC, dessen Abmessungen einem die drei Teilöffnungen 0,1, 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 F i g. 3 links dargestellt.

Vergleicht man die F i g. 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, daß das Halbtonbild des Fotomodells unscharf aussieht, als ob es durch irgendetwas beeinträchtigt worden wäre. Bei der zusammengesetzten oder synthetisierten Fotografie gemäß F i g. 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 Fig. 2, außerdem sind Buchstaben im Testbild lesbar, was bei Fig. 2 nicht der Fall ist. Ein Vergleich des zusammengesetzten Bildes gemäß F i g. 3 mit einem durch die volle öffnung OC gemachten Bild zeigte außerdem, daß das zusammengesetzte Bild bezüglich der Raumfrequenzauflösung und des Kontrastes dem Bild »voller öffnung« in einem bemerkenswerte Grade nahekommt. Die erhaltenen Aufnahmen wurden mit einem verhältnismäßig harten Papier 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 fur eine vorgegebene Anwendung erforderlich ist. Hierauf wird noch näher eingegangen werden.

Es sei ferner darauf hingewiesen, daß die Maskenform gemäß F i g. 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 einen vollen horizontalen oder vollen vertikalen Schlitz maskierte öffnung gemacht hät'.e, würden zwar die horizontalen und vertikalen Balken, jedoch keine anderen Merkmale, aufgelöst werden. Die Auflösung würde noch besser werden, als bei F i g. 3, wenn noch zusätzlich andere Öffnungspaare verwendet werden, die außerdem noch den Teil der öffnung nachbilden, der zur Auflösung von Raumfrequenzkomponenten 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. Daß 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 Winkellagen gedreht wurde.

Bei Verwendung der beschriebenen Masken wurden

die aufeinanderfolgenden Belichtungen offensichtlich durch Paare von Elementarbereichen des Kameraobjektivs gemacht, die jeweils den Elementarbereich »0« gemeinsam hatten. Hieraus folgt, daß, wenn eine Anzahl von optischen Komponenten- oder Teilsystemen, die jeweils mindestens 2 Linsen- oder Objektivelemi_nte mit optischen Eigenschaften, die den Elementarbereichen der »echten« Linse oder dem »echten« Objektiv entsprechen, enthalten und an dieselben Stellen wie die Elementarbereiche der »echten« Linse oder des »echten« Objektivs 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.

DäS Prinziⁿ d?r Oⁿtik rr*Ϊ* svnthptisrhpr Anprtnr ndpr

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 Small-Aperture Optics«, erschienen in »Optics Communications«, 1970, S. 283. Die wesentlichen Teile des Prinzips lassen sich jedoch qualitativ an Hand des bekannten Young^chen Doppelspalt-Interferometers erläutern, das in Fig. 4 dargestellt ist. In Fig. 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 schmalen Spalten angeordnet, deren Abstand zwei 2dbeträgt. Zur Vereinfachung sei angenommen, daß die Breite w der Spalte klein im Vergleich zum Abstand der Spalte ist. Man beachte, daß die Spalten unsymmetrisch bezüglich des Linsensystems L angeordnet sind.

Es sei nun ein einzelner Punkt No. 1 im Objektraum links vom Linsensystem L betrachtet. Das Bild dieses Punktes in der Brennebene des Linsensystems L ist die bekannte Doppelspalt-Interferenzfigur in Form einer sinusförmigen Intensitätsverteilung in der Bildebene,

deren Maximaden Abstand -j-j-haben.

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 hat, daß sein Bild aus dem gleichen sinusförmigen Interferenzmuster besteht, das jedoch genau um eine Periode bezüglich des durch den Punkt No. 1 erzeugten Interferenzmuster verschoben ist. Die beiden von inkohärenten Objektpunkten herrührenden Interferenzmuster werden sich also intensitätsmäßig addieren und das resultierende Interferenzmuster wird in allen praktischen Fällen nicht von dem durch einen einzigen Punkt erzeugten Interferenzmuster zu unterscheiden sein. Den beiden Interferenzmustern wird sich intensitätsmäßig das gleiche Muster überlagern, wenn auch ein dritter Punkt vorhanden ist, der längs der Achse im Objektraum um eine weitere Einheit, nämlich M kf/ld beabstandet ist (wobei M der Vergrößerungsfaktor des Linsensystems ist), usw. wenn noch weitere in entsprechenden Abständen folgende Punkte vorhanden sind.

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 schließlich noch darauf hingewiesen, daß das System ein > Bild in Form einer sinusförmigen Interferenzstreifenfigur auch von einem Objekt erzeugt, das selbst aus einer sinusförmigen Intensitätsverteilung besteht. Man kann daher folgern, daß die Doppelspaltanordnung zusammen mit dem Linsensystem L eine sinusförmige

in Intensitätsverteilung, deren Periode der dargestellten Interferenzfigur entspricht, perfekt abbildet; streng genommen hängt das Verhältnis des Abstandes der Intensitätsverteilung des Objektes zum Abstand der Intensitätsverteilung in der interferenzstreifenfigur

r> (also im Bild des Objekts) von der Vergrößerung des verwendeten Linsensystems ab. Ganz streng betrachtet, ist die Analyse anwendbar auf die »örtliche« Beschreibung Her Beziehungen von Objekt und Bild auf der Basis von »Raumfrequenzen«.

:ii Die Betrachtung kann nun auf die Erzeugung von Bildern durch das Linsensystem L ausgedehnt werden, wenn dieses mit anderen Spalten, die einen anderen Abstand oder eine andere Orientierung haben, maskiert ist. Jedes dieser zusätzlichen Systeme ist für sich allein in

?·. der Lage, eine sinusförmige Intensitätsverteilung 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

κι denkt, daß die Intensitätsverteilung (Leuchtdichteverteilung) eines Objekts oder einer Szene bekanntlich als Superposition einer Anzahl von sinusförmigen Teil-Intensitätsverteilungen mit entsprechend gewählter Amplitude und gegenseitiger Lage angesehen

π werden kann. Mit anderen Worten gesagt, kann man jede normale Intensitäts- oder Leuchtdichteverteilung in einer optischen Szene als räumliche Fourier-Superposition von sinusförmigen Intensitätsvertciliingen verschiedener Frequenzen und Orientierungen ansehen.

4Ii Diese Fourier-Überlagerung gilt selbstverständlich für jeden speziellen Objektbereich im gleichen mathematischen Mnne, wooei natürlich jedem üöjekiöereicn ein anderer Fourierausdruck entspricht. Dieser Unterschied ist genau das was den Unterschied in dem was wir als

•r> Bild eines speziellen Bereichs ansehen charakterisiert. Etwas konkreter ausgedrückt, sortiert die »Doppelspaltmaske« aus jedem Bild die entsprechende Raumfrequenzkomponente aus, die die verschiedenen Objektbereiche, welche solche Raumfrequenzen enthal-

"><> ten, charakterisiert. Dies läßt sich leicht durch das klassische optische Experiment, bei dem man das Objekt durch ein solches Teilöffnungssystem betrachtet, demonstrieren: Man sieht auf dem Objekt gleichsam wie aufgemalt kleine gitterartige Komponente, die alle die

η 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 besonders eindrucksvoll, wenn man

ho ein Testbild mit verschiedenen Frequenzen durch ein System von zwei Spalten betrachtet, wie es bei der obenerwähnten Veröffentlichung zur Erläuterung verwendet wurde, da man dann keine der Frequenzen im Testbild sieht, mit der Ausnahme derjenigen Frequenz,

B-3 die der speziellen Orientierung und dem spezieilen Abstand der Doppelspaltmaskenöffnung entspricht

Das oben beschriebene Modell zeigt, daß Komponenten- oder Teilsysteme zur Synthetisierung, Zusam-

Il

mensetziing 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, sondern auch, wie noch erläutert werden wird, mit Hilfe kleiner Komponenten- oder Teilöffnungen dargestellt werden, die kreisförmig, rechteckig, dreieckig, quadratisch sein oder irgendeine andere gewünschte Form haben können. Wenn auch offensichtlich mindestens zwei Öffnungen erforderlich sind, um die Raumfrequenzkomponenten verschiedener Abstände zu erhalten, kann es in gewissen praktischen Fällen wünschenswert sein, Öffnungen verschiedener Typen zu verwenden, z. B. eine große und eine kleine 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 enthielt, möglich ist.

Es war o? ?n bereits erwähnt worden, daß die aufeinanderfolgenden Belichtungen durch verschiedene Masken bei dem oben erläuterten Experiment so angesehen werden können als ob sie durch entsprechende Paare von Elementarbereichen des Kameraobjektivs gemacht worden wären, wobei alle Paare den Elementarbereich »0« gemeinsam 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 Fig.5 schematisch dargestellt. F i g. 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 aus einer mittleren Platte 28 mit plan parallelen Oberflächen, mit denen zwei weitere Glasteile 30 und 32 verKittet sind, bestände. Liie Linse kann ferner durch Schnitte in den gestrichelt eingezeichneten Horizontalebenen unterteilt 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 (0) dargestellt ist. In entsprechender Weise kann ein horizontaler Abschnitt am Rand der »echten« Linse als aus einem Linsenelement bestimmter Krümmung, einem flachen Glasstück und einem Prisma mit Winkeln, die in Kombination mit den anderen beiden Elementen das optische Äquivalent des betreffenden Elementarbereichs der Linse ergeben, bestehend angesehen werden. Die Form der Elemente, die das optische Element der anderen Bereiche der echten Linse 26 ergeben, sind in F i g. 5 ebenfalls dargestellt.

Offensichtlich müßten zur Herstellung von Teilsystemen mit optischen Eigenschaften, die einem Teilbereich, z. B. einer Linse entsprechen, einwandfrei korrigierte Elemente verwendet werden, da es ohne gut korrigierte Elemente unmöglich ist, ein gutkorrigiertes System zu erhalten, das seinerseits erforderlich ist, um die obenerwähnten Wellenlängentoleranzen zu erfüllen. Man muß also dafür Sorge tragen, daß die einzelner. 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 Fig.4 angedeutet worden war, hergestellt werden können) und die gemäß einem wichtigen Gesichtspunkt der

in 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

η Fig.6 schematisch dargestellt ist, zwei kleine Linsenelemente 34 und 36, die außerdem mit »0« bzw. »n« bezeichnet sind und jeweils, wie oben erläutert, aus einer Anzahl optischer Elemente bestehen können, durch einen geeigneten mechanischen Rahmen 38, der aus

-¹Ii einem formstabilen und vorzugsweise leichten Material besteht, in einer gemeinsamen Ebene gehaltert. Der Rahmen enthält vorzugsweise als integralen Teil ein piezoelektrisches oder ähnliches Raum- oder Lagesteuersystem 40, das durch Signale von einem

.π schematisch dargestellten fotoelektrischen Laserinterferometer 42 so gesteuert wird, daß der geforderte Abstand und die geforderte Orientierung des Elements »0« bezüglich des Elements »n« eingehalten werden. Detektor- und Wandlersysteme, mit denen ein gern wünschter Abstand und eine gewünschte Ausrichtung mit den erforderlichen Toleranzen eingestellt oder eingehalten werden können, sind von anderen optischen Systemen her bekannt, z. B. bei interferometrischen Servosteuerungen, wie sie z. B. im Handbuch der Physik,

π Herausgeber S. Flügge, Springer-Verlag Berlin und Heidelberg, 1967, Seiten 420 bis 750, im Abschnitt »Beugungsgitter« erwähnt sind. Es läßt sich z. B. mathematisch zeigen, daß eine Abstandstoleranz zwischen den beiden Elementen, die das 20fache der

in Wellenfronttolereanz beträgt, für ein /"/10-System annehmbar ist. Wenn also die Toleranz der einzelnen tlemente, z. B. eine weiieniange beträgt, isi es erforderlich, den Abstand zwischen den Elemenh r »0« und »/7« innerhalb einer Toleranz von 20 Wellenlängen

ι") oder etwa 2,5 μίτι zu halten, was beim derzeitigen Stand der Technik ohne weiteres möglich ist.

Aus den Maskenkonfigurationen gemäß Fig.3 und der Erläuterung von F i g. «Ί kann geschlossen werden, daß eine optische Apertur oder Öffnung durch eine

"><> Anzahl von Komponenten oder Teilen des in Fig.6 dargestellten Typs synthetisiert oder nachgebildet werden kann, die in dem normalerweise durch die Linse oder das Objektiv eines Kamerasystems normalerweise eingenommenen Raum so angeordnet sind, daß diese

">■> Komponenten- 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

Wi 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

b5 Nachbildung des gewünschten »vollen« Raumfrequenzbereichs erforderlich sind. Durch die Verwendung der eben erwähnten vormontierten Teilsysteme ist es möglich, Teilfotografien mit partieller Auflösung nach-

einander 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 niefit erforderlich, die Teilsysteme wie bei ί 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 ι > der Untsrsysteme 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 Fig.3 dargestellt sind, oder mit den entsprechenden Beugungsfunktionen erreichen. Grundsätzlich ist die zu synthetisierende MTF gleich der Summe der MTFen der Teilsysteme, welche jeweils gleich der Autokorrelationsfunktion des Feldes ist, das in der Austrittspupille des Teilsystems durch Beleucchtung mit einer punktiörmigen Lichtquelle erzeugt wird. Je nach der verwendeten Brennweite, kann es für eine zufriedenstellende Abbildung eines vorgegebenen Objekts nötig jo 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 r> erreichen, tatsächlich genügte die L-förmige Öffnung, die bei dem an Hand von F i g. 3 erläuterten Experiment verwendet worden war, um das betreffende Bild sozusagen »zufriedenstellend« wiederzugeben. Im Falle der F i g. 3 ist es also bekannt, daß die zu synthetisie- 4ii rende 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 vertikale als auch 4', der horizontale Teil der L-förmigen Öffnung voll nachgebildet werden muß. Zusammenfassend gesagt, können also Anzahl und Anordnung der zur Synthese einer vorgegebenen größeren 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 »0« und »n« in jedem der Teilsysteme nicht gleich zu sein braucht, um die gewünschten Teilfotografien partiellen Frequenzbereichs zu erhalten, die zur Synthese des Bildes vollen Frequenzbereichs erforderlich sind, es ist auch nicht nötig, daß alle »0«-öffnungen die gleichen Abmessungen haben. In entsprechender Weise können für diesen Zweck mehr <,o als zwei Teilöffnungen in jedem der Teilsysteme mit gleichen oder verschiedenen Abmessungen verwendet werden.

Nachdem die Bedingungen für zwei oder mehr Öffnungen in jedem Teilsystem und allgemeine Krite- h-, rien für die Bestimmung der zur Synthese einer vorgegebenen Öffnung erforderlichen Anzahl angegeben worden sind, sollen nun einige Systemorgani- sationen zur Realisierung dieser Prinzipien beschrieben werden.

Fig.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 Szene oder das gewünschte Objekt abzubilden sind. Die zu synthetisierende oder nachzubildende Öffnung A ist durch ein strichpunktiertes Ellipsoid 54 schematisch dargestellt Vor der »Öffnung« befindet sich ein einziges Teilsystem, das ein paar optische Elemente enthält, die mit »0« und »n« bezeichnet und in einem vorgegebenen Abstand zueinander durch einen Rahmen 38 gehaltert sind, dessen Konstruktion in Verbindung mit F i g. 6 erläutert worden war. F i g. 7A zeigt die Winkellage der beiden optischen Öffnungen und ihre Abstände bezüglich des Umfangs der Öffnung A. Die Vorrichtung zur Halterung des Teilsystems in der dargestellten Lage ist der Deutlichkeit halber weggelassen worden. Wie oben erläutert worden ist, wird ein Teilbild geringer Auflösung, das die von dem betreffenden Zweiöffnungssystem durchgelassenen Raumfrequenzen enthält, auf der fotografischen Platte 52 abgebildet, wenn eine Szene oder ein Objekt durch dieses Zweiöffnungssystem aufgenommen wird.

Das in F i g. 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, nacheinander vor die öffnung A bringen und ein und dieselbe fotografische Platte 52 nacheinander durch diese zusätzlichen Teilsysteme belichten, um das synthetisierte oder zusammengesetzte Bild hoher Auflösung zu erhalten, ganz ähnlich wie das in Verbindung mit Fig.3 beschriebene Experiment durchgeführt worden war und auch mit entsprechenden Ergebnissen. Fig.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 an Hand von Fig.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 nichtdargestellte Einrichtung so weitergeschaltet werden kann, daß die einzelnen Teilsysteme nacheinander vor die Kamera gebracht werden. Die Teilbilder können nacheinander mit der gleichen fotografischen Platte 52 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 Fig.8 dargestellten Art auf einem sich bewegenden Luftfahrzeug durch jedes der nacheinan der 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 jedoch Verfahren zur Kompensation solcher Fehler und die dargestellten 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 Fig.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 F i g. 9 sind nur drei solcher Systeme dargestellt, selbstverständlich werden in der Praxis so viele Systeme vorhanden sein, wie erforderlich sind, was an Hand 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 S/enen, die so weit entfernt sind, daß innerhalb der gewünschten Auflösung von den verschiedenen Orten der verschiedenen Teilsysteme 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 Winkellage der Öffnungen unterscheiden.

Bei der Anordnung gemäß Fig.9 werden die Teilbilder vorzugsweise alle gleichzeitig aufgenommen und dann später in der an Hand von F i g. 8 erläuterten Weise zusammengesetzt. Wenn es die Situation erfordert, können die Teilbilder jedoch auch zeitlich nacheinander oder in Gruppen aufgenommen werden und die verschiedenen Teilbilder nacheinander zu einer einzigen Fotografie zusammengesetzt werden, um das hochaufgelöste Bild zu erzeugen.

Fig. 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 F i g. 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 überstreichen.

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 Elements beweglich ist, um die "j 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

in eine Reihe diskreter Lagen gebracht und in diesen jeweils so justiert werden muß, wie es den Eigenschaften des zugehörigen 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 untt.nommen 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.

F i g. 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 Go befestigt, während ein

j(i 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 d, G₂... G_n bezeichnete Lagen gebracht werden kann, wobei sich die letzte Lage am anderen

ι -, 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

4(i optischen Eigenschaften bei Änderung der Lage nicht verändert zu werden brauchen. Die geforde/ten Toleranzen von Bruchteilen von Wellenlängen sind bei einer solchen Anordnung also praktisch realisierbar.

Das System gemäß F i g. 11 enthält außer den

4ϊ erwähnten Gittern noch eine Lichtquelle 60, deren Licht durch eine Linse 62 auf einen Spalt 64 fokussiert wird und dann auf einen Kollimatorspiegel 66 fällt, der sphärisch oder parabolisch sein kann und die öffnung A mit einem parallelen Lichlbündel s-^leuchtet. Die

mi Gitterelemente G_n und G\ reflektieren das auffallende Lid" auf einen sphärischen oder parabolischen Kameraspiegel 63, der seinerseits das Bild der beiden Gitterelemente auf eine fotografische Platte 70 abbildet. Im Betrieb werden aufeinanderfolgende Belichtungen

r, gemacht, die erste während sich das bewegliche Gitter Gi neben dem feststehenden Gitter G_n 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

wi Gitter die nachzubildende öffnung überquert hat. Wie bei dem Beispiel mit dem Doppelspalt wird in jedei Stellung des beweglichen Gitters ein partielles oder Teilbild auf die fotografische Platte belichtet, wobei sich die aufeinanderfolgenden Bilder niedriger Auflösung

ι,-, auf 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 an Hand von F i g. H beschriebenen Weise synthetisch zu erzeugen als zu versuchen, ein Gitter vergleichbarer Größe 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 Spektrums 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« sollen also auch Systeme umfassen, die ganz oder teilweise aus Spiegeln oder Beugungsgittern oder Prismen oder irgendwelchen anderen Vorrichtungen bestehen, die zur Erzeugung eines Bildes verwendet werden können. Der Begriff »Bild« soll außerdem nichr 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 Arten von Signalen, die in Fomi einer IntensiUtsverteilung 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 "^ilbilder 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 hergestellter 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 F i g. 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.

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, jede Teilfotografie kontrastreich zu verarbeiten, wobei dann automatisch der niederfrequente Untergrund in dem jeweiligen Bild unterdrückt wird, und dann die »gefilterten« Fotografien zu dem einen hochaufgelösten Bild zu vereinigen.

Ein anderes, eleganteres Verfahren zur Unterdrükkung des Untergrundes, das als »Raumfrequenzfilterung« bekannt ist, soll an Hand von Fig. 12 erläutert werden. Bei diesem Verfahren wird die niederfrequente Redundanz der einzelnen Teilbilder dadurch beseitigt, daß die Teilfotografien nacheinander in ein kollinCsrtes 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 Z-i 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 Mitte 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 34 82 102 beschrieben sind, leicht weitestgehend vermieden werden. Unter Umständen 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 \iiit 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 erlaubt z. B. die Synthese oder Simulation von Linsen oder Objektiven großer öffnung, die aus technischen oder hcrstellungsmäßigen 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.

llioiv'.i 7 I)IiKt ΑκΙπΗΐΜΐϋ.'Μ

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum synthetischen Erzeugen eines photographischen Bildes mit einem Raumfrequenzumfang, der im wesentlichen gleich demjenigen einer entsprechenden Abbildung ist, wie sie von einem abbildenden System großer Öffnung mit einer vorgegebenen Strahlung erzeugt wird, unter Verwendung getrennter Teilaperturen, dadurch gekennzeichnet, daß mittels der Teilaperturen mit inkohärenter Strahlung mehrere Partialbilder erzeugt werden, die jeweils nur einen Teil der räumlichen Frequenzkomponenten, insgesamt jedoch im wesentlichen alle räumlichen Frequenz- r> komponenten der mit dem abbildenden System großer Öffnung hergestellten Abbildung enthalten, und daß diese Partialbilder durch photographische Überlagerung mit inkohärenter Strahlung unter Erzeugung des gewünschten photographischen 2» Bildes in einer einzigen photographischen Platte vereinigt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Licht als Strahlung für die Vereinigung der Teilbilder verwendet wird. 2 >

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Partialbilder mit Licht erzeugt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Partialbilder mit Röntgen- jo strahlen erzeugt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Partialbilder mit Ultraschallstrahlung erzeugt werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, ji dadurch gekennzeichnet, daß die Partialbilder nacheinander mit ein und derselben photographischen Platte aufgenommen und hierbei vereinigt werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, w dadurch gekennzeichnet, daß die Partialbilder gleichzeitig erzeugt und später nacheinander in einer einzigen photographischen Platte vereinigt werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, .4-, dadurch gekennzeichnet, daß die niederfrequente Redundanz der Partialbilder vor ihrer Vereinigung unterdrückt wird.

9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch I, gekennzeichnet durch mindestens ή ι zwei Bauelemente kleiner Öffnung, welche Abbildungseigenschaften, die verschiedenen Partialbereichen einer Apertur großer Öffnung entsprechen, haben und welche mit verstellbarem gegenseitigen Abstand oder jeweils paarweise mit festem ->-> gegenseitigen Abstand angeordnet sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Bauelementpaare eine vorgegebene feste Lage bezüglich einer Kameraanöfdnung haben {F i g. 9). mi

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kameraanordnung eine Anzahl getrennter Kameras enthält, die jeweils eine photographische Platte enthalten, und daß jeder Kamera mindestens ein Bauelementpaar so zu- <,-> geordnet ist, daß die photographischen Platten der Kameras gleichzeitig belichtet werden können (Fig.·)).

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß so viele Bauelemente vorgesehen sind, daß die von ihnen eingenommene Fläche die der nachzubildenden Öffnung (A) nahezu vollständig ausfüllt (F i g. 10 und 10A).

13. Einrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Bauelemente in konzentrischen Kreisen angeordnet sind (F i g. 10A).

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Eigenschaften aller Bauelemente, die auf einem vorgegebenen Kreis liegen, unter sich gleich sind, sich jedoch von den optischen Eigenschaften der auf benachbarten Kreisen liegenden Bauelemente unterscheiden.

15. Vorrichtung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch eine Transportvorrichtung, die die Bauelementpaare nacheinander in eine Betriebslage bezüglich einer Kameraanordnung bringt (Fig. 8).

16. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Bauelemente Teile (Go, Gi) eines Beugungsgitters großer Apertur (A) sind (Fig. 11).

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das eine Beugungsgitterteil (Go) am einen ErJe des nachzubildenden Gitters angeordnet ist, während das zweite Beugungsgitterteil (G,) zwischen einer an das erste Beugungsgitterteil angrenzenden Lage und einer am anderen Ende des nachzubildenden Gitters beweglich ist.