СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ ВЫСОКОГО РАЗРЕШЕНИЯ В БЕЗЛИНЗОВОЙ КАМЕРЕ
METHOD FOR GENERATION OF HIGH RESOLUTION IMAGE IN LENS-FREE CAMERA

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 (Ав. Св-во SU № 1817569, МПК G01T 1/17, опубл. 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» (Патент KR № 20210047486, МПК G03B17/12; G06T5/00; H04N5/225; H04N5/232; H04N5/353, опубл. 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» (Заявка WO № 2021111888, 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 к заявляемому способу является (Патент RU № 2147144, МПК G06K 7/10,  G01S 3/782, опубл. 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 излучения на разделительную призму и разделяется на два, и, затем пропускается через вторую кодирующую маску инверсную к первой кодирующей маске, после чего полученные изображения спеклов поступают для преобразования оптических сигналов в электрический на две матрицы детекторов, которые выполнены в виде матриц из приборов с зарядовой связью и далее, оцифровываясь с помощью аналого-цифровых преобразователей, поступают на обработку в электровычислительную машину.
Устройство, реализующее способ, представлено на фиг.1.
На фиг.2 показан пример кодирующей маски (апертуры).
На фиг. 3 показан пример инверсной кодирующей маски (апертуры).
Устройство состоит из разделительной призмы 2, отражательной призмы 3, двух кодирующих масок (апертур) 4, 5, двух многоэлементных преобразователей в виде матриц 8,9 из приборов с зарядовой связью (ПЗС - матрицы), двух АЦП 10,11, ЭВМ 12. Так же на рисунке показаны падающие с объекта лучи 1, прошедшие через кодирующую матрицу 4 лучи 6, прошедшие через кодирующую матрицу 5 лучи 7.
Рассмотрим пример осуществления способа на примере работы устройства формирования изображения высокого разрешения в безлинзовой камере.
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, 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 6 и 7 в виде оптических сигналов поступают на ПЗС-матрицы 8 и 9 соответственно, с помощью которой преобразуются в электрические сигналы, и далее оцифровываются соответственно в аналого-цифровых преобразователях (АЦП) 10, 11 и в цифровом виде поступают для дальнейшей обработки в ЭВМ 12.
U
U(i, j),
F
F(k, l)
A(k, l)
(k, l)
A(k, l)=1
A(k, l)=0
В ЭВМ для анализа двумерный предмет  представляют в виде изотропных пикселей  тень  - как матрицу пикселей  и кодирующую маску - как матрицу пропускания . Если в кодирующей маске элемент с координатами  - это отверстие, то , если наоборот - .
Образование тени определяется как умножение матрицы пикселей изображения на матрицу, описывающую кодированную маску, обеспечивающих:
.
G
A
Восстановление изображения осуществляется путем вычисления свертки с обратной матрицей  для матрицы , 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.