Una disposición óptica para su uso en la generación de imagenes con una gran profundidad de foco,

comprendiendo dicha disposición óptica:

una unidad de apertura (10) que comprende una placa aleatoria (12) configurada como un filtro espacialóptico, que tiene una función de transmisión de campo óptico y desprovista de potencia óptica; caracterizadaporque comprende además

una unidad de replicación (16, 26) que recibe un campo óptico de entrada desde dicha unidad de apertura(10) y configurada para proporcionar una pluralidad de réplicas (Ri-R3) del campo óptico de entrada de modoque dichas réplicas (Ri-R3) incluyan al menos dos réplicas (Ri-R3) que sean de sustancialmente la mismadistribución de fase y creadas en regiones diferentes del plano de la unidad de apertura (10).

Sistema y procedimiento para generar imágenes con profundidad de foco extendida y luz incoherente

Campo de la invención

La presente invención se refiere a la generación óptica de imágenes con profundidad de foco extendida.

Lista de referencias

1. Z. Zalevsky D. Mendlovic y A. W. Lohmann, Progress in optics, Vol. XL, Ch. 4 (1999) .

2. Z. Zalevsky y D. Mendlovic “Optical Super Resolution”, Springer (2002) .

3. W. Lukosz, JOSA 56, 1463 (1966) .

4. A. 1. Kartashev, Opt. Spectr y . 9, 204 (1960) .

5. W. Gartner y A. W. Lohmann, Z. Physik, 174, 18 (1963) .

6. J. W Goodman, Introduction to Fourier Optics (McGraw-Hill, Nueva York 1996) págs.126-151.

Antecedentes

La generación de imágenes con una gran profundidad de foco es deseable en muchas áreas, incluyendo la fotografía, películas y varias aplicaciones de detección. Sin embargo, la región de posiciones longitudinales en la que se puede generar la imagen definida de un objeto está limitada y, en general, cuanto más grande sea la apertura del módulo de generación de imagen, más pequeña es la profundidad de foco y cuanto más pequeña sea la apertura del módulo de generación de imagen, mayor será la profundidad de foco. Por ejemplo, una lente tiene una profundidad de foco limitada, pero en el caso extremo de pequeña abertura se comporta como una cámara estenopeica y por lo tanto proporciona prácticamente una profundidad de foco muy grande. Sin embargo, la elevada profundidad de foco de una cámara estenopeica se realiza al precio de una resolución lateral baja y una eficiencia

energética baja. En particular, la función del punto de difusión (PSF) del agujero diminuto es proporcional a AD di en

la que A es la longitud de onda de la luz, D es la apertura del agujero diminuto y di es una distancia entre la apertura

r2 (

y una superficie de detección de la luz; tal PSF da como resultado una profundidad de foco proporcional a AD , di

- 1

(

una resolución proporcional a AD r y una eficiencia energética proporcional a D2. Por ello, un agujero diminuto,

di en tanto que tiene una profundidad de foco muy grande debido a su muy pequeña apertura D, tiene al mismo tiempo una resolución baja (PSF grande) y una baja eficiencia energética.

El documento de la técnica anterior US 3 700 895 desvela un sistema de generación de imagen que comprende una unidad de apertura provista con una pluralidad de agujeros diminutos dispuestos en un patrón irregular. Tal sistema proporciona una eficiencia energética mejorada.

Descripción general

Existe necesidad en la técnica de una tecnología de generación de imagenes, que permita la generación de imagenes con una profundidad de foco relativamente grande, alta resolución de la imagen y elevada eficiencia energética de la generación de imagen. Una técnica novedosa presentada en el presente documento, construida por los inventores, tiene adaptaciones (versiones y realizaciones) útiles para tal generación de imagen.

La idea principal de la invención consiste en la utilización de al menos dos réplicas del patrón de difusión del objeto de modo que estas réplicas sean sustancialmente la misma pero se creen en diferentes localizaciones dentro del plano de apertura. Se debería entender que sustancialmente las mismas réplicas significa la misma distribución de fase del campo óptico generado por el patrón de difusión, este campo encaja consigo mismo (efecto del pico de autocorrelación) . La cantidad de desviación entre las réplicas dentro del plano de apertura corresponde a cierta frecuencia espacial en un plano de imagen (en el detector) . Como resultado, se proporciona una gran profundidad de foco para esta frecuencia espacial.

Los inventores han encontrado que, para una generación de imagen útil, se puede combinar una gran profundidad de foco, tal como la de un agujero diminuto, con una imagen de súper definición. En el campo de la súper resolución (es decir en el campo de la imagen súper definida) , los grados de libertad espacial se recuperan sacrificando otros grados de libertad, tales como la polarización, longitudes de onda y tiempo. Por ejemplo, la gran profundidad de foco se relaciona en alguna forma con la súper resolución longitudinal.

Con respecto a la gran profundidad de foco, se puede obtener no solamente mediante la apertura en la forma de un agujero diminuto. De acuerdo con algunas realizaciones de la invención, se puede obtener también mediante la apertura con una matriz de agujeros diminutos distribuidos aleatoriamente; o con un difusor o tanto con una matriz como un difusor, así como mediante otras formas.

Una técnica de gran profundidad de foco en base al uso de una apertura aleatoria, también denominada placa aleatoria, puede ser de alguna forma ventajosa sobre la tecnología basada en lentes, dado que, en el caso extremo anteriormente mencionado de una pequeña apertura, cada una de las lentes no produce un efecto de fase cuadrática sustancial y por lo tanto puede ser redundante.

En consecuencia, en algunas adaptaciones, la técnica inventada para una gran profundidad de foco en una generación de imagen súper definida no se basa en lentes (es decir es sin lentes) , sino que se basa más bien en una placa aleatoria colocada en el plano de apertura y desprovista de potencia óptica. La eficiencia energética de la técnica pude ser elevada; es decir mucho mayor que la de un único agujero diminuto. La técnica usa la generación de imagen con una función de transferencia de modulación (MTF) instantánea en la forma de una secuencia de picos, cuyas frecuencias espaciales se pueden cambiar.

En las realizaciones preferidas de la invención, el resultante de la súper definición se obtiene mediante escaneado, en algunas realizaciones escaneado mecánico; del plano de apertura con la placa aleatoria.

Se puede seleccionar la técnica de barrido de modo que se presenten las frecuencias espaciales en la imagen resultante y no se necesite un procesamiento digital. Volviendo a la placa aleatoria en el plano de apertura, se puede componer de una placa opaca con ventanas ópticas (por ejemplo agujeros) distribuidas aleatoriamente que crean una distribución de la transmisión / bloqueo aleatorio o se puede componer de una placa transparente con áreas de difusión distribuidas aleatoriamente que crean una distribución de fase aleatoria (es decir a partir de un difusor) o se puede componer tanto de un patrón de agujeros diminutos aleatorios como de un difusor. Se debería entender que el término aleatorio se usa aquí en conexión con la técnica de los inventores: se usa para referirse a patrones que producen una función de autocorrelación (de picos) característica, como será claro a partir de lo que sigue. La placa aleatoria presenta por sí misma una clase especial de filtro espacial óptico. En realizaciones preferidas, la distribución aleatoria es tal que al menos la mitad de la energía pasa a través de ella. Para una distribución espacial totalmente aleatoria, esta autocorrelación tiene aún un pico “función delta” como en el caso de un único agujero diminuto. Por ello, los inventores han hallado una forma de obtener concurrentemente una eficiencia energética relativamente elevada (de la mitad en lugar de casi cero en el caso de la cámara estenopeica) y gran profundidad de foco. Sin embargo, sin escaneado, la resolución es aun baja, debido al MTF, que es el valor absoluto de la OTF (es decir la función de transferencia óptica – auto correlación de la CTF, o función de transferencia coherente) , de la placa consiste en un solo pico de función delta elevada y unos pocos picos de función delta más baja. Por lo tanto, los inventores han incluido una acción para escanear el plano de apertura con la placa aleatoria e integrar en el tiempo la intensidad en el detector dentro de su técnica. El escaneado conduce a la generación de imágenes con súper definición y permite la obtención concurrentemente de una profundidad de foco extendida, una resolución espacial elevada y una generación de imagen energéticamente eficiente. Se debería reiterar, que la súper resolución se puede obtener en una forma totalmente óptica, y que no se requiere un procesamiento... [Seguir leyendo]

1. Una disposición óptica para su uso en la generación de imagenes con una gran profundidad de foco, comprendiendo dicha disposición óptica:

una unidad de apertura (10) que comprende una placa aleatoria (12) configurada como un filtro espacial óptico, que tiene una función de transmisión de campo óptico y desprovista de potencia óptica; caracterizada porque comprende además una unidad de replicación (16, 26) que recibe un campo óptico de entrada desde dicha unidad de apertura

(10) y configurada para proporcionar una pluralidad de réplicas (Ri-R3) del campo óptico de entrada de modo que dichas réplicas (Ri-R3) incluyan al menos dos réplicas (Ri-R3) que sean de sustancialmente la misma distribución de fase y creadas en regiones diferentes del plano de la unidad de apertura (10) .

2. La disposición óptica de la Reivindicación 1, en la que dicha placa aleatoria (12) está configurada como una placa opaca con ventanas ópticas aleatoriamente distribuidas que crean una distribución de transmisión / bloqueo aleatoria para un campo óptico de entrada.

3. La disposición óptica de la Reivindicación 1, en la que dicha placa aleatoria (12) está configurada como una placa transparente con islas de difusión distribuidas aleatoriamente que crean una distribución de fase aleatoria de un campo óptico de entrada.

4. La disposición óptica de la Reivindicación 1, en la que dicha placa aleatoria (12) comprende un patrón de agujeros diminutos aleatorios.

5. La disposición óptica de una cualquiera de las Reivindicaciones 1 a 4, en la que dicha unidad de replicación comprende al menos una primera y una segunda unidades de simetrizado (16, 26) configuradas para proporcionar las al menos dos réplicas (Ri-R3) del campo óptico de entrada mientras se simetriza secuencialmente el campo óptico de entrada proyectado sobre dicha unidad de apertura (10) con respecto al primer y segundo centros de simetría, respectivamente.

6. La disposición óptica de la Reivindicación 5, en la que dicha primera unidad de simetrizado (16) está configurada para sintetizar una parte de un patrón de difusión (C) de un campo óptico de entrada pasada a través de dicha unidad de apertura (10) y dicha segunda unidad de simetrizado (26) se configura para simetrizar una salida de dicha primera unidad de simetrizado (16) .

7. La disposición óptica de la Reivindicación 5, en la que la unidad de apertura (10) y la primera y segunda unidades de simetrizado (16, 26) están configuradas de modo que al menos una de las réplicas (Ri-R3) se puede desplazar con respecto a la otra.

8. La disposición óptica de la Reivindicación 7, que comprende un escáner (30) , configurado y operativo para proporcionar dicho desplazamiento de al menos una de las réplicas (Ri-R3) proporcionando un desplazamiento relativo de al menos una de entre la unidad de apertura (10) y dicha primera unidad de simetrizado (16) con respecto a la segunda unidad de simetrizado (26) .

9. La disposición óptica de una cualquiera de las Reivindicaciones 1 a 4, en la que la unidad de replicación comprende superficies reflectoras.

10. La disposición óptica de la Reivindicación 9, en la que dichas superficies reflectoras están formadas mediante al menos una primera y una segunda unidades reflectoras alojadas en una relación de separación a lo largo de un eje óptico de propagación de la luz a través de la disposición óptica hacia un plano de imagen.

11. La disposición óptica de la Reivindicación 10, en la que cada una de la primera y segunda unidades reflectoras comprende dos reflectores que definen superficies reflectoras mutuamente perpendiculares de modo que la superficie reflectora de la primera unidad reflectora es sustancialmente paralela a las superficies reflectoras respectivas de la segunda unidad reflectora.

12. La disposición óptica de una cualquiera de las Reivindicaciones 1 a 4, en la que la unidad de replicación comprende al menos uno de los siguientes: una matriz de fibras ópticas, un modulador de luz espacial y uno o más prismas en esquina.

13. La disposición óptica de una cualquiera de las Reivindicaciones 1 a 12, que comprende una matriz de píxeles de detección en un plano de imagen.

14. Un procedimiento para su uso en la generación de imágenes para proporcionar una imagen con una gran profundidad de foco, comprendiendo el procedimiento el paso de un campo óptico de la imagen a ser generada a través de una placa de apertura que comprende una placa aleatoria (12) sin potencia óptica, caracterizada porque comprende además la etapa de procesamiento óptico del campo óptico pasado a través de dicha placa aleatoria (12) para producir una pluralidad de réplicas (Ri-R3) de dicho campo óptico de entrada de modo que dichas réplicas (Ri-R3) incluyan al menos dos

réplicas (Ri-R3) que sean de sustancialmente la misma distribución de fase y se creen en regiones diferentes del plano de apertura.