Устройство формирования изображения высокого разрешения

Изобретение относится к области оптики, 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. 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 вторую инверсную по отношению к первой кодирующую маску, две отражательные призмы, две разделительные призмы, матрицу на основе приборов с зарядовой связью в качестве детектора, к которой последовательно электрически подключены аналого-цифровой преобразователь и электронно-вычислительная машина. Техническим результатом является увеличение световой эффективности и улучшение качества восстановленного изображения исходного объекта. 3 ил.

 

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 № WO2021111888, МПК G02B13/00; G02B3/00; G02B3/08; G02B7/02; G03B15/00; H04N5/225, 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, 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 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 вторую инверсную по отношению к первой кодирующую маску, две отражательные призмы, две разделительные призмы, матрицу на основе приборов с зарядовой связью в качестве детектора, к которой последовательно электрически подключены аналого-цифровой преобразователь к электронно-вычислительная машина.

Устройство представлено на фиг.1.

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

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

Устройство состоит из оптически связанных: 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-матрицы) 11 и последовательно электрически соединенных аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 12 и электронно-вычислительной машины (ЭВМ) 13. На Фиг. 1 показаны падающие с объекта лучи 1, прошедшие через кодирующую маску 4 лучи 6, прошедшие через кодирующую маску 5 лучи 7, сумма лучей 10, получаемых с двух кодирующих масок 4 и 5 с помощью разделительной призмы 8.

Устройство работает следующим образом. 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 на разделительную призму 8, куда также поступают на вторую грань разделительной 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.

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

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, отличающееся тем, что дополнительно содержит оптически связанные вторую инверсную по отношению к первой кодирующую маску, две отражательные призмы, две разделительные призмы, матрицу на основе приборов с зарядовой связью в качестве детектора, к которой последовательно электрически подключены аналого-цифровой преобразователь и электронно-вычислительная машина.