ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ГОЛОГРАФИЧЕСКОЙ ВИДЕОКАМЕРЫ
OPTICAL SYSTEM FOR HOLOGRAPHIC VIDEO CAMERA

Изобретение относится к технологии конструирования видеокамер высокого разрешения, в частности к созданию оптических систем для голографических видеокамер, работающих в условиях недостаточного освещения.
Большинство известных оптических систем для видеокамер, которые позволяют получать высококачественные цветные изображения в условиях недостаточного освещения или строить псевдотрехмерное изображение, основаны на комбинации двух раздельных каналов для видимого и инфракрасного излучения соответственно. Многие из таких оптических систем используют сложные объективы, в которых часть линз используется только для фокусировки видимого излучения, а другая часть - только для фокусировки инфракрасного излучения. Другие модификации оптических систем для видеокамер, работающих в сложных условиях, основаны на едином объективе и системе отражающих зеркал.
Из уровня техники известна камера (см. выложенную заявку на патент США №20100066854) [1], способная создавать карту глубины для построения псевдотрехмерных изображений, включающая в себя систему формирования изображения, имеющую первую глубину резко изображаемого пространства для одного или нескольких первых цветов и вторую глубину резко изображаемого пространства, меньшую, чем первая, для одного или нескольких вторых цветов. Система формирования изображения может включать ирисовую диафрагму с первой апертурой для первого цвета или цветов и вторую апертуру, большую чем первую, для второго цвета или цветов. Первая апертура может быть определена внешним темным кольцом (1), а вторая - внутренним цветным кольцом (2). Внутреннее кольцо (2) блокирует первый цвет(а) и пропускает второй цвет(а). Изображение, формируемое первым кольцом, резче, и его резкость может быть воспроизведена при обработке других изображений.
Из уровня техники известна также оптическая система (см. патент США №6870690) [2], основанная на использовании одиночной линзы или оптической системы для изображения в двух разных оптических диапазонах. Одиночная линза или оптическая система используются для изображения, сформированного в двух различных спектральных диапазонах, например в диапазонах видимого и инфракрасного света. Двухдиапазонный синглет сформирован из первого, большего оптического элемента, применяемого для работы с первым спектральным диапазоном. Меньший элемент применяется для работы со вторым спектральным диапазоном и внутри апертуры, вырезая ее из первого компонента, формируя, таким образом, двухдиапазонный синглет, который может работать на двух различных длинах волн.
В опубликованном патенте США №5212375 [3] предложена система определения фокуса цифровой камеры на основе голографического разделителя пучка света. В этой, наиболее близкой к заявляемому изобретению, системе предусмотрено наличие, по меньшей мере, одного голографического элемента, расположенного на оптическом пути фотографического объектива; такой элемент служит для разделения излучения на несколько различных пучков, один из которых попадает на изображающий детектор видеокамеры, и, по меньшей мере, один из остальных пучков попадает на детектор для фокусировки.
Голографический оптический элемент (именуемый в дальнейшем по тексту - ГОЭ) в зависимости от дифракционной функции голограммы используется как линза, зеркало, светоделительная призма и т.д. Так как ГОЭ работает только для записи картины интерференции пучков света в тонкой плоскости, то структура его и принцип работы очень просты, а именно два пучка излучения, проходящие через различные области оптической системы, разведены в разных направлениях одиночной ГОЭ, расположенной ближе к объекту, чем первичная плоскость изображения, для формирования двух изображений на приемниках излучения. Фокусировка осуществляется путем определения разности фаз между выходными сигналами, полученными с приемников излучения. Это позволяет избавиться от нескольких дополнительных элементов, таких как полевая диафрагма, конденсорная линза, зеркало, аппретурная диафрагма. Это упрощает конструкцию камеры и позволяет сделать ее более компактной.
Следует отметить, что ГОЭ, которые могут быть сформированы на различных пластиках, дешевы и просты по структуре. Таким образом, дешевизна и простота структуры одиночного ГОЭ делают возможным его использование для разделения светового пучка на фотографическую систему и систему фокусировки, а также позволяет осуществить фокусировку в процессе фотографирования.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в том, чтобы разработать для видеокамеры более компактную, простую в изготовлении и легкую оптическую систему, в которой для видимого света и инфракрасного света можно использовать единый объектив, а карту глубины для создания псевдотрехмерного изображения можно формировать дистанционно.
Технический результат достигается за счет разработки усовершенствованной оптической системы для голографической видеокамеры, при этом такая система включает в себя:
- по меньшей мере, один оптический волновод с, по меньшей мере, одним вводящим голографическим элементом на его поверхности;
- по меньшей мере, один объектив;
- детектор для видимого излучения;
- детектор для инфракрасного излучения;
- фотоэлектрический преобразователь, соединенный с детектором для видимого излучения и с детектором для инфракрасного излучения;
причем отличительные признаки такой конструкции заключаются в том, что
- вводящий голографический элемент выполнен с возможностью разделять входящее излучение на видимую и инфракрасную части;
- оптический волновод выполнен с возможностью переносить видимую часть излучения в направлении детектора для видимого излучения и инфракрасную часть излучения в направлении детектора для инфракрасного излучения;
- объектив выполнен с возможностью формировать изображение объекта через оптический волновод и голографический элемент на детекторе;
- фотоэлектрический преобразователь выполнен с возможностью фиксировать разницу по фазе между выходными сигналами, представляющими собой распределение интенсивности излучения в изображениях, полученных с детекторов для видимого и инфракрасного излучения.
Сущность заявляемого изобретения далее поясняется с привлечением графических материалов, где представлены:
Фиг.1. Структура заявляемого изобретения (вводящий голографический элемент и детектор для инфракрасного излучения расположены непосредственно на одном из оптических элементов объектива)
Элементы:
10 - общий объектив
20 - объектив для видимого излучения
30 - детектор для видимого излучения
50 - детектор для инфракрасного излучения
60 - оптический волновод
80 - вводящий голографический элемент.
Фиг.2. Структура заявляемого изобретения (электрически контролируемый вводящий голографический элемент)
Элементы:
10 - общий объектив
20 - объектив для видимого излучения
30 - детектор для видимого излучения
50 - детектор для инфракрасного излучения
60 - оптический волновод
80 - вводящий голографический элемент
140 - модуль управления дифракционной эффективностью.
Фиг.3. Структура заявляемого изобретения (вводящий голографический элемент расположен непосредственно на одном из оптических элементов объектива)
Элементы:
10 - общий объектив
20 - объектив для видимого излучения
30 - детектор для видимого излучения
40 - объектив для инфракрасного излучения
50 - детектор для инфракрасного излучения
80 - вводящий голографический элемент.
Фиг.4. Структура заявляемого изобретения (вводящий голографический элемент расположен непосредственно на одном из оптических элементов объектива и детектор для инфракрасного излучения имеет высокое разрешение)
Элементы:
10 - общий объектив
20 - объектив для видимого излучения
30 - детектор для видимого излучения
40 - объектив для инфракрасного излучения
50 - детектор для инфракрасного излучения
80 - вводящий голографический элемент.
Фиг.5. Структура заявляемого изобретения (дополнительная инфракрасная подсветка)
Элементы:
10 - общий объектив
20 - объектив для видимого излучения
30 - детектор для видимого излучения
40 - объектив для инфракрасного излучения
50 - детектор для инфракрасного излучения
80 - вводящий голографический элемент
120 - голографический структурированный элемент подсветки
130 - инфракрасный лазер.
Фиг.6. Структура заявляемого изобретения (с отражающим вводящим голографическим элементом)
Элементы:
10 - общий объектив
20 - объектив для видимого излучения
30 - детектор для видимого излучения
40 - объектив для инфракрасного излучения
50 - детектор для инфракрасного излучения
150 - отражающий вводящий голографический элемент.
Голографическая видеокамера состоит из: оптического волновода с голографическими оптическими элементами, нанесенными на его поверхность, которые обеспечивают разделение входящего излучения на видимую и инфракрасную части; общего оптического объектива, передающего входное излучение от входа системы до оптического волновода; объектива для видимого излучения, который формирует изображение на детекторе для видимого света, и объектива для инфракрасного излучения, который формирует изображение на детекторе для инфракрасного излучения. Голографические оптические элементы выбираются отражающего или пропускающего типа с электрически или оптически контролируемой дифракционной эффективностью и селективностью.
Общий объектив 10 проецирует входное изображение в плоскость, пропускающего или отражательного, вводящего голографического элемента 80. В зависимости от конструкции вводящие голографические элементы, пропускающие или отражающие для соответствующей длины волны, располагают, например, на поверхности оптического волновода 60 (Фиг.1). В зависимости от длины волны вводящие голографические элементы 80 вводят входное излучение в оптический волновод.
Предпочтительный вариант конструкции системы - расположить вводящий топографический элемент 80 на поверхностях объектива (Фиг.1). В этом случае нет необходимости использовать специальную волноводную плату, ее роль выполняет непосредственно одна из линз объектива. Для видимого и для инфракрасного излучения используются элементы общего объектива. Детектор 50 для инфракрасного излучения также может быть расположен непосредственно на поверхности общего объектива 10.
В качестве вводящего голографического элемента 80 может быть использована голограмма с контролируемой эффективностью (например, электрически контролируемая голограмма) (Фиг.2). В этом случае степень преломления излучения контролируется специальным модулем 140 управления дифракционной эффективностью.
Пример реализации оптической системы в голографической видеокамере приведен на Фиг.1. Голографическая видеокамера содержит оптический волновод 60, вводящий голографический элемент 80, который делит входное излучение, прошедшее через общий объектив 10, на видимую и инфракрасную части. Объектив 20 для видимого излучения фокусирует видимую часть входного излучения на детектор 30 для видимого излучения, тогда как общий объектив 10 фокусирует инфракрасную часть входного излучения на детектор 50 для инфракрасного излучения.
Входящее излучение, имеющее в своем составе видимую и инфракрасную составляющие, проходит через общий объектив 10 и приходит на оптический волновод 60 с вводящим голографическим элементом 80 на его поверхности. Вводящий голографический элемент 80 имеет нулевую оптическую силу для видимого излучения, которое проходит через него, и, фокусируясь при помощи объектива 20 для видимого излучения, попадает на детектор 30 для видимого излучения. Инфракрасное излучение отражается от вводящего голографического элемента 80. Распространяясь в оптическом волноводе 60, инфракрасное излучение попадает на детектор 50 для инфракрасного излучения.
Вводящий голографический элемент 80 расположен на поверхности одной из линз объектива 10 так, что входящее излучение дифрагирует на нем, приводя к возникновению волноводных мод внутри линзы, при этом излучение определенной длины волны, в данном случае излучение инфракрасного диапазона, отделяется от входящего излучения и детектируется детектором 50 для инфракрасного излучения и не детектируется детектором 30 для видимого излучения.
Схема позволяет использовать различные типы вводящих голографических элементов - отражающего типа, пропускающего типа или их комбинации.
На Фиг.2 показан альтернативный вариант системы. Система работает следующим образом: падающий свет диффрагирует на вводящем голографическом элементе 80, который выполнен в виде электрически контролируемого голографического элемента и соединен с модулем 140 управления дифракционной эффективностью. Такое решение позволяет увеличить эффективность отделения инфракрасного излучения. При этом указанный вводящий голографический элемент 80 также может быть выполнен в форме набора электрически контролируемых голограмм, каждая из которых может работать в отдельном спектральном диапазоне. Таким образом, модуль 140 управления дифракционной эффективностью может выбирать необходимый для работы спектральный диапазон.
На Фиг.3 показан еще один вариант системы, где высокое качество инфракрасного канала достигается путем использования специальной обработки изображения.
Приведенный на Фиг.4 вариант системы отличается тем, что содержит инфракрасный канал с высокоразрешающим детектором и качеством изображения, идентичном видимому каналу.
На Фиг.5 показан вариант системы с осветителем для создания карты глубины для псевдотрехмерного изображения. Осветитель содержит инфракрасный лазер 130 и голографический структурированный элемент 120 подсветки, который формирует полосы в плоскости объекта. Осветитель освещает объект через голографический структурированный элемент подсветки, и смещение изображения полос на детекторе для инфракрасного излучения определяет карту глубины объекта.
На Фиг.6 показан вариант системы, где для повышения эффективности и селективности инфракрасного канала используется вводящий голографический элемент отражающего типа.
Все описанные варианты исполнения системы связаны единым изобретательским замыслом и призваны решать одну и ту же задачу.
Из приведенных выше примеров видно, что возможны различные варианты реализации основной концепции, заложенной в заявленном изобретении.
В частности, имеет смысл, чтобы в заявляемой оптической системе оптический волновод был выполнен с размещенным на его поверхности детектором инфракрасного излучения, а объектив был бы  выполнен в виде объектива для видимого излучения, способного формировать изображение объекта через оптический волновод и вводящий голографический элемент на детекторе для видимого излучения.
Также имеет смысл, чтобы в заявляемой оптической системе функцию оптического волновода исполнял общий объектив, выполненный с возможностью переноса видимой части излучения в направлении объектива для видимого излучения и формирования изображения объекта на детекторе для инфракрасного излучения.
В другом варианте реализации предлагается, чтобы общий объектив был снабжен вводящим голографическим элементом на его последней поверхности, причем такой объектив выполняют с возможностью переноса видимой части излучения в направлении объектива для видимого излучения и инфракрасной части излучения в направлении объектива для инфракрасного излучения.
Еще один вариант предусматривает, что заявляемая оптическая система дополнительно включает:
- голографический структурированный элемент подсветки,
- инфракрасный лазер, причем
- голографический структурированный элемент подсветки выполнен с возможностью формирования полосы в плоскости объекта;
- инфракрасный лазер выполнен с возможностью освещения объекта через голографический структурированный элемент подсветки.
Следует обратить внимание на то, что вводящий голографический элемент может быть реализован различными способами, например он может быть выполнен по типу отражающего элемента, или выполнен в виде электрически контролируемого топографического элемента и соединен с модулем управления дифракционной эффективностью, или выполнен в виде набора электрически контролируемых голографических элементов, каждый из которых выполнен с возможностью работать в отдельном спектральном диапазоне.
Кроме того, в некоторых вариантах реализации заявляемой оптической системы детектор для видимого излучения и детектор для инфракрасного излучения могут быть выполнены в виде матриц.
Следует также отметить, что поскольку нулевой порядок прошедшего через ГОЭ излучения дает небольшую хроматическую аберрацию, желательно, чтобы фотографическая оптическая система имела небольшой запас по хроматической аберрации.
Заявляемая оптическая система может быть эффективно использована в видеокамерах, обеспечивающих высококачественное цветное изображение в условиях недостаточной освещенности.