Устройство формирования изображения высокого разрешения в безлинзовой камере

Авторы патента:

Семенов Владимир Владимирович (RU)

Марчук Владимир Иванович (RU)

Окорочков Александр Иванович (RU)

G02B27/1006 - Прочие оптические системы и приборы (средства для осуществления оптических эффектов в витринах магазинов, в витринах (стоячих) A47F, например A47F 11/06; оптические игрушки, например A63H 33/22; рисунки или картины со световыми эффектами B44F 1/00)

G02B27/10 - системы разделения (расщепления) или объединения луча (смешивание и разделение световых сигналов с использованием оптических волноводов G02B 6/28; поляризующие системы G02B 27/28)

Владельцы патента RU 2785213:

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) (RU)

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.

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.

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.

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 вторую инверсную по отношению к первой кодирующую маску, отражательную призму, разделительную призму, два детектора в виде матриц на основе приборов с зарядовой связью, к которым последовательно электрически подключены два аналого-цифровых преобразователя, каждое из которых подключено к электронно-вычислительной машине.

Устройства для приема и передачи информации на базе транспортного средства // 2785201

Изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано в качестве устройства для передачи, приема и воспроизведения информации в виде изображения и звукового сопровождения с использованием нескольких экранов, видеокамер, стереодинамиков и микрофонов, также предлагается способ их функционирования.

Устройство и способ формирования изображения с обеспечением увеличенной глубины изображаемого пространства (варианты) // 2782980

Устройство формирования изображения с обеспечением увеличенной глубины изображаемого пространства содержит оптический блок, выполненный с возможностью одновременного формирования промежуточных изображений объекта на различных расстояниях с эффектом размытия по меньшей мере частей изображений объекта, и содержащий по меньшей мере один оптический элемент, и имеющий по меньшей мере две зоны зрачка, сформированные таким образом, чтобы обеспечить предварительно заданное распределение оптических сил и аберраций в пределах каждой из зон зрачка, на основании которых формируется функция рассеяния, характеризующаяся кривой с минимизированными боковыми максимумами, при этом каждой из зон зрачка соответствует заданный соответствующий диапазон расстояний до объекта и заданный соответствующий диапазон углов поля зрения, приемник, выполненный с возможностью одновременной регистрации промежуточных изображений, сформированных оптическим блоком, с разных расстояний до объекта и под разными углами поля зрения, блок обработки изображения, которая выполняется на основе полученной функции рассеяния в заданном диапазоне расстояний и углов поля зрения, с восстановлением на выходе результирующих изображений без эффекта размытия вне зависимости от расстояний до объекта.

Системы и способы цифрового лазерного проецирования с усиленным контрастом с использованием фурье-фильтра // 2782886

Изобретение относится к системам лазерного проецирования. Система содержит пространственный модулятор света, сконфигурированный модулировать световой сигнал с формированием повторяющейся последовательности первого, второго и третьего модулированных световых сигналов; линзу, сконфигурированную для пространственного Фурье-преобразования; и диск со светофильтрами, расположенный на Фурье-плоскости и содержащий множество масок оптического фильтра.

Способ обработки изображения и устройство отображения, устанавливаемое на голове // 2782312

Устройство отображения, устанавливаемое на голове, содержит два модуля, причем каждый модуль содержит модуль камеры, экран дисплея и модуль обработки. Модуль камеры содержит первую и вторую камеры, при этом поле обзора первой камеры больше, чем поле обзора второй камеры.

Устройство формирования изображения высокого разрешения // 2780956

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.

Устройство дополненной реальности на основе изогнутного волновода, способ работы упомянутого устройства, очки дополненной реальности на основе упомянутого устройства // 2780511

Изобретение относится к устройствам дополненной реальности на основе изогнутого волновода. Устройство дополненной реальности содержит проекционную систему для проецирования неискаженного изображения; вводной оптический компенсатор, расположенный на пути исходящих из проекционной системы световых лучей; изогнутый волновод, содержащий вводной дифракционный оптический элемент и выводной дифракционный оптический элемент.

Способ и многофокусное устройство отображения // 2780358

Изобретение относится к средствам генерирования многофокусного изображения с одним или более цветами. Технический результат заключается в уменьшении артефактов цвета и глубины фокуса.

Линза для коррекции зрения со средствами дополненной виртуальной реальности // 2778627

Линза для коррекции зрения со средствами дополненной виртуальной реальности содержит микродисплей и линзу-волновод, на торцевом срезе которой выполнена поверхность со светоделительным покрытием в виде дихроичного покрытия, к которому приклеена ответная часть линзы таким образом, чтобы они образовывали корректирующую линзу для очков, модуляционная передаточная функция которой больше 45 пар линий/мм, функция передачи модуляции в поле корректирующей линзы больше 30 пар линий/мм, искажение менее 5%.

Устройство для отображения дополненной реальности на основе волновода с переменной кривизной, способ работы устройства для отображения дополненной реальности, очки дополненной реальности, оптический компенсатор // 2774661

Изобретение относится к устройствам дополненной реальности, а именно к очкам дополненной реальности, и к способам их функционирования. Устройство для отображения дополненной реальности содержит проекционную систему, оптический компенсатор, расположенный за проекционной системой, гибкий волновод.

Устройство формирования изображения высокого разрешения в безлинзовой камере // 2785212

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 вторую инверсную по отношению к первой кодирующую маску, отражательную призму, разделительную призму, два детектора в виде матриц на основе приборов с зарядовой связью, к которым последовательно электрически подключены два аналого-цифровых преобразователя, каждое из которых подключено к электронно-вычислительной машине.