Система для отримання цифрового зображення в заданому спектральному інтервалі

Реферат: Система для отримання цифрового зображення в заданому спектральному інтервалі складається із послідовно розташованих по ходу вхідного оптичного випромінювання блока розділення світлового потоку, світлочутливих елементів та з'єднаного з ними електронного блока обробки інформації. Блок розділення світлового потоку містить матрицю світлових затворів, збиральний об'єктив, крім того система додатково містить розсіювальний об'єктив, дисперсійну призму та матрицю паралельних світлових затворів, причому вхід управління матриці паралельних світлових затворів і виходи світлочутливих елементів підключені до входів електронного блока обробки інформації. UA 95692 U (54) СИСТЕМА ДЛЯ ОТРИМАННЯ ЦИФРОВОГО ЗОБРАЖЕННЯ В ЗАДАНОМУ СПЕКТРАЛЬНОМУ ІНТЕРВАЛІ UA 95692 U UA 95692 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до області оптико-електронної техніки і може бути використана для створення відеокамер, фотокамер і різних оптико-електронних приладів. Для визначення спектрального діапазону реєстрованого вхідного оптичного випромінювання світлочутливою матрицею CCD (англ. - Couple-Charged Device) або сенсором або фотоматрицею (головна частина цифрової камери або ж іншого пристрою), яка реєструє падаюче на неї світло, визначається чутливістю окремо взятого світлочутливого елементу, який в сучасних пристроях, як правило, складається з декількох складових елементів (фотодіод, фоторезистор і т.д.) над кожним, з яких встановлений світлофільтр, що пропускає тільки один з трьох кольорів: червоний, зелений, синій або жовтий, пурпурний, бірюзовий. Сигнали від складових елементів підсумовуються на основі чого формується колір світлового Випромінювання, падаючого на світлочутливий елемент (піксель зображення). Недоліком даної схеми є те, що: - світловий пучок падаючий на елемент умовно ділиться на три для об'єкта проектування на кожен складовий елемент відповідальний за прийом світла в заданому інтервалі спектра (за рахунок використання світлофільтру), відповідно світлосила світлочутливого елементу зменшується в три рази; - для отримання зображення в певному спектральному діапазоні вхідного оптичного випромінювання або виключення з зображення певного інтервалу спектрального діапазону вхідного оптичного випромінювання необхідне застосування світлофільтру або декількох світлофільтрів, це позначається на як на якості зображення, так і на зменшенні світлосили пристрою. - розмір світлочутливих елементів фотоматриці визначається як відношення розміру фотоматриці до числа світлочутливих елементів розташованих на ній, так як розмір фотоматриці обмежений габаритами пристрою для збільшення її роздільної здатності (числа світлочутливих елементів) необхідне зменшення площі окремого світлочутливого елементу, що веде до зменшення кількості зібраного їм світла і зменшенню світлочутливості фотоматриці в цілому. Відповідно для збільшення роздільної здатності фотоматриці без зменшення її світлочутливості необхідне збільшення її розмірів (габаритів пристрою); - Також, конструктивною особливістю фотоматриці є неоднорідність розташованих на ній світлочутливих елементів (технічно неможливе створення фотоматриці з абсолютно ідентичними світлочутливими елементами), що веде до флуктуації такого її параметра як "рівень чорного" внаслідок того, що значення сигналу кожного світлочутливого елементу при відсутності світла падаючого на фотоматрицю відрізняється (так званий шум ФМ). - Таким чином, недоліками фотоматориці (а отже і пристроїв побудованих на її основі) є: - неможливість збільшення роздільної здатності фотоматриці без втрати її світлочутливості при збереженні її розмірів; - шум фотоматриці внаслідок неоднорідності світлочутливих елементів; обмежені характеристики світлочутливих елементів через зменшення їх розмірів для інтеграції на фотоматрицю. З рівня техніки відома оптична система [Патент US № 6870690, МПК (302В15/00, G02B13/14, опубл. 22 березня 2005 p.], яка заснована на використанні одиночної лінзи або оптичної системи для зображення в двох різних оптичних діапазонах. Одиночна лінза або оптична система використовуються для зображення, сформованого в двох різних спектральних діапазонах, наприклад в діапазонах видимого та інфрачервоного світла. Дводіапазонний синглет сформований з першого, більшого оптичного елемента, які для роботи з першим спектральним діапазоном. Менший елемент застосовується для роботи з другим спектральним діапазоном і всередині апаратури, вирізаючи її з першого компонента, формуючи, таким чином, дводіапазонний синглет, який може працювати на двох різних довжинах хвиль. Дана система не дозволяє отримати зображення в певному (заданому) діапазоні цифрового зображення. В основу корисної моделі поставлена задача розробки системи для отримання цифрового зображення в заданому спектральному інтервалі, в якій шляхом нових конструктивних змін, досягається можливість зміни меж даного спектрального інтервалу (інтервалів) і інтенсивності світлового потоку даного інтервалу (інтервалів), та одночасно досягається можливість вибірково виключати з формованого зображення необхідний спектральний інтервал (інтервали) з можливістю зміни їх меж та інтенсивністю світлового потоку. Поставлена задача вирішується тим, що запропонована система для отримання цифрового зображення в заданому спектральному інтервалі, що складається із послідовно розташованих по ходу вхідного оптичного випромінювання блока розділення світлового потоку, світлочутливих елементів та з'єднаного з ними електронного блока обробки інформації, в якій згідно корисної моделі блок розділення світлового потоку містить матрицю світлових затворів, збиральний 1 UA 95692 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 об'єктив, крім того система додатково містить розсіювальний об'єктив, дисперсійну призму та матрицю паралельних світлових затворів, причому вхід управління матриці паралельних світлових затворів і виходи світлочутливих елементів підключені до входів електронного блока обробки інформації. Корисна модель пояснюється кресленнями, де на Фіг. 1 схематично зображено систему для отримання цифрового зображення в заданому спектральному інтервалі, Фіг. 2, 3, 4, 5 та 6 зображено приклад поділу блоком розділення вхідного світлового потоку на матрицю світлових пучків, на Фіг. 7 наведений приклад поділу матрицею паралельних світлових затворів світлового пучка білого світла, на Фіг. 8 - вміст пам'яті електронного блока, а на Фіг. 9 наведено приклад генерації електронним блоком картинки вхідного зображення, на Фіг. 10 зображена матриця паралельних світлових затворів, на Фіг. 12 зображена схема системи по першому прикладу реалізації корисної моделі, на Фіг. 12 зображено схему отримання першого пікселя зображення та на Фіг. 13 - схему отримання другого пікселя зображення відповідно першому прикладу реалізації, на Фіг. 14 зображена схема системи по другому прикладу реалізації корисної моделі, на Фіг. 15 зображено схему отримання першого пікселя зображення та на Фіг. 16 - схему отримання другого пікселя зображення відповідно другому прикладу реалізації. Запропонована система для отримання цифрового зображення в заданому спектральному інтервалі складається із послідовно розташованих по ходу вхідного оптичного випромінювання блока розділення світлового потоку 1, розсіювальний об'єктив 2, дисперсійну призму 3 та матрицю паралельних світлових затворів 4, світлочутливих елементів 5, а вхід управління матриці паралельних світлових затворів 4 і виходи світлочутливих елементів 5 підключені до входів електронного блока обробки інформації 6. Вхідний світловий пучок проходячи через блок розділення 1 розділяється на матрицю складових його світлових пучків, число яких відповідає роздільній здатності пристрою. Далі блок розділення 1 послідовно проектує кожен світловий пучок на розсіювальний об'єктив 2, який змінює напрямок падаючих на нього світлових пучків таким чином, що всі вони проектуються в одну точку на дисперсійну призму 3. Проходячи через дисперсійну призму світловий пучок через явище дисперсії світла перетворюється в розбіжний пучок світла і проектується на матрицю паралельних світлових затворів 4. При проходженні через матрицю паралельних світлових затворів 4 світловий пучок розділяється на матрицю складових його світлових пучків, число яких дорівнює числу затворів матриці паралельних світлових затворів 4. Залежно від поточного режиму роботи матриці паралельних світлових затворів 4 пропускаються необхідні світлові пучки, які проектуються на світлочутливі елементи 5. Світлочутливі елементи 5 перетворюють світловий пучок, який проектується на них в електричний сигнал, який визначає колірні характеристики і яскравість світлового пучка (формується піксель вихідного зображення), після чого електричний сигнал надходить в електронний блок 6, де він збережуться для його подальшої обробки. Після отримання електронним блоком 6 всіх даних по всіх світлових пучках матриці світлових пучків, ним виробляється генерація картинки вихідного зображення на підставі збережених даних. На Фіг. 2-6 зображено приклад поділу блоком розділення 1 вхідного світлового потоку на матрицю світлових пучків, яка складається з чотирьох світлових пучків (2 ряди, 2 стовпця), які відповідають зображенню в чотири пікселя (2 ряди, 2 стовпця) і послідовну проекцію отриманих світлових пучків на фотоелемент 3. На Фіг. 2 блок розділення 1 неактивний (не пропускає світло на розсіювальний об'єктив 2, вихідне зображення цілком проектується на нього). На Фіг. 3,4, 5 та 6 блок розділення 1 послідовно проектує на розсіювальний об'єктив 1-й, 2-й, 3-й, 4-й пікселі зображення. На Фіг. 7 наведений приклад поділу матрицею паралельних світлових затворів 4 світлового пучка білого світла на матрицю, що складається з 8 Складових світлових пучків. Матриця паралельних світлових затворів 4 може блокувати проходження будь-якого світлового пучка залежно від поточного режиму роботи пристрою. На Фіг. 8 та 9 наведено приклад генерації електронним блоком 4 картинки вхідного зображення розміром 2×2 пікселя на підставі даних про колір і яскравість 4-х світлових пучків збережених ним у своїй пам'яті. На Фіг. 8 показано вміст пам'яті електронного блока 4 з даними сканування 4-х світлових пучків (яскравість, колір, послідовний номер світлового потоку позначено І, II, III, IV). На Фіг. 9 показано генерацію електронним блоком 4 зображення розміром 2×2 пікселя, на підставі даних про сканування 4-х світлових пучків, які зберігаються в його пам'яті. Світлочутливі елементи можуть складатися з декількох складових фотоелементів (таких як фотодіод, фоторезистор і т. д.), кожний з яких налаштований на прийом певного світлового пучка (або групи світлових пучків) що дає можливість застосовувати різні фотоелементи, кожен 2 UA 95692 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 з яких оптимізовано для прийому світлового випромінювання в заданому діапазоні частот спектра. На Фіг. 10 зображена матриця паралельних світлових затворів, в якій світлові затвори виконані у вигляді паралельних горизонтальних пластин. Введені позначення, де 7 - активні затвори (не пропускають світло), 8 - неактивний затвор (світло через нього проходить безперешкодно), 3 - проекція смуги світла, що проходить через неактивний затвор. Корисна модель пояснюється конкретними прикладами реалізації. Приклад 1. Блок розділення 1 складається (див. Фіг. 11) з матриці світлових затворів 10, поверхня якої розташована перпендикулярно вхідному світловому потоку, далі розташований збиральний об'єктив 11, що складається з однієї або декількох лінз в залежності від конструктивних особливостей пристрою. За блоком розділення 1 знаходиться розсіювальний об'єктив 2, він розташований у фокусі збирального об'єктиву 11. Розсіювальний об'єктив 2 проектує вихідний світловий потік на одну зі сторін дисперсійної призми 3 (кут падіння світлового потоку розраховується з конструктивних особливостей використовуваної призми). Проходячи через дисперсійну призму 3 світловий пучок перетвориться в розбіжний світловий пучок, який проектується на матрицю паралельних світлових затворів 4, яка розташована перпендикулярно оптичної осі світлового пучка проектованого на неї, ряди затворів орієнтовані паралельно лініям спектра світлового пучка. Закриваючи певні затвори матриця паралельних світлових затворів 4 може блокувати проходження конкретних світлових пучків, кожен з яких відповідає певному діапазону спектра, число затворів визначається конструкцією пристрою. Далі по ходу світлового пучка паралельно матриці паралельних світлових затворів 4 розташовані світлочутливі елементи 5. Вхід управління матриці світлових затворів і вихід світлочутливих елементів з'єднані з електронним блоком обробки інформації 6. Електронний блок 6 здійснює управління активністю усіх затворів на матриці 10 світлових затворів та матриці паралельних світлових затворів 4, тобто здійснює відкривання/закривання будь якого затвору. На початку процесу отримання даних електронним блоком 6 проводиться початкова ініціалізація шляхом закриття всіх затворів матриці 10 світлових затворів та відкриття всіх затворів матриці паралельних світлових затворів 4. Залежно від поточного режиму роботи електронний блок 6 закриває певні шари матриці паралельних світлових затворів 4 для блокування попадання світлових хвиль конкретного діапазону на світлочутливі елементи 5. Для отримання інформації першого світлового пучка (1-й піксель зображення) електронний блок 6 відкриває перший затвор 12 матриці 10 світлових затворів (див. Фіг. 12), вхідний світловий потік проходячи через нього перетворюється в 1-й виділений світловий пучок, який пройшовши через збиральний об'єктив 11 проектується на розсіювальний об'єктив 3. Розсіювальний об'єктив 3 проектує світловий пучок на дисперсійну призму 3, проходячи через неї він перетворюється в розбіжний світловий пучок, який проектується на матрицю паралельних світлових затворів 4. Матриця паралельних світлових затворів 4 перетворює розбіжний світловий пучок в матрицю світлових пучків, блокуючи необхідні світлові пучки, після чого матриця світлових пучків проектуються на світлочутливі елементи 5, де вони перетворюється в електричний сигнал з інформацією про яскравість і колір першого пікселя зображення, інформація надходить в електронний блок 6 для подальшої обробки. Далі для отримання інформації другого світлового пучка (2-й піксель зображення) електронний блок 6 закриває перший затвор 12 на матриці 10 світлових затворів і відкриває другий затвор 13 (див. Фіг. 13). Вхідний світловий потік, проходячи через другий затвор перетвориться в 2-й виділений світловий пучок, який пройшовши через збиральний об'єктив 11, розсіювальний об'єктив 2, дисперсійну призму 3 та матрицю світлових затворів 4 також проектується на світлочутливі елементи 5, де він перетвориться в електричний сигнал з інформацією про яскравість і колір другого пікселя зображення, який далі також надходить в електронний блок 6 для наступної обробки. Число світлових пучків в матриці світлових потоків (роздільна здатність пристрою) рівне: % K=K1*K2, де: K1 - число рядів затворів в матриці світлових затворів, K2 - число стовпців затворів в матриці світлових затворів. Таким чином електронний блок 6 керуючи матрицею 11 світлових затворів отримує інформацію про всі світлові пучки матриці світлових потоків, після чого їм проводиться обробка збереженої інформації і генерації картинки вихідного зображення як було показано раніше на Фіг. 8 та 9. 3 UA 95692 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Електронний блок 6 керуючи затворами на матриці паралельних світлових затворів 4 може отримувати зображення в певному спектральному діапазоні виключаючи (шляхом блокування відповідного затвора (затворів) на матриці світлових затворів 11) світлові хвилі необхідного діапазону. Приклад 2. Блок розділення 1 світлового потоку складається (див. Фіг. 14) з матриці паралельних світлових затворів 14, поверхня якої розташована перпендикулярно вхідному світловому потоку, далі розташований циліндричний збиральний об'єктив 15, що складається з однієї або декількох лінз в залежності від конструктивних особливостей пристрою (найпростіший варіант реалізації плоско випукла циліндрична лінза). За блоком розділення знаходиться циліндричний розсіювальний об'єктив 16, він розташований у фокусі циліндричного збирального об'єктиву 15. Циліндричний розсіювальний об'єктив 16, проектує вихідний світловий потік на одну зі сторін дисперсійну призми 3 (кут падіння світлового потоку розраховується з конструктивних особливостей використовуваної призми). Проходячи через дисперсійну призму 3, світловий потік перетвориться в розбіжний світловий потік, який проектується на матрицю паралельних світлових затворів 4, яка розташована перпендикулярно оптичної осі світлового потоку проектованого на неї, ряди затворів орієнтовані паралельно лініям спектра світлового потоку. Закриваючи певні затвори матриці паралельних світлових затворів 4 можливо блокувати проходження конкретних світлових пучків, кожен з яких відповідає певному діапазону спектра, число затворів визначається конструкцією пристрою. Далі по ходу світлових пучків паралельно матриці паралельних Світлових затворів 4 розташовані світлочутливі елементи 5, кожен світлочутливий елемент відділений від сусіднього екраном 17. Вхід управління матриці паралельних світлових затворів 4, матриці паралельних світлових затворів 14 і вихід всіх світлочутливих елементів з'єднані з електронним блоком обробки інформації 6. Електронний блок 6 здійснює управління активністю усіма затворами на матриці паралельних світлових затворів 4 та матриці паралельних світлових затворів 14, тобто ним може бути відкритий/закритий будь-який затвор. На початку процесу отримання даних електронний блок 6 здійснює початкову ініціалізацію шляхом закриття ним усіх затворів на матриці паралельних світлових затворів 14 і відкриття всіх затворів матриці паралельних світлових затворів 4. Залежно від поточного режиму роботи електронний блок 6 закриває певні шари матриці паралельних світлових затворів 4 для блокування попадання світлових хвиль конкретного діапазону на світлочутливі елементи 5. Для отримання інформації першого світлового потоку (1-й піксель зображення) (див. Фіг. 15) електронний блок 6 відкриває перший затвор 18 матриці паралельних світлових затворів 14, вхідний світловий потік проходячи через нього, перетвориться в перший світловий пучок, який пройшовши через циліндричний збиральний об'єктив 15 проектується на циліндричний розсіювальний об'єктив 16. Циліндричний розсіювальний об'єктив 16 проектує світловий пучок на дисперсійну призму, проходячи через яку він перетвориться в розбіжний світловий пучок, який проектується на матрицю паралельних світлових затворів 4. Матриця паралельних світлових затворів 4 перетворює розбіжний світловий пучок в матрицю світлових пучків, блокуючи необхідні світлові пучки, після чого матриця світлових пучків проектуються на світлочутливі елементи. Світловий пучок, що проектується на перший світловий елемент відповідає першому пікселю поточного ряду зображення, після перетворення в електричний сигнал з інформацією про яскравість і колір першого пікселя зображення, інформація надходить в електронний блок 6 для подальшої обробки. Так здійснюється отримання даних за всіма світлочутливими елементами поточного ряду (дані по всіх пікселям зображення поточного ряду). Далі для отримання інформації другого ряду зображення (див. Фіг. 16 електронний блок 6 закриває перший затвор 18 на матриці паралельних світлових затворів 14 і відкриває другий затвор 19. Вхідний світловий потік проходячи через другий затвор 19, перетвориться в другий світловий пучок, після чого проводиться обробка даних з усіх світлочутливих елементів аналогічно як було описано раніше. Роздільна здатність пристрою дорівнює: K=K1*K2, де: K1 - число рядів затворів в матриці паралельних світлових затворів 14. K2 - число світлочутливих елементів. Таким чином електронний блок керуючи матрицею паралельних світлових затворів 14 отримує інформацію про всі світлові пучки матриці світлових пучків, після чого їм проводиться обробка збереженої інформації і генерації картинки вихідного зображення як було показано раніше на Фіг. 8 та Фіг. 9. 4 UA 95692 U 5 Електронний блок 6 керуючи затворами на матриці паралельних світлових затворів 4 може отримувати зображення в певному спектральному діапазоні виключаючи (шляхом блокування відповідного затвора (затворів) на матриці паралельних світлових затворів 14) світлові хвилі необхідного діапазону. Запропонована корисна модель може знайти застосування для створення відеокамер, фотокамер і різних оптико-електронних приладів. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 10 15 Система для отримання цифрового зображення в заданому спектральному інтервалі, що складається із послідовно розташованих по ходу вхідного оптичного випромінювання блока розділення світлового потоку, світлочутливих елементів та з'єднаного з ними електронного блока обробки інформації, яка відрізняється тим, що блок розділення світлового потоку містить матрицю світлових затворів, збиральний об'єктив, крім того система додатково містить розсіювальний об'єктив, дисперсійну призму та матрицю паралельних світлових затворів, причому вхід управління матриці паралельних світлових затворів і виходи світлочутливих елементів підключені до входів електронного блока обробки інформації. 5 UA 95692 U 6 UA 95692 U 7 UA 95692 U 8 UA 95692 U 9 UA 95692 U Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 10