СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ ВЫСОКОГО РАЗРЕШЕНИЯ В БЕЗЛИНЗОВОЙ КАМЕРЕ Российский патент 2022 года по МПК G02B27/10 G01S3/782 

Изобретение относится к области оптики, в частности к методам и средствам оптического преобразования электромагнитного излучения, и может быть использовано при формировании оптического изображения объектов в миниатюрных безлинзовых камерах.

Настоящее изобретение относится к способам преобразования изображений объектов, наблюдаемых миниатюрными безлинзовыми системами. Способы, построенные на основе кодирующих апертур и ПЗС (CMOS) видео сенсоров с помощью специальных алгоритмов позволяют восстановить амплитудные и фазовые дифракционные составляющие для формирования высокого разрешения каждой детали, пропадающей в поле зрения безлинзовой камеры.

Из уровня техники известен способ определения местоположения точечных источников излучения (SU1817569, кл. G01T 1/17, 27.08.1990 г.), в котором излучение источников пропускают через пару щелевая маска - детектор, состоящий из чувствительных элементов, причем щели в маске расположены по закону псевдослучайных двоичных последовательностей из "0" и "1", которые образуют массив A, а щели в маске расположены на месте "1" в этой последовательности. С чувствительных элементов детектора снимают сигналы - электрические аналоги, которые преобразуют в цифровую форму и представляют в виде массива чисел P, после чего получают информацию об источниках в виде чисел F по известному соотношению, включающему кроме указанных массивов восстанавливающий массив двоичных чисел G из "1", и регистрацию ведут с помощью системы из трех линеек, расположенных в одной плоскости под углом друг к другу, например по сторонам треугольника.

В патенте «Способ получения изображения c высокой скоростью на основе безлинзовой камеры» (KR20210047486, Кл. G03B17/12; G06T5/00; H04N5/225; H04N5/232; H04N5/353, 30.04.2021 г.) раскрыт способ высокоскоростного получения изображения на основе камеры без объектива, в котором используется камера без объектива и фазовая маска для формирования PSF (функция распределения точек); PSF получает наложенное необработанное изображение; и включает в себя этап восстановления изображения из необработанного изображения, необработанное изображение представлено линейной комбинацией PSF, восстановление изображения выполняется в направлении уменьшения ошибки после вычисления. Преимущество изобретения заявляется более высокая скорость без использования высокопроизводительного оборудования с использованием камеры без объектива.

Известен патент «Устройство для изготовления устройства формирования изображения, способ изготовления устройства формирования изображения и устройство формирования изображения» (WO2021111888, кл. G02B13/00; G02B3/00; G02B3/08; G02B7/02; G03B15/00; H04N5/225, 10.06.2021 г.), в котором описываемые устройство и способ позволяют улучшить качество изображения, восстановленного камерой без объектива. В камере без линз, снабженной маской, которая модулирует и передает падающий свет, предоставляя в ней множество линз для передачи и концентрации падающего света на часть материала, блокирующего свет, элемент формирования изображения, который захватывает в виде пиксельного сигнала изображение падающего света, модулированного маской, и блок обработки сигналов, который восстанавливает в качестве конечного изображения пиксельный сигнал путем обработки сигнала, каждая из линз предусмотрена в маске, при этом направление ее оптической оси регулируется таким образом, чтобы только падающий свет, проходящий через маску, концентрировался и падал на элемент изображения.

Недостатком вышеупомянутых патентов является шумы, возникающие в восстановленном изображении наложенных теней, получаемых при прохождении исходного изображения через кодирующую апертуру (маску).

Наиболее близким к заявляемому способу является (RU 2147144 кл. G06K 7/10, G01S 3/782, 08.01.1998 г.) способ восстановления изображения по тени от излучения на матрице детекторов, образованной в результате прохождения излучения через кодирующую маску, состоящую из отверстий и перемычек, кодированную по случайному закону, отличающийся тем, что сравнивается количество единиц и нулей в матрице детекторов, наблюдаемых из произвольно выбранной точки пространства, при использовании кодированной по случайному закону маски и такой же маски, в которой перемычки заменены на отверстия, а отверстия на перемычки так, что одинаковое количество единиц и нулей соответствует отсутствию излучения из выбранной точки, а разное - обнаружению излучения.

Недостатком способа является шумы, возникающие в восстановленном изображении.

В основу заявленного изобретения была положена задача создания такого способа формирования оптического изображения объекта, посредством которого можно получать в реальном масштабе времени качественное восстановленное изображение исходного объекта инвариантное относительно дефокусировки.

Технический результат заявляемого способа направлен на увеличение световой эффективности и улучшения качества восстановленного изображения исходного объекта.

Этот результат достигается тем, что в способе формирования изображения высокого разрешения в безлинзовой камере по тени от излучения на матрице детекторов, образованной в результате прохождения излучения через кодирующую маску, состоящую из отверстий и перемычек, кодированную по случайному закону, изображение от объекта поступает в виде лучей на разделительную призму и разделяется на два, и, затем, кроме первой, пропускается через вторую, инверсную к первой, маску, после чего оба изображения суммируются и поступают на матрицу детекторов в виде матрицы из приборов с зарядовой связью для преобразования оптического сигнала в электрический и далее, оцифровываясь с помощью аналого-цифрового преобразователя полученный сигнал поступает на обработку в электронно-вычислительную машину.

Устройство, реализующее способ, представлено на фиг. 1.

На фиг.2 показан пример кодирующей маски (апертуры) 4.

На фиг. 3 показан пример инверсной кодирующей маски (апертуры) 5.

Устройство состоит из двух разделительных призм 2, 8, двух отражательных призм 3,9, двух кодирующих масок (апертур) 4, 5, многоэлементного преобразователя в виде матрицы из приборов с зарядовой связью (ПЗС - матрица) 11, АЦП 12, ЭВМ 13. Так же на рисунке показаны падающие с объекта лучи 1, прошедшие через кодирующую матрицу 4 лучи 6, прошедшие через кодирующую матрицу 5 лучи 7, объединенные с помощью разделительной призмы 8 лучи 10 после прохождения обоих кодирующих матриц 4, 5 (сумма лучей 6 и 7).

Рассмотрим пример осуществления способа на примере работы устройства формирования изображения высокого разрешения в безлинзовой камере.

Изображение от объекта поступает в виде лучей 1 на разделительную призму 2 и делится на два изображения - одно проходит напрямую через кодирующую маску (апертуру) 4, а другое поступает через отражательную призму 3 на вторую инверсную по отношению к первой кодирующую маску (апертуру) 5. Оба изображения с помощью кодирующих масок (апертур) преобразуют поступающие изображения в дифракционную картину в виде лучей 6, 7 (спеклы, тени), пропорциональные количеству, форме и структуре масочных отверстий и их порядку расположению по всей маске. Далее полученные спеклы оптически складываются с помощью разделительной призмы 8. При этом спекл в виде лучей 7 с кодирующей маски (апертуры) 5 поступает через отражательной призмы 9 поступает на разделительную призму 8, куда также поступают на вторую грань призмы 8 спеклы в виде лучей 6. В результате формируется общая спекл картина, полученная с двух кодирующих масок в виде лучей 10, которые поступают на ПЗС-матрицу 11, с помощью которой преобразуются в электрические сигналы, оцифровываются в аналого-цифровом преобразователе (АЦП) 12 и поступают для дальнейшей обработки в ЭВМ 13.

В ЭВМ для анализа двумерный предмет U представляют в виде изотропных пикселей U(i, j), тень F - как матрицу пикселей F(k, l) и кодирующую маску - как матрицу пропускания A(k, l). Если в кодирующей маске элемент с координатами (k, l) - это отверстие, то A(k, l)=1, если наоборот - A(k, l)=0.

Образование тени определяется как умножение матрицы пикселей изображения на матрицу, описывающую кодированную маску, обеспечивающих:

.

Восстановление изображения осуществляется путем вычисления свертки с обратной матрицей G для матрицы A, что записывается как:

U = F * G = U,

где * - обозначает свертку.

Предлагаемое техническое решение отличается от известных тем, что для повышения качества получаемого изображения оно содержит в себе операции обработки изображений, получаемых с обычной и инверсной кодирующих апертур.

Изобретение относится к области оптики, в частности к методам и средствам оптического преобразования электромагнитного излучения, и может быть использовано при формировании оптического изображения объектов в миниатюрных безлинзовых камерах. Заявленный способ формирования изображения высокого разрешения в безлинзовой камере по тени от излучения на матрице детекторов, образованной в результате прохождения излучения через кодирующую маску, состоящую из отверстий и перемычек, кодированную по случайному закону, заключается в том, что изображение от объекта поступает в виде излучения на разделительную призму и разделяется на два, при этом первое изображение направляется напрямую через кодирующую маску, а второе изображение направляется через отражательную призму на вторую, инверсную по отношению к первой, кодирующую маску, причем оба изображения с помощью кодирующих масок преобразуют поступающие изображения в дифракционную картину в виде спеклов. При этом спекл со второй кодирующей маски через вторую отражательную призму поступает на вторую разделительную призму, куда также поступают на вторую грань призмы спеклы с первой кодирующей маски, после чего полученные спеклы с помощью второй разделительной призмы, суммируются и поступают на матрицу детекторов, выполненную в виде матриц из приборов с зарядовой связью, и далее оба сигнала оцифровываются с помощью аналого-цифровых преобразователей поступают на обработку в электронно-вычислительную машину. Технический результат - увеличение световой эффективности и улучшение качества восстановленного изображения исходного объекта. 3 ил.

Способ формирования изображения высокого разрешения в безлинзовой камере по тени от излучения на матрице детекторов, образованной в результате прохождения излучения через кодирующую маску, состоящую из отверстий и перемычек, кодированную по случайному закону, заключающийся в том, что изображение от объекта поступает в виде излучения на разделительную призму и разделяется на два, при этом первое изображение направляется напрямую через кодирующую маску, а второе изображение направляется через отражательную призму на вторую, инверсную по отношению к первой, кодирующую маску, причем оба изображения с помощью кодирующих масок преобразуют поступающие изображения в дифракционную картину в виде спеклов, при этом спекл со второй кодирующей маски через вторую отражательную призму поступает на вторую разделительную призму, куда также поступают на вторую грань призмы спеклы с первой кодирующей маски, после чего полученные спеклы с помощью второй разделительной призмы, суммируются и поступают на матрицу детекторов, выполненную в виде матриц из приборов с зарядовой связью, и далее оба сигнала оцифровываются с помощью аналого-цифровых преобразователей, поступают на обработку в электронно-вычислительную машину.