Датчик изображения на основе матрицы байера

Изобретение относится к устройствам захвата изображений, а именно к датчику изображения, содержащему матрицу Байера. Техническим результатом является восстановление мультиспектрального изображения посредством датчика изображения, использующего матрицу Байера, чувствительную к двум полосам длин волн, с генерированием существенной дисперсии оптического импульсного отклика. Результат достигается тем, что датчик изображения содержит оптическую систему (2а) для приема оптического сигнала; матрицу (4) Байера, расположенную в фокальной плоскости изображения оптической системы (2а), причем матрица (4) Байера содержит: опорный оптический фильтр (B1), выполненный с возможностью устранять или подавлять в принятом оптическом сигнале первую полосу длин волн и пропускать в принятом оптическом сигнале вторую полосу длин волн, а также восемь оптических фильтров, смежных с опорным оптическим фильтром (B1); фазовую маску (2с, 22, 28), расположенную на зрачке (2b) оптической системы (2а) и выполненную с возможностью избирательно проецировать по меньшей мере 98% энергии оптического сигнала, переносимой в первой полосе длин волн, и 98% энергии оптического сигнала, переносимой во второй полосе длин волн, на опорный оптический фильтр (B1) и на по меньшей мере один смежный оптический фильтр, который выполнен с возможностью пропускать в принятом оптическом сигнале первую полосу длин волн. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 17 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к датчику изображения, содержащему матрицу Байера.

Уровень техники

Из уровня техники известен датчик изображения, содержащий матрицу Байера и фотодетектор, расположенный после матрицы Байера.

Как известно, матрица Байера содержит несколько оптических фильтров, расположенных в шахматном порядке и чувствительных к различным длинам волн. Таким образом, матрица Байера обычно содержит по меньшей мере следующие девять оптических фильтров:

- опорный оптический фильтр, выполненный с возможностью устранять или подавлять в принятом оптическом сигнале первую полосу длин волн, содержащую первую длину волны, но пропускать вторую полосу длин волн, содержащую вторую длину волны,

- восемь оптических фильтров, смежных с опорным оптическим фильтром, четыре из которых выполнены с возможностью пропускать в принятом оптическом сигнале первую полосу длин волн и устранять или подавлять вторую полосу длин волн.

Фотодетектор, расположенный после матрицы Байера, позволяет восстановить изображение, причем каждый пиксел изображения соответствует одному из оптических фильтров матрицы Байера. Таким образом, опорный пиксел изображения точно соответствует вышеупомянутому опорному фильтру.

Восстановленное изображение несет информацию в двух спектральных полосах, к которым чувствительна матрица Байера.

В частности, опорному пикселу изображения присваивают цвет из первой части информации, относящейся к первой полосе длин волн, и из второй части информации, относящейся к второй полосе длин волн.

Вторую часть информации предоставляет непосредственно фотодетектор, так как опорный оптический фильтр пропускает эту вторую полосу.

Тем не менее, первую часть информации нельзя получить таким же образом, так как опорный оптический фильтр устраняет или по меньшей мере подавляет эту первую полосу. Также, эту первую часть информации получают косвенно, комбинируя информацию, относящуюся к первой полосе длин волн, в пикселах, смежных с опорным пикселом, при этом эти пикселы связаны со смежными оптическими фильтрами, пропускающими первую полосу длин волн.

В литературе для каждого пиксела этап восстановления данных каждой из полос длин волн из информации, доступной в упомянутом пикселе или его окрестности, обычно называют "демозаикой" (или "дебайеризацией" посредством неологизма). Если полосы длин волн близки, например, в визуальных приложениях, в которых используют матрицу Байера, имеющую красный-зеленый-синий (RGB) фильтры, известные алгоритмы демозаики реализуют анализ локального градиента и отслеживают дисперсию оптического импульсного отклика, генерируемого матрицей Байера (также называемую "оптической функцией рассеяния точки", сокращенно OPSF).

Существует две основные причины, объясняющие этот подход. Из теории следует, что оптимальный оптический импульсный отклик (т.е. ограниченный дифракцией) представляет собой рисунок Эйри, первое темное кольцо которого имеет диаметр, равный 2,44*lambda*N, где lambda - рассматриваемая длина волны, а N - число F системы (N = фокусное расстояние/диаметр входного зрачка).

В случае матрицы Байера в видимом диапазоне средние длины волн спектральных полос RGB находятся сравнительно недалеко друг от друга, и, более того, OPSF (связанные со значениями оптического качества оптических фильтров, образующих матрицу Байера) далеки от предела дифракции. Это приводит к тому, что OPSF, связанные со спектральными полосами RGB, являются достаточно близкими, чтобы не заметить их разницы.

Тем не менее, в других приложениях OPSF в различных полосах длин волн, к которым чувствительна матрица Байера, могут существенно различаться; в первом примере, когда полосы длин волн далеки друг от друга; во втором примере, когда значения оптического качества оптических фильтров, составляющих матрицу Байера, таковы, что схожесть OPSF больше не является реалистичным приближением. Поэтому, демозаика, примененная для матриц Байера, работающих в видимом диапазоне, и игнорирование различий OPSF больше нельзя применять для восстановления изображения.

Эти сложности, в частности, встречаются, когда , где содержится в первой полосе, а содержится во второй полосе. Такое соотношение может возникнуть, в частности, если первая полоса выбрана из инфракрасного диапазона "SWIR" (коротковолновый инфракрасный диапазон), а вторая полоса выбрана из инфракрасного диапазона "MWIR" (средневолновый инфракрасный диапазон).

В такой конфигурации одинаковые значения оптического качества в существующем уровне техники приводят к одинаковым OPSF (например, близкие к дифракции) в отношении полосы длин волн для каждой рассматриваемой полосы длин волн, и, следовательно, к отношению между радиальными размерами OPSF, равному 2. С точки зрения пространственного распределения энергии это означает, что для одной и той же энергии бесконечно удаленной точки освещенная поверхность на уровне матричных фотодетекторов в первой полосе примерно в четыре раза меньше, чем во второй полосе.

Первый способ обойти эту проблему заключается в том, что отрегулировать число F, равное N, для первой полосы путем его увеличения, например, умножить на 2, по сравнению с N_initial, которое было выбрано для оптимальной конфигурации для второй полосы длин волн. Тем не менее, это бы привело к расширению в 2 раза радиального размера OPSF, не сближая их (с точки зрения дифракции), из одной полосы длин волн к другой, к уменьшению в 4 раза плотности энергии, приходящейся на единицу площади фотодетектора, и к увеличению в 4 раза времени экспозиции относительно конфигурации с N_initial.

Второй способ может заключаться в проектировании оптической системы, имеющей число F, равное N₁, для первой полосы длин волн, и число F, равное N₂, для второй полосы длин волн, причем N₁=N₂/2. OPSF двух полос длин волн, таким образом, были бы одинаковы (с точки зрения дифракции), но требуемое время экспозиции первой полосы длин волн увеличилось бы в 4 раза по сравнению с конфигурацией N₁=N₂.

Третий способ мог бы заключаться в том, чтобы намеренно вводить оптические искажения в конструкцию оптической системы, в частности, для лучей первого спектрального диапазона, чтобы сделать OPSF двух полос длин волн одинаковыми. Недостаток этого решения заключается в том, что это приводит к тому, что OPSF не являются пространственно совмещенными в отображаемом диапазоне.

Сущность изобретения

Цель изобретения заключается в том, чтобы сделать возможной восстановление мультиспектрального изображения посредством датчика изображения, использующего матрицу Байера, чувствительную к двум полосам длин волн, и генерируя существенную дисперсию оптического импульсного отклика.

Другая цель настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить датчик изображения, делающий изображения, восстановленные в двух таких полосах длин волн, аналогичными, так чтобы блок обработки изображений мог вычислять значения интенсивности, принятой в каждой спектральной полосе каждым элементом плоскости изображения.

Еще одна цель настоящего изобретения заключается в том, чтобы скорректировать компромисс между числом F, временем экспозиции и размером фотодетектора, применяемого в датчике изображений, использующем матрицу Байера.

Таким образом, в соответствии с первым аспектом изобретения предложен датчик изображения, содержащий:

- оптическую систему для приема оптического сигнала, причем оптическая система содержит зрачок;

- матрицу Байера, расположенную в фокальной плоскости изображения оптической системы, причем матрица Байера содержит: опорный оптический фильтр, выполненный с возможностью устранять или подавлять в принятом оптическом сигнале первую полосу длин волн и пропускать в принятом оптическом сигнале вторую полосу длин волн, а также восемь оптических фильтров, смежных с опорным оптическим фильтром;

- фазовую маску, расположенную на зрачке и выполненную с возможностью проецировать по меньшей мере 98% энергии оптического сигнала, переносимой в первой полосе длин волн, и 98% энергии оптического сигнала, переносимой во второй полосе длин волн, избирательно на опорный оптический фильтр и на по меньшей мере один смежный оптический фильтр, который выполнен с возможностью пропускать в принятом оптическом сигнале первую полосу длин волн.

Датчик изображений в соответствии с первым аспектом изобретения также может содержать следующие опциональные характеристики, как по-отдельности, так и в сочетании, если это технически возможно.

В первом варианте осуществления фазовая маска выполнена с возможностью проецировать по меньшей мере 98% упомянутой энергии избирательно на опорный оптический фильтр и два смежных оптических фильтра; каждый из двух соседних оптических фильтров также выполнен с возможностью пропускать в принятом оптическом сигнале первую полосу длин волн и устранять или подавлять в принятом оптическом сигнале вторую полосу длин волн.

Тогда, по меньшей мере 49% упомянутой энергии может быть спроецировано на опорный оптический фильтр и не больше 24,5% упомянутой энергии предпочтительно может быть спроецировано на каждый из двух смежных оптических фильтров.

Более того, фазовая маска может иметь плоскую поверхность и содержать выступ в форме треугольной призмы, выступающую от плоской поверхности, причем выступ предпочтительно содержит две свободные грани, соединенные скругленной частью.

Во втором варианте осуществления фазовая маска выполнена с возможностью проецировать по меньшей мере 98% упомянутой энергии избирательно на опорный оптический фильтр и четыре смежных оптических фильтра; каждый из четырех смежных оптических фильтров выполнен с возможностью пропускать в принятом оптическом сигнале первую полосу длин волн.

Фазовая маска в соответствии с этим вторым вариантом осуществления может быть выполнена с возможностью проецировать по меньшей мере 32% упомянутой энергии на опорный оптический фильтр.

Кроме того, фазовая маска может иметь плоскую поверхность, а также выступ, выступающий от плоской поверхности, причем выступ имеет четыре плоских грани, расположенных парами друг напротив друга, и предпочтительно соединенных скругленными частями.

Кроме того, этот выступ может иметь форму, инвариантную относительно поворота на 90 градусов вокруг оси, перпендикулярной к плоской поверхности.

В третьем варианте осуществления фазовая маска выполнена с возможностью проецировать по меньшей мере 98% упомянутой энергии избирательно на опорный оптический фильтр B1 и восемь смежных оптических фильтров.

Фазовая маска может быть выполнена с возможностью проецировать по меньшей мере 29% упомянутой энергии на опорный оптический фильтр.

Кроме того, фазовая маска может быть выполнена с возможностью проецировать по меньшей мере 58% упомянутой энергии на четыре соседних оптических фильтра, и каждый из четырех смежных оптических фильтров может быть выполнен с возможностью устранять или подавлять в принятом оптическом сигнале вторую полосу длин волн, отличную от первой полосы.

Фазовая маска может иметь плоскую поверхность, и она содержит центральный выступ, выступающий от плоской поверхности на первую высоту, а также кольцевой выступ, также выступающий от плоской поверхности на вторую высоту, меньшую, чем первая высота, при этом кольцевой выступ проходит вокруг и на расстоянии от центрального выступа.

Фазовая маска может иметь плоскую поверхность, и она содержит выступ, выступающий от плоской поверхности, причем выступ является коническим или имеет вогнутую сужающуюся поверхность.

Каждый выступ может представлять собой фигуру вращения вокруг оси, перпендикулярной к плоской поверхности.

В соответствии со вторым аспектом изобретения предложен способ получения изображения с помощью датчика изображения, содержащего оптическую систему для получения оптического сигнала, матрицу Байера, расположенную в фокальной плоскости оптической системы, причем матрица Байера содержит опорный оптический фильтр, выполненный с возможностью устранять или подавлять в принятом оптическом сигнале первую полосу длин волн, и восемь оптических фильтров, смежных с опорным оптическим фильтром, причем способ отличается тем, что посредством фазовой маски, расположенной на зрачке оптической системы избирательно проецируют по меньшей мере 98% энергии оптического сигнала, переносимой в первой полосе длин волн, и 98% энергии оптического сигнала, переносимой во второй полосе длин волн на опорный оптический фильтр и на по меньшей мере один из восьми смежных оптических фильтров, при этом матрица Байера расположена в фокальной плоскости фазовой маски.

Краткое описание чертежей

Другие характеристики, цели и преимущества изобретения будут очевидны из последующего описания, которое является только иллюстративным и неограничивающим, и которое следует читать в отношении прилагаемых чертежей, на которых:

На фиг. 1 приведен схематический вид сбоку некоторых компонентов датчика изображений в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения.

На фиг. 2 и 3 приведены частичные виды спереди матрицы Байера.

На фиг. 4 и 5 соответственно приведен вид сбоку и вид спереди фазовой маски в соответствии с первым вариантом осуществления изобретения.

На фиг. 6 представлено две кривые фазового сдвига оптического сигнала, проходящего через фазовую маску, в соответствии с первым вариантом осуществления изобретения.

На фиг. 7 представлена функция рассеяния точки фазовой маски в соответствии с первым вариантом осуществления изобретения.

На фиг. 8 показано две кривые рассеяния точки, связанные с кривыми фазового сдвига, представленными на фиг. 6.

На фиг. 9 приведен частичный вид спереди матрицы Байера, также показывающий распределение энергии, проецируемой на эту матрицу Байера фазовой маской, в соответствии с первым вариантом осуществления изобретения.

На фиг. 10 и 11 соответственно приведен вид в перспективе и вид спереди фазовой маски в соответствии со вторым вариантом осуществления изобретения.

На фиг. 12 приведен частичный вид спереди матрицы Байера, также показывающий распределение энергии, проецируемой на эту матрицу Байера фазовой маской, в соответствии со вторым вариантом осуществления изобретения.

На фиг. 13 и 14 соответственно приведен вид сбоку и вид спереди фазовой маски в соответствии с третьим вариантом осуществления изобретения.

На фиг. 15 приведен вид сбоку фазовой маски в соответствии с четвертым вариантом осуществления изобретения.

На фиг. 16 приведен вид в перспективе фазовой маски в соответствии с пятым вариантом осуществления изобретения.

На фиг. 17 приведен частичный вид спереди матрицы Байера, также показывающий распределение энергии, проецируемой на эту матрицу Байера фазовой маской, в соответствии с пятым вариантом осуществления изобретения.

На всех фигурах одинаковые элементы обозначены идентичными ссылочными позициями.

Подробное описание изобретения

Со ссылкой на фиг. 1, датчик 1 изображения содержит оптическую систему 2а, представленную здесь ее основными плоскостями H и H', зрачок 2b оптической системы, фазовую маску 2с, матрицу 4 Байера, фотодетектор 6 и блок 8 обработки изображения.

Матрица 4 Байера является обычной. Она содержит несколько оптических фильтров, расположенных на прямоугольной решетке размера N×M вдоль плоскости, заданной двумя осями: осью X и осью Y, перпендикулярной оси X (на фиг. 1 видна только ось Y).

Фотодетектор 6 расположен после матрицы 4 Байера.

Фотодетектор 6 является обычным и содержит фоточувствительную поверхность, покрытую матрицей 4 Байера.

Фотодетектор 6 приспособлен для того, чтобы для каждого оптического фильтра матрицы 4 Байера генерировать электрический сигнал из оптического сигнала, прошедшего через оптический фильтр.

Блок 8 обработки изображений, также обычный, выполнен с возможностью применять к различным электрическим сигналам, генерируемым фотодетектором 6, известные сами по себе способы обработки изображений, позволяя строить изображение, состоящее из N×M пикселов, причем каждый пиксел соответствует одному из оптических фильтров матрицы 4 Байера.

Блок 8 обработки изображений содержит, например, по меньшей мере один процессор, выполняющий программу обработки изображений, предназначенную для этой цели.

Оптическая система 2а и фазовая маска 2с имеют оптическую ось Z.

Оптическая система 2а расположена перед матрицей 4 Байера, так что матрица 4 Байера расположена в фокальной плоскости оптической системы 2а. Таким образом, фокальной плоскостью изображения оптической системы 2а является плоскость (X, Y).

Фазовая маска 2с расположена перед матрицей 4 Байера и предпочтительно расположена на зрачке 2b оптической системы.

Зрачок 2b одинаково может быть входным зрачком, т.е. изображением апертурной диафрагмы через часть оптической системы 2а, расположенную спереди, или выходным зрачком, т.е. изображением апертурной диафрагмы через часть оптической системы, расположенную дальше, или промежуточным зрачком, т.е. изображением апертурной диафрагмы только для одной части элементов оптической системы. Специалистам в области техники понятны обычные определения, а также то, что входные, выходные и промежуточные зрачки являются сопряженными друг с другом элементами оптической системы, которые их разделяют.

Фазовая маска 2с выполнена так, чтобы она могла передавать оптический сигнал различных полос длин волн. Ниже будут рассмотрены первая полоса, содержащая длину волны , и вторая полоса, содержащая длину волны .

Фазовая маска 2с сконструирована таким образом, чтобы вводить в зрачок набор однородных разностей хода Φ_DM при оптических толщинах, обычно указанных в метрических единицах "метр".

Фазовая маска 2с сконструирована таким образом, что набор разностей хода Φ_DM, видимый каждой полосой длин волн, соответствует двум сдвигам фаз и , обычно измеряемым в радианах. В конкретном случае, при , специалистам в области техники очевидно, что .

Следует отметить, что каждый из фазовых сдвигов может быть реализован по модулю , и поэтому можно записать , где k - целое число. По умолчанию в последующих вариантах осуществления изобретения k будет взято равным 0 и .

Со ссылкой на фиг. 2, матрица 4 Байера содержит по меньшей мере девять следующих оптических фильтров:

- опорный оптический фильтр B1, выполненный с возможностью устранять или подавлять в принимаемом оптическим сигнале первую полосу длин волн, но пропускать вторую полосу длин волн;

- восемь оптических фильтров B2, B3, смежных с опорным оптическим фильтром B1.

Девять фильтров B1, B2, B3 выровнены так, чтобы образовывать рисунок в виде шахматной доски 3×3, например, квадратный, если сами оптические фильтры квадратные.

Восемь смежных оптических фильтров B2, B3 содержат четыре первых смежных оптических фильтра B2, выполненных с возможностью пропускать в принятом оптическом сигнале первую полосу длин волн и устранять или подавлять вторую полосу длин волн. Четыре первых смежных фильтра B2 соединены с фильтром B1: они расположены соответственно слева, справа, над и под фильтром B1.

Восемь смежных оптических фильтров B2, B3 также содержат четыре вторых смежных оптических фильтра B3, выполненных с возможностью пропускать в принятом оптическом сигнале вторую полосу длин волн и устранять или подавлять первую полосу длин волн. Поэтому, они представляют собой фильтры того же типа, что и опорный фильтр B1. Четыре вторых смежных фильтра B3 расположены по четырем углам шахматной доски размера 3×3, образованной девятью фильтрами B1, B2, B3.

Например, если первая полоса выбрана из инфракрасного диапазона "SWIR" (коротковолновый инфракрасный диапазон), а вторая полоса выбрана из инфракрасного диапазона "MWIR" (средневолновый инфракрасный диапазон).

Фазовая маска 2с выполнена с возможностью избирательно проецировать по меньшей мере 98% энергии, переносимой оптическим сигналом в первой полосе длин волн, и 98% энергии, переносимой оптическим сигналом во второй полосе длин волн, на опорный оптический фильтр B1 и по меньшей мере на один из восьми смежных оптических фильтров B2 и B3. По соглашению "полезной энергией" в дальнейшем называют 98% этой общей энергии. Площадь матрицы 4 Байера, на которую проецируют эту полезную энергию, вписана в круг, изображенный на фиг. 3 пунктирной линией.

Обычно считается, что изображением точки, полученным с помощью оптической системы, является не точка, а дифракционная картина, которая в лучшем случае представляет собой рисунок Эйри, размеры которого связаны с длиной волны излучения, его размер определяется в первом минимуме этого профиля (начиная от центра рисунка, также называемого 1-м темным кольцом). Интеграл энергии по этому диску, находящемуся по центру рисунка, соответствует приблизительно 98% от общей энергии.

На фиг. 4 и 5 представлен первый вариант осуществления фазовой маски 2с, которая позволяет выполнить такую проекцию.

Фазовая маска 2с в соответствии с этим первым вариантом выполнена в виде фазовой пластины 10, содержащей переднюю поверхность 12 и заднюю поверхность 14, противоположную передней поверхности 12. Две поверхности 12, 14 сориентированы так, что оптический сигнал входит в пластину 10 через переднюю поверхность 12, а выходит через заднюю поверхность 14. Задняя поверхность 14 обращена к матрице 4 Байера.

Две поверхности 12, 14 являются плоскими и проходят в соответствующих плоскостях, параллельных плоскости (X, Y) матрицы 4 Байера.

Фазовая маска 2с содержит выступ 16, выступающий от передней плоской поверхности 12. Выступ 16 имеет четыре плоские грани, расположенные противоположными парами 18а-18d. Грани 18а-18d соединены друг с другом скругленными частями 20. Эти скругленные части позволяют предотвратить неконтролируемые дифракционные максимумы.

Выступ имеет форму пирамиды 18а-18d с четырьмя гранями, края которой и вершина обработана так, чтобы образовывать скругленные части 20.

Выступ 16 имеет форму, инвариантную относительно поворота на 90 градусов вокруг оси Z, перпендикулярной к передней плоской поверхности 12.

Выступ 16 не является фигурой вращения: он имеет первую ширину, измеряемую параллельно оси X или оси Y, и вторую ширину, измеряемую вдоль диагональной оси X и оси Y, и которая больше, чем первая ширина.

Размеры выступа приспособлены так, чтобы фазовая маска 2с осуществляла фазовый сдвиг оптического сигнала в первой полосе длин волн (содержащей ) в соответствии со следующим фазовым сдвигом , функция координат падения этого оптического сигнала на переднюю поверхность фазовой маски 2с:

Как показано на фиг. 6, кривая фазового сдвига в плоскости или в плоскости отличается от кривой фазового сдвига, индуцируемой фазовой маской 2с в плоскости, заданной осью Z, повернутой на 45° вокруг оси Z относительно плоскости .

Функция рассеяния точки (импульсный отклик) фазовой маски 2с для оптического сигнала в первой полосе длин волн представлена на фиг. 7 и 8. Отметим, что эта функция определяет «крест» в плоскости, параллельной плоскости (X, Y).

Следовательно, оптический сигнал, прошедший через фазовую маску 2с, может быть избирательно спроецирован на крестообразную область, избирательно охватывающую опорный оптический фильтр B1 и четыре первых смежных оптических фильтра B2, как представлено на фиг. 9. Поэтому, в этом варианте четыре других смежных оптических фильтра B3 не получают полезной энергии (следовательно, не получают энергии, переносимой оптическим сигналом в первой полосе длин волн).

Предпочтительно, фазовая маска 2с (в частности, ее выступ 16) имеет форму, рассчитанную так, чтобы по меньшей мере 50% полезной энергии было спроецировано на опорный оптический фильтр B1, что соответствует по меньшей мере 49% от общей энергии, переносимой оптическим сигналом в первой полосе длин волн.

Предпочтительно, фазовая маска 2с (в частности, ее выступ 16) имеет форму, подходящую для того, чтобы каждый из четырех первых оптических фильтров B2 принимал по меньшей мере 16,7% полезной энергии (что, таким образом, соответствует по меньшей мере 16,3% общей энергии).

Фазовую маску, например, изготавливают из ZnS с оптическим показателем для и .

Пусть R - расстояние между рассматриваемой точкой фазовой маски 2с и центром зрачка, т.е. расстояние между рассматриваемой точкой фазовой маски 2с и оптической осью Z, показанной на фиг. 1, а E - толщина фазовой пластинки между двумя ее поверхностями 12 и 14, измеряемая параллельно оси Z.

Например, если зрачок имеет радиус 10 мм, толщину фазовой маски 2с выбирают следующим образом:

- Для Rϵ[0 мм; 1,626 мм]: E+2,493 мкм

-

- и

- Для Rϵ[1,626 мм; 6,335 мм]: E

-

- и

- Для Rϵ[6,335 мм; 10 мм]: E+0.831 мкм

-

- и

Датчик 1 изображения работает следующим образом.

Оптический сигнал принимают датчиком 1 изображений. Этот оптический сигнал входит в фазовую маску 2с через ее переднюю поверхность 12, в частности, через выступ 16. Оптический сигнал проходит через пластинку 10 и выходит через заднюю поверхность 14. Во время этого прохождения оптический сигнал подвергается фазовому сдвигу. Затем, оптический сигнал проецируют на матрицу 4 Байера, избирательно на опорный оптический фильтр B1 и на четыре смежных оптических фильтра B2.

Опорный оптический фильтр B1 подавляет или устраняет в получаемом оптическом сигнале первую полосу длин волн, содержащую , но пропускает вторую полосу длин волн, содержащую . Отфильтрованный таким образом оптический сигнал детектируют фотодетектором 6, преобразуют в электрический сигнал, затем передают в блок 8 обработки изображений.

Кроме того, каждый из первых оптических фильтров B2 подавляет или устраняет в получаемом оптическом сигнале вторую полосу длин волн, содержащую , но пропускает первую полосу длин волн, содержащую . Отфильтрованный таким образом оптический сигнал детектируют фотодетектором 6, преобразуют в электрический сигнал, затем передают в блок 8 преобразования изображений.

Пять электрических сигналов, генерируемых фотодетектором 6, объединяют в соответствии с известным способом с помощью блока обработки изображений, чтобы получить цвет, связанный с пикселом изображения.

Выше предполагалось, что матрица 4 Байера содержит только 9 оптических фильтров, расположенных в шахматном порядке 3×3. Конечно, матрица Байера может содержать существенно больше оптических фильтров. Тогда, датчик изображений содержит не только одну маску 2, а столько масок 2, сколько оптических фильтров, содержащих 8 соседних фильтров, имеется в матрице 4 Байера, и которые, следовательно, можно рассматривать в качестве опорных оптических фильтров B1.

Вышеописанные этапы, таким образом, выполняют для каждого оптического фильтра, который можно рассматривать в качестве опорного оптического фильтра, чтобы получить на выходе блока 8 обработки изображений множество цветов пикселов, при этом пикселы образуют полное изображение.

На фиг. 10 и 11 представлен второй вариант фазовой маски 22, которая позволяет избирательно осуществить проекцию 98% энергии оптического сигнала, переносимого в первой полосе длин волн, на опорный оптический фильтр B1 и на по меньшей мере один смежный оптический фильтр. Фазовая маска 22 может заменить фазовую маску 2с в датчике, представленном на фиг. 1.

Фазовая маска 22 отличается от фазовой маски 2с в соответствии с первым вариантом осуществления тем, что она содержит не один единственный выступ, а два выступа 24, 26, каждый из которых выступает от передней плоской поверхности 12: центральный выступ 24 и периферический выступ 26.

Центральный выступ 24 имеет цилиндрическую форму тела вращения вокруг оси Z. Центральный выступ 24 имеет плоский верх, параллельный передней поверхности 12. Центральный выступ имеет высоту, измеряемую параллельно оси Z между передней поверхностью и его верхом, равную значению H1.

Периферийный выступ 26 имеет кольцевую или короновидную форму тела вращения вокруг оси Z. Периферийный выступ 26 расположен вокруг и на некотором расстоянии от центрального выступа 24. Периферийный выступ 26 имеет плоский верх, параллельный передней поверхности 12. Периферийный выступ 26 имеет высоту, измеряемую параллельно оси Z между передней поверхностью и его верхом, равную значению H2, меньшую, чем H1.

Фазовая маска 22 в соответствии с этим вторым вариантом приспособлена для того, чтобы проецировать полезную энергию через круг, периметр которого показан пунктирной линией на фиг. 12. Другими словами, в отличие от фазовой маски 2с в соответствии с первым вариантом, при использовании фазовой маски 22 энергию принимают девятью оптическими фильтрами B1, B2, B3.

Предпочтительно, форму выступов 24, 26 регулируют так, чтобы фазовая маска 22 проецировала по меньшей мере одну треть полезной энергии на опорный оптический фильтр B1 (как следствие, по меньшей мере 29% от общей энергии, переносимой оптическим сигналом в первой полосе длин волн).

Предпочтительно, форму выступов 24, 26 регулируют так, чтобы фазовая маска 22 проецировала по меньшей мере 60% полезной энергии на четыре смежных оптических фильтра (что представляет собой 58% от общей энергии). Например, ось Z проходит через центр опорного фильтра, так что каждый из четырех соседних оптических фильтров принимает 15% полезной энергии. Каждый из четырех других смежных оптических фильтров принимает в этом случае 2,5% полезной энергии.

Фазовая маска 22 в соответствии со вторым вариантом обладает преимуществом, которое заключается в том, что она проще в изготовлении, чем маска 2с в соответствии с первым вариантом.

На фиг. 13 и 14 представлен третий вариант фазовой маски 28, который позволяет выборочно спроецировать 98% энергии оптического сигнала, переносимого в первой полосе длин волн, на опорный оптический фильтр B1 и восемь смежных оптических фильтров B2, B3, так же как маска 22 в соответствии со вторым вариантом.

Как и маска 2с в соответствии с первым вариантом эта фазовая маска 28 содержит единственный выступ 30, выступающий от передней плоской поверхности 12. Однако этот выступ 30 имеет коническую форму с осью вращения вокруг оси Z. Профиль этого выступа треугольный в плоскости, перпендикулярной передней поверхности, как показано на фиг. 12.

На фиг. 15 представлен четвертый вариант фазовой маски 2с, который позволяет избирательно спроецировать 98% энергии оптического сигнала, переносимой в первой полосе длин волн, на опорный оптический фильтр B1 и восемь смежных оптических фильтров B2, B3, так же как маски 22 и 28 в соответствии со вторым и третьим вариантами.

Как и маска в соответствии с первым вариантом эта фазовая маска 2с содержит единственный выступ 34, выступающий от передней плоской поверхности 12. Однако этот выступ 34 имеет вогнутую сужающуюся форму. Профиль этого выступа в плоскости, перпендикулярной передней поверхности, является не треугольным, а искривленным, как показано на фиг. 14.

На фиг. 16 представлен пятый вариант фазовой маски 36, которая позволяет осуществить ожидаемое проецирование полезной энергии.

Фазовая маска 36 имеет профиль, идентичный профилю маски 2с, показанной на фиг. 5. Действительно, маска 36 имеет выступ 38 в целом с треугольным профилем, выступающий от передней поверхности 12. Тем не менее, выступ 38 имеет общую форму треугольной и непирамидальной призмы.

Эта треугольная призма определяется образующей, параллельной одной из двух осей X или Y матрицы Байера.

Выступ содержит две треугольные свободные грани 40, 42, соединенные краем, расположенным на расстоянии от передней поверхности 12 (эти две свободные грани соответствуют двум из трех граней призмы, последняя грань расположена в плоскости передней поверхности 12).

Предпочтительно, две свободные грани 40, 42 соединены не краем, а скругленной частью, и/или каждая из двух свободных граней 40, 42 соединена с плоской поверхностью 12 скругленной частью. Эти скругленные части позволяют предотвратить неконтролируемые дифракционные максимумы.

Если в датчике 1 изображений, представленном на фиг. 1, используют фазовую маску 36, то эта маска 36 проецирует падающий оптический сигнал только на опорный оптический фильтр B1 и два первых смежных оптических фильтра B2, которые связаны с опорным фильтром B1. Эти три фильтра выстроены параллельно оси X или оси Y.

Предпочтительно, фазовая маска 36 приспособлена для того, чтобы по меньшей мере 50% полезной энергии было спроецировано на опорный оптический фильтр B1 (то есть, по меньшей мере 49% от общей энергии, переносимой оптическим сигналом в первой полосе длин волн). Каждый из двух оптических фильтров B2, расположенных непосредственно слева и справа (или соответственно сверху или снизу) от фильтра B1 принимает по меньшей мере 25% полезной энергии, как показано на фиг. 17.

1. Датчик изображения, содержащий:

- оптическую систему (2а) для приема оптического сигнала, причем оптическая система содержит зрачок (2b);

- матрицу (4) Байера, расположенную в фокальной плоскости изображения оптической системы (2а), причем матрица (4) Байера содержит: опорный оптический фильтр (B1), выполненный с возможностью устранять или подавлять в принятом оптическом сигнале первую полосу длин волн и пропускать в принятом оптическом сигнале вторую полосу длин волн, а также восемь оптических фильтров (B2, B3), смежных с опорным оптическим фильтром (B1);

отличающийся тем, что содержит:

- фазовую маску (2с, 22, 28), расположенную на зрачке (2b) и выполненную с возможностью проецировать по меньшей мере 98% энергии оптического сигнала, переносимой в первой полосе длин волн, и 98% энергии оптического сигнала, переносимой во второй полосе длин волн, избирательно на опорный оптический фильтр (B1) и на по меньшей мере один смежный оптический фильтр (B2), который выполнен с возможностью пропускать в принятом оптическом сигнале первую полосу длин волн.

2. Датчик изображения по п. 1, в котором фазовая маска выполнена с возможностью проецировать по меньшей мере 98% упомянутой энергии избирательно на опорный оптический фильтр (B1) и два из указанных смежных оптических фильтров, при этом каждый из указанных двух смежных оптических фильтров выполнен с возможностью пропускать в принятом оптическом сигнале первую полосу длин волн и устранять или подавлять в принятом оптическом сигнале вторую полосу длин волн.

3. Датчик изображения по п. 2, в котором по меньшей мере 49% упомянутой энергии проецируется на опорный оптический фильтр (B1) и, предпочтительно, самое большее 24,5% упомянутой энергии проецируется на каждый из двух смежных оптических фильтров.

4. Датчик изображения по любому из пп. 1-3, в котором фазовая маска (2с) имеет плоскую поверхность и содержит выступ (38) в форме треугольной призмы, выступающий от плоской поверхности, причем выступ предпочтительно содержит две свободные грани, соединенные скругленной частью.

5. Датчик изображения по п. 1, в котором фазовая маска (2с) выполнена с возможностью проецировать по меньшей мере 98% упомянутой энергии избирательно на опорный оптический фильтр (B1) и четыре фильтра из указанных смежных оптических фильтров (B2), при этом каждый из четырех смежных оптических фильтров (B2) выполнен с возможностью пропускать в принятом оптическом сигнале первую полосу длин волн.

6. Датчик изображения по п. 5, в котором фазовая маска (2с) выполнена с возможностью проецировать по меньшей мере 32% упомянутой энергии на опорный оптический фильтр (B1).

7. Датчик изображения по п. 5 или 6, в котором фазовая маска имеет плоскую поверхность, а также содержит выступ, выступающий от плоской поверхности, причем выступ имеет четыре плоские грани, расположенные парами друг напротив друга и предпочтительно соединенные скругленными частями.

8. Датчик изображения по п. 7, в котором выступ имеет форму, инвариантную относительно поворота на 90 градусов вокруг оси, перпендикулярной к плоской поверхности.

9. Датчик изображения по п. 1, в котором фазовая маска выполнена с возможностью проецировать по меньшей мере 98% упомянутой энергии избирательно на опорный оптический фильтр (B1) и восемь соседних оптических фильтров.

10. Датчик изображения по п. 9, в котором фазовая маска выполнена с возможностью проецировать по меньшей мере 29% упомянутой энергии на опорный оптический фильтр (B1).

11. Датчик изображений по п. 9 или 10, в котором фазовая маска выполнена с возможностью проецировать по меньшей мере 58% упомянутой энергии на четыре смежных оптических фильтра, при этом каждый из четырех смежных оптических фильтров выполнен с возможностью устранять или подавлять в принятом оптическом сигнале вторую полосу длин волн, отличную от первой полосы.

12. Датчик изображений по любому из пп. 9-11, в котором фазовая маска имеет плоскую поверхность и содержит центральный выступ, выступающий от плоской поверхности на первую высоту, а также кольцевой выступ, также выступающий от плоской поверхности на вторую высоту, меньшую, чем первая высота, при этом кольцевой выступ проходит на расстоянии вокруг центрального выступа.

13. Датчик изображений по любому из пп. 9-11, в котором фазовая маска имеет плоскую поверхность и содержит выступ, выступающий от плоской поверхности, причем выступ имеет коническую или вогнутую сужающуюся форму.

14. Датчик изображения по п. 12 или 13, в котором каждый выступ представляет собой фигуру вращения вокруг оси, перпендикулярной указанной плоской поверхности.

15. Способ получения изображения с помощью датчика изображения, содержащего оптическую систему (2а) для получения оптического сигнала, матрицу (4) Байера, расположенную в фокальной плоскости оптической системы, причем матрица (4) Байера содержит опорный оптический фильтр (B1), выполненный с возможностью устранять или подавлять в принятом оптическом сигнале первую полосу длин волн, и восемь оптических фильтров (B2, B3), смежных с опорным оптическим фильтром (B1), отличающийся тем, что посредством фазовой маски (2c, 22, 28), расположенной на зрачке (2b) оптической системы, (2a) по меньшей мере 98% энергии оптического сигнала, переносимой в первой полосе длин волн, и 98% энергии оптического сигнала, переносимой во второй полосе длин волн, проецируют избирательно на опорный оптический фильтр (B1) и на по меньшей мере один из восьми смежных оптических фильтров (B2, B3), при этом матрица (4) Байера расположена в фокальной плоскости фазовой маски (2).