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

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 устройствам формирования изображений объектов, наблюдаемых миниатюрными безлинзовыми системами. Устройства, 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.

Известно устройство «Портативный прибор для получения рентгеновских- и гамма-изображений с кодирующей маской» [«Nuclear Instruments and Methods in Physics Research» A, 422 (1999), 729-734], содержащее детектирующий блок, блок электроники и видеокамеру. Детектирующий блок помещен в защитный корпус и содержит кодирующую маску, сцинтилляционный детектор CsI(Tl), ПЗС-матрицу и два последовательно соединенных усилителя изображения. Блок электроники, который содержит электронные узлы ПЗС-матрицы, видеокамеры, высоковольтный источник питания для усилителей изображения и интерфейс для связи с компьютером, размещен во внутренней части вспомогательного отделения детектирующего блока.

Известно устройство формирования изображения на поверхности большой фотосенсорной матрицы (Патент US №8125559, МПК H04N 5/225, опубл 26.11.2009 г.) и патент на оборудование для обработки сигналов формирования синтетического изображения для вигнитных оптоэлектронных массивов, безобъективных камер и встроенных камер-дисплеев (Патент US №8284290, МПК H04N 5/225, H04N 5/30; H04N 5/3696; H04N 5/374, опубл. 10.02.2011 г.), в которых происходит формирование изображения без использования объектива и соответствующего разделительного расстояния между объективом и датчиком изображения, в результате получается «камера без объектива». С помощью разных микроапертур в устройстве формируется изображение элементов сцены с разной глубиной резкости.

В патенте «Устройство формирования изображения, способ формирования изображения и элемент формирования изображения» (Патент CN №111448796, МПК G02B 5/18; G03B 11/00; H04N 5/369; H04N 9/07, опубл. 24.07.2020 г.) описывается устройство и способ формирования изображения, которые способны уменьшать влияние дифракции, вызванной открытием маски во время формирования изображения без линз. Полосовой фильтр, который разделен на множество областей и который пропускает падающий свет в диапазонах длин волн, различных между областями, предоставляется на переднюю ступень маски. Предусмотрена маска для модуляции падающего света различных диапазонов длин волн между областями, прошедшего через полосовой фильтр. Маска содержит отверстие единичного размера, в котором размытие, создаваемое дифракцией для каждой длины волны, сведено к минимуму. Эта конфигурация может быть применена к устройству формирования изображения без линз.

Известен патент «Устройство для изготовления устройства формирования изображения, способ изготовления устройства формирования изображения и устройство формирования изображения» (Заявка № WO 2021111888, МПК G02B 13/00; G02B 3/00; G02B 3/08; G02B 7/02; G03B 15/00; H04N 5/225, опубл. 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 является (Патент RU №2147144 кл. G06K 7/10, G01S 3/782, 08.01.1998 г.) устройство по способу 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, 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 является шумы, возникающие в восстановленном изображении.

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

Технический результат заключается в увеличении световой эффективности и улучшения качества восстановленного изображения исходного объекта.

Этот результат достигается тем, что устройство формирования изображения высокого разрешения в безлинзовой камере по тени от излучения на матрице детекторов, содержащее кодирующую маску, состоящую из отверстий и перемычек, кодированную по случайному закону и детектор, также дополнительно содержит оптически связанные отражательную призму, разделительную призму, второй детектор, который как и первый выполнены в виде матриц из приборов с зарядовой связью, к которым последовательно электрически подключены два аналого-цифровых преобразователя, каждое из которых подключено к электронно-вычислительной машине.

Устройство представлено на фиг. 1.

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

Устройство состоит из оптически связанных разделительной призмы 2, отражательной призмы 3, кодирующей маски (апертуры) 4, двух многоэлементных преобразователей в виде матрицы из приборов с зарядовой связью (ПЗС-матрицы) 6, 7, к которым последовательно электрически подключены два аналого-цифровых преобразователя (АЦП) соответственно 8, 9, каждый из которых подключен к электронно-вычислительной машине (ЭВМ) 10. Также на рисунке показаны падающие с объекта лучи 1 и прошедшие через кодирующую матрицу 4 лучи 5.

Рассмотрим пример работы устройства.

Изображение от объекта поступает в виде излучения 1 на разделительную призму 2 и делится на два изображения - одно проходит напрямую через кодирующую маску (апертуру) 4, которая преобразует поступающее изображение в дифракционную картину в виде лучей 5 (спеклов), которые поступают на матрицу ПЗС 6 для ее преобразования в электрический сигнал. Второе изображение в неизменном виде поступает через отражательную призму 3 на матрицу ПЗС 7 в виде голограммы Фурье для ее преобразования в электрический сигнал. Далее полученные сигналы оцифровываются соответственно в аналого-цифровых преобразователях (АЦП) 8, 9 и в цифровом виде поступают для дальнейшей обработки на ЭВМ 10. На фиг. 2 показан пример кодирующей маски (апертуры) 4.

В ЭВМ 10 для анализа электрического сигнала, поступающего с матрицы ПЗС 6 происходит его восстановление изображения путем вычисления свертки с обратной матрицей. Для анализа электрического сигнала, поступающего с матрицы ПЗС 9 в ЭВМ 10 происходит численное восстановление Фурье голограммы для заданного фокусного расстояния. Далее в ЭВМ 10 происходит окончательное восстановление изображения, с учетом двух восстановленных изображений путем усреднения их значений по каждому пикселю.

Предлагаемое техническое решение отличается от известных тем, что для повышения качества получаемого изображения оно содержит в себе операции совместной обработки изображений спеклов, получаемых с помощью кодирующей апертуры и цифровой голограммы Фурье.

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. Сущность изобретения заключается в том, что устройство формирования изображения высокого разрешения в безлинзовой камере по тени от излучения на матрице детекторов, содержащее кодирующую маску, состоящую из отверстий и перемычек, кодированную по случайному закону, и детектор, также дополнительно содержит оптически связанные отражательную призму, разделительную призму, второй детектор, который как и первый выполнен в виде матриц из приборов с зарядовой связью, к которым последовательно электрически подключены два аналого-цифровых преобразователя, каждый из которых подключен к электронно-вычислительной машине. Технический результат заявляемого способа направлен на увеличение световой эффективности и улучшение качества восстановленного изображения исходного объекта. 2 ил.

Устройство формирования изображения высокого разрешения в безлинзовой камере по тени от излучения на матрицах детекторов, содержащее кодирующую маску, состоящую из отверстий и перемычек, кодированную по случайному закону, и детектор, отличающееся тем, что дополнительно содержит оптически связанные разделительную призму, разделяющую изображение на два, первое изображение от которой проходит через кодирующую маску на первую матрицу детектора, а второе изображение проходит через отражательную призму на вторую матрицу детектора в виде голограммы Фурье, при этом первый и второй детекторы выполнены в виде матриц из приборов с зарядовой связью, к которым последовательно электрически подключены два аналого-цифровых преобразователя, каждый из которых подключен к электронно-вычислительной машине.