УСТРОЙСТВО ФОРМИРОВАНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ ВЫСОКОГО РАЗРЕШЕНИЯ В БЕЗЛИНЗОВОЙ КАМЕРЕ
HIGH RESOLUTION IMAGING DEVICE IN A LENSLESS 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 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 (US 8125559, кл. H04N 5/225, 26.11.2009 г.) и патент на оборудование для обработки сигналов формирования синтетического изображения для вигнитных оптоэлектронных массивов, безобъективных камер и встроенных камер-дисплеев (US 8284290, кл. H04N 5/225, H04N 5/30; H04N 5/3696; H04N 5/374, 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» (CN 111448796, кл. G02B 5/18; G03B 11/00; H04N 5/369; H04N 9/07, 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» (WO 2021111888, кл. G02B 13/00; G02B 3/00; G02B 3/08; G02B 7/02; G03B 15/00; H04N 5/225, 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 устройству 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 устройства 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 устройства направлен на увеличение 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, 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.
Устройство 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 оптически связанных: разделительной призмы 2, отражательной призмы 3, двух кодирующих масок (апертур) 4, 5, двух многоэлементных преобразователей 8, 9 в виде матрицы из приборов с зарядовой связью (ПЗС-матрицы), двух аналого-цифровых преобразователей 10, 11, последовательно электрически соединенных с электронно-вычислительной машиной (ЭВМ) 12.
Также на фигуре показаны падающие с объекта лучи 1, прошедшие через кодирующую матрицу 4 лучи 6, прошедшие через кодирующую матрицу 5 лучи 7.
Устройство работает следующим образом.
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 кодирующей маске (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.
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.