NL8204551A

NL8204551A - Afbeeldingssystemen met beperkte diffractie.

Info

Publication number: NL8204551A
Application number: NL8204551A
Authority: NL
Original assignee: Secr Defence Brit
Priority date: 1981-11-26
Filing date: 1982-11-23
Publication date: 1983-06-16
Also published as: DE3243890A1; CA1204312A; US4549204A; FR2522910A1; DD208872A5; FR2522910B1; GB2113501A; GB2113501B

Description

'“ *v * N.O. 31494 1

Afbeeldingssystemen met beperkte diffractie.

De uitvlnding heeft betrekking op afbeeldingssystemen met beperkte diffractie*

Afbeeldingssystemen worden gebruikt voor het verkrijgen van een beeld van een voorwerp. Microscopen geven bijvoorbeeld een vergroot 5 beeld van een klein voorwerp op een verlicht objectglaasje. Teneinde de vergroting van het beeld ten opzichte van het voorwerp te laten toene-men is het noodzakelijk op kleinere delen van het voorwerp te focusse-ren. De diameter van het opgeloste oppervlak van het voorwerp wordt uiteindelijk beperkt door diffractie in het gebruikte afbeeldingssys-10 teem. De theoretische diffractiegrens van de oplossing van een goed op-tische microscoop bedraagt Λ/2, waarin λ de golflengte van de stra-ling is, en wordt het Rayleigh kriterium genoemd. Dezelfde grens doet zich voor bij infrarood afbeelding.

Het probleem van diffractie doet zich ook voor bij radarwaameming 15 van vliegtuigen, bijvoorbeeld bij het regelen van het luchtverkeer. Het vermogen van een antennesysteem zich dicht bij elkaar bevindende vliegtuigen van elkaar te onderscheiden wordt beperkt door de diffractie.

Ook bij de akoestische detectie van bijvoorbeeld voorwerpen op de zeebodem of in akoestische microscopen wordt de oplossing door de dif-20 fractie beperkt. Als een beeld van een voorwerp door een lenzensysteem op een beeldvlak wordt gefocusseerd, wordt slechts een deel van de stralingsinformatie die door de lens gaat in het geometrische beeld gefocusseerd. Informatie betreffende het voorwerp is ook aanwezig in het beeldvlak buiten het geometrische beeld en wordt normaliter niet ge-25 bruikt. Voor voorwerpen die ruimschoots boven de diffractiegrens liggen vormt deze extra informatie een opmerkelijk deel van de totale informatie die door het lenzensysteem heen gaat.

De onderhavige ultvlnding maakt gebruik van deze tot nu toe niet benutte informatie, tesamen met de informatie van het geometrische 30 beeld, teneinde informatie te verkrijgen omtrent voorwerpen waarvan de afmeting ligt in de buurt van de diffractiegrens.

Volgens de uitvinding bevat een afbeeldingssysteem een lenzensysteem voor het focusseren van coherente of incoherente straling op een beeldvlak, detectoren voor het meten van de amplitude van de straling 35 in het beeldvlak ter verkrijging van een informatiematrix, middelen voor het omzetten van deze matrix ter verkrijging van een beeldrekon-struktie, en middelen voor het waarnemen van het gerekonstrueerde beeld.

8204551

V

2 * -w

Het afbeeldingssysteem kan werken met elektromagnetische straling, bijvoorbeeld met radar- of zichtbare frequenties, elektronenstralen of akoestische straling, met geschikte lenzensystemen. Bij zichtbare frequenties meten de detectoren normaliter echter alleen de intensiteit 5 van het beeld en in dit geval moeten extra middelen worden aangebracht voor het afleiden van de amplituden en de fasen.

De detectoren voor zichtbaar licht kunnen bestaan uit een serie fotodetectoren, of het doel van een fotogeleidende elektronenbuis, zo-als in televisiecamera's, elektronisch afgetast met een dominerende re-10 ferentiebundel ter verkrijging van de noodzakelijke fase-informatie zoals in de holografie, of als een andere mogelijkheid door gebruik te maken van de exponentiele filtermethode van Walker (Britse octrooiaan-vrage 81 08244), of eenvoudiger, als aangenomen mag worden dat het voorwerp reeel is, door gebruik te maken van de unieke verhouding tus-15 sen beeld en voorwerp zelfs als uitsluitend de intensiteit bekend is.

Het gerekonstrueerde beeld kan worden waargenomen op een kathode-straalbuis, een fotografische film of grafisch of numeriek op papier.

Ter verkrijging van een totaalbeeld van een groot voorwerp kan het lezensysteem het voorwerp aftasten. In dit geval is het gerekonstrueer-20 de beeld de som van gerekonstrueerde afgetaste gebieden.

Voor een afbeeldingssysteem dat gebruik maakt van zichtbaar licht, zoals een microscoop, kan het voorwerp worden verlicht door een bundel coherente laserstraling. De bundel kan worden gefocusseerd voor het verlichten van een gebied met een doorsnede ongeveer gelijk aan een 25 halve golflengte, of coherent of incoherent worden verlicht door een ronde of vierkante opening met een diameter van ongeveer een halve golflengte.

In het geval van radarsystemen worden vliegtuigen verlicht door coherente straling. Voor vliegtuigen die zich op een onderlinge afstand 30 bevinden groter dan de diffractiegrens van de ontvangende antenne, is geen verbetering van de oplossing nodig en de ontvanger werkt op de normale wijze. Bij de diffractiegrens worden echter gereflecteerde sig-nalen van zich dicht bij elkaar bevindende vliegtuigen volgens de uit-vinding bewerkt.

35 De uitvinding zal nu, uitsluitend bij wijze van voorbeeld, worden beschreven aan de hand van de bijgevoegde tekening, waarin: figuur 1 een schema is van een microscoop waarin een monster stapsgewijs door een laserbundel wordt bewogen ter verkrijging van een afgetast voorwerp, en 40 figuur 2 een mozalek is van gerekonstrueerde beelden.

8204551 ......................—............................................ " IF'!".....:..................................is;.......... iipr· 3 **

Zoals In figuur 1 is aangegeven bestaat een microscoop met super-oplossing uit een laser 1 of een andere lichtbron waarvan de uitgangs-bundel 2 wordt gefocusseerd door lenzen 3 op een te meten monster 4. De laser 1 kan een HeNe-laser zi jn werkende bij 633nm of een geschikte la-5 ser met een lijn in het ultraviolet. Set licht 2 wordt gefocusseerd op een gebied 5 met een doorsnede kleiner dan ongeveer een halve golfleng-te; een andere mogelijkheid is de toepassing van een stop met een vier-kante opening van een halve golflengte.

Het monster 4 wordt zodanig gemonteerd dat het in de x- en de 10 y-richting kan bewegen loodrecht op de richting van de verlichting, door de stapmotoren 6, 7 of door een geschikt aftastmechanisme werkende met een zaagtSnd of een sinusgolf.

Licht dat door het monster is doorgelaten wordt opgevangen en gefocusseerd door een microscooplenzensysteem 8 op een serie van 10 x 10 15 detectoren 11» Elke detector ontvangt derhalve licht van een verschil-lend deel van het verlichte monster, namelijk een monsterelement 5.

Het uitgangssignaal van elke detector in de serie 11, een informa-tiematrix, wordt geleid naar een rekentuig 12 dat deze matrix bewerkt voor weergave in een inrichting 13 voor visuele weergave, bijvoorbeeld 20 een kathodestraalbuis, fotografische film of een grafiek op papier.

In figuur 2 stellen de 12 grote vierkanten 14 ieder een verlicht monsterelement 5 voor. Het volledige weergegeven beeld is het resultaat van vier stapsgewijze ingenoman posities in de x-richting van het monster 4 en drie stapsgewijze ingenomen posities in de y-richting. Een 25 normale microscoop kan niet elk detail oplossen in elk monsterelement 5, dat wil zeggen in een vierkant met een zijde van A /2. Elk vierkant 14 zou derhalve worden weergegeven met een gemiddeld niveau van de ver-lichtingsintensiteit. In elk van deze grote vierkanten 14 is het, door gebruik te maken van de werkwijze volgens de uitvinding, mogelijk negen 30 subelementen 15 te verschaffen, waarbij elk subelement 15 een uniform intensiteitsniveau bezit. Aanzlenlijk meer details van het gehele monster komen op deze wijze beschikbaar dan mogelijk is met een conventio-nele microscoop. De informatie van elk monsterelement wordt opgeslagen in het rekentuig totdat het gehele monster is bewerkt. Het totale mon-35 ster kan dan worden waargenomen.

Bij het in bedrijf zijn wordt een dun schijfje 4 van het te onder-zoeken materisal aangebracht op een objectglaasje en in een monsterhou-der geplaatst. Deze houder wordt indien dit noodzakelijk is in de x- en in de y-richting stapsgewijze bewogen met stappen met een afmeting ge-40 lijk aan X /2.

8204551 4

Laserlicht 2 wordt gefocusseerd op een vierkant deel van het monster met een zijde gelijk aan X/2; het verlichte monster vormt een monsterelement 5.

Het monsterelement 5 wordt afgebeeld op het geheel van de detec-5 torserie 11. Het uitgangssignaal van elk detectorelement wordt geleid naar het rekentuig 12 waar een omzetting van de matrixinformatie wordt berekend en geleid naar de inrichting 13 voor visuele weergave. Het monster 5 wordt stapsgewijze bewogen over een afstand λ /2 en de bewer-king wordt herhaald. Deze stapsgewijze voortbeweging en de bewerkings-10 procedure worden herhaald totdat het gehele monster 4 onderzocht is.

Het resultaat is een beeld van het monster met een grote oplossing.

De hierboven beschreven werkwijze kan ook worden toegepast bij volgens de reflectiemodus werkende microscopie, evenals bij de hierboven beschreven transmissiemodus.

15 Ter verbetering van de oplossing van het beeld als er ruis aanwe- zig is kan het monster stapsgewijze worden bewogen over delen van een golflengte en de vele verkregen beelden kunnen worden gelntegreerd.

Nu wordt alleen het eenvoudigste geval beschouwd waarin mag worden aangenomen dat het voorwerp reeel is. In dit geval is de amplitude van 20 het beeld de vierkantswortel uit de intensiteit en de fase is nul of IT . Door gebruik te maken van de continulteit van de afgeleide kan de fase worden bepaald door deze nul te stellen in het midden van het beeld en afwisselend 7Γ en nul naar buiten toe als men successievelijk nulwaarden van de intensiteit tegenkomt. Dit kan zo nodig ook worden 25 uitgevoerd met behulp van de mathematische techniek van de analytische voortzetting.

De theoretische basis van de matrixtransformaties van de afgeleide complexe amplituden is dan als volgt:

Door x = £xi, X2j wordt een punt van het voorwerp aangegeven 30 en als de complexe amplitude van het voorwerp f(x) slechts in het verlichte en beperkte gebied D van nul verschilt, wordt het beeld bepaald door (Kf)(x) = //S(x - jj)f(j)dy 35 waarin S(x) = j(jfdu voor coherente verlichting 40 of 8204551 S(x) - ^τ)2 du|^ voor incoherente verlichting waarin P het begrensde gebied in de Fourier ruimte is overeenkomende met de ruimtelijke frequenties die door de lens zijn doorgelaten.

5 Een lineaire kleinste vierkantenrelatie tussen het voorwerp en het beeld verkrijgt men door een computerinversie van de gedigitaliseerde normale vergelijkingen .¾¾¾1¾^ Hln2PlP2 P1P2 " ^ ^2^1^2 8<U<Il 10 nin2PiPi qiq2 waarin

Sabcd * S<{a>b} - fc-d/> en 15 fab * 8ab - 8( ta»bj)

In de praktijk hebben p^ en p2 betrekking op een veel kleiner aantal punten dan qi en q2.

De vector x geeft een punt x2J· weer in het voorwerps 20 (monster 4) vlak, de vector^ geeft een punt |y^, y2j weer in het beeldvlak (op detector 11), (PI» P2} zijn monsterwaarden van {χχ, x2y (qi, q2J zijn monsterwaarden van ^y^, y2y.

Voor coherente verlichting kan worden aangetoond dat de functie 25 S(x) wordt „,_v _ sin(Axi) sin(ilx2) tr* 1 W*l voor een vierkant voorwerp met een vierkante pupil bepaald door 30 bJUJL] x i3

Voor een cirkelvormig voorwerp en een cirkelvormige pupil met een straalii in frequentie ., , Λ Ji«lsl) s<i> t.—lΪ]—

Voor incoherente verlichting zijn de analoge uitdrukkingen voor een vierkant voorwerp 40 8204551 S(x) = sln2&*l) sin2(to2) 6 ^ /ΓΛχ i2 TJ2x22 en voor een cirkelvormig voorwerp ' «.> ·")««·-' w - (&) fWM' * % waarin FT de Fouriertransformatie aangeeft en Ep = 1 op de pupil en overal elders nul.

10 Een alternatief algoritme voor het rekonstrueren van het voorwerp uit de uitgangssignalen van de serie detectoren die het beeld bemonste-ren maakt gebruik van het singuliere systeem uk, vk; <% k=0 van de transformatie van het continue voorwerp f via zijn bekende onder-steuning naar het "vector" beeld gn bepaald door de (N) complexe gege-15 vensmonsters op het eindige stel detectoren. De rekonstruktie wordt dan uitgevoerd door de bewerking K (g,Vk) ^ f " <£· -Z~ uk> (8» vk) = ^ wn gn (vk)n k=0 K n=l 20 waarin (g. vk) het scalaire produkt of de projectie is van de gege-vens op de singuliere vector vk. Het singuliere systeem zal een func-tie zijn van de experimentele dispositie, maar kan worden berekend met numerieke technieken volgens de bekende praktijk van de numerieke analyse in een speciaal geval. K is een bovengrens van het aantal compo-25 nenten dat kan worden verkregen, bepaald door de afnemingsnelheid van de singuliere waarden 0¾ en het werkelijke niveau van de aanwezige ruis. De w^ zijn geschikte wegingen waarbij rekening wordt gehouden met mogelijk niet uniforme afstanden tussen de detectoren.

Oplossing bij afbeelding beperkt door diffractie is beschreven in 30 Optica Acta 1982, 29_ nr. 6, biz. 727-746.

8204551

Claims

1. Afbeeldingssysteem met een lenzensysteem voor het focusseren van coherente of incoherente straling op een beeldvlak, met het kenmerk dat detectoren aanwezig zijn voor het meten van de amplitude van de 5 straling in het beeldvlak ter verkrijging van een informatiematrix, middelen voor het omzetten van deze matrix ter verkrijging van een beeldrekonstruktie en middelen voor het observeren van het gerekonstru-eerde beeld.

2. Systeem volgens conclusie 1, gekenmerkt door middelen voor het 10 verlichten van een voorwerp, waarbij het verlichte en op de detector gefocusseerde gebied een diameter heeft die kleiner is dan een golf-lengte van de verlichtende straling.

3. Systeem volgens conclusie 2, gekenmerkt door middelen voor het teweeg brengen van een aftastende beweging van de verlichtende straling 15 ten opzichte van het voorwerp.

4. Systeem volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat de aftastmid-delen bestaan uit motoren die het voorwerp in discrete stappen kunnen bewegen.

5. Systeem volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat de aftastmid-20 delen bestaan uit afbuigmiddelen voor het afbuigen van de straling over het voorwerp.

6. Systeem volgens conclusie 2, gekenmerkt door de aanwezigheid van een laser voor het verlichten van het voorwerp.

7. Systeem volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat het lenzen-25 systeem straling opvangt die door het voorwerp heen is gegaan.

8. Systeem volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat het lenzensysteem straling opvangt die door het oppervlak van het voorwerp is ge-reflecteerd.

9. Systeem volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat de detectoren 30 discrete detectoren zijn die volgens een matrix zijn opgesteld.

10. Systeem volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat de detectoren worden gevormd door een doel in een fotogeleidende elektronenbuis. ********** 8204551