RU2554594C1 - Method of correcting lens aberrations - Google Patents

Method of correcting lens aberrations Download PDF

Info

Publication number
RU2554594C1
RU2554594C1 RU2013157049/28A RU2013157049A RU2554594C1 RU 2554594 C1 RU2554594 C1 RU 2554594C1 RU 2013157049/28 A RU2013157049/28 A RU 2013157049/28A RU 2013157049 A RU2013157049 A RU 2013157049A RU 2554594 C1 RU2554594 C1 RU 2554594C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
image
hologram
plane
digital
lens
Prior art date
Application number
RU2013157049/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Виктор Валентинович Дёмин
Игорь Георгиевич Половцев
Алексей Сергеевич Ольшуков
Original Assignee
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" filed Critical Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет"
Priority to RU2013157049/28A priority Critical patent/RU2554594C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2554594C1 publication Critical patent/RU2554594C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Holo Graphy (AREA)

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: method includes using a correcting holographic optical element in the form of a digital hologram; positioning a CCD array behind the paraxial image plane of the object; recording the defocused image constructed by the lens, said image being taken as the digital axial hologram of the image with which, using digital holography techniques, holographic fragments of the entire image are reconstructed numerically and layer-by-layer, after which the reconstructed image fragments are transferred to a single plane.
EFFECT: wider field of use, faster operation and quality of holographic correction of lens aberrations.
10 dwg

Description

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано в оптических системах наблюдения, фоторегистрации, а также в голографических системах.The invention relates to optical instrumentation and can be used in optical surveillance systems, photographic recording, as well as in holographic systems.

Известен способ стационарной коррекции кривизны поля. Способ заключается в использовании волоконно-оптических элементов с криволинейной поверхностью, форма поверхности которой повторяет форму поля зрения. Таким элементом может быть, например, фоконная линза. Изображение с криволинейной поверхности переносится по волокну элемента на плоскую противоположную сторону, которая и является плоскостью формирования изображения [1].A known method of stationary correction of field curvature. The method consists in using fiber optic elements with a curved surface, the surface shape of which repeats the shape of the field of view. Such an element may be, for example, a focal lens. The image from the curved surface is transferred along the fiber of the element to the flat opposite side, which is the image formation plane [1].

Недостатком способа является высокая стоимость и трудоемкость изготовления корректирующих элементов. Кроме того, решение является стационарным, поскольку такие элементы следует применять только для заданных расстояний до объекта и c той величиной остаточной аберрации, на которую они рассчитаны. Для иных расстояний до объекта и иной остаточной аберрации необходимо рассчитывать и использовать другие элементы.The disadvantage of this method is the high cost and complexity of manufacturing corrective elements. In addition, the solution is stationary, since such elements should be used only for given distances to the object and with the amount of residual aberration for which they are designed. For other distances to the object and other residual aberration, it is necessary to calculate and use other elements.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению является объектив по патенту RU 2244330 [2], в котором коррекция кривизны поля обеспечивается путем нанесения голограммного оптического элемента с оптической силой 0,01-0,1 на одну из оптических поверхностей линз положительного компонента. Характеристическое уравнение голограммного оптического элемента имеет вид VH=A1y22y43y6, где A1, A2 , А3 - коэффициенты; y - высота на поверхности голограммного оптического элемента. Коэффициент A1 пропорционален оптической силе голограммного оптического элемента, а коэффициенты А2 и А3 пропорциональны сферической аберрации положительного и отрицательного компонентов объектива соответственно.The closest in technical essence to the claimed technical solution is the lens according to patent RU 2244330 [2], in which the correction of the field curvature is achieved by applying a hologram optical element with an optical power of 0.01-0.1 on one of the optical surfaces of the lenses of the positive component. The characteristic equation of the hologram optical element has the form V H = A 1 y 2 + A 2 y 4 + A 3 y 6 , where A 1 , A 2 , A 3 are the coefficients; y is the height on the surface of the hologram optical element. The coefficient A 1 is proportional to the optical power of the hologram optical element, and the coefficients A 2 and A 3 are proportional to the spherical aberration of the positive and negative components of the lens, respectively.

Поскольку корректирующий голограммный оптический элемент является стационарным, его коррекционные возможности ограничены: при изменении расстояния до объекта и иной остаточной аберрации необходимо использовать оптический элемент с другими параметрами.Since the corrective hologram optical element is stationary, its correction capabilities are limited: when changing the distance to the object and other residual aberration, it is necessary to use an optical element with other parameters.

Задачей изобретения является расширение области применения, повышение оперативности и качества голограммной коррекции аберраций объектива.The objective of the invention is to expand the scope, increasing the efficiency and quality of the hologram correction of lens aberrations.

Поставленная задача решается за счет того, что корректирующий голограммный оптический элемент выполняют в виде цифровой голограммы, для чего, позиционируя ПЗС-матрицу за плоскостью параксиального изображения объекта, регистрируют построенное объективом расфокусированное изображение, принимаемое за цифровую осевую голограмму изображения, с которой численно, при помощи методов цифровой голографии, послойно восстанавливают голограммные фрагменты всего изображения, после чего приводят восстановленные фрагменты изображения к одной плоскости.The problem is solved due to the fact that the corrective hologram optical element is performed in the form of a digital hologram, for which, by positioning the CCD matrix behind the plane of the paraxial image of the object, the defocused image constructed by the lens is taken, taken as a digital axial hologram of the image, which is numerically with methods of digital holography, layer-by-layer restore hologram fragments of the entire image, after which lead the restored fragments of the image to one square sharpness.

Сущность изобретения и возможность его промышленного применения поясняется примером конкретной реализации для тест-объекта и иллюстрируется рисунками фиг.1 - фиг.10.The invention and the possibility of its industrial application is illustrated by an example of a specific implementation for a test object and is illustrated by figures 1 - 10.

На фиг. 1 показана оптическая схема эксперимента по коррекции аберраций объектива, где цифрой 3 показана плоскость параксиального изображения, далее по тексту ПР-3, а цифрой 4 - плоскость сфокусированных внеосевых фрагментов изображения, далее по тексту ПР-4.In FIG. 1 shows an optical diagram of an experiment for correcting lens aberrations, where figure 3 shows the plane of the paraxial image, hereinafter referred to as PR-3, and figure 4 shows the plane of focused off-axis image fragments, hereinafter referred to as PR-4.

На фиг. 2 приведена фотография фрагмента тест-объекта - стеклянной подложки с модельными частицами.In FIG. Figure 2 shows a photograph of a fragment of a test object - a glass substrate with model particles.

На фиг. 3 представлена цифровая голограмма модельных частиц, расположенных вблизи оптической оси, в плоскости их расфокусированных изображений (на расстоянии 1882 мкм за плоскостью регистрации ПР-3).In FIG. Figure 3 presents a digital hologram of model particles located near the optical axis in the plane of their defocused images (at a distance of 1882 μm behind the plane of registration PR-3).

На фиг. 4 представлены непосредственно построенные объективом в ПР-3 сфокусированные изображения модельных частиц тест-объекта, расположенных на оптической оси.In FIG. Figure 4 shows the focused images directly constructed by the lens in PR-3 of the model particles of the test object located on the optical axis.

На фиг. 5 представлены расфокусированные изображения модельных частиц тест-объекта (плоскость регистрации - ПР-3), расположенных в окрестности точки В, отстоящей от оптической оси на а=16 мм.In FIG. Figure 5 shows defocused images of model particles of a test object (registration plane — PR-3) located in the vicinity of point B, which is a = 16 mm from the optical axis.

На фиг. 6 представлены непосредственно построенные объективом и зафиксированные ПЗС-матрицей в ПР-4 сфокусированные изображения частиц, расположенных в окрестности точки В, отстоящей от оптической оси на а=16 мм.In FIG. Figure 6 shows the focused images of particles located in the vicinity of point B, a = 16 mm away from the optical axis, directly constructed by the lens and fixed by the CCD matrix in PR-4;

На фиг. 7 представлены изображения модельных частиц (расположенных на оптической оси и соответствующих изображениям фиг.4) после коррекции, т.е. после восстановления голограммы, показанной на фиг. 3.In FIG. 7 presents images of model particles (located on the optical axis and corresponding to the images of FIG. 4) after correction, i.e. after restoration of the hologram shown in FIG. 3.

Фиг. 8 иллюстрирует повышение разрешающей способности на краю поля изображения.FIG. 8 illustrates an increase in resolution at the edge of an image field.

Фиг. 9 иллюстрирует методику оценки качества изображения.FIG. 9 illustrates a methodology for evaluating image quality.

На фиг.10 представлен пример коррекции аберраций для изображения треугольной модельной частицы.Figure 10 presents an example of aberration correction for the image of a triangular model particle.

Оптическая схема, поясняющая принцип коррекции аберраций (фиг.1.) включает: 1- предметная плоскость с тест-объектом, 2 - объектив, 3 - плоскость регистрации ПР-3 является плоскостью наилучшего изображения для частиц, расположенных на оптической оси, 4 - плоскость регистрации ПР-4 является плоскостью наилучшего изображения для частиц, смещенных от оптической оси на расстояние a и находящихся в точке В, 5 - фотоприемная матрица цифровой камеры с возможностью точного позиционирования ее в осевом и поперечном направлениях, a - полуразмер поля зрения, a' - полуразмер поля изображения, S - отрезок, задающий положение предмета относительно передней главной плоскости H объектива 2, S' - отрезок, задающий положение изображения относительно задней главной плоскости H' объектива 2.The optical scheme explaining the principle of aberration correction (Fig. 1) includes: 1 - the subject plane with the test object, 2 - the lens, 3 - the registration plane PR-3 is the plane of the best image for particles located on the optical axis, 4 - the plane registration PR-4 is the plane of the best image for particles offset from the optical axis by a distance a and located at point B, 5 is the photodetector matrix of a digital camera with the ability to accurately position it in the axial and transverse directions, a is the half-size of the field of view, a ' is the half-size of the image field, S is the segment specifying the position of the object relative to the front main plane H of the lens 2, S 'is the segment specifying the position of the image relative to the rear main plane H of the lens 2.

В предметной плоскости (см. фиг.1) на расстоянии (-S) от главной плоскости объектива располагается тест-объект (см. пример на фиг.2), представляющий собой набор плоских непрозрачных фигур в виде правильных многоугольников (шестиугольник, квадрат, треугольник), а также в виде прямоугольника (соотношение сторон 1:2), ромба, круга и т.п., нанесенных методом фотолитографии на стеклянную подложку [3]. Такими фрагментами заполнено все поле зрения объектива. Размеры используемых модельных фигур: стороны квадрата, правильного треугольника и шестиугольника - 200 мкм, диаметр круга - 200 мкм, малая сторона прямоугольника 200 мкм. В ряде экспериментов использовались тест-объекты с модельными частицами других размеров. В экспериментах тест-объекты освещались источником когерентного излучения - твердотельный лазер SLC-DLT 317, длина волны 532 нм.In the subject plane (see Fig. 1) at a distance (-S) from the main plane of the lens there is a test object (see the example in Fig. 2), which is a set of flat opaque figures in the form of regular polygons (hexagon, square, triangle ), as well as in the form of a rectangle (aspect ratio 1: 2), rhombus, circle, etc., deposited by photolithography on a glass substrate [3]. Such fragments filled the entire field of view of the lens. The dimensions of the model figures used: the sides of the square, the regular triangle and the hexagon - 200 microns, the diameter of the circle - 200 microns, the small side of the rectangle 200 microns. In a number of experiments, test objects with model particles of other sizes were used. In the experiments, test objects were illuminated with a coherent radiation source - SLC-DLT 317 solid-state laser, wavelength 532 nm.

Расфокусированное изображение, сформированное объективом за плоскостью наилучшей фокусировки ПР-3, регистрируется с помощью ПЗС-камеры C-cam BCi4-6600. Расстояние от плоскости регистрации выбирается таким, чтобы обеспечивалось формирование дифракционной картины Френеля от изображений всех фрагментов тест-объекта. Для использованных модельных частиц расстояние должно быть не менее 2 мм. В этом случае в плоскости расфокусированного изображения каждой частицы наблюдается картина интерференции дифрагировавшей волны и волны, прошедшей без дифракции. Волны когерентны, поэтому картина интерференции стационарна. Изображение регистрируется на цифровую камеру в виде двумерного цифрового массива, который принимают за цифровую осевую голограмму изображения. Характеристики камеры выбраны такими, чтобы обеспечить регистрацию цифровых голограмм модельных частиц, а именно: размер матрицы 7.74 × 10.51 мм, размер пикселя 3.5 × 3.5 мкм. Несмотря на то что на некоторых приводимых рисунках интерференционная картина (тонкая структура голограммы) не отображается в связи с ограниченными возможностями принтера (монитора), сравнение ее параметров и характеристик выбранной камеры показывает, что обеспечена регистрация тонкой структуры голограммы без искажения.The defocused image formed by the lens behind the PR-3 best-focus plane is recorded using the C-cam BCi4-6600 CCD camera. The distance from the registration plane is chosen so as to ensure the formation of a Fresnel diffraction pattern from images of all fragments of the test object. For used model particles, the distance should be at least 2 mm. In this case, in the plane of the defocused image of each particle, the pattern of interference of the diffracted wave and the wave transmitted without diffraction is observed. The waves are coherent; therefore, the interference pattern is stationary. The image is recorded on a digital camera in the form of a two-dimensional digital array, which is taken as a digital axial hologram of the image. The characteristics of the camera are chosen so as to ensure registration of digital holograms of model particles, namely: matrix size 7.74 × 10.51 mm, pixel size 3.5 × 3.5 μm. Despite the fact that in some of the figures the interference pattern (the fine structure of the hologram) is not displayed due to the limited capabilities of the printer (monitor), a comparison of its parameters and the characteristics of the selected camera shows that the fine structure of the hologram is recorded without distortion.

В зависимости от размера используемой ПЗС-матрицы она регистрирует либо все поле расфокусированного изображения целиком, либо необходимо сканировать ПЗС-матрицей поле расфокусированного изображения, регистрируя все его сегменты.Depending on the size of the CCD matrix used, it registers either the entire field of the defocused image, or it is necessary to scan the field of the defocused image by the CCD matrix, registering all its segments.

В примере система позиционирования обеспечивала перемещение ПЗС-камеры с точностью 2,5 мкм в продольном и 1 мкм в поперечных направлениях, что обеспечивает возможность сегментирования поля изображения на фрагменты в любой плоскости, включая плоскость параксиального изображения ПР-3, а также любые плоскости перед ней, например ПР-4, или за ней.In the example, the positioning system provided movement of the CCD camera with an accuracy of 2.5 μm in the longitudinal and 1 μm in the transverse directions, which makes it possible to segment the image field into fragments in any plane, including the plane of the paraxial image PR-3, as well as any planes in front of it , for example PR-4, or behind it.

Пример цифровой осевой голограммы модельных частиц представлен на фиг. 3. Эта голограмма зарегистрирована в зоне дифракции Френеля - на расстоянии 1882 мкм за плоскостью параксиального изображения ПР-3. Здесь отчетливо видна тонкая структура распределения интенсивности в осевой голограмме.An example of a digital axial hologram of model particles is shown in FIG. 3. This hologram was recorded in the Fresnel diffraction zone - at a distance of 1882 μm behind the plane of the paraxial image PR-3. Here, the fine structure of the intensity distribution in the axial hologram is clearly visible.

Исследуем фрагменты изображения в плоскости ПР-3. Сфокусированные изображения осевой части тест-объекта, то есть частиц, расположенных вблизи точки О (фиг. 1), расположены в центральной части плоскости параксиального изображения ПР-3 вблизи точки О' (приведены на фиг. 4).We study image fragments in the plane of PR-3. Focused images of the axial part of the test object, that is, particles located near point O (Fig. 1), are located in the central part of the plane of the paraxial image PR-3 near point O '(shown in Fig. 4).

На фиг. 5 приведены непосредственно построенные объективом изображения частиц, расположенных на краю поля зрения, вблизи точки В, расположенной на расстоянии 16 мм от оси объектива. Их изображения в плоскости ПР-3 вблизи точки В' расфокусированы из-за аберраций объектива, что наблюдается визуально. Чтобы зарегистрировать сфокусированное изображение этих частиц, расположенных на краю поля зрения, потребовалось переместить ПЗС-матрицу при помощи вышеупомянутой системы позиционирования в плоскость ПР-4 вблизи точки B1, находящуюся на расстоянии 192 мкм от ПР-3.In FIG. 5 shows directly constructed by the lens images of particles located at the edge of the field of view, near point B, located at a distance of 16 mm from the axis of the lens. Their images in the plane of PR-3 near point B 'are defocused due to lens aberrations, which is observed visually. In order to register a focused image of these particles located at the edge of the field of view, it was necessary to move the CCD using the aforementioned positioning system to the PR-4 plane near point B 1 , which is located at a distance of 192 μm from PR-3.

Отметим, что из-за кривизны поля зрения расстояние плоскости регистрации ПР-4 от плоскости регистрации ПР-3 будет различным для разных точек поля изображения, характеризующихся различными поперечными координатами.Note that due to the curvature of the field of view, the distance of the PR-4 registration plane from the PR-3 registration plane will be different for different points of the image field, characterized by different transverse coordinates.

Для решения задачи коррекции дефокусировки (например, изображения, показанного на фиг.5) в способе по изобретению использован известный метод цифровой голографии, который позволяет численно восстанавливать распределение светового поля в любой плоскости, расположенной на заданном расстоянии от плоскости записи цифровой голограммы [4]. Как уже было отмечено, дефокусированное изображение с зарегистрированной картиной интерференции, пример которого приведен на фиг.3, представляет собой осевую цифровую голограмму. На фиг.7 представлены изображения модельных частиц, расположенных на оси, после коррекции, т.е. после численного восстановления с осевой голограммы фиг. 3.To solve the problem of correcting defocusing (for example, the image shown in Fig. 5), the method according to the invention uses the known method of digital holography, which allows you to numerically restore the distribution of the light field in any plane located at a given distance from the recording plane of the digital hologram [4]. As already noted, a defocused image with a registered interference pattern, an example of which is shown in FIG. 3, is an axial digital hologram. Figure 7 presents images of model particles located on the axis, after correction, i.e. after numerical restoration from the axial hologram of FIG. 3.

Повышение разрешающей способности на краю поля изображения при использовании способа по изобретению иллюстрируется фотографиями фиг.8. Здесь 8а) - изображение прямоугольной модельной частицы с размером меньшей стороны 10 мкм, расположенной в ПР-3 на оптической оси; 8б)- изображение прямоугольной модельной частицы с размером меньшей стороны 10 мкм, отстоящей от оптической оси на 16 мм (плоскость регистрации ПР-3), оно же является осевой цифровой голограммой; 8в) - непосредственно построенное объективом изображение этой прямоугольной модельной частицы (зафиксированное ПЗС-матрицей в плоскости ПР-4, отстоящей на 192 мкм от плоскости ПР-3); 8 г) - изображение прямоугольной модельной частицы с размером меньшей стороны 10 мкм, отстоящей от оси на 16 мм, после коррекции, т.е. после численного восстановления изображения с голограммы, показанной на фиг. 8б. В центре поля изображения фиг. 8а разрешающая способность составляет более 100 лин/мм. Этот вывод сделан на основании того, что можно однозначно определить форму прямоугольной модельной частицы с размером меньшей стороны прямоугольника 10 мкм (даже визуально). На краю поля изображения (на высоте 16 мм в плоскости ПР-3) разрешающая способность меньше 100 лин/мм (фиг. 8б). После восстановления изображения с голограммы этого фрагмента разрешение составило более 100 лин/мм, как и для осевого фрагмента (см. фиг. 8 г).The increase in resolution at the edge of the image field when using the method according to the invention is illustrated by photographs of Fig. 8. Here 8a) is an image of a rectangular model particle with a smaller side size of 10 μm, located in PR-3 on the optical axis; 8b) - image of a rectangular model particle with a smaller side size of 10 μm, 16 mm from the optical axis (PR-3 registration plane), it is also an axial digital hologram; 8c) - the image of this rectangular model particle directly constructed by the lens (fixed by a CCD matrix in the PR-4 plane, which is 192 μm apart from the PR-3 plane); 8 g) - image of a rectangular model particle with a smaller side size of 10 μm, 16 mm from the axis, after correction, i.e. after numerical reconstruction of the image from the hologram shown in FIG. 8b. In the center of the image field of FIG. 8a, the resolution is more than 100 lines / mm. This conclusion is made on the basis that it is possible to unambiguously determine the shape of a rectangular model particle with a size of the smaller side of a rectangle of 10 μm (even visually). At the edge of the image field (at a height of 16 mm in the plane of PR-3), the resolution is less than 100 lines / mm (Fig. 8b). After reconstructing the image from the hologram of this fragment, the resolution was more than 100 lines / mm, as for the axial fragment (see Fig. 8 g).

Для оценки качества коррекции изображения использован известный численный алгоритм, основанный на сравнении площадей изображения и оригинала и позволяющий численно выразить степень соответствия изображения оригиналу [5]. Идея алгоритма заключается в сравнении бинаризованных фигур: изображения

Figure 00000001
и собственно предмета
Figure 00000002
. Границы фигур определялись методом наибольшего градиента. После совмещения и вычитания таких бинаризованных фигур определялась суммарная площадь областей, ошибочно включенных и ошибочно исключенных из фигуры
Figure 00000003
. Степень несовпадения формы изображения модельной частицы с ее оригиналом
Figure 00000004
назовем критерием различения формы изображения. Форму изображения будем считать однозначно различимой при δ<0,5 и неразличимой при δ>0,5. Отметим, что в зависимости от решаемой задачи могут быть установлены другие значения критерия различения.To assess the quality of image correction, a well-known numerical algorithm was used, based on a comparison of the areas of the image and the original and allowing numerically expressing the degree of image correspondence to the original [5]. The idea of the algorithm is to compare binarized figures: images
Figure 00000001
and the subject itself
Figure 00000002
. The boundaries of the figures were determined by the largest gradient method. After combining and subtracting such binarized figures, the total area of areas erroneously included and erroneously excluded from the figure was determined
Figure 00000003
. The degree of mismatch in the image shape of the model particle with its original
Figure 00000004
call the criterion for distinguishing the shape of the image. The image shape will be considered unambiguously distinguishable at δ < 0.5 and indistinguishable at δ> 0.5. Note that, depending on the problem being solved, other values of the distinction criterion can be established.

Пример работы описанного алгоритма для треугольной модельной частицы со стороной 200 мкм приведен на фиг. 9. Степень несовпадения характеризуется белыми областями, ошибочно включенными или ошибочно исключенными в/из изображения, количественно несовпадение характеризуется долей δ белой площади в площади частицы. Здесь фиг.9а - изображение, непосредственно построенное объективом на расстоянии 1,25 мм от плоскости параксиального изображения ПР-3 (оно же представляет собой осевую голограмму частицы); фиг.9б - изображение после коррекции (численного восстановления голограммы фиг.9а); фиг.9в - изображение фиг.9а с наложенным оригиналом,

Figure 00000005
; фиг.9 г - изображение фиг.9б с наложенным оригиналом,
Figure 00000006
.An example of the operation of the described algorithm for a triangular model particle with a side of 200 μm is shown in FIG. 9. The degree of mismatch is characterized by white areas mistakenly included or mistakenly excluded from / from the image, quantitatively the mismatch is characterized by the fraction of δ white area in the particle area. Here figa is an image directly constructed by the lens at a distance of 1.25 mm from the plane of the paraxial image PR-3 (it is also an axial hologram of the particle); figb - image after correction (numerical restoration of the hologram figa); figv - image figa with the original,
Figure 00000005
; Fig.9 g - image figb with the original,
Figure 00000006
.

При проведении экспериментов установлено, что критерий различения δ принимает минимальное значение в плоскости наилучшей фокусировки изображения. Этот факт совпадает с общими физическими представлениями, подтверждает репрезентативность введенного критерия и может быть использован для нахождения плоскости наилучшей фокусировки изображения.During the experiments it was found that the criterion for distinguishing δ takes a minimum value in the plane of the best focusing of the image. This fact coincides with the general physical concepts, confirms the representativeness of the introduced criterion, and can be used to find the plane of the best image focusing.

На фиг.10 представлены изображения треугольной модельной частицы с размером стороны 50 мкм, отстоящей от оси на 8 мм: а) - расфокусированное изображение частицы, построенное объективом непосредственно в плоскости ПР-3 и в дальнейшем используемое как осевая голограмма; б) - изображение фиг.10а с наложенным оригиналом, где белым цветом отмечены области, ошибочно включенные или ошибочно исключенные в/из изображения, их доля в площади частицы δ=1,26; в) - изображение частицы после коррекции (восстановления с осевой голограммы фиг. 10а); г) - изображение фиг.10в с наложенным оригиналом, белым цветом отмечены области, ошибочно включенные или ошибочно исключенные в/из изображения, их доля в площади частицы δ=0,31.Figure 10 presents images of a triangular model particle with a side size of 50 μm, spaced 8 mm from the axis: a) a defocused image of the particle constructed by the lens directly in the plane of PR-3 and hereinafter used as an axial hologram; b) - the image of FIG. 10a with the original overlaid, where areas marked by mistake or excluded by mistake in / from the image, their share in the particle area δ = 1.26, are marked in white; c) - image of a particle after correction (restoration from the axial hologram of Fig. 10a); d) - the image of FIG. 10c with the original overlaid, white areas marked by mistake or excluded by mistake from / to the image, their share in the particle area δ = 0.31.

На фиг.10а видно, что построенное объективом непосредственно в плоскости ПР-3 изображение треугольной частицы является сильно расфокусированным из-за кривизны поля зрения (в дальнейшем оно используется как осевая голограмма). На фиг. 10б на изображение 10а наложен оригинал треугольной частицы, белым отмечены области, ошибочно включенные или исключенные в/из изображения, их доля в площади частицы δ=1,26>0,5, что соответствует неразличимости формы частицы. На фиг.10в приведено изображение треугольной частицы после коррекции (численного восстановления изображения). Визуально видно существенно более четкое отображение формы модельной частицы. Это более четкое соответствие восстановленного изображения оригиналу проиллюстрировано на фиг. 10г, где белым цветом отмечены области, ошибочно включенные или ошибочно исключенные в/из изображения, их доля в площади частицы δ=0,31<0,5, что соответствует однозначному различению формы частицы. Отметим, что изображение с такой же различимостью формы (фиг.10в) получается при продольном смещении ПЗС-матрицы с помощью системы позиционирования на расстояние 95 мкм, т.е. расстояние между плоскостями ПР-3 и ПР-4 для данной поперечной координаты объекта составляет 95 мкм.On figa it is seen that the image of a triangular particle built by the lens directly in the plane of PR-3 is highly defocused due to the curvature of the field of view (hereinafter it is used as an axial hologram). In FIG. 10b, the original of the triangular particle is superimposed on the image 10a, white areas marked by mistake or excluded from / from the image, their share in the particle area δ = 1.26> 0.5, which corresponds to the indistinguishability of the particle shape. Figure 10c shows an image of a triangular particle after correction (numerical image restoration). Visually visible significantly clearer display of the shape of the model particles. This clearer correspondence of the reconstructed image to the original is illustrated in FIG. 10d, where the white color indicates the areas that are mistakenly included or mistakenly excluded in / from the image, their share in the particle area is δ = 0.31 <0.5, which corresponds to a unique distinction of the particle shape. Note that an image with the same form distinguishability (Fig.10c) is obtained with a longitudinal displacement of the CCD using a positioning system at a distance of 95 μm, i.e. the distance between the planes PR-3 and PR-4 for a given transverse coordinate of the object is 95 μm.

Полученные экспериментальные данные фиг.2 - фиг.10 демонстрируют достижение технического результата, однако наибольшая эффективность достигается при оптимальных условиях осуществления предложенного способа:The obtained experimental data of figure 2 - figure 10 demonstrate the achievement of a technical result, however, the greatest efficiency is achieved under optimal conditions for the implementation of the proposed method:

- монохроматическое освещение предмета;- monochromatic lighting of the subject;

- малый размер пикселя и большое количество пикселей матрицы;- small pixel size and a large number of matrix pixels;

- обеспечение регистрации голограммы не в плоскости параксиального изображения, а в области френелевской дифракции, зависящей от размеров деталей изображения.- ensuring the registration of the hologram not in the plane of the paraxial image, but in the field of Fresnel diffraction, depending on the size of the image details.

Отметим, что способ позволяет полностью скорректировать аберрации, связанные с дефокусировкой, прочие аберрации корректируются в той мере, в какой они компенсируются дефокусировкой.Note that the method allows you to fully correct the aberrations associated with defocusing, other aberrations are corrected to the extent that they are compensated by defocusing.

Промышленная применимость изобретения подтверждена использованием способа для количественной оценки и улучшения качества изображения планктонных частиц в экспериментальном комплексе для подводной регистрации цифровых голограмм частиц, более подробно описанном в работе авторов [6].The industrial applicability of the invention is confirmed by using the method for quantifying and improving the image quality of planktonic particles in an experimental complex for underwater registration of digital holograms of particles, described in more detail in the authors [6].

Техническим результатом изобретения является расширение области применения, повышение оперативности и качества голограммной коррекции аберраций объектива.The technical result of the invention is to expand the scope, increasing the efficiency and quality of the hologram correction of lens aberrations.

Список использованных источниковList of sources used

1. Вейнберг В.Б., Саттаров Д.К. Оптика световодов. Изд. 2-е, перераб. и доп., Л.: Машиностроение (Ленингр. отд.), 1977, стр.25, рис. 18.1. Weinberg VB, Sattarov D.K. Optics of optical fibers. Ed. 2nd, rev. and add., L .: Engineering (Leningrad. Dep.), 1977, p. 25, Fig. eighteen.

2. Патент RU 2244330, МПК 7 G02B 9/34, G02B 13/18, Объектив, 2005. Прототип.2. Patent RU 2244330, IPC 7 G02B 9/34, G02B 13/18, Objective, 2005. Prototype.

3. Демин В.В., Донченко В.А. Способ моделирования оптических характеристик атмосферного аэрозоля // А.с. 1245873 СССР, МКИ 3 G01B 9/021, Бюл. №27, 1986.3. Demin V.V., Donchenko V.A. A method for modeling the optical characteristics of atmospheric aerosol // A.S. 1245873 USSR, MKI 3 G01B 9/021, Bull. No. 27, 1986.

4. Schnars U. Digital Hologram Recording, Numerical Reconstruction, and Related Techniques / Schnars U., Jueptner W. - Berlin: Sprinder, 2005. - 164 p.4. Schnars U. Digital Hologram Recording, Numerical Reconstruction, and Related Techniques / Schnars U., Jueptner W. - Berlin: Sprinder, 2005 .-- 164 p.

5. Dyomin V.V., Olshukov A.S. Technique for Estimation of Quality of the Particles Images Reconstructed from Digital Holograms //Adaptive Optics: Analysis and Methods; Computational Optical Sensing and Imaging; Digital Holography and Three-Dimensional Imaging; and Signal Recovery and Synthesis (The Optical Society of America, Washington, DC, 2007), DTuB2. ISBN 1-55752-838-1.5. Dyomin V.V., Olshukov A.S. Technique for Estimation of Quality of the Particles Images Reconstructed from Digital Holograms // Adaptive Optics: Analysis and Methods; Computational Optical Sensing and Imaging; Digital Holography and Three-Dimensional Imaging; and Signal Recovery and Synthesis (The Optical Society of America, Washington, DC, 2007), DTuB2. ISBN 1-55752-838-1.

6. Демин В.В., Половцев И.Г., Ольшуков А.С., Каменев Д.В. Экспериментальный комплекс и программное обеспечение для отработки процесса подводной регистрации цифровых голограмм частиц // Голография: теоретические и прикладные вопросы. Материалы XXVIII Школы-симпозиума по голографии и когерентной оптике. Нижний Новгород, 22-26 августа 2013 / Отв. ред. Ю.Н. Захаров. - Нижний Новгород: Изд-во Нижегородского университета, 2013. - С. 100-105.6. Demin V.V., Polovtsev I.G., Olshukov A.S., Kamenev D.V. The experimental complex and software for developing the process of underwater registration of digital holograms of particles // Holography: theoretical and applied issues. Materials of the XXVIII School-Symposium on Holography and Coherent Optics. Nizhny Novgorod, August 22-26, 2013 / Ed. ed. Yu.N. Zakharov. - Nizhny Novgorod: Publishing House of the Nizhny Novgorod University, 2013 .-- S. 100-105.

Claims (1)

Способ коррекции аберраций объектива, включающий использование корректирующего голограммного оптического элемента, отличающийся тем, что корректирующий голограммный оптический элемент выполняют в виде цифровой голограммы, для чего, позиционируя ПЗС-матрицу за плоскостью параксиального изображения объекта, регистрируют построенное объективом расфокусированное изображение, принимаемое за цифровую осевую голограмму изображения, с которой численно, при помощи методов цифровой голографии, послойно восстанавливают голограммные фрагменты всего изображения, после чего приводят восстановленные фрагменты изображения к одной плоскости. A method for correcting lens aberrations, including the use of a corrective hologram optical element, characterized in that the corrective hologram optical element is performed in the form of a digital hologram, for which, by positioning the CCD matrix behind the plane of the paraxial image of the object, the defocused image constructed by the lens, taken as a digital axial hologram, is recorded images with which, using digital holography methods, hologram fragments are restored in layers ents of the entire image, after which the restored fragments of the image are brought to one plane.
RU2013157049/28A 2013-12-23 2013-12-23 Method of correcting lens aberrations RU2554594C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013157049/28A RU2554594C1 (en) 2013-12-23 2013-12-23 Method of correcting lens aberrations

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013157049/28A RU2554594C1 (en) 2013-12-23 2013-12-23 Method of correcting lens aberrations

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2554594C1 true RU2554594C1 (en) 2015-06-27

Family

ID=53498564

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2013157049/28A RU2554594C1 (en) 2013-12-23 2013-12-23 Method of correcting lens aberrations

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2554594C1 (en)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5378888A (en) * 1993-08-16 1995-01-03 Northrop Grumman Corporation Holographic system for interactive target acquisition and tracking
RU2244330C2 (en) * 2003-02-18 2005-01-10 Самсунг Электроникс Ко., Лтд Objective
US20120008181A1 (en) * 2009-03-27 2012-01-12 Cable Adrian J Holographic Image Display Systems

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5378888A (en) * 1993-08-16 1995-01-03 Northrop Grumman Corporation Holographic system for interactive target acquisition and tracking
RU2244330C2 (en) * 2003-02-18 2005-01-10 Самсунг Электроникс Ко., Лтд Objective
US20120008181A1 (en) * 2009-03-27 2012-01-12 Cable Adrian J Holographic Image Display Systems

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6319329B2 (en) Surface attribute estimation using plenoptic camera
KR102083875B1 (en) Apparatus and method for measuring quality of holographic image
JP2017063414A5 (en)
WO2013040345A1 (en) Systems and methods of dual-plane digital holograghic microscopy
US9013554B2 (en) Systems and methods for comprehensive focal tomography
KR20150081010A (en) Apparatus and method for measurement and evaluation of field of view of reconstructed image of hologram
CN113906320A (en) System and method for parallel polarization analysis
EP2909671B1 (en) Method for designing a single-path imager able to estimate the depth of field
CA3051969C (en) Method and optical system for acquiring the tomographical distribution of wave fronts of electromagnetic fields
Cossairt et al. Digital refocusing with incoherent holography
RU2554594C1 (en) Method of correcting lens aberrations
KR101706934B1 (en) 3D Measurement Method for Micro-optical Structure Using Digital Holography Data, and Inspection Machine Operated Thereby
JP2018026781A (en) Imaging device, image processing apparatus, imaging system, imaging method, image processing method and program
KR101498474B1 (en) Resolution Improvement Method for Digital Holography via Multi-Step Interpolation
JP5825622B2 (en) Displacement / strain distribution measurement optical system and measurement method
KR20190036050A (en) 3d photolithography method and apparatus using active holographic optical tweezers
Zhao et al. Removal of parasitic image due to metal specularity based on digital micromirror device camera
Buat et al. Active chromatic depth from defocus for industrial inspection
JP6040469B2 (en) Digital holography device
Spinoulas et al. Performance comparison of ultra-miniature diffraction gratings with lenses and zone plates
JP2021057848A (en) Encoding imaging device, full focus image reconstruction processing device, and full focus image imaging device
KR101100784B1 (en) Method and apparatus for recognizing object
Goodman Holography viewed from the perspective of the light field camera
Hall et al. Effect of demagnification on 3D object localisation in digital holography
WO2022224722A1 (en) Method for acquiring evaluation value

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20181224