СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ ВЫСОКОГО РАЗРЕШЕНИЯ В БЕЗЛИНЗОВОЙ КАМЕРЕ
METHOD FOR FORMING A HIGH-RESOLUTION IMAGE IN A 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 (А.с. 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 способе получения изображения c высокой скоростью на основе безлинзовой камеры (Заявка 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.
Известно 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 способ восстановления изображения по тени от излучения на матрице детекторов (Патент RU № 2147144, МПК G06K 7/10,  G01S 3/782, опубл. 08.01.1998 г.), 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, при этом второе изображение направляется напрямую на вторую матрицу детекторов, которая, как и первая матрица детекторов, выполнена в виде матриц из приборов с зарядовой связью, в которых осуществляется преобразование оптических сигналов в электрические и далее оба сигнала оцифровываются с помощью аналого-цифровых преобразователей и поступают на обработку в электро-вычислительную машину.
Устройство, реализующее способ, представлено на фиг.1.
На фиг.2 показан пример кодирующей маски (апертуры).
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, каждое из которых подключено к электронно-вычислительной машине (ЭВМ) 10. Так же на рисунке показаны падающие с объекта лучи 1 и прошедшие через кодирующую матрицу 4 лучи 5.
Рассмотрим пример осуществления способа на примере работы устройства формирования изображения высокого разрешения в безлинзовой камере.
U
U(i, j),
F
F(k, l)
A(k, l)
(k, l)
A(k, l)=1
A(k, l)=0
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. В ЭВМ для анализа электрического сигнала, поступающего с матрицы ПЗС 6 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:
где * - обозначает свертку.
Уравнение (1) служит отправной точкой для восстановления изображения, после кодирующей маски 4.
Для анализа электрического сигнала, поступающего с матрицы ПЗС 9 в ЭВМ 10, происходит численное восстановление голограммы в соответствии со скалярной теорией дифракции в приближении Френеля для интеграла дифракции Рэлея-Зоммерфельда. Восстановленное дифрагированное поле  в плоскости изображения  на расстоянии  от плоскости голограммы может быть представлено в параксиальном приближении следующим образом:
где:  - комплексная амплитуда опорной волны,
- распределение интенсивности в плоскости записи голограммы
,
где:  комплексная амплитуда объектной волны.
Уравнение (2) служит отправной точкой для численного восстановления изображения в цифровой голографии в параксиальном приближении.
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.