Способ и устройство для увеличения глубины фокуса - RU2007109446A

Реферат

1. Устройство для формирования изображения, содержащее формирующий изображение линзовый блок, включающий, по меньшей мере, одну линзу, имеющую определенную апертуру, которая может быть перестроена, и, по меньшей мере, один оптический элемент, ассоциированный с указанной, по меньшей мере, одной линзой и выполненный с возможностью обеспечить увеличенную глубину фокуса указанного устройства, причем указанный оптический элемент сконфигурирован, как недифракционный оптический элемент, влияющий на фазу и задающий фазовый сдвиг посредством деталей с низкими пространственными частотами, при этом оптический элемент совместно с ассоциированной с ним линзой образует заданный паттерн, сформированный пространственно разделенными оптически прозрачными деталями, обладающими различными оптическими свойствами, тогда как положение, по меньшей мере, одного участка фазового сдвига на оптическом элементе в пределах плоскости линзы определяется, по меньшей мере, размером указанной апертуры.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что указанный линзовый блок содержит единственную линзу, ассоциированную с единственным оптическим элементом.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что линзовый блок содержит набор линз и набор оптических элементов, каждый из которых ассоциирован с соответствующей ему линзой набора.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оптический элемент выполнен, как чисто фазовый элемент.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что оптический элемент выполнен, как бинарная маска.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оптический элемент выполнен, как элемент, влияющий на фазу и амплитуду.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оптический элемент выполнен с возможностью максимизировать дефокусированную оптическую передаточную функцию (ОПФ) указанного устройства путем обеспечения ОПФ при дефокусировке, как можно в большей степени отличающейся от нуля.

8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что оптический элемент выполнен с возможностью обеспечить правильное отношение фазовой интерференции между частями светового потока, проходящими через различные участки указанного устройства, и тем самым обеспечить уменьшение квадратичного фазового сомножителя, обусловленного выходом светового пучка из фокуса линзы, формирующей изображение.

9. Устройство по п.1, отличающееся тем, что указанный, по меньшей мере, один участок фазового сдвига выполнен, как участок, соответствующий фазовому сдвигу, равному π для длины волны, для которой сконструирован оптический элемент.

10. Устройство по п.1, отличающееся тем, что указанный, по меньшей мере, один участок фазового сдвига выполнен, как участок, соответствующий фазовому сдвигу, равному π/2 для длины волны, для которой сконструирован оптический элемент.

11. Устройство по п.1, отличающееся тем, что положение указанного, по меньшей мере, одного участка фазового сдвига относительно линзы, формирующей изображение, определяется оптической силой указанной линзы.

12. Устройство по п.7, отличающееся тем, что положения N участков фазовых сдвигов для оптического элемента в плоскости линзы, формирующей изображение, максимизирующие ОПФ, определяются как значения a_n, соответствующие максимуму для минимумов в выражении для функции автокорреляции когерентной передаточной функции (КПФ) линзы, формирующей изображение, в соответствии с выражением:

,

где a_n равны 1 или -1, Δν - это ширина переходных участков,

- это КПФ указанной линзы, соответствующая положению объекта, изображение которого формируется, вне фокуса, причем , где D - эффективный размер апертуры, ν - координата указанной апертуры в плоскости КПФ, а Ψ - фазовый коэффициент, задающий степень дефокусировки, причем

,

где u - расстояние между указанной линзой и объектом, a v - расстояние между указанной линзой и детектором.

13. Устройство по п.1, отличающееся тем, что указанный, по меньшей мере, один участок фазового сдвига имеет субпаттерн, образованный набором зон с варьируемым фазовым сдвигом.

14. Устройство по п.9, отличающееся тем, что указанный, по меньшей мере, один участок фазового сдвига на π имеет субпаттерн, образованный набором различных зон с фазовым сдвигом на π.

15. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оптический элемент сконфигурирован, как, по меньшей мере, один кольцевой или линейный участок фазового сдвига.

16. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оптический элемент сконфигурирован, как решетка.

17. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оптический элемент смещен относительно указанной линзы вдоль оптической оси указанной линзы.

18. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оптический элемент прикреплен к указанной линзе.

19. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оптический элемент выполнен заодно с указанной линзой.

20. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оптический элемент выполнен, как маска, образованная набором находящихся в плоскости линзы указанных участков фазового сдвига, пространственно разделенных оптически прозрачными участками указанной линзы.

21. Устройство по п.19, отличающееся тем, что указанный, по меньшей мере, один участок фазового сдвига образован рельефом на поверхности указанной линзы, задающим в пределах указанного участка толщину линзы, отличную от толщины линзы на других ее участках.

22. Устройство по п.19, отличающееся тем, что указанный, по меньшей мере, один участок фазового сдвига образован материалом, показатель преломления которого отличается от показателя преломления материала указанной линзы.

23. Устройство по п.19, отличающееся тем, что оптический элемент выполнен, как маска, сформированная набором участков фазового сдвига, образованных материалом, показатель преломления которого отличается от показателя преломления материала указанной линзы.

24. Устройство по п.7, отличающееся тем, что оптический элемент выполнен максимизирующим ОПФ за счет уменьшения подавления высоких порядков при больших смещениях когерентной передаточный функции (КПФ) указанной линзы.

25. Устройство по п.7, отличающееся тем, что оптический элемент выполнен максимизирующим ОПФ за счет уменьшения чувствительности линзового устройства к смещениям КПФ указанной линзы при выходе устройства из состояния фокусировки.

26. Устройство по п.25, отличающееся тем, что оптический элемент выполнен с возможностью периодической репликации поперечного фазового профиля светового поля, распространяющегося через указанную линзу.

27. Устройство по п.25, отличающееся тем, что оптический элемент выполнен в соответствии с функцией распространения оптического элемента в свободном пространстве для расстояния между оптическим элементом и плоскостью указанной линзы.

28. Устройство по любому из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что выполнено с возможностью использования в очках.

29. Устройство по любому из пп.1-27, отличающееся тем, что указанная линза представляет собой контактную линзу.

30. Оптический элемент для использования совместно с линзой, формирующей изображение, в устройстве для формирования изображения в соответствии с любым из предыдущих пунктов для увеличения глубины фокуса при формировании изображения, выполненный, как недифракционный оптический элемент, влияющий на фазу и образующий заданный паттерн фазовых сдвигов с низкими пространственными частотами, при этом фазовый паттерн определяется размером апертуры, которая может быть перестроена, указанной линзы.

31. Система для создания изображения на плоскости приемника, содержащая устройство для формирования изображения, выполненное в соответствии с любым из пп.1-26.

32. Система по п.31, отличающаяся тем, что указанный объект является экраном дисплейного устройства, изображение которого должно быть сформировано на сетчатке глаза, образующей плоскость приемника.

33. Дисплейное устройство, содержащее устройство для формирования изображения, выполненное в соответствии с любым из пп.1-29.

34. Способ обеспечения увеличенной глубины фокуса в системе формирования изображения, включающий использование кодирования апертуры формирующей изображение линзы, имеющей определенную эффективную апертуру, путем снабжения указанной линзы недифракционным оптическим элементом, влияющим на фазу и образующим устройство, обеспечивающее фазовый сдвиг посредством деталей с низкими пространственными частотами с формированием в плоскости указанной линзы заданного паттерна пространственно разделенных оптически прозрачных деталей, обладающих различными оптическими свойствами, и обеспечением тем самым отношения фазовой интерференции между частями пучка излучения, проходящего через различные участки линзового устройства, которые соответствуют различным деталям паттерна, с уменьшением в результате квадратичного фазового сомножителя, обусловленного выходом светового пучка из фокуса указанной линзы, и максимизацией оптической передаточной функции (ОПФ) при дефокусировке для линзового устройства для формирования изображения.

35. Способ формирования оптического элемента, выполненного в соответствии с п.30, включающий выбор в пределах эффективной апертуры линзы, формирующей изображение, N позиций для фазовых сдвигов, обеспечивающих максимальный контраст ОПФ системы формирования изображения для набора положений вне фокуса с обеспечением тем самым удаления ОПФ от нуля, насколько это возможно.

36. Способ по п.35, отличающийся тем, что указанные N позиций участков фазовых сдвигов для оптического элемента в плоскости указанной линзы, максимизирующие ОПФ, определяют, как значения a_n, соответствующие максимуму для минимумов в выражении для функции автокорреляции когерентной передаточной функции (КПФ) линзы, формирующей изображение, в соответствии с выражением:

,

где a_n равны 1 или -1, Δν - это ширина переходных участков,

- это КПФ указанной линзы, соответствующая положению объекта, изображение которого формируется, вне фокуса, причем , где D - эффективный размер апертуры, ν - координата эффективной апертуры в плоскости КПФ, а Ψ - фазовый коэффициент, задающий степень дефокусировки, причем

,

где u - расстояние между указанной линзой и объектом, v - расстояние между указанной линзой и детектором, λ - длина волны, a F - фокусное расстояние указанной линзы.

37. Способ по п.35, отличающийся тем, что включает изготовление маски, образованной набором из N указанных фазовых сдвигов, пространственно отделенных друг от друга в соответствии с указанными N позициями.

38. Способ по п.37, отличающийся тем, что включает закрепление указанной маски на поверхности апертуры указанной линзы.

39. Способ по п.35, отличающийся тем, что включает формирование на поверхности апертуры указанной линзы паттерна, обеспечивающего образование маски из N фазовых сдвигов, пространственно отделенных друг от друга в соответствии с указанными N позициями.

40. Способ по п.38, отличающийся тем, что включает выполнение указанной поверхности, по существу, плоской и тем самым обеспечивающей возможность введения указанной линзы, снабженной паттерном, в глаз пациента.

41. Способ по любому из пп.35-40, отличающийся тем, что формирование оптического элемента включает обеспечение отношения фазовой интерференции между частями светового потока, проходящими через указанные N участков и промежутки между ними с соответствующим уменьшением квадратичного множителя, обусловленного выходом светового пучка из фокуса указанной линзы, и с максимизацией ОПФ при дефокусировке в устройстве, образованном указанными линзой и оптическим элементом.

42. Способ по п.39, отличающееся тем, что формирование паттерна включает удаление материала из участков линзы, соответствующих указанным N позициям, и заполнение участков, из которых был удален материал линзы, материалом с показателем преломления, отличным от показателя преломления материала линзы, с обеспечением разности показателей преломления таким образом, что наружная поверхность линзы, снабженной паттерном, является плоской, а свойства участков из различного материала выровнены так, чтобы обеспечить отношение фазовой интерференции между частями светового потока, проходящими через участки из различных материалов, с уменьшением тем самым квадратичного фазового сомножителя, обусловленного выходом светового пучка из фокуса линзы, формирующей изображение, и с максимизацией ОПФ при дефокусировке для указанной линзы, снабженной паттерном.

43. Способ по п.39, отличающийся тем, что формирование паттерна включает использование диффузии или фотополимеризации применительно к участкам линзы, соответствующим указанным N позициям, и к промежуткам между ними таким образом, что наружная поверхность линзы, снабженной паттерном, является плоской, а свойства участков из различного материала выровнены так, чтобы обеспечить отношение фазовой интерференции между частями светового потока, проходящими через участки из различных материалов с уменьшением тем самым квадратичного фазового сомножителя, обусловленного выходом светового пучка из фокуса линзы, формирующей изображение, и с максимизацией ОПФ при дефокусировке для указанной линзы, снабженной паттерном.

44. Способ по п.35, отличающийся тем, что включает имплантирование в ткань глаза пациента, в пределах указанных N позиций, искусственной ткани, показатель преломления которой отличается от показателя преломления ткани глаза.