DE1547339C

DE1547339C - Arrangement to increase the resolution of optical systems

Info

Publication number: DE1547339C
Application number: DE19661547339
Authority: DE
Inventors: Adolf Wilhelm San Jose Cahf Lohmann (V St A)
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1965-03-15
Filing date: 1966-02-05
Publication date: 1973-05-24

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erhöhung des Auflösungsvermögens optischer Systeme mit einer die Höhe der übertragbaren räumlichen Frequenzen begrenzenden Aperturblende.The invention relates to an arrangement for increasing the resolution of optical systems with an aperture stop which limits the height of the spatial frequencies that can be transmitted.

Ein bestimmtes optisches System überträgt nur einen bestimmten Bereich räumlicher Frequenzen. Im allgemeinen wird dieser Bereich desto größer sein, je höher die Qualität des optischen Systems ist. Der Begriff »räumliche Frequenz« ist aus der Filtertheorie der optischen Abbildung entlehnt und bezieht sich auf den Abstand zweier abzubildender Punkte. Im gleichen Zusammenhang wird unter dem Begriff Grenzfrequenz die obere Grenze des Frequenzbereiches verstanden, die ein bestimmtes optisches System vom Objekt zur Bildebene übertragen kann.A certain optical system transmits only a certain range of spatial frequencies. in the in general, the higher the quality of the optical system, the larger this area will be. The term "Spatial frequency" is borrowed from the filter theory of optical imaging and relates to the distance between two points to be mapped. In the same context, the term Cutoff frequency understood the upper limit of the frequency range that a certain optical system can transmit from the object to the image plane.

Der so definierte Begriff der Grenzfrequenz fällt mit dem in der üblichen Darstellungsweise gebrauchten Begriff Auflösungsvermögen weitgehend zusammen. Diese Tatbestände werden in der Veröffentlichung »Applied Optics«, Bd. 3, Nr. 7, September 1964, S. 1037 bis 1043, Superresolution for Nonbirefringent Objects, von A. W. Lohmann und D. P. Paris näher erläutert..The term limit frequency defined in this way coincides with that used in the usual representation Term resolving power largely related. These facts are in the publication "Applied Optics", Vol. 3, No. 7, September 1964, pp. 1037-1043, Superresolution for Nonbirefringent Objects, explained in more detail by A. W. Lohmann and D. P. Paris.

Es sind eine Reihe von Verfahren zur Erhöhung des Auflösungsvermögens optischer Systeme oder, in anderer Ausdrucksweise, zur Erhöhung der Grenzfrequenz solcher Systeme bekannt, bei denen Elemente des Systems mechanisch bewegt werden müssen. Ein derartiges Verfahren wird in der obengenannten Literaturstelle beschrieben.There are a number of methods for increasing the resolution of optical systems or, in Another expression, known to increase the cut-off frequency of such systems in which elements of the system must be moved mechanically. Such a method is described in the above referenced reference described.

Die Erfindung geht von der Aufgabenstellung aus, eine Anordnung zur Erhöhung des Auflösungsvermögens optischer Systeme mit einer die Höhe der übertragbaren räumlichen Frequenzen begrenzenden Aperturblende anzugeben, bei der keine mechanisch bewegten Teile erforderlich sind.The invention is based on the object of providing an arrangement for increasing the resolution optical systems with a limit on the level of spatial frequencies that can be transmitted Specify the aperture diaphragm which does not require any mechanically moving parts.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch eine Anordnung zur Erhöhung des Auflösungsvermögens optischer Systeme mit einer die Höhe der übertragbaren räumlichen Frequenzen begrenzenden Aperturblende gelöst, die dadurch gekennzeichnet ist, daß vor dem optischen System ein erstes Beugungsgitter zur Erzeugung von Summen- und Differenzfrequenzen der räumlichen Frequenzen des Beugungsgitters und des abzubildenden Objektes angeordnet ist, wobei die Richtungen der Periodizitätsachsen des Beugungsgitters und des Objektes unterschiedlich sind, daß ferner im hinteren Brennpunkt der ersten Linse eine Blende angeordnet ist, die nur die Beugungsfiguren der dem Beugungsgitter entsprechenden Raumfrequenz sowie, die Beugungsfiguren der Differenzfrequenz durchläßt, und daß ein zweites, die gleichen räumlichen Frequenzen erzeugendes und in gleicher Weise orientiertes Beugungsgitter zwischen den Linsen des optischen Systems angeordnet ist, das die räumlichen Frequenzen des zu übertragenden Bildes wiederherstellt.This object is achieved according to the invention by an arrangement for increasing the resolution optical systems with a limit on the level of spatial frequencies that can be transmitted Aperture diaphragm solved, which is characterized in that a first diffraction grating in front of the optical system for generating sum and difference frequencies of the spatial frequencies of the diffraction grating and the object to be imaged is arranged, the directions of the periodicity axes of the Diffraction grating and the object are different, that also in the back focus of the first Lens a diaphragm is arranged, which only the diffraction figures of the diffraction grating corresponding Spatial frequency as well as the diffraction patterns of the difference frequency lets through, and that a second, the same Diffraction grating that generates spatial frequencies and is oriented in the same way between the Lenses of the optical system is arranged, which the spatial frequencies of the image to be transmitted restores.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des Erfindungsgedankens ist dadurch gekennzeichnet, daß in der Nähe des Systemausganges eine vorzugsweise als Schlitzblende ausgebildete Maske zum Ausblenden störender räumlicher Frequenzen angeordnet ist.Another advantageous embodiment of the inventive concept is characterized in that In the vicinity of the system exit, a mask, preferably designed as a slit screen, for masking out interfering spatial frequencies is arranged.

Eine andere besonders vorteilhafte Äusführungsform des Erfindungsgedankens ist dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem zu übertragenden Bild und der die Abbildung aufnehmenden Unterlage eine Relativbewegung stattfindet, um durch die Übertragung erzeugte periodische Störungen zu verwischen.Another particularly advantageous embodiment of the inventive concept is characterized in that that between the image to be transferred and the substrate receiving the image Relative movement takes place in order to blur periodic disturbances generated by the transmission.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des Erfindungsgedankens ist schließlich dadurch gekennzeichnet, daß das abzubildende Objekt Änderungen seiner Beschaffenheit, beispielsweise seiner Transparenz, nur in einer Richtung aufweist und daß diese Richtung von den Richtungen der periodischen Änderungen der besagten modulierten Elemente abweicht.Another advantageous embodiment of the inventive concept is finally characterized in that that the object to be imaged changes its nature, for example its transparency, has only one direction and that this direction differs from the directions of the periodic changes of the said modulated elements differs.

Die Erfindung wird anschließend an Hand der Figuren näher erläutert. Es zeigtThe invention will then be explained in more detail with reference to the figures. It shows

F i g. 1 eine zur Erläuterung des Erfindungsgegenstandes dienende schematische Darstellung eines optischen Systems,F i g. 1 is a schematic representation of an optical diagram used to explain the subject matter of the invention Systems,

F i g. 2 ein vereinfachtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,F i g. 2 shows a simplified embodiment of the present invention,

Fig. 2A und 2B Darstellung der Strahlungszustände in den verschiedenen Ebenen des in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiels,2A and 2B show the radiation states in the different levels of the embodiment shown in Fig. 2,

F i g. 3 eine Darstellung zur Veranschaulichung der Arbeitsweise eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels, F i g. 3 shows a representation to illustrate the mode of operation of an exemplary embodiment according to the invention,

F i g. 3 A, 3 B und 3 C Darstellungen der Strahlungszustände in einzelnen Ebenen der Anordnung gemäß F i g. 3,F i g. 3 A, 3 B and 3 C representations of the radiation states in individual levels of the arrangement according to FIG. 3,

F i g. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel des Erfindungsgedankens, F i g. 4 another embodiment of the inventive concept,

Fig. 4A, 4B, 4C und 4D Darstellungen von Strahlungszuständen in einzelnen Ebenen der Anordnung gemäß F i g. 4.Figures 4A, 4B, 4C and 4D are illustrations of Radiation states in individual levels of the arrangement according to FIG. 4th

Bevor auf eine nähere Beschreibung der Erfindung eingegangen wird, werden im Zusammenhang mit der in F i g. 1 dargestellten Anordnung die Nachteile der bisher bekannten optischen Systeme beschrieben.Before going into a more detailed description of the invention, in connection with the in Fig. 1, the disadvantages of the previously known optical systems are described.

Die Elemente des in F i g. 1 dargestellten optischen Systems sind entlang der optischen Achse OX angeordnet. Zur Vereinfachung der Darstellungen sind zwölf zur optischen Achse senkrecht liegende Ebenen vorgesehen, die mit den Bezugszeichen Pl bis P12 bezeichnet sind. Eine nahezu punktförmige Lichtquelle 20 ist in der Ebene Pl angeordnet. Zur Vereinfachung der folgenden Erklärung wird angenommen, daß die Lichtquelle 20 monochromatisches Licht erzeugt. Ein Objekt 21 ist in der Ebene P 3, fünf Linsen Ll bis L 5 sind auf der optischen Achse OX in den Ebenen P2, P5, P1, P9 und Pll angeordnet, während der Schirm 24 in der Ebene P12 und eine Maske oder eine Blende 25 in der Ebene P 6 angeordnet ist. Die Blende 25 besteht aus undurchlässigem Material und weist in ihrer Mitte einen durchlässigen Bereich auf. Zur weiteren Vereinfachung der Darstellung wird angenommen, daß das Objekt 21 aus einem einfachen Beugungsgitter besteht. Die Richtung der periodischen Änderungen dieses Gitters ist senkrecht. Das heißt, die undurchsichtigen linienförmigen Bereiche des Objektes 21 stehen senkrecht zu einer horizontalen Achse, die als Periodizitätsachse bezeichnet wird. Die Linsen Ll bis L5 haben gleiche Brennweiten. Die Entfernung zwischen den Ebenen Pl und P 2, zwischen den Ebenen P 5 und P6, c zwischen den Ebenen P6 und Pl, zwischen den Ebenen P 9 und PlO und zwischen den Ebenen PlO und Pll sind gleich den Brennweiten dieser Linsen. Die Abstände zwischen den anderen Ebenen sind so gewählt, daß auf den Schirm 24 die Abbildung des Objektes 21 erscheint. Insbesondere sind die Abstände zwischen den Ebenen P 3 und P 5 (mit α bezeichnet), zwischen den Ebenen Pl und P 9 (mit (2/ bezeichnet) und zwischen den Ebenen Pll und P12 (mit b bezeichnet) so gewählt, daß die Gleichung a + b = 2/ gilt. Es sei noch darauf hingewiesen, daß zur Vereinfachung der Darstellung die Abstände zwischen den einzelnen Elementen der F i g. 1 nicht maßstäblich sind. Die Öffnung in der Maske 25 wird als Aperturblende des Systems bezeichnet. Durch diese Blende wird eine Vignetrierung vermieden, da der Durchmesser der Öffnung geringer als der Durchmesser der Linse L 2 ist. In vielen optischen Systemen fehlt ein die Apertur bestimmendes Element, da die Apertur in diesen Systemen durch die Eigenschaften der anderen Elemente, beispielsweise durch die äußeren Begrenzungen verschiedener Linsen, bestimmt wird. Zur Vereinfachung der Darstellung und der besseren Übersicht halber ist in diesem Ausführungsbeispiel ein besonderes die Apertur bestimmendes Element 25 vorgesehen. Es ist jedoch einzusehen, daß ein besonderes, die Apertur bestimmendes Element nicht erforderlich ist. Die Linsen L 2 und L 3 und die Blende 25 bilden ein telezentrisches optisches System, mit dessen Hilfe die vorliegende Erfindung erläutert wird. Es ist jedoch leicht einzusehen, daß die vorliegende Erfindung auch im Zusammenhang mit anderen optischen Systemen beliebiger Kompliziertheit von Nutzen ist.The elements of the in F i g. 1 shown optical systems are arranged along the optical axis OX . To simplify the representations, twelve planes are provided which are perpendicular to the optical axis and are denoted by the reference symbols P1 to P12. An almost punctiform light source 20 is arranged in the plane P1. To simplify the following explanation, it is assumed that the light source 20 generates monochromatic light. An object 21 is in the plane P 3, five lenses Ll to L 5 are arranged on the optical axis OX in the planes P2, P5, P 1, P 9 and Pll, while the screen 24 in the plane P12 and a mask or a diaphragm 25 is arranged in the plane P 6. The screen 25 is made of impermeable material and has a permeable area in its center. To further simplify the illustration, it is assumed that the object 21 consists of a simple diffraction grating. The direction of the periodic changes of this lattice is perpendicular. That is, the opaque line-shaped areas of the object 21 are perpendicular to a horizontal axis, which is referred to as the periodicity axis. The lenses Ll to L 5 have the same focal lengths. The distance between planes Pl and P 2, between planes P 5 and P6, c between planes P6 and Pl, between planes P 9 and PlO and between planes PlO and Pll are equal to the focal lengths of these lenses. The distances between the other planes are chosen so that the image of the object 21 appears on the screen 24. In particular, the distances between the planes P 3 and P 5 ( denoted by α ), between the planes Pl and P 9 (denoted by (2 /) and between the planes Pll and P12 ( denoted by b ) are chosen so that the equation a + b = 2 / true. It should be noted that for ease of illustration the distances between the individual elements of the F i g. 1 are not to scale. the opening in the mask 25 is referred to as the aperture stop of the system. By this Aperture vignetting is avoided because the diameter of the opening is smaller than the diameter of the lens L 2. In many optical systems there is no element determining the aperture, since the aperture in these systems is determined by the properties of the other elements, for example by the outer boundaries In order to simplify the illustration and for the sake of a better overview, a special element 25 determining the aperture is provided in this exemplary embodiment However, it is to be understood that a special element which determines the aperture is not required. The lenses L 2 and L 3 and the diaphragm 25 form a telecentric optical system with the aid of which the present invention is explained. However, it will be readily appreciated that the present invention will find utility in the context of other optical systems of any complexity.

Mit Hilfe des in F i g. 1 dargestellten optischen Systems wird ein Bild des Objektes 21 auf den in derWith the help of the in F i g. 1, an image of the object 21 is shown on the in the

ίο Ebene P12 liegenden Schirm 24 projiziert. Dabei erscheint eine Beugungsfigur in der Ebene P 6. Das Objekt 21 ist dabei so ausgeführt, daß die in der Ebene P 6 erscheinende Beugungsfigur aus einer Reihe von Punkten besteht. Dieses Beugungsgitter ist weiterhin so ausgebildet, daß die Beugungsmaxima erster Ordnung vorherrschen, was beispielsweise bei einem Sinusgitter der Fall ist. Es erscheinen daher drei Punkte in der Ebene P 6, die auf einer horizontalen Geraden liegen. Diese Gerade ist mit der Periodizitätsachse des Objektes 21 parallel. Der Abstand zwischen den Punkten in der Ebene P 6 hängt von der räumlichen Frequenz, d. h. von dem Abstand der undurchsichtigen Linien des Objektes 21 ab. Hat das Gitter eine hohe räumliche Frequenz, d. h., liegen die undurchsichtigen Linienbereiche sehr nahe aneinander, so liegen die Punkte in der Ebene P 6 weiter auseinander, während bei einer niedrigen räumlichen Frequenz, d.h., bei größeren Abständen zwischen den undurchsichtigen Bereichen des Gitters die Punkte näher beieinanderliegen. Die Ausnehmung in der Blende 25 hat einen vorgegebenen Durchmesser, so daß bei einer zu hohen räumlichen Frequenz des Gitters 21 die auf Maxima der ersten Ordnung beruhenden Punkte in der Ebene P 6 außerhalb dieser Öffnung liegen, so daß kein Licht mit Informationsinhalt durch die Ebene P 6 zum Schirm 24 übertragen werden kann. Es wird dabei zwar das Licht der Maxima nullter Ordnung der Beugungsfigur übertragen, dieses Licht enthält aber keinerlei Informationen. Die Frequenz des Objektes 21, die den durch die Maxima erster Ordnung in der Ebene P 6 erzeugten Punkten entsprechen, deren Abstand größer als der Durchmesser der Blendenöffnung ist, wird als die obere Grenzfrequenz des optischen Systems bezeichnet. Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur Übertragung von räumlichen Frequenzen, die oberhalb der Grenzfrequenz des Systems liegen.ίο level P12 lying screen 24 is projected. A diffraction figure appears in the plane P 6. The object 21 is designed in such a way that the diffraction figure appearing in the plane P 6 consists of a series of points. This diffraction grating is also designed in such a way that the first order diffraction maxima predominate, which is the case, for example, with a sinusoidal grating. Therefore three points appear in the plane P 6, which lie on a horizontal straight line. This straight line is parallel to the periodicity axis of the object 21. The distance between the points in the plane P 6 depends on the spatial frequency, ie on the distance between the opaque lines of the object 21. If the grid has a high spatial frequency, ie if the opaque line areas are very close to one another, then the points in the plane P 6 are further apart, while at a low spatial frequency, ie, if the distances between the opaque areas of the grid are larger, the points closer together. The recess in the diaphragm 25 has a predetermined diameter, so that if the spatial frequency of the grating 21 is too high, the points in the plane P 6 based on maxima of the first order lie outside this opening, so that no light with information content passes through the plane P. 6 can be transmitted to the screen 24. The light of the maxima of the zeroth order of the diffraction figure is transmitted, but this light does not contain any information. The frequency of the object 21, which correspond to the points generated by the maxima of the first order in the plane P 6 , the distance between which is greater than the diameter of the diaphragm opening, is referred to as the upper limit frequency of the optical system. The present invention relates to an arrangement for the transmission of spatial frequencies which are above the cut-off frequency of the system.

Eine erste einfache Ausführungsform des Erfindungsgedankens wird in F i g. 2 wiedergegeben. Das in dieser Figur dargestellte optische System ist dem in F i g. 1 dargestellten ähnlich. Es sind jedoch zusätzliche Elemente vorgesehen, die es ermöglichen, ohne Vergrößerung der Blendenöffnung in der Ebene P 6 ein breiteres Frequenzband als mit der in der F i g. 1 dargestellten Anordnung zu übertragen. Diese zusätzlichen Elemente sind Beugungsgitter 26 und 27, die in den Ebenen P 4 und P 8 liegen. Die Beugungsgitter 26 und 27 haben eine Periodizitätsachse, die mit der Periodizitätsachse des Objektes 21 in der Ebene P 3 einen Winkel von 45° einschließt. Die Abstände zwischen den Ebenen P 4 und P 5 und den Ebenen P 7 und P 8 sind gleich der mit / bezeichneten Brennweiten der Linsen, wobei ein Bild des Elementes 26 auf dem Element 27 erzeugt wird. Bei den dargestellten Beugungsgittern handelt es sich der Einfachheit halber um Gitter, bei denen die Maxima der ersten Ordnung vorherrschen. Wie noch im einzelnen zu erläutern sein wird, gestattet die gemeinsame Wir-A first simple embodiment of the inventive concept is shown in FIG. 2 reproduced. The The optical system shown in this figure is similar to that in FIG. 1 shown similarly. However, there are additional ones Elements provided that make it possible to without enlarging the aperture in the plane P 6 has a wider frequency band than that in FIG. 1 to transfer the arrangement shown. This Additional elements are diffraction gratings 26 and 27, which lie in the planes P 4 and P 8. The diffraction grating 26 and 27 have an axis of periodicity that coincides with the axis of periodicity of the object 21 in the Plane P 3 encloses an angle of 45 °. The distances between levels P 4 and P 5 and the Planes P 7 and P 8 are the same as the focal lengths of the lenses, denoted by /, with an image of the element 26 is generated on the element 27. The diffraction gratings shown are for the sake of simplicity because of lattices in which the maxima of the first order predominate. As in detail will have to be explained, allows the common

kung der Beugungsgitter 26 und 27 die Übertragung eines breiteren räumlichen Frequenzbandes.effect of the diffraction gratings 26 and 27 the transmission of a wider spatial frequency band.

Die Anordnung gemäß F i g. 2 weist auch eine zusätzliche Maske 28 auf, die in der Ebene PlO angeordnet ist. Die in der Ebene P10 angeordnete Maske besteht aus undurchsichtigem Material und weist einen relativ schmalen durchsichtigen horizontalen Schlitz auf. Wie noch später erläutert wird, dient diese Maske dazu, die Abbildung des Objektes in einer zur Periodizitätsachse senkrechten Richtung zu verwischen.The arrangement according to FIG. 2 also has an additional mask 28, which is arranged in the plane PIO is. The arranged in the plane P10 mask consists of opaque material and has a relatively narrow transparent horizontal slit. As will be explained later, is used this mask to the image of the object in a direction perpendicular to the periodicity axis blur.

Zur Verdeutlichung dieser Vorgänge wird die in der Ebene P6 auftretende Beugungsfigur in Fig. 2A und die in der Ebene P10 auftretende Beugungsfigur in der Fig. 2B vergrößert dargestellt. Die Objekte 21 und 26 erzeugen in der Ebene P 6 eine Beugungsfigur, die folgende Elemente enthält: To illustrate these processes, the diffraction figure occurring in plane P6 is shown enlarged in FIG. 2A and the diffraction figure occurring in plane P 10 is shown enlarged in FIG. 2B. The objects 21 and 26 generate a diffraction figure in the plane P 6 , which contains the following elements:

a) Eine vom Objekt 21 allein erzeugte Beugungsfigur; a) A diffraction figure generated by the object 21 alone;

b) eine vom Objekt 26 allein erzeugte Beugungsfigur; b) a diffraction figure generated by the object 26 alone;

c) die Beugungsfigur eines Objektes, dessen räumliche Frequenzen gleich der vektoriellen Summe der räumlichen Frequenzen der Objekte 21 und 26 sind;c) the diffraction figure of an object whose spatial frequencies are equal to the vectorial sum the spatial frequencies of objects 21 and 26;

d) die Beugungsfigur eines Objektes, dessen räumliche Frequenzen gleich der vektoriellen Differenz zwischen den räumlichen Frequenzen der Objekte 21 und 26 sind.d) the diffraction figure of an object whose spatial frequencies are equal to the vectorial difference between the spatial frequencies of objects 21 and 26 are.

Die diese Figuren bildenden Punkte sind in Fig. 2A dargestellt. Die Punkte B und B' stellen eine Beugungsfigur dar, die durch das Objekt 21 allein erzeugt würde. Es wird darauf hingewiesen, daß diese Punkte sich außerhalb der Öffnung in der Maske 25 befinden. Die Punkte C und D stellen eine Beugungsfigur dar, die durch die Maske 26 allein dargestellt würde. Die Punkte A, A', C und D' stellen die vektoriellen Summen- und Differenzfrequenzen dar. C" stellt die Vektorsumme von B und C dar, wobei A die Vektorsumme von C und B' ist. D' ist die Vektorsumme von D und B', und A' ist die Vektorsumme von D und B. Die vektorielle Addition der Frequenzen B und C zur Erzeugung des Punktes C wrid in der Fig. 2A durch die dickpunktiert dargestellten Pfeile (Vektoren) in Richtung auf die Punkte B, C und C dargestellt. Die durch die Punkte A, A', C und D dargestellten Verbindungen können abwechselnd als Differenzfrequenzen dargestellt werden. Beispielsweise ist der Vektor A die vektorielle Differenz zwischen C-B. The points making up these figures are shown in Fig. 2A. The points B and B ' represent a diffraction figure that would be generated by the object 21 alone. It should be noted that these points are located outside the opening in the mask 25. Points C and D represent a diffraction figure that would be represented by mask 26 alone. Points A, A ', C and D' represent the vectorial sum and difference frequencies. C "represents the vector sum of B and C , where A is the vector sum of C and B ' . D' is the vector sum of D and B ', and A' is the vector sum of D and B. the vector addition of the frequencies B and C to produce the point C wrid in Fig. 2A by the thick-dotted arrows (vectors) in the direction towards the points B, C, and C. The connections represented by points A, A ', C and D can be represented alternately as difference frequencies. For example, vector A is the vectorial difference between CB.

Es wird darauf hingewiesen, daß die mit C, D, A und A' bezeichneten Punkte innerhalb der Öffnung in der Maske 25 liegen. Das durch die Punkte A, A', C und D verlaufende Licht enthält die gesamte zur Rekonstruktion des Bildes des Objektes 21 erforderliche Information. Die Frequenz und die Orientierung des Gitterelements 26 müssen so gewählt werden, daß sich die ergebenden, die Bildinformation enthaltenden Summenfrequenzen (das sind die Frequenzen A und A') innerhalb der öffnung der Blende verlaufen. Bestimmte Werte betreffend die Richtung und die Frequenz des Gitters und die dabei erreichten Verbesserungen werden weiter unten wiedergegeben.It should be noted that the points labeled C, D, A and A ' lie within the opening in the mask 25. The light passing through points A, A ', C and D contains all of the information required to reconstruct the image of the object 21. The frequency and the orientation of the grating element 26 must be selected so that the resulting sum frequencies containing the image information (that is, the frequencies A and A ') run within the aperture of the diaphragm. Certain values relating to the direction and frequency of the grating and the improvements achieved are given below.

Die in der Ebene PlO auf auftretende Beugungsfigur ist das Ergebnis der Summe der durch die Ebene P 6 hindurchtretenden Frequenzen und der durch das Element 27 erzeugten räumlichen Frequenzen. Die durch das Element 27 bedingten Frequenzen bestehen aus der Frequenz dieses Elements und den vektoriellen Summen dieser Frequenz mit jeder der anderen vorhandenen Frequenzen. Auf diese Weise werden in der Ebene P10 Punkte erzeugt, die den Punkten A und A', C und D entsprechen, da diese Frequenzen in den Licht, das durch die Ebene P 6 hindurchtritt, enthalten ist. Es treten jedoch keineThe diffraction figure occurring in the plane P10 is the result of the sum of the frequencies passing through the plane P 6 and the spatial frequencies generated by the element 27. The frequencies caused by the element 27 consist of the frequency of this element and the vectorial sums of this frequency with each of the other frequencies present. In this way, points are created in plane P10 which correspond to points A and A ', C and D , since these frequencies are contained in the light which passes through plane P6. However, none occur

ίο Punkte auf, die den Punkten B, B', D' und C entsprechende Frequenzen enthaltende Licht nicht durch die Ebene P 6 hindurchtreten konnte. Außer den den Punkten A, A', C und D entsprechenden Punkten treten noch weitere Punkte in der Ebene PlO auf, die durch die räumlichen Frequenzen des Beugungsgitters 27 selbst und der vektoriellen Summe und Differenz zwischen der Frequenz dieses Gitters und der den Punkten A, A', C und D entsprechenden Frequenzen entstehen.ίο points to which light containing frequencies corresponding to points B, B ', D' and C could not pass through plane P 6. In addition to the points corresponding to points A, A ', C and D , there are further points in the plane P10, which are determined by the spatial frequencies of the diffraction grating 27 itself and the vector sum and difference between the frequency of this grating and that of the points A, A ', C and D corresponding frequencies arise.

Da die Frequenz und die Orientierung des Beugungsgitters 27 gleich der Frequenz und Orientierung des Beugungsgitters 26 ist, werden die durch das Beugungsgitter 27 selbst eingeführte Frequenzen darstellenden Punkte von den Punkten C und Ό überlagert. Die folgenden vier durch die vektoriellen Summen- und Differenzfrequenzen erzeugten Punkte erscheinen zusätzlich in der Ebene PlO:Since the frequency and the orientation of the diffraction grating 27 are equal to the frequency and orientation of the diffraction grating 26, the points representing frequencies introduced by the diffraction grating 27 itself are superimposed by the points C and Ό. The following four points generated by the vectorial sum and difference frequencies also appear in the PlO level:

a) Der durch die räumliche Frequenz erzeugte Punkt E', der auf der vektoriellen Summe der die Punkte A und D erzeugenden räumlichen Frequenzen beruht; a) The point E ' generated by the spatial frequency, which is based on the vectorial sum of the spatial frequencies generating the points A and D;

b) der durch die räumliche Frequenz erzeugte Punkt E, der auf der vektoriellen Summe der die Punkte A' und C bewirkenden räumlichen Frequenz beruht; b) the point E generated by the spatial frequency, which is based on the vectorial sum of the spatial frequency causing the points A 'and C;

c) der auf der räumlichen Frequenz beruhende Punkt F', der auf der vektoriellen Summe der die Punkte A' und D bewirkenden räumlichen Frequenzen beruht; c) the point F ' based on the spatial frequency, which is based on the vectorial sum of the spatial frequencies causing the points A' and D;

d) der auf der räumlichen Frequenz beruhende Punkt F, der auf der die Punkte A und C bewirkenden räumlichen Frequenzen beruht. d) the point F based on the spatial frequency, which is based on the spatial frequencies causing the points A and C.

Die Blende 28 bewirkt, daß die Ebene PlO nur in den Punkten E und E' von Licht durchsetzt werden kann. Es wird darauf hingewiesen, daß die Punkte E und E' die gleiche Lage wie die Punkte B und B' in der Ebene P 6 haben. Daher ist das auf dem Schirm 24 erscheinende Bild eine genaue Abbildung des Objektes 21.The diaphragm 28 has the effect that the plane P10 can only be penetrated by light at points E and E '. It should be noted that the points E and E 'have the same position as the points B and B' in the plane P 6. Therefore, the image appearing on the screen 24 is an accurate representation of the object 21.

In F i g. 2 wird, wie schon vorhin erwähnt, ein vereinfachtes Ausführungsbeispiel dargestellt. Die Vereinfachungen beziehen sich auf die Tatsache, daß die Lichtquelle 20 eine punktförmige monochromatische Lichtquelle ist und daß das Objekt 21 mit kohärentem parallelem Licht beleuchtet wird. Darüber hinaus besteht das Objekt 21 aus einem einfachen Beugungsgitter. Es wird im folgenden noch gezeigt, wie die Erfindung auch auf Objekte mit jeder beliebigen Veränderung der Transparenz ausgedehnt werden kann. Es ist jedoch zu bemerken, daß nur Objekte mit Veränderungen der Transparenz in einer Richtung übertragen werden können.In Fig. 2, as already mentioned, a simplified embodiment is shown. The simplifications refer to the fact that the light source 20 is a punctiform monochromatic Is the light source and that the object 21 is illuminated with coherent parallel light. Furthermore the object 21 consists of a simple diffraction grating. It is shown below how the invention can also be extended to objects with any change in transparency. It should be noted, however, that only objects with changes in transparency transmit in one direction can be.

In F i g. 3 wird eine Anordnung wiedergegeben, die es erlaubt, ein relativ kompliziertes Objekt 29 von der Ebene P 3 zur Ebene P12 zu übertragen. AusIn Fig. 3 shows an arrangement which allows a relatively complex object 29 from from level P3 to level P12. Out

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dieser Figur geht auch hervor, weshalb die Apertur- der Maske 36 in der Ebene P 6 gebildet wird. Wie im blende des Systems es unmöglich macht, ein genaues zuerst beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfin-Abbild des Objektes zu übertragen. Das System ge- dung ist auch das Beugungsgitter 36 so ausgebildet, maß F i g. 3 enthält die gleiche Linsenanordnung wie daß die Maxima der ersten Ordnung vorherrschen, die in den vorherigen Figuren dargestellten Systeme. S Auf diese Weise erscheinen an Stelle eines Lichtin der Ebene P 6 ist ebenfalls eine Aperturblende 25 punktes in der Darstellung nach Fig. 3B.jeweils drei vorgesehen. Das Objekt 29 weist Veränderungen sei- Lichtpunkte in der Beugungsfigur gemäß der ner Transparenz nur in X-Richtung auf. Diese Trans- Fig. 4B. Da die tatsächliche Beugungsfigur aus parenzänderungen des Objektes 29 in X-Richtung einem Punktkontinuum besteht, besteht die tatsächwerden in der Fig. 3A dargestellt, in der die Trans- ίο liehe Beugungsfigur auf Grund des Vorhandenseins parenz des Objektes 29 über der X-Achse aufgetra- der Maske 36 aus drei Punktkontinua. Es wird dargen ist. Im folgenden wird die Achse, in deren Rieh- auf hingewiesen, daß diese drei Kontinua gegeneintung sich die Transparenz des Objektes 29 verändert, ander in X-Richtung verschoben sind. Das hat zur d. h. die X-Achse, als Periodizitätsachse des Objektes Folge, daß die Information der gesamten Beugungs-29 bezeichnet. 15 figur durch die kleine Öffnung der Maske 25 gelangt,This figure also shows why the aperture of the mask 36 is formed in the plane P 6. As in the blind of the system makes it impossible to transfer an exact first described embodiment of the invented image of the object. The system as well as the diffraction grating 36 are designed so as to measure F i g. 3 contains the same lens arrangement as that of the first order maxima prevailing in the systems shown in the previous figures. In this way, instead of a light appear in the plane P 6, an aperture stop 25 is also provided three points in the illustration according to FIG. 3B. The object 29 has changes in its light points in the diffraction figure according to the transparency only in the X direction. This trans- Fig. 4B. Since the actual diffraction figure consists of changes in parency of the object 29 in the X direction of a point continuum, the actual figures are shown in FIG. the mask 36 from three point continua. It is presented is. In the following, the axis is pointed out in the Rieh- that these three continuums oppose the transparency of the object 29 changes, others are shifted in the X-direction. This means that the X-axis, as the periodicity axis of the object, denotes the information of the entire diffraction-29. 15 figure passes through the small opening of the mask 25,

Das Objekt 29 erzeugt eine Beugungsfigur in der obwohl die Randbereiche der mit G bezeichnetenThe object 29 generates a diffraction figure in the although the edge areas of the designated with G

Ebene P 6. Da das Objekt 29 ein Kontinuum von Figur und der rechte bzw. der linke Teil der mit /Level P 6. Since the object 29 is a continuum of figure and the right or left part of the with /

räumlichen Frequenzen enthält, erscheint in der bzw. mit H bezeichneten Figur diese Maske nichtContains spatial frequencies, this mask does not appear in the figure marked H

Ebene P 6 an Stelle einer Mehrzahl von Punkten ein durchsetzen können. Es ist aber zu ersehen, daßCan enforce level P 6 instead of a plurality of points. But it can be seen that

Lichtstreifen. Die Intensität dieses Lichtstreifens ver- 20 durch die seitliche Versetzung der BeugungsfiigurenStreak of light. The intensity of this light streak is reduced by the lateral displacement of the diffraction figures

ändert sich in Längsrichtung als Funktion der im H, G, J bewirkt wird, daß sowohl der rechte, derchanges in the longitudinal direction as a function of the H, G, J causes both the right, the

Objekt 29 enthaltenen räumlichen Frequenzen. Die in mittlere und der linke Bereich der BeugungsfigurenObject 29 contained spatial frequencies. The one in the middle and the left area of the diffraction figures

Fi g. 3 dargestellte räumliche Verteilung der Licht- im Bereich der Öffnung der Maske 25 liegen.Fi g. 3, the spatial distribution of the light in the area of the opening of the mask 25 is shown.

Intensitäten ist nur beispielsweise und stellt keine Die Randbereiche der Figuren / und H entspre-Intensities is only an example and does not represent any. The edge areas of the figures / and H correspond to

genaue Wiedergabe der Frauenhofer-Figuren eines 25 chen den in Fig. 2A dargestellten Punkten A undexact reproduction of the Frauenhofer figures of a 25 chen the points A and shown in Fig. 2A

Objektes mit der in Fig. 3 A dargestellten Transpa- A'. Diejenigen Teile der Beugungsfigur, die durch die Object with the transparent A ' shown in FIG. 3 A. Those parts of the diffraction figure which are caused by the

renzverteilung dar. Die genaue Form mit der von Ebene P 6 hindurchtreten, enthalten die ganze zurThe exact shape with which the level P 6 pass includes the whole of the

einem bestimmten Objekt erzeugten Beugungsfigur Erzeugung eines genauen Abbildes des Objektes 29Diffraction pattern generated for a specific object, generation of an exact image of the object 29

wird durch die Fouriertransformation und die Trans- erforderliche Information. Diese Information liegtis required by the Fourier transform and the trans- information. This information lies

parenzverteilung des Objektes bestimmt. 30 aber wegen des Vorhandenseins des Beugungsgittersparency distribution of the object is determined. 30 but because of the presence of the diffraction grating

Die Anwesenheit der Maske 25 bewirkt, daß nur 36 in modulierter Form vor. Sie wird durch das Beu-The presence of mask 25 causes only 36 to exist in modulated form. It is caused by the

ein Teil des Beugungsbildes durch die Ebene P 6 hin- gungsgitter 37, wie im Zusammenhang mit der Be-a part of the diffraction pattern through the plane P 6 shows grating 37, as in connection with the loading

durch übertragen wird. Die Maske 25 verhindert, Schreibung des ersten Ausführungsbeispiels gezeigt,is transmitted through. The mask 25 prevents writing of the first embodiment shown

daß die Randbereiche (die Informationen mit hohen demoduliert. Dieses Beugungsgitter bewirkt, daß diethat the edge areas (the information with high demodulated. This diffraction grating causes the

Frequenzen enthalten) durch die Ebene P 6 übertra- 35 in der Ebene PlO auftretenden Beugungsfiguren alleFrequencies included) through the plane P 6 transmitted all diffraction patterns occurring in the plane P10

gen werden, so daß das in der Ebene P12 erzeugte in der Ebene P 6 vorliegenden räumlichen Frequen-are gen, so that the spatial frequencies present in 6 of the plane P12 generated in the plane P

BiId kein genaues Abbild des Objektes 29 ist. In zen, die durch die Maske 37 eingeführten Frequen-Image is not an exact copy of object 29. In zen, the frequencies introduced by the mask 37

F i g. 3 C wird die räumliche Lichtverteilung der Ab- zen und die vektoriellen Summen und DifferenzenF i g. 3 C is the spatial light distribution of the Abzen and the vectorial sums and differences

bildung entlang der X-Achse wiedergegeben. Aus dieser Frequenzen enthalten. Dieser Tatbestand istEducation shown along the X-axis. Contained from these frequencies. This fact is

dieser Figur ist eine Verschlechterung der Abbildung 40 aus der Fig. 4C ersichtlich, die der Fig. 2B imthis figure shows a deterioration of the image 40 from FIG. 4C, that of FIG. 2B in FIG

auf Grund des Verlustes der höheren räumlichen ersten Ausführungsbeispiel entspricht. Es wird daraufdue to the loss of the higher spatial first embodiment corresponds. It will be on it

Frequenzen zu ersehen. Diese Erscheinung kann man hingewiesen, daß in Fig. 2B die mittlere GeradeFrequencies can be seen. This phenomenon can be pointed out that in Fig. 2B the middle straight line

bei jedem optischen System beobachten, bei dem ver- drei Punkte, die darunter- und darüberliegendenObserve in every optical system in which there are three points, those below and above

sucht wird, ein Bild zu übertragen, dessen räumliche horizontalen Geraden zwei Punkte und die oberstewhat is sought is to transmit an image whose spatial horizontal line has two points and the topmost one

Frequenzen oberhalb der räumlichen Grenzfrequen- 45 und unterste Gerade jeweils einen Punkt aufweisen,Frequencies above the spatial limit frequency 45 and the lowest straight line each have a point,

zen des übertragenden Systems liegen. Die Gründe für das Vorliegen jeder dieser Punktezen of the transmitting system. The reasons for each of these points being present

In der Anordnung nach F i g. 4 sind die Beugungs- wurden im vorgehenden erläutert. In ähnlicher WeiseIn the arrangement according to FIG. 4 are the diffraction were explained above. In a similar way

gitter 36 und 37 in den Ebenen P 4 und P 8 angeord- weist in F i g. 4 C die mittlere Gerade die vollständigeGrids 36 and 37 arranged in planes P 4 and P 8 in FIG. 4 C the middle straight line the complete one

net. Die Periodizitätsachsen der Beugungsgitter 36 Beugungsfigur auf (entsprechend den drei Punkten innet. The periodicity axes of the diffraction grating 36 diffraction figure on (corresponding to the three points in

und 37 sind zueinander parallel und schließen mit der 50 Fig. 2B), während die darüber- und darunterliegen-and 37 are parallel to each other and close with 50 Fig. 2B), while the above and below

Periodizitätsachse des Objektes 29 einen Winkel ein. den Geraden jeweils zwei Drittel der vollständigenPeriodicity axis of the object 29 forms an angle. the straight two thirds of the complete

Wie im zuerst beschriebenen Ausführungsbeispiel ist Figur (entsprechend den zwei Punkten in Fig. 2B)As in the embodiment described first, the figure (corresponding to the two points in Fig. 2B)

in der Ebene PlO eine Schlitzblende angeordnet, die und die obersten und untersten Geraden jeweils eina slit diaphragm is arranged in the plane PIO, and the top and bottom straight lines are each one

verhindert, daß unerwünschte Signale zur Ebene P12 Drittel der Figur (entsprechend einem Punkt inprevents unwanted signals from being sent to level P12 third of the figure (corresponding to a point in

gelangen. In Fig. 4A wird die räumliche Verteilung 55 Fig. 2B) aufweisen.reach. In FIG. 4A, the spatial distribution 55 (FIG. 2B) will have.

der Transparenz des Objektes 29 in Richtung der Die Maske 28 bewirkt, daß nur bestimmte Teilethe transparency of the object 29 in the direction of the mask 28 causes only certain parts

X-Achse und in Fig. 4C die Verteilung der Hellig- der Beugungsfigur durch die Ebene PlO hindurchtre- X- axis and in Fig. 4C the distribution of the lightness of the diffraction figure through the plane PIO through

keit des Bildes in der Ebene P12 in Richtung der ten können, wodurch ein genaues Abbild des Objek-of the image in plane P12 in the direction of the ten, whereby an exact image of the object

X-Achse dargestellt. Durch das Vorhandensein der tes 29 auf dem Schirm 24 erzeugt wird. Die durchX-axis shown. The presence of the tes 29 on the screen 24 is generated. By

Beugungsgitter 36 und 37 ist die Fig. 4 Dim wesent- 60 die Maske 28 unterdrückten Frequenzen weisenDiffraction gratings 36 and 37, Fig. 4 Dim essential- 60 the mask 28 have suppressed frequencies

liehen gleich der Fig. 4A, woraus hervorgeht, daß Komponenten auf, die von der X-Richtung abwei-borrowed the same as FIG. 4A, from which it can be seen that components which deviate from the X direction

ein genaues Bild des Objektes 29 in der Ebene P12 chen. Diese zusätzlichen Komponenten wurden durchan exact picture of the object 29 in the plane P12. These additional components were made by

erscheint. das Vorhandensein der Masken 36 und 37 eingeführt.appears. the presence of masks 36 and 37 introduced.

Aus den Fig. 4B und 4C kann entnommen wer- Die Maske 28 stellt nur eine Möglichkeit dar, diese den, weshalb das optische System ein Bild übertragen 65 von der X-Richtung abweichende Komponente entkann, dessen räumliche Frequenzen über der norma- haltenden räumlichen Frequenzen zu unterdrücken, len Grenzfrequenz des Systems liegen. In Fig. 4B ist Andere Verfahren zur Verwischung dieser störenden die Beugungsfigur dargestellt, die durch die Wirkung Komponenten bestehen in der Verwendung von4B and 4C can be seen. The mask 28 represents only one possibility of this which is why the optical system can transmit an image 65 components deviating from the X direction, to suppress its spatial frequencies above the normal-maintaining spatial frequencies, len limit frequency of the system. In Fig. 4B is another method of blurring this interfering the diffraction figure represented by the effect consist in the use of components

Zylinderlinsen oder eines photogräphischen Filmes, der während der Aufnahme senkrecht zur .Y-Richtung bewegt wird. Die in den vorbeschriebenen Ausführungsbeispielen verwendeten Elemente zur Modulation und Demodulation des die Bildübertragung bewirkenden Lichtes sind Beugungsgitter.Cylindrical lenses or a photographic film that is perpendicular to the .Y-direction during the exposure is moved. The elements for modulation used in the exemplary embodiments described above and demodulation of the light causing the image transmission are diffraction gratings.

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Bei Verwendung einer flächenhaftenden Lichtquelle können bestimmte Schwierigkeiten vermieden werden, wenn die Entfernungen und die Brennweiten so gewählt werden, daß das modulierende Element und das ursprüngliche Objekt (bzw. dessen Abbildung) im wesentlichen in der gleichen Ebene liegen.When using a planar light source, certain difficulties can be avoided if the distances and the focal lengths are chosen so that the modulating element and the original object (or its image) lie essentially in the same plane.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Patent claims:

1. Arrangement for increasing the resolving power of optical systems with an aperture stop limiting the level of the transmittable spatial frequencies, characterized in that a first diffraction grating (26 or 36) for generation in front of the optical system (L 2, L 3, LA, LZ) of sum and difference frequencies of the spatial frequencies of the diffraction grating (26 or 36) and the object to be imaged (21 or 29), the directions of the periodicity axes of the diffraction grating (26 or 36) and the object (21 or 29 ) are different, that a diaphragm (25) is also arranged in the rear focal point of the first lens (L2) which only shows the diffraction figures (C, D) of the spatial frequency corresponding to the diffraction grating (26) and the diffraction figures (A, A ') of the Difference frequency lets through, and that a second, the same spatial frequencies generating and in the same way oriented diffraction grating (27 or 37) between the lenses (L 3, L 4) of the optical system is angeo is rdnet, which restores the spatial frequencies of the image to be transmitted (E, E ') .

2. Arrangement according to claim 1, characterized in that in the vicinity of the system output a mask (28), preferably designed as a slit diaphragm, for masking out disturbing spatial frequencies is arranged.

3. Arrangement according to claims 1 and 2, characterized in that between the to a relative movement takes place between the transferring image and the substrate receiving the image, to blur the periodic noise generated by the transmission.

4. Arrangement according to claims 1 to 3, characterized in that the mapped Object (21 or 29) changes in its nature, for example its transparency only in one direction and that this direction differs from the directions of the periodic changes of said modulating elements (26 or 27) differs.