Компьютерное моделирование дифракционных изображающих линз с использованием гиперспектральных изображений
Автор: Харитонов Сергей Иванович, Фурсов Владимир Алексеевич
Журнал: Компьютерная оптика @computer-optics
Рубрика: Дифракционная оптика, оптические технологии
Статья в выпуске: 5 т.47, 2023 года.
Бесплатный доступ
Мы предлагаем компьютерную технологию моделирования процесса формирования оптических изображений дифракционной изображающей линзой. Центральная идея технологии состоит в том, чтобы оценивать качество оптики путём сопоставления входного и выходного изображений по критериям, принятым в обработке изображений. Для этого на вход подаются, а на выходе формируются гиперспектральные изображения одинакового разрешения. При большом числе спектральных компонентов обеспечивается достаточно точное воспроизведение эффектов, связанных с зависимостью коэффициента преломления от длины волны. Для сравнения входного и выходного изображений по показателю PSNR осуществляется «сборка» обычных трёхкомпонентных RGB-изображений с использованием стандартных функций соответствия во всем оптическом диапазоне. Приводятся результаты исследования зависимости показателя PSNR от основных параметров оптической системы: фокусное расстояние, линейная апертура и количество учитываемых дифракционных порядков.
Дифракционная изображающая линза, моделирование изображений, геометрическая оптика, гармоническая линза
Короткий адрес: https://sciup.org/140301841
IDR: 140301841 | DOI: 10.18287/2412-6179-CO-1274
Computer simulation of diffractive imaging lenses using hyperspectral images
We offer a computer technology for modeling a process of optical imaging with a diffractive imaging lens. The central idea of the technology is to evaluate the quality of the optical system by matching the input and output images against criteria adopted in image processing. For this purpose, same-resolution hyperspectral images are fed to the input and generated at the output. Thanks to the large number of spectral components, a fairly accurate reproduction of the effects associated with the dependence of the refractive index on the wavelength is ensured. To compare input and output images in terms of PSNR (peak signal-to-noise ratio), standard three-component RGB images are "assembled" using standard matching functions over the entire optical range. Results of the study of the dependence of the PSNR indicator on the main parameters of the optical system are given: focal length, linear aperture and the number of diffraction orders taken into account.
Список литературы Компьютерное моделирование дифракционных изображающих линз с использованием гиперспектральных изображений
- Davis A, Kuhnlenz DF. Optical design using Fresnel lenses. Basic principles and some practical examples. Optik und Photonik 2007; 2(4): 52-55.
- Thieme J. Theoretical investigations of imaging properties of zone plates using diffraction theory. In Book: Sayre D, Kirz J, Howells M, Rarback H, eds. X-Ray Microscopy II. Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag; 1988: 70-79.
- Takeuchi A, Uesugi K, Suzuki Y, Tamura S, Kamijo N. High-resolution X-ray imaging microtomography with Fresnel zone plate optics at SPring-8. Proc 8th Int Conf X-ray Microscopy IPAP Conf Series 2005; 7: 360-362.
- Heide F, Rouf M, Hullin MB, Labitzke B, Heidrich W, Kolb A. High-quality computational imaging through simple lenses. ACM Trans Graph 2013; 32(5): 149.
- Genevet P, Capasso F, Aieta F, Khorasaninejad M, Devlin R. Recent advances in planar optics: from plasmonic to dielectric metasurfaces. Optica 2017; 4(1): 139-152.
- Soifer VA, ed. Computer design of diffractive optics. Woodhead Publishing Ltd; 2012. ISBN: 978-1-84569-635-1.
- Kazanskii NL, Khonina SN, Skidanov RV, Morozov A, Kharitonov SI, Volotovskiy SG. Formation of images using multilevel diffractive lens. Computer Optics 2014; 38(3): 425434. DOI: 10.18287/0134-2452-2014-38-3-425-434.
- Skidanov RV, Doskolovich LL, Ganchevskaya SV, Blank VA, Podlipnov VV, Kazanskiy NL. Experiment with a diffractive lens with a fixed focus position at several given wavelengths. Computer Optics 2020; 44(1): 22-28. DOI: 10.18287/2412-6179-C0-646.
- Evdokimova VV, Petrov MV, Klyueva MA, Zybin EY, Kosianchuk VV, Mishchenko IB, Novikov VM, Selvesiuk NI, Ershov EI, Ivliev NA, Skidanov RV, Kazanskiy NL, Nikonorov AV. Deep learning-based video stream reconstruction in mass-production diffractive optical systems. Computer Optics 2021; 45(1): 130-141. DOI: 10.18287/2412-6179-CO-834.
- Kharitonov S, Fursov V. Computer simulation of image formation by diffraction lens. Optical Memory and Neural Networks 2022; 31(1): S31-S37. DOI: 10.3103/S1060992X2205006X.
- Bobrov ST, Greisukh GI, Tyrkevich YuG. Optics of dif-fractive elements and systems [In Russian]. Leningrad: "Mashinostroenie" Publisher; 1986.
- Greisukh GI, Bobrov ST, Stepanov SA. Optics of diffrac-tive and gradient-index elements and systems. Bellingham: SPIE Press; 1997. ISBN: 978-0-8194-2451-8.
- Golub MA, Doskolovich LL, Kazanskiy NL, Kharitonov SI, Soifer VA. Computer generated diffractive multi-focal lens. J Mod Opt 1992; 39(6): 1245-1251. DOI: 10.1080/713823549.
- Kazanskiy NL. Modeling diffractive optics elements and devices. Proc SPIE 2018; 10774: 107740O. DOI: 10.1117/12.2319264.
- Kazanskiy N, Ivliev N, Podlipnov V, Skidanov R. An airborne Offner imaging hyperspectrometer with radially-fastened primary elements. Sensors 2020; 20(12): 3411. DOI: 10.3390/s20123411.
- Rastorguev AA, Kharitonov SI, Kazanskiy NL. Modeling of image formation with a space-borne Offner hyperspectrometer. Computer Optics 2020; 44(1): 12-21. DOI: 10.18287/2412-6179-CO-644.
- Rastorguev AA, Kharitonov SI, Kazanskiy NL. Numerical simulation of the performance of a spaceborne Offner imaging hyperspectrometer in the wave optics approximation. Computer Optics 2022; 46(1): 56-64. DOI: 10.18287/2412-6179-CO-1034.
