RU2782980C1 - Device and method for image formation with provision of increased depth of the depicted space (options) - Google Patents

Device and method for image formation with provision of increased depth of the depicted space (options) Download PDF

Info

Publication number
RU2782980C1
RU2782980C1 RU2021137160A RU2021137160A RU2782980C1 RU 2782980 C1 RU2782980 C1 RU 2782980C1 RU 2021137160 A RU2021137160 A RU 2021137160A RU 2021137160 A RU2021137160 A RU 2021137160A RU 2782980 C1 RU2782980 C1 RU 2782980C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
optical
lens
image
distances
receiver
Prior art date
Application number
RU2021137160A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Алексей Александрович Осипов
Татьяна Игоревна КОПЫСОВА
Александр Сергеевич ШЛЯПИН
Дмитрий Евгеньевич Пискунов
Ксения Юрьевна Петрова
Original Assignee
Самсунг Электроникс Ко., Лтд.
Filing date
Publication date
Application filed by Самсунг Электроникс Ко., Лтд. filed Critical Самсунг Электроникс Ко., Лтд.
Priority to PCT/KR2022/016053 priority Critical patent/WO2023113193A1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2782980C1 publication Critical patent/RU2782980C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: imaging technology.
SUBSTANCE: imaging device providing an increased depth of the depicted space contains an optical unit made with the possibility of simultaneously forming intermediate images of an object at different distances with the effect of blurring at least parts of the images of the object, and containing at least one optical element, and having at least two pupil zones formed in such a way as to provide a predetermined distribution of optical forces and aberrations within each of the pupil zones, on the basis of which the scattering function is formed, characterized by a curve with minimized lateral maxima, while each of the pupil zones corresponds to a given corresponding range of distances to the object and a given corresponding range of angles of the field of view, a receiver made with the possibility of simultaneous registration of intermediate images formed by an optical unit from different distances to the object and at different angles of the field of view, an image processing unit that is performed based on the obtained scattering function in a given range of distances and angles of the field of view, with the restoration at the output of the resulting images without the effect of blurring, regardless of the distance to the object.
EFFECT: provision of an increased depth of the depicted space.
59 cl, 28 dwg

Description

Область техникиTechnical field

Изобретение относится способам и устройствам формирования изображения с увеличенной глубиной изображаемого пространства, и может использоваться, в частности, для фото- и видеосъемки камерами смартфонов, а также в планшетных компьютерах под управлением операционных систем Android, iOS, HarmonyOS и подобных системах, а также в других подобных устройствах, в которых имеется потребность к обеспечению увеличенной глубины изображаемого пространства.The invention relates to methods and devices for forming an image with an increased depth of the depicted space, and can be used, in particular, for photography and video shooting with smartphone cameras, as well as in tablet computers running Android, iOS, HarmonyOS and similar operating systems, as well as in others similar devices in which there is a need to provide an increased depth of the imaged space.

Описание предшествующего уровня техникиDescription of the Prior Art

В уровне техники существует множество средств формирования изображения с обеспечением увеличенной глубины изображаемого пространства. In the prior art, there are many means of imaging with increased depth of imaging space.

К ним можно отнести следующие патентные публикации: These include the following patent publications:

Система формирования изображения с оптимизированной увеличенной глубиной резкости, раскрыта в заявке US20190212478А1, опубл.11.07.2019г., IPC G02B3/00, в которой оптический процессор содержит паттерн в виде разнесенных областей с разными оптическими свойствами. Паттерн сконфигурирован с формированием двух фазовых масок в виде фазового кодера и кодера профиля дисперсии. Фазовый кодер влияет на форму модуляционной передаточной функции (в зависимости от дефокусировки), увеличивая глубину резкости линзового блока, при этом спектральные компоненты передаточной функции оказываются сдвинуты относительно друг друга. Кодер профиля дисперсии компенсирует этот сдвиг. Недостатками указанного технического решения является наличие множества оптических компонентов, составляющих систему формирования изображения, а именно линзового блока формирования изображения, двух фазовых масок, что влияет на качество формируемого изображения. При этом в указанном устройстве, как наглядно проиллюстрировано на графике фиг. 4B заявки US20190212478, получаемый профиль передаточной функции является неравномерным, что затрудняет последующую обработку изображения, кроме того не раскрыты средства обработки изображения для обеспечения устранения размытости получаемого изображения. An imaging system with an optimized increased depth of field is disclosed in US20190212478A1, publ. 07/11/2019, IPC G02B3/00, in which the optical processor contains a pattern in the form of spaced areas with different optical properties. The pattern is configured to form two phase masks in the form of a phase encoder and a dispersion profile encoder. The phase encoder affects the shape of the modulation transfer function (depending on defocusing), increasing the depth of field of the lens block, while the spectral components of the transfer function are shifted relative to each other. The dispersion profile encoder compensates for this shift. The disadvantages of this technical solution is the presence of many optical components that make up the imaging system, namely the imaging lens unit, two phase masks, which affects the quality of the image being formed. At the same time, in the specified device, as clearly illustrated in the graph of Fig. 4B of US20190212478, the resulting transfer function profile is non-uniform, making post-processing of the image difficult, and no image processing means are disclosed to ensure deblurring of the resulting image.

В US7593161B2, опубл.22.09.2009г., IPC G02B 5/02, раскрыто устройство и способ формирования изображения с увеличенной глубиной изображаемого пространства. Увеличенная глубина резкости достигается с помощью вычислительной системы формирования изображения, которая объединяет подсистему мультифокального изображения для создания размытого промежуточного изображения с подсистемой цифровой обработки для создания восстановленного изображения, имеющего увеличенную глубину резкости. Мультифокальная подсистема формирования изображения предпочтительно использует сферическую аберрацию как доминирующий признак целенаправленного размытия. Центральное экранирование мультифокальной подсистемы формирования изображения делает функции рассеяния точек объекта более равномерными в диапазоне расстояний до объекта. Алгоритм итеративной цифровой деконволюции (обратной свертки) для преобразования промежуточного изображения в восстановленное изображение содержит параметр метрики, который увеличивает эффективность алгоритма и улучшает качество изображения. Недостатками указанного технического решения является наличие множества оптических компонентов, составляющих мультифокальную систему формирования изображения, что влияет на качество формируемого изображения. При этом для увеличения глубины изображаемого пространства используется только сферическая аберрация и не раскрыты средства обработки изображения для обеспечения устранения размытости получаемого изображения.US7593161B2, publ. 09/22/2009, IPC G02B 5/02, discloses an apparatus and method for imaging with increased image depth. The increased depth of field is achieved by an imaging computer system that combines a multifocal imaging subsystem to create a blurry intermediate image with a digital processing subsystem to create a reconstructed image having an increased depth of field. The multifocal imaging subsystem preferably uses spherical aberration as the dominant feature of targeted blur. The central shielding of the multifocal imaging subsystem makes the object's point spread functions more uniform over the range of distances to the object. The iterative digital deconvolution (inverse convolution) algorithm for converting an intermediate image into a reconstructed image contains a metric parameter that increases the efficiency of the algorithm and improves image quality. The disadvantages of this technical solution is the presence of many optical components that make up the multifocal imaging system, which affects the quality of the generated image. At the same time, only spherical aberration is used to increase the depth of the imaged space, and image processing means are not disclosed to ensure the elimination of blurring of the resulting image.

US7616842B2, 10.11.2009г., IPC G06K7/00, раскрывает способ и систему для проектирования системы формирования изображения, включающей оптическую подсистему, подсистему детектирования и подсистему цифровой обработки изображений, включающую по меньшей мере один цифровой фильтр, при этом согласно способу обеспечивается прогнозирование характеристик конечного изображения с использованием пространственной модели источника и моделей для оптической подсистемы, подсистемы детектирования и подсистемы цифровой обработки изображений. Оптическая подсистема и подсистемы цифровой обработки изображений проектируются совместно с учетом свойств всей системы в целом. Промежуточное изображение, создаваемое оптической подсистемой, не обязательно должно быть высокого качества, поскольку качество может корректироваться подсистемой обработки цифрового изображения. US7616842B2, Nov. 10, 2009, IPC G06K7/00, discloses a method and system for designing an imaging system, including an optical subsystem, a detection subsystem, and a digital imaging subsystem, including at least one digital filter, wherein according to the method, prediction of the characteristics of the final images using a spatial source model and models for the optical subsystem, the detection subsystem, and the digital image processing subsystem. The optical subsystem and digital image processing subsystems are designed together, taking into account the properties of the entire system as a whole. The intermediate image produced by the optical subsystem need not be of high quality, since the quality can be adjusted by the digital image processing subsystem.

Недостатки: в данном решении предлагается способ проектирования, а не система формирования изображения с увеличенной глубиной резкости (EDoF).Disadvantages: This solution proposes a design method rather than an extended depth of field (EDoF) imaging system.

US11022815B2, опубл. 01.06.2021г., IPCG02C 7/02, раскрывает системы и способы для обеспечения улучшенного качества изображения с увеличенной глубиной изображаемого пространства, которые включают способы лечения глазных болезней и офтальмологические линзы, такие как контактные линзы и интраокулярные линзы (ИОЛ). ИОЛ включает первую и вторую поверхность линзы. Первая или вторая поверхность представляют собой преломляющую поверхность с асферическим или дифракционным профилем. Преломляющая поверхность с асферическим профилем может фокусировать свет в сторону дальнего фокуса. Поверхность с дифракционным профилем может включать в себя центральную зону, которая распределяет первую часть света в сторону дальнего фокуса и вторую часть света в сторону промежуточного фокуса. Дифракционный профиль также может включать периферийную зону, окружающую центральную зону, которая распределяет третью часть света в сторону дальнего фокуса и четвертую часть света в сторону промежуточного фокуса. Указанное решение направлено на использование только в медицинских целях для контактных и интраокулярных линз и не предусматривает наличие средства обработки изображения для исключения размытости формируемого изображения.US11022815B2, publ. 06/01/2021, IPCG02C 7/02, discloses systems and methods for providing improved image quality with increased depth of imaging, which include ophthalmic treatments and ophthalmic lenses such as contact lenses and intraocular lenses (IOLs). The IOL includes first and second lens surfaces. The first or second surface is a refractive surface with an aspherical or diffractive profile. The refractive surface with an aspherical profile can focus light towards the far focus. The diffractive profile surface may include a central region that distributes a first portion of light toward the far focus and a second portion of light toward the intermediate focus. The diffractive profile may also include a peripheral zone surrounding a central zone that distributes a third of the light towards the far focus and a fourth of the light towards the intermediate focus. This solution is aimed at medical use only for contact and intraocular lenses and does not provide for the presence of an image processing tool to eliminate the blurring of the image being formed.

В US5715031A, опубл. 03.02.1998г, IPC G02C7/04, раскрыты конструкции концентрических асферических мультифокальных линз, в которых используется комбинация асферической передней поверхности, которая приводит к уменьшению аберраций и усилению воспринимаемого контраста, наряду с концентрической многофокальной задней поверхностью, для создания конструкции линзы, которая обеспечивает четкое зрение на дальнем расстоянии, а также вблизи без потери контраста. Асферическая поверхность улучшает модуляционную передаточную функцию (MTF) системы линза-глаз, что улучшает фокусировку и контраст изображения, как для дальнего, так и ближнего расстояния. Указанное решение направлено на использование только в медицинских целях для контактных и интраокулярных линз и не предусматривает наличие средства обработки изображения для исключения размытости формируемого изображения.In US5715031A, publ. 02/03/1998, IPC G02C7/04, discloses concentric aspherical multifocal lens designs that use a combination of an aspherical anterior surface that results in reduced aberrations and increased perceived contrast, along with a concentric multifocal posterior surface, to create a lens design that provides clear vision at a long distance, as well as near without loss of contrast. The aspherical surface improves the modulation transfer function (MTF) of the lens-eye system, which improves image focus and contrast, both at far and near distances. This solution is aimed at medical use only for contact and intraocular lenses and does not provide for the presence of an image processing tool to eliminate the blurring of the image being formed.

В US8985767B2, опубл. 24.03.2015г., IPC G02C 7/02, раскрыт способ создания прогрессивной линзы, включающий в себя измерение искажений волнового фронта глазом, определение начальной конструкции прогрессивной линзы на основе измерения волнового фронта, определение информации о том, как изменения в одной или нескольких аберрациях высшего порядка глаза влияют на коррекцию аберраций второго порядка глаза на основе информации, полученной в результате измерения волнового фронта. На основании, полученных данных, модифицируют первоначальную конструкцию прогрессивной линзы для получения финальной конструкции прогрессивной линзы. Указанное решение направлено для использования в медицинских целях для коррекции зрения и не относится к системам с увеличенной глубиной изображаемого пространства. In US8985767B2, publ. 03/24/2015, IPC G02C 7/02, a method for creating a progressive lens is disclosed, including measuring wavefront distortion by the eye, determining the initial design of a progressive lens based on the wavefront measurement, determining information about how changes in one or more aberrations of the higher order of the eye affect the correction of second order aberrations of the eye based on the information obtained from the measurement of the wavefront. Based on the obtained data, the original progressive lens design is modified to obtain the final progressive lens design. This solution is intended for use in medical purposes for vision correction and does not apply to systems with an increased depth of imaging space.

В заявке EP01865827, опубл. 19.12.2007г., IPC A61B 3/103, описывается способ и устройство для изменения свойств оптической системы посредством непрерывного мультифокального профиля, в котором профиль содержит компонент для увеличения глубины резкости формируемого оптической системой изображения, при этом указанный профиль содержит компонент для увеличения глубины резкости, который рассчитывается на основании полинома Цернике четвертого порядка. При этом, изменение базовой рефракции глаза предотвращается тем, что компонент для увеличения глубины резкости дополнительно вычисляется на основании полинома Цернике второго порядка. Указанное решение направлено на использование только в медицинских целях для контактных и интраокулярных линз и для увеличения глубины резкости используются только вычисления на основе полиномов Цернике второго и четвертого порядков, но не предусматривается наличие системы обработки изображения для исключения размытости формируемого изображения.In the application EP01865827, publ. 12/19/2007, IPC A61B 3/103, describes a method and device for changing the properties of an optical system by means of a continuous multifocal profile, in which the profile contains a component for increasing the depth of field of the image formed by the optical system, while the specified profile contains a component for increasing the depth of field, which is calculated on the basis of the Zernike polynomial of the fourth order. In this case, a change in the basic refraction of the eye is prevented by the fact that the component for increasing the depth of field is additionally calculated based on the Zernike polynomial of the second order. This solution is aimed at medical use only for contact and intraocular lenses and only calculations based on Zernike polynomials of the second and fourth orders are used to increase the depth of field, but it does not provide for an image processing system to eliminate the blurring of the generated image.

JP2011232606, опубл. 17.11.2011, IPC G01B 11/24, раскрывает камеру, оптическую систему, сменный объектив с двулучепреломляющим устройством. При этом двулучепреломляющее устройство выполнено с возможностью выборочного ослабления боковых максимумов (боковых лепестков) функции рассеяния объектива при дефокусировке. Указанная оптическая система требует наличия дополнительных оптических блоков, в частности двулучепреломляющего устройства, что значительно повышает его стоимость.JP2011232606, publ. 11/17/2011, IPC G01B 11/24, reveals camera, optical system, birefringent interchangeable lens. In this case, the birefringent device is configured to selectively attenuate the side maxima (side lobes) of the lens scatter function during defocusing. This optical system requires additional optical units, in particular a birefringent device, which significantly increases its cost.

Ближайшим аналогом заявленного изобретения является оптическая система с увеличенной глубиной изображаемого пространства, раскрытая в US8559118, опубл. 15.10.2013, IPC G02B 13/18. Указанная оптическая система обеспечивает асимметричную модуляционную передаточную функцию (MTF). В некоторых аспектах асимметричная MTF приводит к увеличению глубины изображаемого пространства для близкорасположенных объектов. Оптическая система состоит из набора линз (например четыре линзы или пять линз), где первая линза имеет положительную оптическую силу, причем как поверхность линзы, обращенная к стороне предмета, так и поверхность, обращенная к стороне изображения, имеют выпуклые формы; первую линзу, имеющую положительную преломляющую способность, причем как поверхность, обращенная к стороне объекта, так и поверхность, обращенная к стороне изображения, имеют выпуклые формы; вторая линза имеет отрицательную оптическую силу и форму мениска, причем поверхность, обращенная к стороне предмета имеет вогнутую форму у оптической оси, а поверхность, обращенная к стороне изображения, имеет выпуклую форму у оптической оси; при этом четвертая линза имеет форму мениска у оптической оси, при этом поверхность, обращенная к стороне предмета, имеет выпуклую форму около оптической оси, и поверхность, обращенная к стороне изображения, имеет вогнутую форму около оптической оси. При этом длина оптической системы остается меньше, примерно 5,3 мм. Указанные оптические системы могут использоваться для компактной камеры с высоким разрешением, например, в сочетании с электронным вычислительным устройством, устройством связи, устройством отображения, оборудованием наблюдения или т.п. В данном устройстве используют особые формы линз и авторы посредством этого пытаются обеспечить требуемые оптические характеристики устройства. Однако, оперируя только формой линз не удается получить инвариантные оптические характеристики в зависимости от расстояния до предмета. Недостатком указанной оптической системы является небольшая глубина изображаемого пространства и неравномерность модуляционной передаточной функции в зависимости от дефокусировки. The closest analogue of the claimed invention is an optical system with an increased depth of imaging space, disclosed in US8559118, publ. 10/15/2013, IPC G02B 13/18. Said optical system provides an asymmetric modulation transfer function (MTF). In some aspects, the asymmetric MTF results in an increase in the depth of the depicted space for nearby objects. The optical system consists of a set of lenses (for example, four lenses or five lenses), where the first lens has a positive optical power, and both the lens surface facing the side of the object and the surface facing the image side have convex shapes; a first lens having a positive refractive power, wherein both the surface facing the object side and the surface facing the image side have convex shapes; the second lens has a negative optical power and a meniscus shape, and the surface facing the side of the object has a concave shape at the optical axis, and the surface facing the image side has a convex shape at the optical axis; wherein the fourth lens has a meniscus shape at the optical axis, while the surface facing the object side has a convex shape near the optical axis, and the surface facing the image side has a concave shape near the optical axis. In this case, the length of the optical system remains smaller, approximately 5.3 mm. These optical systems can be used for a high resolution compact camera, for example, in combination with an electronic computing device, a communication device, a display device, surveillance equipment, or the like. In this device, special lens shapes are used, and the authors thereby try to provide the required optical characteristics of the device. However, operating only with the shape of the lenses, it is not possible to obtain invariant optical characteristics depending on the distance to the object. The disadvantage of this optical system is the small depth of the imaged space and the unevenness of the modulation transfer function depending on the defocusing.

В отличие от прототипа(US8559118), где используют особую форму линз для получения увеличенной глубины, в заявленном устройстве формирования изображения используется многозонная оптическая система, где каждая зона работает на свою глубину. Оптическая система прототипа формирует функцию рассеяния с боковыми лепестками, что приводит к искажениям изображения удаленных точеных объектов: они формируются с ореолами в виде колец или полуколец. Многозонная оптическая система предлагаемого изобретения решает данную проблему. При этом, хотя наличие блока обработки изображения предполагается в прототипе, но детали реализации и алгоритм его работы не раскрыты в US8559118. Авторы предлагаемого изобретения использует блок обработки изображения для восстановления размытого промежуточного изображения на основании функции рассеяния (PSF) или модуляционной передаточной функции (MTF) оптического устройства формирования изображения, причем параметры оптической системы и блока обработки изображения рассчитаны совместно, используя методы сквозной оптимизации. Unlike the prototype (US8559118), where a special lens shape is used to obtain increased depth, the claimed imaging device uses a multi-zone optical system, where each zone operates at its own depth. The optical system of the prototype forms a scattering function with side lobes, which leads to image distortions of distant chiseled objects: they are formed with halos in the form of rings or semirings. The multizone optical system of the present invention solves this problem. At the same time, although the presence of an image processing unit is assumed in the prototype, the implementation details and the algorithm of its operation are not disclosed in US8559118. The present inventors use an image processing unit to reconstruct a blurred intermediate image based on a spread function (PSF) or modulation transfer function (MTF) of an optical imaging device, the parameters of the optical system and the image processing unit being jointly calculated using end-to-end optimization techniques.

Задачей настоящего изобретения является разработка способа и устройства формирования изображения с обеспечением увеличенной глубины изображаемого пространства.The objective of the present invention is to develop a method and device for imaging with an increased depth of imaging space.

При этом авторы изобретения разработали способ и устройство устраняющие недостатки традиционных способов формирования изображения с обеспечением расширенной или увеличенной глубины изображаемого пространства:At the same time, the inventors have developed a method and device that eliminates the disadvantages of traditional imaging methods with the provision of an extended or increased depth of the imaged space:

-обеспечение увеличенной глубины изображаемого пространства (extended depth of field (EDoF) оптической системы камеры смартфона без функции автофокусировки,-providing an extended depth of field (EDoF) of the optical system of a smartphone camera without autofocus function,

-отсутствие задержки фокусировки, -no focus delay

-быстрый алгоритм восстановления изображения, -fast image recovery algorithm,

-отсутствие необходимости взаимодействия с пользователем (отсутствие необходимости выбора области фокусировки), - no need for user interaction (no need to select a focus area),

-недорогая, компактная, оптическая система заявленного устройства формирования изображения, применяемая для массового производства.- low-cost, compact, optical system of the claimed imaging device, used for mass production.

Таким образом задачей заявленного изобретения является создание способа и устройства формирования изображения с увеличенной глубиной изображаемого пространства без дополнительных оптических элементов, формирующего высококачественные изображения после обработки с помощью искусственных нейронных сетей с использованием информации о функции рассеяния.Thus, the objective of the claimed invention is to create a method and device for forming an image with an increased depth of the imaged space without additional optical elements, which forms high-quality images after processing using artificial neural networks using information about the scattering function.

Основные проблемы известного уровня техники в области камер смартфонов заключается в том, что:The main problems of the prior art in the field of smartphone cameras is that:

-в известных камерах с функцией автофокусировки применяются подвижные компоненты, например, электромагнитный привод для перемещения линз камеры относительно приемника, что в свою очередь вызывает задержку автофокусировки и усложняет конструкцию устройства,known autofocus cameras use moving components, such as an electromagnetic drive to move the camera lens relative to the receiver, which in turn causes autofocus delay and complicates the design of the device,

-в известных камерах без функции автофокусирования применяются дополнительные оптические элементы, такие, как фазовые пластинки, для обеспечения увеличенной глубины резкости, что ведет к дополнительным затратам для производства.known cameras without autofocus function use additional optical elements, such as phase plates, to provide an increased depth of field, which leads to additional production costs.

Следует отметить, что в известных из уровня техники системах автофокусировки предусмотрены движущиеся механические компоненты (двигатель, кулачки, шестерни) для смещения линз для обеспечения фокусировки на объекте, что приводит к задержке фокусировки, и влияет на качество съемки быстро движущихся объектов. При этом в некоторых системах автофокусировки (AF системах), требуется вмешательство пользователя для выбора области фокусировки вручную и корректировки позиции фокуса, чтобы исключить возможные ошибки в режиме автофокусировки.It should be noted that prior art autofocus systems have moving mechanical components (motor, cams, gears) to move the lens to focus on the subject, resulting in a focus delay and affecting the quality of shooting fast moving subjects. However, in some autofocus systems (AF systems), user intervention is required to select the focus area manually and adjust the focus position to eliminate possible errors in autofocus mode.

Кроме того, в известных AF системах при наведении на целевой объект и формировании четкого (резкого) изображения объекта, наблюдается неестественный эффект размытого изображения фона (боке) в виде ореолов в форме овалов, колец или полуколец (англ. donut-shaped bokeh).In addition, in well-known AF systems, when pointing at a target object and forming a clear (sharp) image of the object, an unnatural effect of a blurry background image (bokeh) is observed in the form of halos in the form of ovals, rings or semi-rings (English donut-shaped bokeh).

На фиг.1а и 1b, представлены примеры неестественного представления фона, где на фиг.1а слева представлено резкое (четкое) изображение лица девушки в фокусе и на заднем плане изображение фона в виде дерева, где в рамке наблюдается эффект неестественно размытого фона. На фиг.1b размытое изображение фона представлено в увеличенном виде: удаленные от камеры промежутки между листьями и ветвями дерева изображаются с ореолами.In Fig.1a and 1b, examples of unnatural representation of the background are shown, where in Fig.1a on the left there is a sharp (clear) image of the girl's face in focus and in the background an image of the background in the form of a tree, where the effect of an unnaturally blurred background is observed in the frame. In fig. 1b, the blurred image of the background is shown in an enlarged view: the gaps between the leaves and branches of the tree far from the camera are shown with halos.

Известные системы с увеличенной глубиной изображаемого пространства (EDoF), как правило, имеют дорогостоящие конструкции, поскольку функция обеспечения увеличенной глубины изображаемого пространства предусматривает наличие дополнительных оптических элементов или покрытий, таких как фазовые маски, фазовые пластины, маски с кодированной апертурой, которые вносят фазовую задержку для обеспечения равномерного контраста по требуемой глубине изображения. Изображение с низким контрастом регистрируется приемником и далее выполняется обработка изображения для повышения контраста и повышения качества изображения. При этом наличие фазовых масок, например, маски с профилем параболы четвертой степени, кубической фазовой маски (Cubic polynominal shape mask), маски Торальдо (Toraldo mask) или кодированной апертуры в EDoF системах значительно повышает их стоимость или ухудшает светоэнергетические характеристики.Known extended depth of field (EDoF) systems tend to be expensive designs because the extended depth of field function requires additional optical elements or coatings such as phase masks, phase plates, coded aperture masks that introduce phase delay. to ensure even contrast across the required image depth. An image with low contrast is captured by the receiver and further image processing is performed to increase the contrast and enhance the image quality. At the same time, the presence of phase masks, for example, a mask with a fourth-degree parabola profile, a cubic phase mask (Cubic polynominal shape mask), a Toraldo mask, or a coded aperture in EDoF systems significantly increases their cost or worsens light energy characteristics.

На фиг.2a, 2b, 2c схематично представлены изображения сцены с целевыми объектами, расположенными на различных расстояниях до камеры смартфона (ближняя зона, средняя зона - область фокусировки, дальняя зона), формируемыми известными устройствами формирования изображения.Figures 2a, 2b, 2c schematically show images of a scene with targets located at different distances to the smartphone camera (near zone, middle zone - focus area, far zone) formed by known imaging devices.

При этом на фиг.2а представлено изображение сцены при обычном объективе известного уровня техники, где объекты в виде елки и человека размыты, потому что находятся не в фокусе, а объект в виде машины, находящийся в фокусе камеры смартфона, имеет четкое (резкое) изображение.At the same time, Fig. 2a shows an image of a scene with a conventional lens of the prior art, where the objects in the form of a Christmas tree and a person are blurred because they are out of focus, and the object in the form of a car, which is in focus of the smartphone camera, has a clear (sharp) image .

На фиг.2b представлено изображение сцены, получаемые при использовании известного объектива с увеличенной глубиной изображаемого пространства (EDoF), в которой используется фазовая маска. При этом все объекты сцены примерно одинаково размыты, в том числе машина.On fig.2b shows the image of the scene, obtained using a known lens with an increased depth of imaging space (EDoF), which uses a phase mask. At the same time, all objects in the scene are approximately equally blurred, including the car.

На фиг.2с представлено изображение сцены после процесса обработки изображения, получаемого известным EDoF объективом согласно фиг.2b при наличии в оптической схеме фазовой маски.On figs shows the image of the scene after the image processing, obtained by the known EDoF lens according to figs in the presence of a phase mask in the optical scheme.

При этом все объекты сцены, т.е. елка, машина и человек изображаются одинаково резко.In this case, all objects of the scene, i.e. a tree, a car and a person are depicted equally sharply.

На фиг. 2d представлены графики, иллюстрирующие величину коэффициента передачи модуляции (T) или резкости изображения в зависимости от величины дефокусировки (z) для обычного объектива и EDoF объектива. На фиг.2d кривая, иллюстрирующая зависимость коэффициента передачи модуляции от дефокусировки для обычного объектива, имеет резкий пик в зоне фокусировки на целевом объекте сцены, что наглядно представлено на фиг.2а, а кривая, иллюстрирующая зависимость коэффициента передачи модуляции от дефокусировки для EDoF объектива имеет равномерный, плавный характер в требуемом диапазоне дефокусировок (z), что соответствует размытому изображению всех объектов сцены (2b) в пределах требуемой глубины. In FIG. 2d are graphs illustrating the amount of modulation gain (T) or image sharpness versus defocus amount (z) for a conventional lens and an EDoF lens. In Fig. 2d, the curve illustrating modulation gain versus defocus for a conventional lens has a sharp peak in the focus area on the scene target, as illustrated in Fig. 2a, and the curve illustrating modulation gain versus defocus for an EDoF lens has uniform, smooth character in the required defocus range (z), which corresponds to a blurred image of all objects in the scene (2b) within the required depth.

На фиг.3а-3с представлена в общем виде схема заявленного технического решения (фиг. 3b), предложенного авторами настоящего изобретения, где условно представлена сцена в момент снятия изображения с помощью смартфона (см. фиг.3а) и изображения сцены после обработки захваченного изображения (фиг.3с). On figa-3c presents a general view of the scheme of the claimed technical solution (fig. 3b), proposed by the authors of the present invention, which conventionally shows the scene at the time of taking the image using a smartphone (see figa) and the image of the scene after processing the captured image (fig.3c).

Основные решения заявленного изобретения (Ключевое положение 1 и Ключевое положение 2).The main solutions of the claimed invention (Key position 1 and Key position 2).

Как видно на фиг.3b, oптическое устройство формирования изображения имеет несколько зон на зрачке (PZ1, PZ2).As can be seen in Fig. 3b, the optical imaging device has several zones on the pupil (PZ1, PZ2).

Каждая зона характеризуется своим собственным фокусом (F1, F2) и аберрационными свойствами.Each zone is characterized by its own focus (F1, F2) and aberration properties.

Каждый фокус соответствует некоторому расстоянию (глубине) в пространстве объектов. При этом каждой зоне зрачка соответствует пучок лучей L1,L2, например зоне PZ1 соответствует пучок лучей L1 и фокус F1.Each focus corresponds to some distance (depth) in object space. In this case, each zone of the pupil corresponds to a beam of rays L1, L2, for example, the zone PZ1 corresponds to a beam of rays L1 and a focus F1.

Аберрационные свойства определяют качество изображения в соответствии с критериями качества изображения для диапазона расстояний.The aberration properties determine the image quality according to the image quality criteria for a range of distances.

Приемник регистрирует изображения с разных расстояний одновременно. Изображения на приемнике содержат информацию об объектах на разном расстоянии. При этом, получаемые на приемнике изображения являются размытыми, потому что объекты на разных расстояниях могут находиться не в фокусе и перекрывают друг друга. Для компенсации размытия предусмотрена функция обработки получаемых изображений посредством блока обработки изображения (Ключевое положение 2), который выполнен с возможностью восстановления изображений на желаемом расстоянии (глубине), на основании использования информации о характеристиках оптической системы (модуляционной передаточной функции (MTF) или функции рассеяния в зависимости от расстояния). В результате этой обработки изображений на экране смартфона получается четкое изображение объектов по всему полю сцены (см. фиг.3с).The receiver registers images from different distances simultaneously. The images on the receiver contain information about objects at different distances. At the same time, the images received at the receiver are blurry, because objects at different distances may be out of focus and overlap each other. To compensate for the blur, a function is provided to process the acquired images by means of an image processing unit (Key position 2), which is capable of reconstructing images at a desired distance (depth) based on the use of information about the characteristics of the optical system (modulation transfer function (MTF) or scattering function in depending on distance). As a result of this image processing on the smartphone screen, a clear image of objects across the entire field of the scene is obtained (see Fig.3c).

Далее представлены основные преимущества и характерные особенности заявленного изобретения по сравнению с известным уровнем техники. The following are the main advantages and characteristics of the claimed invention in comparison with the prior art.

Заявленное изобретениеClaimed invention

1)обеспечивает устройство формирование изображения с увеличенной глубиной изображаемого пространства (EDoF), 1)provides an imaging device with increased depth of imaging space (EDoF),

2) применяется в камерах смартфонов и подобных устройствах,2) used in smartphone cameras and similar devices,

требуются только данные из текущего кадра для восстановления изображения и информация о характеристиках системы (функция рассеяния или модуляционная передаточная функция),only data from the current frame is required for image reconstruction and information about the characteristics of the system (scattering function or modulation transfer function),

3) устройство формирования изображения представляет собой оптический блок с матричным приемником и блок обработки изображения, 3) the imaging device is an optical unit with a matrix receiver and an image processing unit,

4) Фокусное расстояние устройства формирования изображения обычно составляет менее 100 мм, предпочтительно около 3 мм в камере смартфона,4) The focal length of the imaging device is generally less than 100mm, preferably about 3mm in a smartphone camera,

5) оптический блок содержит, как правило, больше двух линз и предусмотрено формирование промежуточного размытого изображения на приемнике, 5) the optical block contains, as a rule, more than two lenses and the formation of an intermediate blurred image on the receiver is provided,

6) используется многозонная оптическая система, где каждая зона работает на свою глубину. 6) a multi-zone optical system is used, where each zone operates at its own depth.

7) заявленное решение обеспечивает формирование изображения объекта с высокой резкостью вне зависимости от расстояния до объекта, при этом нет границ между частями изображения и не изменяется разрешение изображения по полю зрения.7) the claimed solution provides the formation of an image of an object with high sharpness, regardless of the distance to the object, while there are no boundaries between parts of the image and the resolution of the image over the field of view does not change.

Уровень техникиState of the art

A -Известные решения (US11022815B2, US5715031A, US8985767, EP01865827B1, используемые в офтальмологии): A - Known solutions (US11022815B2, US5715031A, US8985767, EP01865827B1 used in ophthalmology):

1) обеспечивают коррекцию зрения, обеспечивают формирование изображения на сетчатке глаза,1) provide vision correction, provide image formation on the retina,

2) применяются в контактных линзах, ИОЛ и очках,2) applied in contact lenses, IOLs and eyeglasses,

3) содержат устройство формирования изображения, которое представляет собой одиночную линзу, работающую совместно с глазом,3) contain an imaging device, which is a single lens that works in conjunction with the eye,

4) имеют фокусное расстояние устройства формирования изображения обычно более 150мм, 4) have a focal length of the imaging device usually more than 150mm,

5) оптический блок содержит только одну линзу и не предусмотрена обработка изображения,5) the optical unit contains only one lens and no image processing is provided,

6) обеспечивают формирование изображения на дальнем и близком расстоянии, что требует аккомодацию глаза пользователя.6) provide image formation at far and near distances, which requires accommodation of the user's eye.

B -Известные решения (US20190212478, US7593161, US8559118, используемые в системах формирования изображения с увеличенной глубиной изображаемого пространства).B - Known solutions (US20190212478, US7593161, US8559118 used in imaging systems with increased image depth).

1) оптическая система имеет значительное количество оптических компонентов (линзы особой формы, фазовые маски,), составляющих систему формирования изображения, что влияет на качество формируемого изображения и стоимость системы,1) the optical system has a significant number of optical components (specially shaped lenses, phase masks,) that make up the imaging system, which affects the quality of the image being formed and the cost of the system,

2) получаемый профиль передаточной функции(MTF) является неравномерным, что затрудняет последующую обработку изображения,2) the resulting transfer function profile (MTF) is non-uniform, which makes post-image processing difficult,

3) Оптическая система формирует функцию рассеяния(PSF) с боковыми лепестками, что приводит к искажениям изображения удаленных точечных объектов(они формируются с ореолами в виде колец), 3) The optical system generates a scattering function (PSF) with side lobes, which leads to image distortions of distant point objects (they are formed with halos in the form of rings),

4) отсутствует блок обработки изображения или, в случае его наличия, не раскрыты особенности его алгоритма работы в совокупности с оптической системой.4) there is no image processing unit or, if it is available, the features of its operation algorithm in conjunction with the optical system are not disclosed.

При этом авторы изобретения разработали способ и устройство формирования изображения с обеспечением расширенной или увеличенной глубины изображаемого пространства, устраняющие недостатки решений известного уровня техники, описанных выше. In doing so, the inventors have developed a method and apparatus for forming an image with an extended or increased depth of the imaged space, eliminating the shortcomings of the prior art solutions described above.

Сущность изобретенияThe essence of the invention

Согласно первому аспекту изобретения предлагается устройство формирования изображения с обеспечением увеличенной глубины изображаемого пространства, содержащее: According to a first aspect of the invention, there is provided an imaging device for providing increased image depth, comprising:

-оптический блок, выполненный с возможностью одновременного формирования промежуточных изображений объекта на различных расстояниях с эффектом размытия по меньшей мере частей изображений объекта, и содержащий, по меньшей мере один оптический элемент, и имеющий по меньшей мере две зоны зрачка, сформированных таким образом, чтобы обеспечить предварительно заданное распределение оптических сил и аберраций в пределах каждой, из по меньшей мере двух зон зрачка, на основании которых формируется функция рассеяния, характеризующаяся кривой с минимизированными боковыми максимумами по сравнению с центральным максимумом в заданном диапазоне расстояний до объекта, при этом каждой, из по меньшей мере двух зон зрачка соответствует заданный соответствующий диапазон расстояний до объекта и заданный соответствующий диапазон углов поля зрения, - an optical unit configured to simultaneously form intermediate images of an object at different distances with the effect of blurring at least parts of the object images, and containing at least one optical element and having at least two pupil zones formed in such a way as to provide a predetermined distribution of optical powers and aberrations within each of at least two pupil zones, on the basis of which a scattering function is formed, characterized by a curve with minimized side maxima compared to the central maximum in a given range of distances to the object, while each of at least two pupil zones correspond to the given corresponding range of distances to the object and the given corresponding range of angles of the field of view,

- приемник, выполненный с возможностью регистрации промежуточных изображения, сформированных оптическим блоком, с разных расстояний до объекта и под разными углами поля зрения, одновременно,- a receiver configured to register intermediate images formed by the optical unit from different distances to the object and at different angles of the field of view, simultaneously,

- блок обработки изображения, соединенный с приемником, и выполненный с возможностью обработки промежуточных изображений объекта с эффектом размытия по меньшей мере частей изображений объекта, зарегистрированных приемником, при этом обработка указанного изображения выполняется на основе полученной функции рассеяния в заданном диапазоне расстояний и углов поля зрения, с восстановлением на выходе результирующих изображений без эффекта размытия вне зависимости от расстояний до объекта.- an image processing unit connected to the receiver and configured to process intermediate images of an object with a blur effect of at least parts of the object images recorded by the receiver, wherein said image is processed based on the obtained scattering function in a given range of distances and angles of the field of view, with restoring the output of the resulting images without the blur effect, regardless of the distances to the object.

При этом, минимизированные боковые максимумы функции рассеяния, формируемые оптическим блоком, не превышают 10% центрального максимума в заданном диапазоне расстояний до объекта. At the same time, the minimized side maxima of the scattering function formed by the optical unit do not exceed 10% of the central maximum in a given range of distances to the object.

Согласно изобретению, заданный диапазон расстояний до объекта составляет от 400мм до 5000мм и заданный диапазон углов поля зрения составляет от -40 до +40 градусов. According to the invention, the predetermined range of distances to the object is from 400mm to 5000mm and the predetermined range of angles of the field of view is from -40 to +40 degrees.

Кроме того, оптический блок выполнен таким образом, что обеспечивает формирование инвариантной функции рассеяния не зависящей от расстояния до объекта в заданном диапазоне, или In addition, the optical block is designed in such a way that it provides the formation of an invariant scattering function that does not depend on the distance to the object in a given range, or

не зависящей от угла поля зрения, или не зависящей от угла поля зрения и расстояния до объекта. independent of the angle of the field of view, or independent of the angle of the field of view and the distance to the object.

Оптический блок может быть выполнен с возможностью формирования равномерной модуляционной передаточной функции (MTF), не зависящей от расстояния до объекта. The optical unit may be configured to form a uniform modulation transfer function (MTF) independent of the distance to the object.

Кроме того, оптический блок может быть с возможностью одновременного формирования промежуточных изображений объекта на различных расстояниях с эффектом размытия всего изображения объекта и содержит по меньший мере один оптический элемент, представляющий собой по меньшей мере один из: линзы с различными профилями поверхностей, составной линзы, дифракционного оптического элемента, голографического оптического элемента, поляризационного элемента, амплитудно-фазовой маски.In addition, the optical unit can be capable of simultaneously forming intermediate images of an object at different distances with the effect of blurring the entire image of the object and contains at least one optical element, which is at least one of: a lens with different surface profiles, a composite lens, a diffractive optical element, holographic optical element, polarizing element, amplitude-phase mask.

Одна или более линз оптического блока может иметь асферическую поверхность и/или, в частности, поверхность Цернике, обеспечивающие коррекцию аберраций.One or more lenses of the optical unit may have an aspherical surface and/or, in particular, a Zernike surface, providing aberration correction.

При этом согласно одному варианту изобретения, оптические элементы оптического блока представляет собой, расположенные вдоль оптической оси со стороны предмета до поверхности изображения: первую линзу, вторую линзу, третью линзу, четвертую линзу, пятую линзу и шестую линзу, при этомAt the same time, according to one variant of the invention, the optical elements of the optical block are located along the optical axis from the side of the object to the image surface: the first lens, the second lens, the third lens, the fourth lens, the fifth lens and the sixth lens, while

первая линза имеет положительную оптическую силу, при этом поверхность первой линзы со стороны предмета является выпуклой, а поверхность первой линзы со стороны поверхности изображения является вогнутой; the first lens has a positive power, wherein the surface of the first lens on the object side is convex and the surface of the first lens on the side of the image surface is concave;

вторая линза имеет отрицательную оптическую силу, при этом поверхность второй линзы со стороны предмета является вогнутой и поверхность второй линзы со стороны поверхности изображения является также вогнутой; the second lens has a negative optical power, while the surface of the second lens on the object side is concave and the surface of the second lens on the side of the image surface is also concave;

третья линза имеет положительную оптическую силу, the third lens has a positive optical power,

четвертая линза имеет форму мениска,the fourth lens has the shape of a meniscus,

пятая линза и шестая линза, каждая, имеют форму мениска в области близкой к оптической оси, при этом поверхность, каждой из пятой и шестой линзы, со стороны предмета, является выпуклой в области близкой к оптической оси, и поверхность, каждой из пятой и шестой линзы, со стороны поверхности изображения является вогнутой в области близкой к оптической оси.the fifth lens and the sixth lens each have a meniscus shape in the region close to the optical axis, while the surface of each of the fifth and sixth lenses, on the object side, is convex in the region close to the optical axis, and the surface of each of the fifth and sixth lenses lens, from the side of the image surface is concave in the area close to the optical axis.

При этом в оптическом блоке составная линза, представляет собой по меньшей мере одну из: бифокальной линзы, прогрессивной линзы, линзы Френеля и/или их комбинаций, дифракционный оптический элемент представляет собой дифракционную микроструктуру, выполненную с возможностью обеспечения амплитудно-фазовой модуляцию проходящего или отраженного излучения, голографический элемент выполнен и размещен таким образом, чтобы вносить вклад в устранение хроматических аберраций.At the same time, in the optical unit, a composite lens is at least one of: a bifocal lens, a progressive lens, a Fresnel lens and / or combinations thereof, a diffractive optical element is a diffractive microstructure configured to provide amplitude-phase modulation of transmitted or reflected radiation , the holographic element is designed and positioned to contribute to the elimination of chromatic aberrations.

Кроме того, поляризационный элемент представляет собой поляризатор и/или фазовую пластинку и/или поляризационный фильтр, при этом поляризационный элемент, представляющий собой поляризатор и/или фазовую пластинку, выполнен с возможностью обеспечения многократного прохождения излучения через оптические элемента оптического блока, а поляризационный элемент представляющий собой поляризационный фильтр, выполнен с возможностью устранения бликов. In addition, the polarizing element is a polarizer and/or a phase plate and/or a polarizing filter, while the polarizing element, which is a polarizer and/or a phase plate, is configured to ensure multiple passage of radiation through the optical elements of the optical unit, and the polarizing element representing a polarizing filter, designed to eliminate glare.

Следует отметить, что в устройстве согласно изобретению, амплитудно-фазовая маска выполнена и размещена в оптическом блоке таким образом, чтобы обеспечивать фазовую задержку или амплитудную модуляцию излучения для обеспечения равномерного коэффициента передачи модуляции по требуемой глубине изображения и представляет собой одну из: маски с фазовым профилем параболы четвертой степени, кубической фазовой маски, маски с концентрическими кольцевыми отверстиями в экране.It should be noted that in the device according to the invention, the amplitude-phase mask is made and placed in the optical block in such a way as to provide a phase delay or amplitude modulation of the radiation to ensure a uniform modulation gain over the required image depth and is one of: masks with a phase profile fourth-degree parabola, cubic phase mask, mask with concentric annular holes in the screen.

При этом, каждый из оптических элементов оптического блока выполнен из оптически прозрачного материала, выбранного из по меньшей мере одного из: оптического стекла, оптического кристалла и полимера.At the same time, each of the optical elements of the optical unit is made of an optically transparent material selected from at least one of: optical glass, optical crystal and polymer.

Согласно первому аспекту изобретения, устройство может содержать затвор, расположенный в плоскости апертурной диафрагмы или сопряженной с ней плоскости устройства формирования изображения, и выполненный с возможностью регулирования открытия или закрытия заданного количества зон зрачка.According to the first aspect of the invention, the device may include a shutter located in the plane of the aperture diaphragm or the plane of the imaging device associated with it, and configured to regulate the opening or closing of a given number of pupil zones.

Приемник в заявленном устройстве представляет собой матричный фотодетектор, в частности КМОП матричный фотоприемник или ПЗС приемник, который выполнен с возможностью регистрации электромагнитного излучения в диапазоне 0,4-0,7 мкм, а размер пикселя датчика составляет от 0,7 мкм до 1,5 мкм.The receiver in the claimed device is a matrix photodetector, in particular a CMOS matrix photodetector or a CCD detector, which is configured to detect electromagnetic radiation in the range of 0.4-0.7 μm, and the sensor pixel size is from 0.7 μm to 1.5 µm.

Блок обработки изображения выполнен с возможностью обработки промежуточных изображений объекта с восстановлением на выходе результирующих изображений на основании сверточной нейронной сети и/или фильтра Винера, параметры которых предварительно определяются на основании параметров оптического блока и приемника.The image processing unit is configured to process intermediate images of the object with restoring the resulting images at the output based on the convolutional neural network and/or the Wiener filter, the parameters of which are preliminarily determined based on the parameters of the optical unit and the receiver.

При этом к параметрам оптического блока относятся по меньше мере одно из: радиусы поверхностей оптических элементов, коэффициенты асферических поверхностей оптических элемeнтов, толщины оптических элементов, показатели преломления материалов оптических элементов, величина дисперсии оптических элементов, расстояния между оптическими элементами в оптическом блоке, длина устройства, представляющая аксиальное расстояние между поверхностью первого оптического элемента со стороны объекта и поверхностью изображения на приемнике, а к параметрам приемника относятся по меньшей мере одно из: спектральной чувствительности, шума, параметры оцифровки. At the same time, the parameters of the optical block include at least one of: the radii of the surfaces of the optical elements, the coefficients of the aspherical surfaces of the optical elements, the thicknesses of the optical elements, the refractive indices of the materials of the optical elements, the dispersion value of the optical elements, the distances between the optical elements in the optical block, the length of the device, representing the axial distance between the surface of the first optical element on the side of the object and the image surface on the receiver, and the receiver parameters include at least one of: spectral sensitivity, noise, digitization parameters.

Согласно второму аспекту изобретения предусмотрено устройство формирования изображения с обеспечением увеличенной глубины изображаемого пространства, содержащее: According to a second aspect of the invention, there is provided an imaging device for providing increased image depth, comprising:

-оптический блок, выполненный с возможностью одновременного формирования промежуточных изображений объекта на различных расстояниях с эффектом размытия по меньшей мере частей изображений объекта, и содержащий совокупность оптических элементов, и имеющий по меньшей мере две зоны зрачка, сформированных таким образом, чтобы обеспечить предварительно заданное распределение оптических сил и аберраций в пределах каждой, из по меньшей мере двух зон зрачка, на основании которых формируется функция рассеяния, характеризующаяся кривой с минимизированными боковыми максимумами по сравнению с центральным максимумом в заданном диапазоне расстояний до объекта, при этом каждой, из по меньшей мере двух зон зрачка соответствует заданный соответствующий диапазон расстояний до объекта и заданный соответствующий диапазон углов поля зрения, --при этом совокупность оптических элементов содержит, расположенные вдоль оптической оси со стороны предмета до поверхности изображения: первую линзу, вторую линзу, третью линзу, четвертую линзу, пятую линзу и шестую линзу, при этом- an optical unit configured to simultaneously form intermediate images of an object at different distances with the effect of blurring at least parts of the object images, and containing a set of optical elements, and having at least two pupil zones formed in such a way as to provide a predetermined distribution of optical forces and aberrations within each of at least two zones of the pupil, on the basis of which a scattering function is formed, characterized by a curve with minimized lateral maxima compared to the central maximum in a given range of distances to the object, while each of at least two zones of the pupil corresponds to the given corresponding range of distances to the object and the given corresponding range of angles of the field of view, while the set of optical elements contains, located along the optical axis from the side of the object to the image surface: the first lens, the second lens, three Tew lens, fourth lens, fifth lens and sixth lens, while

первая линза имеет положительную оптическую силу, при этом поверхность первой линзы со стороны предмета является выпуклой, а поверхность первой линзы со стороны поверхности изображения является вогнутой; the first lens has a positive power, wherein the surface of the first lens on the object side is convex and the surface of the first lens on the side of the image surface is concave;

вторая линза имеет отрицательную оптическую силу, при этом поверхность второй линзы со стороны предмета является вогнутой и поверхность второй линзы со стороны поверхности изображения является также вогнутой; the second lens has a negative optical power, while the surface of the second lens on the object side is concave and the surface of the second lens on the side of the image surface is also concave;

третья линза имеет положительную оптическую силу, the third lens has a positive optical power,

четвертая линза имеет форму мениска,the fourth lens has the shape of a meniscus,

пятая линза и шестая линза, каждая, имеют форму мениска в области близкой к оптической оси, при этом поверхность, каждой из пятой и шестой линзы, со стороны предмета, является выпуклой в области близкой к оптической оси, и поверхность, каждой из пятой и шестой линзы, со стороны поверхности изображения является вогнутой в области близкой к оптической оси,the fifth lens and the sixth lens each have a meniscus shape in the region close to the optical axis, while the surface of each of the fifth and sixth lenses, on the object side, is convex in the region close to the optical axis, and the surface of each of the fifth and sixth lenses lens, from the side of the image surface is concave in the area close to the optical axis,

- приемник, выполненный с возможностью регистрации промежуточных изображения, сформированных оптическим блоком, с разных расстояний до объекта и под разными углами поля зрения, одновременно,- a receiver configured to register intermediate images formed by the optical unit from different distances to the object and at different angles of the field of view, simultaneously,

- блок обработки изображения, соединенный с приемником, и выполненный с возможностью обработки промежуточных изображений объекта с эффектом размытия по меньшей мере частей изображений объекта, зарегистрированных приемником, при этом обработка указанных изображений выполняется на основе полученной функции рассеяния в заданном диапазоне расстояний и углов поля зрения, с восстановлением на выходе результирующих изображений без эффекта размытия вне зависимости от расстояний до объекта.- an image processing unit connected to the receiver and configured to process intermediate images of an object with a blur effect of at least parts of the object images recorded by the receiver, wherein said images are processed based on the obtained scattering function in a given range of distances and angles of the field of view, with restoring the output of the resulting images without the blur effect, regardless of the distances to the object.

При этом, минимизированные боковые максимумы функции рассеяния, формируемые оптическим блоком, не превышают 10% центрального максимума в заданном диапазоне расстояний до объекта. At the same time, the minimized side maxima of the scattering function formed by the optical unit do not exceed 10% of the central maximum in a given range of distances to the object.

Согласно изобретению, заданный диапазон расстояний до объекта составляет от 400мм до 5000мм и заданный диапазон углов поля зрения составляет от -40 до +40 градусов. According to the invention, the predetermined range of distances to the object is from 400mm to 5000mm and the predetermined range of angles of the field of view is from -40 to +40 degrees.

Кроме того, оптический блок выполнен таким образом, что обеспечивает формирование инвариантной функции рассеяния не зависящей от расстояния до объекта в заданном диапазоне, или In addition, the optical block is designed in such a way that it provides the formation of an invariant scattering function that does not depend on the distance to the object in a given range, or

не зависящей от угла поля зрения, или не зависящей от угла поля зрения и расстояния до объекта. independent of the angle of the field of view, or independent of the angle of the field of view and the distance to the object.

Оптический блок может быть выполнен с возможностью формирования равномерной модуляционной передаточной функции (MTF), не зависящей от расстояния до объекта.The optical unit may be configured to form a uniform modulation transfer function (MTF) independent of the distance to the object.

Кроме того, в устройстве согласно второму аспекту изобретения оптический блок дополнительно выполнен с возможностью одновременного формирования промежуточных изображений объекта на различных расстояниях с эффектом размытия всего изображения объекта.In addition, in the device according to the second aspect of the invention, the optical unit is further configured to simultaneously form intermediate images of the object at different distances with the effect of blurring the entire image of the object.

При этом, каждый из оптических элементов оптического блока выполнен из оптически прозрачного материала, выбранного из по меньшей мере одного из: оптического стекла, оптического кристалла и полимера.At the same time, each of the optical elements of the optical unit is made of an optically transparent material selected from at least one of: optical glass, optical crystal and polymer.

Согласно второму аспекту изобретения, устройство может содержать затвор, расположенный в плоскости апертурной диафрагмы или сопряженной с ней плоскости устройства формирования изображения, и выполненный с возможностью регулирования открытия или закрытия заданного количества зон зрачка.According to the second aspect of the invention, the device may include a shutter located in the plane of the aperture diaphragm or the plane of the imaging device associated with it, and configured to regulate the opening or closing of a given number of pupil zones.

Приемник в заявленном устройстве представляет собой матричный фотодетектор, или КМОП матричный фотоприемник или ПЗС приемник, который выполнен с возможностью регистрации электромагнитного излучения в диапазоне 0,4-0,7 мкм, а размер пиксела датчика составляет от 0,7 мкм до 1,5 мкм.The receiver in the claimed device is a matrix photodetector, or a CMOS matrix photodetector or a CCD receiver, which is capable of detecting electromagnetic radiation in the range of 0.4-0.7 μm, and the sensor pixel size is from 0.7 μm to 1.5 μm .

Блок обработки изображения выполнен с возможностью обработки промежуточных изображений объекта с восстановлением на выходе результирующих изображений на основании сверточной нейронной сети и/или фильтра Винера, параметры которых предварительно определяются на основании параметров оптического блока и приемника.The image processing unit is configured to process intermediate images of the object with restoring the resulting images at the output based on the convolutional neural network and/or the Wiener filter, the parameters of which are preliminarily determined based on the parameters of the optical unit and the receiver.

При этом к параметрам оптического блока относятся по меньше мере одно из: радиусы поверхностей оптических элементов, коэффициенты асферических поверхностей оптических элемeнтов, толщины оптических элементов, показатели преломления материалов оптических элементов, величина дисперсии оптических элементов, расстояния между оптическими элементами в оптическом блоке, длина устройства, представляющая аксиальное расстояние между поверхностью первого оптического элемента со стороны объекта и поверхностью изображения на приемнике, а к параметрам приемника относятся по меньшей мере одно из: спектральной чувствительности, шума, параметры оцифровки. At the same time, the parameters of the optical block include at least one of: the radii of the surfaces of the optical elements, the coefficients of the aspherical surfaces of the optical elements, the thicknesses of the optical elements, the refractive indices of the materials of the optical elements, the dispersion value of the optical elements, the distances between the optical elements in the optical block, the length of the device, representing the axial distance between the surface of the first optical element on the side of the object and the image surface on the receiver, and the receiver parameters include at least one of: spectral sensitivity, noise, digitization parameters.

Согласно третьему аспекту изобретения предлагается способ формирования изображения с обеспечением увеличенной глубины изображаемого пространства, содержащий этапы, при которых: According to a third aspect of the invention, there is provided a method for generating an image with increased image depth, comprising the steps of:

-обеспечивают одновременное формирования промежуточных изображений объекта на различных расстояниях с эффектом размытия по меньшей мере частей изображений объекта посредством оптического блока, имеющего по меньшей мере две зоны зрачка, сформированных таким образом, чтобы обеспечить предварительно заданное распределение оптических сил и аберраций в пределах каждой, из по меньшей мере двух зон зрачка, на основании которых формируют функцию рассеяния, характеризующуюся кривой с минимизированными боковыми максимумами по сравнению с центральным максимумом в заданном диапазоне расстояний до объекта, при этом каждой, из по меньшей мере двух зон зрачка соответствует заданный соответствующий диапазон расстояний до объекта и заданный соответствующий диапазон углов поля зрения, - provide simultaneous formation of intermediate images of the object at different distances with the effect of blurring at least parts of the images of the object by means of an optical unit having at least two pupil zones formed in such a way as to provide a predetermined distribution of optical powers and aberrations within each of the at least two pupil zones, on the basis of which a scattering function is formed, characterized by a curve with minimized lateral maxima compared to the central maximum in a given range of distances to the object, while each of at least two pupil zones corresponds to a given corresponding range of distances to the object and specified appropriate range of field of view angles,

- обеспечивают регистрацию промежуточных изображений, сформированных оптическим блоком, с разных расстояний до объекта и под разными углами поля зрения, одновременно, посредством приемника,- provide registration of intermediate images formed by the optical unit, from different distances to the object and at different angles of the field of view, simultaneously, by means of a receiver,

- блоком обработки изображения осуществляют обработку промежуточных изображений объекта с эффектом размытия по меньшей мере частей изображений объекта, на основании полученной функции рассеяния в заданном диапазоне расстояний и углов поля зрения, и- the image processing unit processes the intermediate images of the object with the effect of blurring at least parts of the images of the object, based on the obtained scattering function in a given range of distances and angles of the field of view, and

- восстанавливают результирующие изображения без эффекта размытия вне зависимости от расстояний до объекта.- restore the resulting images without the blur effect, regardless of the distances to the object.

При этом, минимизированные боковые максимумы функции рассеяния, формируемые оптическим блоком, не превышают 10% центрального максимума в заданном диапазоне расстояний до объекта. At the same time, the minimized side maxima of the scattering function formed by the optical unit do not exceed 10% of the central maximum in a given range of distances to the object.

Согласно изобретению, заданный диапазон расстояний до объекта составляет от 400мм до 5000мм и заданный диапазон углов поля зрения составляет от -40 до +40 градусов. According to the invention, the predetermined range of distances to the object is from 400mm to 5000mm and the predetermined range of angles of the field of view is from -40 to +40 degrees.

Кроме того, оптический блок выполнен таким образом, что обеспечивает формирование инвариантной функции рассеяния не зависящей от расстояния до объекта в заданном диапазоне, или In addition, the optical block is designed in such a way that it provides the formation of an invariant scattering function that does not depend on the distance to the object in a given range, or

не зависящей от угла поля зрения, или не зависящей от угла поля зрения и расстояния до объекта. independent of the angle of the field of view, or independent of the angle of the field of view and the distance to the object.

Оптический блок может быть выполнен с возможностью формирования равномерной модуляционной передаточной функции (MTF), не зависящей от расстояния до объекта.The optical unit may be configured to form a uniform modulation transfer function (MTF) independent of the distance to the object.

Кроме того, в устройстве согласно третьему аспекту изобретения оптический блок дополнительно выполнен с возможностью одновременного формирования промежуточных изображений объекта на различных расстояниях с эффектом размытия всего изображения объекта.In addition, in the device according to the third aspect of the invention, the optical unit is further configured to simultaneously form intermediate images of the object at different distances with the effect of blurring the entire image of the object.

Блок обработки изображения выполнен с возможностью обработки промежуточных изображений объекта с восстановлением на выходе результирующих изображений на основании сверточной нейронной сети и/или фильтра Винера, параметры которых предварительно определяются на основании параметров оптического блока и приемника.The image processing unit is configured to process intermediate images of the object with restoring the resulting images at the output based on the convolutional neural network and/or the Wiener filter, the parameters of which are preliminarily determined based on the parameters of the optical unit and the receiver.

При этом к параметрам оптического блока относятся по меньше мере одно из: радиусы поверхностей оптических элементов, коэффициенты асферических поверхностей оптических элемeнтов, толщины оптических элементов, показатели преломления материалов оптических элементов, величина дисперсии оптических элементов, расстояния между оптическими элементами в оптическом блоке, длина устройства, представляющая аксиальное расстояние между поверхностью первого оптического элемента со стороны объекта и поверхностью изображения на приемнике, а к параметрам приемника относятся по меньшей мере одно из: спектральной чувствительности, шума, параметры оцифровки. At the same time, the parameters of the optical block include at least one of: the radii of the surfaces of the optical elements, the coefficients of the aspherical surfaces of the optical elements, the thicknesses of the optical elements, the refractive indices of the materials of the optical elements, the dispersion value of the optical elements, the distances between the optical elements in the optical block, the length of the device, representing the axial distance between the surface of the first optical element on the side of the object and the image surface on the receiver, and the receiver parameters include at least one of: spectral sensitivity, noise, digitization parameters.

Краткое описание чертежейBrief description of the drawings

Вышеописанные и другие признаки и преимущества настоящего изобретения поясняются в последующем описании, иллюстрируемом чертежами, на которых представлено следующее:The above and other features and advantages of the present invention are explained in the following description, illustrated by drawings, in which the following is presented:

Фиг. 1а - схематично представлено формируемое изображение сцены, включающей целевой объект и фон, согласно известному уровню техники. Fig. 1a is a schematic representation of a generated image of a scene including a target object and a background according to the prior art.

Фиг. 1b - схематично представлено в увеличенном масштабе изображение фона формируемого изображения сцены с фиг.1а, согласно известному уровню техники. Fig. 1b is a schematic, enlarged view of the background of the generated image of the scene of FIG. 1a according to the prior art.

Фиг.2а - схематично представлено изображение сцены, формируемое обычным объективом известного уровня техники.Fig. 2a is a schematic representation of a scene image formed by a conventional prior art lens.

Фиг.2b - схематично представлено изображение сцены, получаемые при использовании известного объектива с увеличенной глубиной изображаемого пространства (EDoF).2b is a schematic representation of a scene image obtained using a known extended depth of field (EDoF) lens.

Фиг.2с - схематично представлено изображение сцены после процесса обработки изображения, получаемого известным EDoF объективом согласно фиг.2b.2c is a schematic representation of the scene image after the image processing process obtained by the known EDoF lens according to fig.2b.

Фиг.2d - представлены графики модуляционной передаточной функции, иллюстрирующие коэффициент передачи модуляции (T) изображения в зависимости от величины дефокусировки (z) для обычного объектива и EDoF объектива. 2d are modulation transfer function plots illustrating the modulation gain (T) of an image versus defocus amount (z) for a conventional lens and an EDoF lens.

Фиг. 3а-3с - представлена в общем виде схема заявленного технического решения, где на фиг.3а - условно представлена сцена в момент снятия изображения с помощью смартфона, фиг.3b - представлена схема заявленного технического решения (Ключевое положение 1 и Ключевое положение 2) и на фиг.3с - представлено изображения сцены после обработки захваченного изображения.Fig. 3a-3c is a general view of the diagram of the claimed technical solution, where in Fig.3a is a conditional representation of the scene at the time of taking an image using a smartphone, Fig.3b is a diagram of the claimed technical solution (Key position 1 and Key position 2) and 3c shows the image of the scene after processing the captured image.

Фиг.4 - схематично представлено устройство формирования изображения с обеспечением увеличенной глубины изображаемого пространства и формируемые им промежуточное размытое изображение и выходное резкое (четкое) изображение согласно изобретению.Fig. 4 is a schematic representation of an image forming apparatus providing an increased depth of imaging space and the intermediate blurred image generated by it and the output sharp (clear) image according to the invention.

Фиг.5a-5c - схематично представлен процесс формирования изображения устройством формирования изображения с обеспечением увеличенной глубины изображаемого пространства без процесса обработки изображения согласно первому варианту реализации изобретения, где на фиг.5а условно представлена сцена в момент снятия изображения с помощью смартфона с EDoF, на фиг.5b представлен процесс формирования изображения без обработки изображения, на фиг.5с - представлено формируемое промежуточное размытое изображение.Figs. 5a-5c are schematic representations of the imaging process of the image forming apparatus providing increased imaging depth without the image processing process according to the first embodiment of the invention, where Fig. 5a is a schematic representation of the scene at the moment of capturing an image using a smartphone with EDoF, Fig. .5b shows the imaging process without image processing, fig.5c shows the intermediate blur image being formed.

Фиг.6а - представлен график функции рассеяния (PSF) для системы с автофокусировкой в дефокусированной позиции согласно известному уровню техники.6a is a plot of the spread function (PSF) for a defocused position autofocus system according to the prior art.

Фиг.6b - представлена график функции рассеяния (PSF) для системы EDoF согласно известному уровню техники.6b is a plot of the spread function (PSF) for an EDoF system according to the prior art.

Фиг.6c - представлена график функции рассеяния (PSF) заявленного устройства формирования изображения с обеспечением увеличенной глубины изображаемого пространства.Fig. 6c is a plot of the spread function (PSF) of an inventive imaging device with increased imaging depth.

Фиг.7 - представлены графики функций рассеяния (PSF) для устройства формирования изображения с обеспечением увеличенной глубины изображаемого пространства в зависимости от угла поля зрения (W) и расстояния до предмета (d) согласно варианту реализации изобретения.Fig. 7 is a plot of scatter functions (PSFs) for an imager providing increased image depth as a function of field of view angle (W) and object distance (d) according to an embodiment of the invention.

Фиг.8 - представлена схема формирования промежуточного размытого изображения на приемнике устройства формирования изображения с обеспечением увеличенной глубины изображаемого пространства и формирования выходного резкого (четкого) изображения после процесса восстановления блоком обработки изображения согласно варианту реализации изобретения.Fig. 8 is a diagram of the formation of an intermediate blurred image at the receiver of the image forming apparatus, providing an increased depth of the imaged space and the formation of an output sharp (clear) image after the restoration process by the image processing unit according to an embodiment of the invention.

Фиг.9а - представлена схема формирования промежуточного изображения устройством формирования изображения с обеспечением увеличенной глубины изображаемого пространства, имеющего по меньшей мере две зоны зрачка согласно варианту реализации изобретения.Fig. 9a is a diagram of intermediate imaging by an imaging device providing an increased depth of imaging space having at least two pupil zones according to an embodiment of the invention.

Фиг.9b - представлены графики модуляционной передаточной функции, характеризующие зависимости коэффициента передачи модуляции (T) от дефокусировки (z) для устройства формирования изображения с обеспечением увеличенной глубины изображаемого пространства с двумя, тремя и множеством зон зрачков согласно варианту реализации изобретения.9b is a modulation transfer function plot showing modulation gain (T) versus defocus (z) for an enhanced depth imaging device with two, three, and multiple pupil zones according to an embodiment of the invention.

Фиг.10 - представлена схема формирования промежуточного изображения устройством формирования изображения с обеспечением увеличенной глубины изображаемого пространства, имеющего по меньшей мере две подзоны зон зрачка согласно варианту реализации изобретения.Fig. 10 is a diagram of intermediate imaging by an enhanced image depth imaging device having at least two pupil zone subzones according to an embodiment of the invention.

Фиг. 11а - представлена схема формирования двух пучков лучей с соответствующими фокусами F1, F2 для устройства формирования изображения с двумя зонами зрачка согласно варианту реализации изобретения.Fig. 11a is a diagram of the formation of two beams of beams with corresponding foci F1, F2 for an imaging device with two pupil zones according to an embodiment of the invention.

Фиг. 11b - представлен в увеличенном виде ход пучков лучей в области фокусов F1, F2 со схемы фиг.11а согласно варианту реализации изобретения.Fig. 11b is an enlarged view of the path of the beams of rays in the region of the foci F1, F2 from the diagram of figa according to an embodiment of the invention.

Фиг. 11c - представлен график, иллюстрирующий модуляционную передаточную функцию (MTF), характеризующую зависимость коэффициента передачи модуляции (T) от дефокусировки (z) согласно варианту реализации изобретения.Fig. 11c is a graph illustrating the modulation transfer function (MTF) of modulation gain (T) versus defocus (z) according to an embodiment of the invention.

Фиг.12а - представлен ход лучей для схемы формирования изображения с двумя фокусами согласно варианту реализации изобретения.12a shows the ray path for a dual focus imaging scheme according to an embodiment of the invention.

Фиг.12b - представлен ход лучей для схемы формирования изображения с тремя фокусами, согласно варианту реализации изобретения.Fig. 12b shows the ray path for a three focus imaging scheme according to an embodiment of the invention.

фиг.12с - представлен график, иллюстрирующий модуляционную передаточную функцию (MTF), характеризующую зависимость коэффициента передачи модуляции (T) от дефокусировки (z) для схемы формирования изображения с двумя фокусами согласно фиг.12а.12c is a graph illustrating the modulation transfer function (MTF) of modulation gain (T) versus defocus (z) for the dual focus imaging circuit of FIG. 12a.

Фиг.12d - представлен график, иллюстрирующий модуляционную передаточную функцию (MTF), характеризующую зависимость коэффициента передачи модуляции (T) от дефокусировки (z) для схемы формирования изображения с тремя фокусами согласно фиг.12b.Fig. 12d is a graph illustrating the modulation transfer function (MTF) of modulation gain (T) versus defocusing (z) for the three focus imaging scheme of Fig. 12b.

Фиг.13 - схематично представлен оптический блок устройства формирования изображения с обеспечением увеличенной глубины изображаемого пространства с разделением зоны зрачка на по меньшей мере две зоны, где функция рассеяния (PSF) не зависит от расстояния до объекта, при этом под позицией 13а) представлены функции рассеяния (PSF) для дальней позиции, центральной позиции и ближней позиции, а под позицией 13b) представлены функции рассеяния (PSF) в зависимости от угла поля зрения.Fig. 13 is a schematic representation of the optical block of the image forming device providing an increased depth of the imaged space with the division of the pupil zone into at least two zones, where the scattering function (PSF) does not depend on the distance to the object, while scattering functions are presented under position 13a) (PSF) for the far position, center position and near position, and under the position 13b) are the scattering functions (PSF) depending on the angle of the field of view.

Фиг.14 - схемматично представлен оптический блок устройства формирования изображения с обеспечением увеличенной глубины изображаемого пространства с разделением зоны зрачка на по меньшей мере две зоны, где функция рассеяния PSF зависит от глубины поля зрения, при этом под позицией 14а) представлены функции рассеяния (PSF) в зависимости от глубины изображаемого пространства для дальней позиции, центральной позиции и ближней позиции, а под позицией 14b) представлены функции PSF в зависимости от угла поля зрения.Fig. 14 is a schematic representation of the optical unit of the imaging device with increased depth of image space with the division of the pupil zone into at least two zones, where the scattering function PSF depends on the depth of field of view, while under the position 14a) scattering functions (PSF) are presented depending on the depth of the imaged space for the far position, the central position and the near position, and under the position 14b) the PSF functions are presented depending on the angle of the field of view.

Фиг.15а - представлен схематичный вид пятен рассеяния в плоскости изображения в соответствии с функцией рассеяния (PSF) для устройства формирования изображения с обеспечением увеличенной глубины изображаемого пространства согласно фиг.13.Fig. 15a is a schematic view of scatter spots in the image plane in accordance with the scatter function (PSF) for an imaging device providing an increased imaging depth according to Fig. 13.

Фиг.15b - представлен схематичный вид пятен рассеяния в плоскости изображения в соответствии с функцией рассеяния (PSF) для устройства формирования изображения с обеспечением увеличенной глубины изображаемого пространства согласно фиг.14.Fig. 15b is a schematic view of scatter spots in the image plane according to the scatter function (PSF) for an imaging device providing an increased imaging depth according to Fig. 14.

Фиг.15с - представлен график, иллюстрирующий модуляционную передаточную функцию (MTF), характеризующую зависимость коэффициента передачи модуляции (T) от дефокусировки (z) согласно вариантам реализации изобретения.15c is a graph illustrating the modulation transfer function (MTF) of modulation gain (T) versus defocus (z) according to embodiments of the invention.

Фиг.16а - схематично представлено устройство формирования изобретения с обеспечением увеличенной глубины изображаемого пространства с затвором без устройства обработки изображения.Fig. 16a is a schematic representation of the device for forming the invention providing an increased depth of imaging space with a shutter without an image processing device.

Фиг.16b,16c,16d - представлены графики, иллюстрирующие модуляционные передаточные функции (MTF), характеризующие зависимости коэффициента передачи модуляции (T) от дефокусировки(z)в зависимости от открытия зон зрачка согласно вариантам реализации изобретения.16b, 16c, 16d are graphs illustrating modulation transfer functions (MTFs) characterizing modulation gain (T) versus defocus (z) versus pupil opening according to embodiments of the invention.

Фиг.17а, 17b,17c,17d - представлены карты распределения оптической силы в зависимости от формы зрачковых зон.Fig.17a, 17b,17c,17d - maps of the distribution of optical power depending on the shape of the pupillary areas.

Фиг.18 - схематично представлено устройство формирования изображения с обеспечением увеличенной глубины изображаемого пространства и формируемые им промежуточное изображение и выходное изображение согласно изобретению.Fig. 18 is a schematic representation of an enhanced image depth imaging apparatus and its intermediate image and output image according to the invention.

Фиг.19а и 19b - представлены изображения, полученные заявленным устройством формирования изображения с обеспечением увеличенной глубины изображаемого пространства до и после обработки устройством формирования изображения.19a and 19b show images obtained by the inventive imaging device with increased image depth before and after processing by the imaging device.

Фиг.20а - представлена схема примера реализации оптического блока устройства формирования изображения с обеспечением увеличенной глубины изображаемого пространства согласно изобретению.Fig. 20a is a diagram of an exemplary implementation of an optical unit of an image forming apparatus providing an increased imaging depth according to the invention.

Фиг.20b - представлен график, иллюстрирующий модуляционную передаточную функцию (MTF), характеризующую зависимость коэффициента передачи модуляции (T) от дефокусировки (z) известного уровня техники.20b is a graph illustrating the modulation transfer function (MTF) of the prior art modulation gain (T) versus defocus (z).

Фиг.20с - представлен график, иллюстрирующий модуляционную передаточную функцию (MTF), характеризующую зависимость коэффициента передачи модуляции (T) от дефокусировки (z) заявленного устройства формирования изображения с обеспечением увеличенной глубины изображаемого пространства.20c is a graph illustrating a modulation transfer function (MTF) characterizing the modulation gain (T) versus defocus (z) of an inventive imaging device to provide increased image depth.

Фиг. 21 - представлены графики, иллюстрирующие модуляционные передаточные функции (MTF), характеризующие зависимость коэффициента передачи модуляции (T) от дефокусировки (z) для оптического блока, имеющего асферическую поверхность и/или поверхность Цернике согласно варианту реализации заявленного устройства формирования изображения с обеспечением увеличенной глубины изображаемого пространства.Fig. 21 - graphs illustrating the modulation transfer functions (MTF) characterizing the dependence of the modulation transfer coefficient (T) on defocusing (z) for an optical unit having an aspherical surface and / or a Zernike surface according to an embodiment of the claimed imaging device with increased image depth space.

Фиг.22а - представлены примеры графиков передаточной функции MTF для оптического блока устройства формирования изображения согласно изобретению.22a shows examples of MTF transfer function plots for an optical unit of an imaging apparatus according to the invention.

Фиг.22b - представлены примеры графиков функций рассеяния (PSF) для оптического блока устройства формирования изображения в зависимости от расстояния до предмета (d) согласно варианту реализации изобретения.Fig. 22b shows examples of PSF plots for an optical unit of an imaging apparatus versus object distance (d) according to an embodiment of the invention.

Фиг.22с представлены графики, иллюстрирующий дисторсию оптического блока устройства формирования изображения с обеспечением увеличенной глубины изображаемого пространства согласно варианту реализации изобретения.Fig. 22c is a graph illustrating the distortion of an optical unit of an image forming apparatus with increased image depth according to an embodiment of the invention.

Фиг.23а - схематично представлен оптический блок с разделением входного зрачка на две зоны зрачка (PZ1, PZ2) и приемник согласно варианту реализации устройства формирования изображения с обеспечением увеличенной глубины изображаемого пространства.Fig.23a - schematically shows the optical unit with the division of the entrance pupil into two zones of the pupil (PZ1, PZ2) and the receiver according to an embodiment of the imaging device with an increased depth of imaging space.

Фиг.23b - представлен профиль распределения оптической силы оптического блока в сагиттальном сечении зрачка согласно фиг.23а устройства формирования изображения с обеспечением увеличенной глубины изображаемого пространства согласно изобретению.Fig.23b - shows the profile of the distribution of the optical power of the optical unit in the sagittal section of the pupil according to Fig.23a imaging device with increased depth of imaging space according to the invention.

Фиг.23с - представлен профиль распределения фокусного расстояния оптического блока в сагиттальном сечении зрачка согласно фиг.23а устройства формирования изображения с обеспечением увеличенной глубины изображаемого пространства согласно изобретению.Fig. 23c shows the profile of the distribution of the focal length of the optical unit in the sagittal section of the pupil according to Fig. 23a of the imaging device providing an increased depth of imaging space according to the invention.

Фиг.23d - представлена карта распределения фокусного расстояния оптического блока согласно фиг.23а устройства формирования изображения с обеспечением увеличенной глубины изображаемого пространства согласно изобретению.Fig. 23d is a map of the distribution of the focal length of the optical unit according to Fig. 23a of the image forming apparatus providing an increased depth of imaging space according to the invention.

Фиг.24а - представлен график функции рассеяния (PSF) с минимизированными боковыми лепестками оптического блока устройства формирования изображению с обеспечением увеличенной глубины изображаемого пространства согласно изобретению.24a is a plot of the scatter function (PSF) with minimized side lobes of an optical unit of an imaging device to provide increased image depth according to the invention.

Фиг.24b - представлен график модуляционной передаточной функции (MTF) в зависимости от дефокусировки (глубины резкости), иллюстрирующий плавную кривую Функции MTF.24b is a plot of the Modulation Transfer Function (MTF) versus defocus (depth of field) illustrating the smooth curve of the MTF Function.

Фиг.25а-25е - процесс формирования изображения оптическим блоком и регистрации на приемнике, где на фиг.25а - представлено условное разделение объекта на части, на фиг.25b - изображено математическое представление изображения, формируемого оптическим блоком в виде свертки распределения интенсивности и функции рассеяния, 25с - представлен расчет функции рассеяния для каждой части приемника, 25d - представлены операции по регистрации изображения на приемнике, 25e - представлено получение промежуточного изображение на приемнике Yc.Fig.25a-25e - the process of image formation by the optical unit and registration on the receiver, where Fig.25a shows the conditional division of the object into parts, Fig.25b shows a mathematical representation of the image formed by the optical unit in the form of a convolution of the intensity distribution and scattering function , 25c shows the calculation of the scattering function for each part of the receiver, 25d shows the image acquisition operations at the receiver, 25e shows the acquisition of an intermediate image at the Yc receiver.

Фиг.26 - схематично представлен вид изображения объекта (Yc), получаемого на приемнике (см. результирующее промежуточное изображение на фиг.25d) и восстановленного изображения, получаемого после обработки в блоке обработки изображения.Fig. 26 is a schematic view of an object image (Yc) obtained at the receiver (see resulting intermediate image in Fig. 25d) and a reconstructed image obtained after processing in the image processing unit.

Фиг.27 - схематично представлен пример разделяемой функции рассеяния (PSF)согласно варианту реализации изобретения.27 is a schematic representation of an example of a shared spread function (PSF) according to an embodiment of the invention.

Фиг.28 - схематично представлен пример архитектуры нейронной сети с семью уровнями согласно варианту реализации изобретения.28 is a schematic representation of an example of a seven layer neural network architecture according to an embodiment of the invention.

Предпочтительные варианты осуществления изобретенияPreferred embodiments of the invention

Примеры вариантов осуществления настоящего раскрытия будут подробно описаны ниже. Примеры вариантов осуществления были проиллюстрированы на прилагаемых чертежах, на которых одинаковые или подобные ссылочные позиции относятся к одинаковым или подобным элементам или элементам, имеющим одинаковые или подобные функции. Примерные варианты осуществления, описанные со ссылкой на прилагаемые чертежи, являются иллюстративными, используются только для объяснения настоящего раскрытия и не должны рассматриваться как какие-либо ограничения к нему.Exemplary embodiments of the present disclosure will be described in detail below. Exemplary embodiments have been illustrated in the accompanying drawings, in which the same or like reference numerals refer to the same or like elements or elements having the same or similar functions. The exemplary embodiments described with reference to the accompanying drawings are illustrative, used only to explain the present disclosure, and should not be construed as limiting it in any way.

В рамках настоящего изобретения будут использоваться следующие понятия и термины, толкование которых предоставляется ниже авторами изобретения: Within the framework of the present invention, the following concepts and terms will be used, the interpretation of which is provided below by the authors of the invention:

Целевой объект - объект, выбранный пользователем для съемки.Target object - the object selected by the user for shooting.

Апертурная диафрагма - диафрагма, ограничивающая пучок лучей, выходящих из осевой точки предмета. Aperture diaphragm - a diaphragm that limits the beam of rays emerging from the axial point of the object.

Зрачок - параксиальное изображение апертурной диафрагмы. The pupil is a paraxial image of the aperture diaphragm.

Зона зрачка (Pupil zone(PZ)) - выделенная область зрачка с собственными свойствами оптической системы (фокусным расстоянием, аберрационными свойствами).Pupil zone (PZ) - a selected area of the pupil with its own properties of the optical system (focal length, aberration properties).

Поле зрения - угол между двумя лучами, проходящими через центр входного зрачка объектива (линзы) к наиболее удаленным от оптической оси отображаемым точкам объекта в пространстве предметов.The field of view is the angle between two rays passing through the center of the entrance pupil of the lens (lens) to the displayed points of the object in the space of objects that are farthest from the optical axis.

Угол поля зрения - угол между оптической осью и лучом, проходящим через точку предмета в поле зренияField of view angle - the angle between the optical axis and the beam passing through the point of the object in the field of view

Пятно рассеяния-изображение точки, образуемое реальной оптической системой.A scatter spot is an image of a point formed by a real optical system.

Промежуточное изображение-изображение, сформированное оптическим блоком на приемнике. An intermediate image is an image formed by the optical unit at the receiver.

Восстановленное изображение-изображение на выходе блока обработки изображения.The reconstructed image is the image at the output of the image processing unit.

Функция рассеяния (Point Spread Function (PSF)) - описывает зависимость распределения освещенности изображения точечного объекта от координат в плоскости изображения.Point Spread Function (PSF) - describes the dependence of the illumination distribution of the image of a point object on the coordinates in the image plane.

Эффект боке (boken-effect)- размытие (нерезкость) части изображения, как правило фона, находящейся не в фокусе.Bokeh effect (boken-effect) - blur (unsharpness) of the part of the image, usually the background, that is out of focus.

Ореол - световая кайма вокруг изображения точек предмета.Halo - a light border around the image of the points of the subject.

Коэффициент передачи модуляции - отношение контраста изображения гармонического (синусоидального) объекта к контрасту самого объекта. The modulation transfer coefficient is the ratio of the image contrast of a harmonic (sinusoidal) object to the contrast of the object itself.

Модуляционная передаточная функция (MTF) - показывает изменение коэффициента передачи модуляции (контраста) изображения в зависимости от пространственной частоты гармонического объекта. Другими словами, она характеризует, насколько точно пространственно-частотное содержание объекта передается изображению.Modulation transfer function (MTF) - shows the change in the modulation transfer coefficient (contrast) of the image depending on the spatial frequency of the harmonic object. In other words, it characterizes how accurately the spatial-frequency content of the object is transmitted to the image.

Дефокусировка - смещение плоскости анализа относительно плоскости установки приемника.Defocusing - displacement of the analysis plane relative to the receiver installation plane.

Оптическая система (блок) - совокупность оптических элементов определенным образом расположенных в пространстве, обеспечивающих необходимое формирование пучков лучей (без приемника и блока обработки).Optical system (unit) - a set of optical elements located in space in a certain way, providing the necessary formation of beams of rays (without a receiver and a processing unit).

Согласно первому варианту реализации предусмотрено устройство формирования изображения с обеспечением увеличенной глубины изображаемого пространства (см. фиг.4), содержащая оптический блок, приемник и блок обработки изображения. На фигурах 5а-5с представлена схема устройства формирования изображения с обеспечением увеличенной глубины изображаемого пространства без блока обработки изображения. При этом оптический блок имеет по меньшей мере две зоны зрачка (PZ1, PZ2) (см. фиг.3b,4 и 5b). При этом каждая зона зрачка c соответствующими аберрационными свойствами функционирует с соответствующим диапазоном расстояний (d1, d2, d3) до объекта, которым соответствует свой фокус (F1, F2, F3) и диапазоном углов поля зрения (угол 1, угол 2, угол 3). При этом аберрационные свойства (например, волновые аберрации (OPD)) каждой зоны зрачка определяют качество изображения в соответствии с характеристиками оптического блока для диапазона расстояний d1, d2, d3,…,dN. К характеристикам относятся, например, функция рассеяния (PSF) или модуляционная передаточная функция (MTF) для диапазона расстояний до объекта и углов поля зрения. При этом оптический блок формирует промежуточное размытое изображение, которое далее корректируется блоком обработки изображения, используя характеристики оптической системы (функции PSF или MTF) в диапазоне расстояний до объекта и углов поля зрения и на выходе блока обработки изображения обеспечивается четкое контрастное изображение объектов по всему полю зрения. According to the first implementation variant, an imaging device is provided to provide an increased depth of the imaged space (see Fig. 4), containing an optical unit, a receiver and an image processing unit. Figures 5a-5c show a diagram of an image forming apparatus providing an increased depth of imaging space without an image processing unit. While the optical unit has at least two zones of the pupil (PZ1, PZ2) (see Fig.3b,4 and 5b). In this case, each pupil zone with the corresponding aberration properties operates with the appropriate range of distances (d1, d2, d3) to the object, which corresponds to its focus (F1, F2, F3) and the range of field of view angles (angle 1, angle 2, angle 3) . In this case, the aberration properties (for example, wave aberrations (OPD)) of each pupil zone determine the image quality in accordance with the characteristics of the optical block for the distance range d1, d2, d3, ..., dN. Characteristics include, for example, the spread function (PSF) or modulation transfer function (MTF) for a range of object distances and field of view angles. In this case, the optical unit forms an intermediate blurred image, which is further corrected by the image processing unit, using the characteristics of the optical system (PSF or MTF functions) in the range of distances to the object and angles of the field of view, and at the output of the image processing unit, a clear contrast image of objects is provided throughout the field of view .

Характеристики и свойства зон зрачка совместно оптимизируются таким образом, что оптический блок формирует функцию рассеяния (PSF) с минимизированными боковыми лепестками (боковыми максимумами, боковыми пиками) для точек вне фокуса. The characteristics and properties of the pupil areas are jointly optimized so that the optical unit generates a spread function (PSF) with minimized side lobes (side maxima, side peaks) for out-of-focus points.

Далее на фиг.6а-6с представлены примеры графиков функции рассеяния (PSF). На фиг.6а представлен график функции рассеяния (PSF) при дефокусировке оптической системы камеры согласно известному уровню техники, в результате изображения точечных объектов фона представляют собой пятна рассеяния в виде колец или полуколец, что приводит к неестественному размытию фона (donut-shaped bokeh). Further on figa-6c presents examples of graphs of the scattering function (PSF). Figure 6a is a graph of the scattering function (PSF) when the optical system of the camera is defocused according to the prior art, as a result, the images of point objects of the background are scattered spots in the form of rings or semi-rings, which leads to an unnatural blurring of the background (donut-shaped bokeh).

На фиг.6b представлен график функции рассеяния (PSF) при дефокусировке для системы EDoF согласно известному уровню техники, на графике представлены боковые максимумы (боковые лепестки), в результате изображения точечных объектов фона представляют собой пятна рассеяния с ореолом в виде колец, что приводит к неестественному размытию фона (donut-shaped bokeh). Fig. 6b is a plot of the defocus scatter function (PSF) for a prior art EDoF system, the plot shows side maxima (side lobes), resulting in background point object images being scatter spots with a ring-shaped halo, resulting in unnatural background blur (donut-shaped bokeh).

Фиг.6c представлена график функции рассеяния (PSF) заявленного устройства формирования изображения, в которой функция PSF в положении вне фокуса без боковых лепестков или с максимально минимизированными боковыми лепестками, что приводит к равномерному размытию фона. 6c is a plot of the spread function (PSF) of an inventive imaging device in which the PSF is in an out-of-focus position without side lobes or with side lobes minimized as much as possible, resulting in a uniform background blur.

Указанный эффект достигается посредством использования мультифокального оптического блока с множеством зон зрачка. При этом в результате, на выходе из блока обработки изображения обеспечивается получение естественного размытия фона (эффекта боке) в финальном изображении объекта.This effect is achieved by using a multifocal optical unit with multiple pupil zones. At the same time, as a result, at the output of the image processing unit, a natural background blur (bokeh effect) is obtained in the final image of the object.

Следует отметить, что известные EDoF системы работают следующим образом: It should be noted that known EDoF systems work as follows:

1) оптический блок регистрирует размытое изображение. Его специально делают размытым (с помощью амплитудно-фазовых масок или ведения сферической аберрации), чтобы увеличить глубину изображаемого пространства. У таких систем функция рассеянии получается с боковыми максимумами (боковыми лепестками). Эти боковые максимумы приводят к тому, что в изображении точки появляется ореол в виде колец или полуколец. Особенно это критично для удаленных объектов, где много точечных источников, например, промежутки между листьями и ветками деревьев (см. фиг.1а, 1b). С расстояния они кажутся точками, но EDoF регистрирует их в виде пятна с ореолом из-за боковых максимумов в функции рассеяния. 1) the optical unit registers a blurry image. It is deliberately made blurry (using amplitude-phase masks or maintaining spherical aberration) in order to increase the depth of the depicted space. For such systems, the scattering function is obtained with side maxima (side lobes). These side maxima lead to the fact that a halo appears in the image of a point in the form of rings or semirings. This is especially critical for distant objects, where there are many point sources, for example, gaps between leaves and tree branches (see figa, 1b). From a distance, they appear to be points, but EDoF registers them as haloed spots due to side peaks in the scatter function.

2) сформированное оптическим блоком размытое изображение регистрируется приемником2) the blurry image formed by the optical unit is recorded by the receiver

3) блок обработки восстанавливает резкое изображение из размытого. Если в изображении есть размытые точки (пятна) с ореолами, то после обработки они преобразуются в резкие точки с резким ореолом. Т.е. изображение искажается: должны были получить точку, а получили точку с резким кольцом.3) the processing unit restores a sharp image from a blurry one. If there are blurry points (spots) with halos in the image, then after processing they will be converted into sharp points with a sharp halo. Those. the image is distorted: they were supposed to get a point, but they got a point with a sharp ring.

В заявленном устройстве формирования изображения в оптическом блоке размытие достигается не фазовой маской или введением сферической аберрации, а путем разбития зрачка на зоны со своими аберрационными свойствами, но при этом не исключается использование маски. В результате оптический блок формирует размытое изображение и дополнительно, в отличие от других EDoF известных из уровня техники, у функции рассеяния (PSF) отсутствуют боковые максимумы. Точечный объект (или точка на объекте, точечный источник) преобразуется в размытую точку (пятно), но без ореолов.In the claimed image forming device in the optical unit, blurring is achieved not by a phase mask or by introducing spherical aberration, but by dividing the pupil into zones with their own aberration properties, but the use of a mask is not excluded. As a result, the optical unit generates a blurry image and additionally, unlike other EDoFs known from the prior art, the scattering function (PSF) has no side maxima. A point object (or a point on an object, a point source) is converted to a blurry point (spot), but without ghosting.

При этом блок обработки изображения выполнен с возможностью обработки промежуточного размытого изображения (см.4, 5b) и восстановления размытого изображения, формируемого оптическим устройством. При этом обработка изображения выполняется на основании распределения функции PSF или MTF по диапазону расстояний до объекта и углов поля зрения. При этом восстановление изображения используется также с учетом параметров приемника устройства формирования изображения, к которым относятся: спектральная чувствительность, шум, параметры дискретизации, и которые используются при выполнении процесса восстановления изображения. Таким образом, блок обработки восстанавливает резкое изображение из размытого. Поскольку в изображении нет ореолов, размытое изображение точки (пятно) превращается в точку, как и должно быть в натурально выглядящем изображении.In this case, the image processing unit is configured to process the intermediate blurred image (see 4, 5b) and restore the blurred image generated by the optical device. In this case, image processing is performed based on the distribution of the PSF or MTF function over the range of distances to the object and angles of the field of view. In this case, image restoration is also used taking into account the parameters of the image forming device receiver, which include: spectral sensitivity, noise, sampling parameters, and which are used when performing the image restoration process. Thus, the processing unit restores a sharp image from a blurry one. Since there are no ghosting in the image, the blurred image of the dot (spot) turns into a dot, as it should be in a natural-looking image.

На фиг.7 представлены графики, иллюстрирующие Примеры изменения формы функции рассеянии в зависимости от угла поля зрения и расстояния до предмета. При этом авторы изобретения наглядно продемонстрировали, как функция рассеяния (PSF) зависит от угла поля зрения (W) и расстояния до предмета (d). На графиках на фиг.7, (где x - координата в плоскости изображения, I - значение функции рассеяния), представлены Примеры функции рассеяния для расстояния до предмета (целевого объекта) равного 400мм, 1000мм, 5000мм и углам поля зрения (W) равным 0 градусов, 23 градуса и 40 градусов. Информация, полученная в результате экспериментальных исследований, проведенными авторами изобретения, часть из которых представлена на фиг.7, в качестве неограничивающего примера, далее используется в блоке обработке изображения для восстановления размытого изображения. Figure 7 presents graphs illustrating Examples of changes in the shape of the scattering function depending on the angle of the field of view and the distance to the subject. In doing so, the inventors clearly demonstrated how the scattering function (PSF) depends on the angle of the field of view (W) and the distance to the object (d). On the graphs in Fig.7, (where x is the coordinate in the image plane, I is the value of the scattering function), examples of the scattering function for the distance to the object (target object) equal to 400mm, 1000mm, 5000mm and field of view angles (W) equal to 0 degrees, 23 degrees and 40 degrees. The information obtained as a result of experimental studies carried out by the inventors, some of which are shown in Fig.7, as a non-limiting example, is then used in the image processing unit to restore the blurred image.

Следует отметить, что при проведении экспериментальных исследований авторы изобретения выявили, при каждом из расстояний 400 мм, 1000м и 5000мм до объекта устройство формирования изображения согласно изобретению формирует функцию рассеяния с минимизированными боковыми лепестками, что свидетельствует о получении равномерно размытого промежуточного изображения, и что в свою очередь обеспечивает восстановление четкого (резкого) изображения после обработки в блоке обработки изображения.It should be noted that during experimental studies, the inventors found that at each of the distances of 400 mm, 1000 m and 5000 mm to the object, the imaging device according to the invention generates a scattering function with minimized side lobes, which indicates that a uniformly blurred intermediate image is obtained, and that in turn the queue ensures the restoration of a clear (sharp) image after processing in the image processing unit.

Кроме того, при проведении экспериментальных исследованиях авторы изобретения было получено, что при углах поля зрения равных: -40 градусов, 0 градусов, 23 и +40 градусов и при заданных расстояниях до объекта устройство формирования изображения согласно изобретению формирует функцию рассеяния с минимизированными боковыми лепестками, что свидетельствует о получении равномерно размытого промежуточного изображения, и что в свою очередь обеспечивает восстановление четкого (резкого) изображения после обработки в блоке обработки изображения.In addition, during experimental studies, the inventors found that at angles of view equal to: -40 degrees, 0 degrees, 23 and +40 degrees and at given distances to the object, the imaging device according to the invention generates a scattering function with minimized side lobes, which indicates the receipt of a uniformly blurred intermediate image, and which in turn ensures the restoration of a clear (sharp) image after processing in the image processing unit.

На основании проведенных исследований было получено, что устройство формирования изображения согласно изобретению обеспечивает формирование функции рассеяния, у которой минимизированные боковые максимумы (боковые лепестки) функции рассеяния, формируемые оптическим блоком, не превышают 10% центрального максимума в заданном диапазоне расстояний до объекта.Based on the research, it was found that the imaging device according to the invention provides the formation of a scattering function, in which the minimized side maxima (side lobes) of the scattering function formed by the optical unit do not exceed 10% of the central maximum in a given range of distances to the object.

На фиг.8 схематично представлен процесс формирования размытого изображения на приемнике, и данные изображения с приемника поступают в блок обработки изображения, где осуществляется восстановление изображения. При этом, в данном случае, обработка изображения выполняется на основании распределения функции рассеяния (PSF), как показано на фиг.7 по диапазону расстояний до объекта и углов поля зрения. При этом восстановление изображения используется также с учетом параметров приемника устройства формирования изображения, к которым относятся: спектральная чувствительность, шум, параметры дискретизации, и которые используются при выполнении процесса восстановления изображения. Fig. 8 is a schematic representation of the blurring process at the receiver, and the image data from the receiver is fed to the image processing unit where the image is reconstructed. Here, in this case, image processing is performed based on the distribution of the spreading function (PSF) as shown in FIG. 7 over a range of object distances and field of view angles. In this case, image restoration is also used taking into account the parameters of the image forming device receiver, which include: spectral sensitivity, noise, sampling parameters, and which are used when performing the image restoration process.

При этом следует отметить, что приемник представляет собой матричный фотодетектор, в частности КМОП матричный фотоприемник или ПЗС приемник, который выполнен с возможностью регистрации электромагнитного излучения в диапазоне 0,4-0,7 мкм, а размер пикселя приемника составляет, как 0,7 мкм, 1 мкм, так и 1, 5 мкм. Согласно другому варианту реализации изобретения предусмотрено устройство формирование изображение, имеющее по меньшей мере 2 зоны зрачка, схема, которой представлена на фиг.9а.It should be noted that the receiver is a matrix photodetector, in particular a CMOS matrix photodetector or a CCD detector, which is configured to detect electromagnetic radiation in the range of 0.4-0.7 μm, and the pixel size of the receiver is as 0.7 μm , 1 µm, and 1.5 µm. According to another embodiment of the invention, an image forming device is provided, having at least 2 pupil zones, the scheme shown in Fig. 9a.

При этом каждая зона зрачка функционирует с соответствующим диапазоном расстояний (d1, d2, dN) до объекта (не показан на фиг.9а), которым соответствует свой фокус (F1, F2, FN) и диапазоном соответствующих углов поля зрения. На фиг.9a каждой зоне зрачка соответствует свой пучок лучей, т.е. зоне PZ1 соответствует пучок L1 и т.д., и своя область пятна рассеяния. In this case, each zone of the pupil functions with the corresponding range of distances (d1, d2, dN) to the object (not shown in Fig. 9a), which corresponds to its focus (F1, F2, FN) and the range of the corresponding angles of the field of view. In Fig.9a, each zone of the pupil corresponds to its own beam of rays, i.e. the zone PZ1 corresponds to the beam L1, etc., and its own region of the scattering spot.

При этом волновые аберрации (OPD) каждой зоны зрачка определяют качество изображения в соответствии с функцией рассеяния (PSF) или модуляционной передаточной функцией (MTF) для диапазона расстояний до объекта и углов поля зрения. При этом обработка изображения выполняется на основании зависимости функции PSF или MTF от диапазона расстояний до объекта и углов поля зрения. При этом восстановление изображения используется также с учетом параметров приемника системы формирования изображения, к которым относятся: спектральная чувствительность, шум, параметры дискретизации, и которые используются при выполнении процесса восстановления изображения.In this case, the wave aberrations (OPD) of each pupil area determine the image quality in accordance with the scattering function (PSF) or modulation transfer function (MTF) for a range of distances to the object and angles of the field of view. In this case, image processing is performed based on the dependence of the PSF or MTF function on the range of distances to the object and the angles of the field of view. In this case, image restoration is also used taking into account the parameters of the imaging system receiver, which include: spectral sensitivity, noise, sampling parameters, and which are used when performing the image restoration process.

При этом на фиг.9b представлены графики зависимости коэффициента передачи модуляции (T) от дефокусировки (z) для устройства с двумя, тремя и множеством зон зрачков, и соответствующего количества фокусов. Понятие множество в контексте фокусов используется условно и предусматривает диапазон фокусов, например, от 3,1 мм до 2,9 мм, используемый в камерах смартфонов.At the same time on fig.9b presents graphs of modulation transfer coefficient (T) from defocusing (z) for a device with two, three and multiple zones of the pupils, and the corresponding number of foci. The concept of a set in the context of focuses is used conditionally and provides for a range of focuses, for example, from 3.1 mm to 2.9 mm, used in smartphone cameras.

При этом график для устройства формирования изображения с множеством зон зрачка, т.е. при разбиении зрачка на множество зон представляет собой более плавную зависимость коэффициента передачи модуляции (T) от дефокусировки (z) в отличие графиков при разбиении зрачка на две или три зоны.Here, the graph for an imaging device with a plurality of pupil zones, i. e. when the pupil is divided into multiple zones, it represents a smoother dependence of the modulation transfer coefficient (T) on defocusing (z), in contrast to the graphs when the pupil is divided into two or three zones.

Таким образом оптическое устройство формирования изображения, имеющее более 2 или 3 зрачковых зон характеризуется более плавной модуляционной передаточной функцией и большей глубиной изображаемого пространства.Thus, an optical imaging device having more than 2 or 3 pupillary areas is characterized by a smoother modulation transfer function and a greater imaging depth.

Согласно еще одному варианту реализации устройства формирования изображения предлагается структура, в которой помимо разделения зрачка на 2 зоны предусматривается разделение каждой зоны на подзоны (подзона 1, подзона 2, подзона 3 и подзона N), см. фиг.10.According to another embodiment of the imaging device, a structure is proposed in which, in addition to dividing the pupil into 2 zones, each zone is divided into subzones (subzone 1, subzone 2, subzone 3 and subzone N), see Fig.10.

Каждой подзоне соответствует свой фокус (F1…FN) и свой пучок лучей L1, L2, LN. При этом сечение 1 представляет собой сечение линзы, например, меридиональное, а сечение 2-сагиттальное, или наоборот. У обычной осесимметричной поверхности (например, сферической) эти сечения имеют одинаковый профиль. На примере, представленном на фиг.12 профили сечения 1 и 2 отличаются друг от друга, в данном случае ассиметричный профиль линзы, используемый в устройстве формирования изображения согласно фиг.10 обеспечивает большую глубину изображаемого пространства и формирование равномерно размытого промежуточного изображения по всей глубине и полю сцены. Each subzone has its own focus (F1…FN) and its own beam beam L1, L2, LN. In this case, section 1 is a section of the lens, for example, meridional, and section 2 is sagittal, or vice versa. For an ordinary axisymmetric surface (for example, a spherical one), these sections have the same profile. In the example shown in Fig. 12, section profiles 1 and 2 differ from each other, in this case, the asymmetric lens profile used in the imaging device according to Fig. 10 provides a greater depth of image space and the formation of a uniformly blurred intermediate image throughout the depth and field scenes.

При этом оптическое устройство формирует промежуточное размытое изображение изображения, которое далее корректируется блоком обработки изображения в соответствии с функцией рассеяния (PSF) или модуляционной передаточной функцией (MTF) для диапазона расстояний до объекта и углов поля зрения. При этом восстановление изображения используется также с учетом параметров приемника системы формирования изображения, к которым относятся: спектральная чувствительность, шум, параметры дискретизации, и которые используются при выполнении процесса восстановления изображения.In this case, the optical device generates an intermediate blurred image image, which is further corrected by the image processing unit in accordance with the scattering function (PSF) or modulation transfer function (MTF) for the range of distances to the object and angles of the field of view. In this case, image restoration is also used taking into account the parameters of the imaging system receiver, which include: spectral sensitivity, noise, sampling parameters, and which are used when performing the image restoration process.

Следует отметить, что в зависимости от количества зон зрачка, каждой из которой соответствует свое фокусное расстояние (F1, F2, FN) для соответствующего пучка лучей (L1, L2, LN) формируется своя модуляционная передаточная функция (MTF).It should be noted that depending on the number of pupil zones, each of which has its own focal length (F1, F2, FN), for the corresponding beam of rays (L1, L2, LN) its own modulation transfer function (MTF) is formed.

На фиг. 11а и 11b представлены схемы формирования двух пучков лучей с соответствующими фокусами F1, F2 для устройства формирования изображения с двумя зонами зрачка. На фиг.11а представлена схема формирования двух пучков излучения, сходящихся в фокусы F1, F2. На фиг.11b представлен в увеличенном виде ход лучей вблизи фокусов F1, F2 (т.е. в области, которая выделена овалом на фиг.11а).In FIG. 11a and 11b are diagrams for generating two beams of beams with respective foci F1, F2 for an imaging device with two pupil zones. On figa shows a diagram of the formation of two beams of radiation, converging into foci F1, F2. On fig.11b presents an enlarged view of the path of the rays near the foci F1, F2 (ie in the area, which is highlighted by an oval in fig.11a).

При этом для такой конструкции с двумя зонами зрачка характерна модуляционная передаточная функция (MTF), характеризующая зависимость коэффициента передачи модуляции (T) от дефокусировки (z) (см. фиг.11с), и имеющие на графике два максимума одинаковой высоты, что обеспечивает формирование четкого резкого изображения одинакового коэффициента передачи модуляции в точках максимума. At the same time, such a design with two pupil zones is characterized by a modulation transfer function (MTF), which characterizes the dependence of the modulation transfer coefficient (T) on defocusing (z) (see Fig. 11c), and having two maxima of the same height on the graph, which ensures the formation a clear, sharp image of the same modulation gain at peak points.

На фиг.12а и 12b представлен ход пучков лучей для схем с двумя и тремя фокусами, соответственно.On figa and 12b shows the course of beams of rays for schemes with two and three foci, respectively.

На фиг.12с и 12d представлены соответствующие функции MTF в зависимости от величины дефокусировки (z). 12c and 12d show the respective MTF functions as a function of the amount of defocus (z).

При этом для оптической схемы с двумя зрачковыми зонами оптическое устройство формирования изображения обеспечивает изображения разного контраста в зависимости от различной глубины (дефокусировки), см. фиг.12с, где наглядно проиллюстрировано наличие по меньшей мере двух максимумов различной высоты. А на фиг.12d представлена функция MTF для оптического устройства формирования изображения с тремя и более фокусами, обеспечиваемыми посредством разделения зоны зрачка на множество зон или подзон, что позволяет получать изображения на различных дистанциях до объекта без фокусировки. При этом как наглядно проиллюстрировано на фиг.12d наличие множества максимумов на графике функции MTF обеспечивает более равномерный характер функции MTF. In this case, for an optical scheme with two pupillary zones, the optical imaging device provides images of different contrast depending on the different depth (defocusing), see Fig.12c, which clearly illustrates the presence of at least two maxima of different heights. And Fig. 12d shows the MTF function for an optical imaging device with three or more foci, provided by dividing the pupil area into a plurality of zones or sub-zones, which makes it possible to obtain images at different distances to the object without focusing. At the same time, as clearly illustrated in Fig.12d, the presence of many maxima on the graph of the MTF function provides a more uniform character of the MTF function.

Согласно одному варианту реализации устройства формирования изображения (см. фиг.13) с разделением зоны зрачка на по меньшей мере две зоны, предлагается оптический блок, иллюстрирующий схему формирования пучков излучения L1, L2 с соответствующими фокусами, где функция рассеяния PSF не зависит от расстояния до объекта или т.е. глубины изображаемого пространства. Каждая зона (PZ1, PZ2) характеризуется своим собственным фокусом (F1, F2) и аберрационными свойствами.According to one embodiment of the imaging device (see Fig.13) with the division of the pupil zone into at least two zones, an optical unit is proposed that illustrates the scheme for the formation of radiation beams L1, L2 with the corresponding foci, where the scattering function PSF does not depend on the distance to object or i.e. depth of the depicted space. Each zone (PZ1, PZ2) is characterized by its own focus (F1, F2) and aberration properties.

Следует отметить, что глубина изображаемого пространства и глубина резкости - оба эти понятия относятся к расстоянию вдоль оптической оси, в пределах которых допускаются перемещения плоскости предметов и плоскости изображений, соответственно, при условии, что качество изображения остается еще удовлетворительным, т.е. в нашем случае его можно восстановить блоком обработки.It should be noted that the depth of the imaged space and the depth of field - both of these concepts refer to the distance along the optical axis, within which the object plane and the image plane are allowed to move, respectively, provided that the image quality is still satisfactory, i.e. in our case, it can be restored by the processing unit.

При этом каждой зоне зрачка соответствует соответствующий пучок излучения L1, L2, например, зоне PZ1 соответствует пучок L1 и фокус F1.In this case, each zone of the pupil corresponds to the corresponding beam of radiation L1, L2, for example, the zone PZ1 corresponds to the beam L1 and the focus F1.

Инвариантность оптического блока согласно фиг.13 проиллюстрирована на графиках функции рассеяния для дальней позиции, центральной позиции и ближней позиции, которые имеют примерно одинаковую форму функции PSF (см. графики а) фиг.13) вне зависимости от расстояния до объекта, где PSF2, PSF0, PSF3-функции PSF для дальней позиции, центральной позиции и ближней позиции, соответственно.The invariance of the optical block according to Fig. 13 is illustrated by the spread function plots for the far position, central position and near position, which have approximately the same shape of the PSF function (see graphs a) of Fig. 13), regardless of the distance to the object, where PSF2, PSF0 , PSF3 PSFs for far position, center position, and near position, respectively.

Таким образом, функции рассеяния инвариантны (PSF0~PSF2~PSF3) вне зависимости от расстояния от объекта.Thus, the scattering functions are invariant (PSF0~PSF2~PSF3) regardless of the distance from the object.

При этом, как наглядно видно на графиках b) фиг.13 функции PSF отличаются в зависимости от угла поля зрения. Таким образом функции рассеяния различны (PSF0≠PSF1) для разных углов поля зрения. At the same time, as can be clearly seen in the graphs b) of Fig.13, the PSF functions differ depending on the angle of the field of view. Thus, the scattering functions are different (PSF0≠PSF1) for different angles of the field of view.

Как видно на фиг.15а, где представлен вид пятен рассеяния в плоскости изображения в соответствии с функцией PSF для устройства формирования изображения согласно фиг.13, т.е. пятна рассеяния отличаются друг от друга в зависимости от угла поля зрения, но одинаковы по глубине.As can be seen in Fig. 15a, which is a view of the stray spots in the image plane according to the PSF function for the imaging apparatus of Fig. 13, i. e. scattering spots differ from each other depending on the angle of the field of view, but are the same in depth.

Такая способность оптического блока устройства формирования изображения согласно изобретению, т.е. независимость качества формируемого изображения от расстояния (глубины резкости) до целевого объекта, делает обработку получаемых изображений с разных расстояний менее сложной.This capability of the optical unit of the imaging apparatus according to the invention, i. e. the independence of the quality of the formed image from the distance (depth of field) to the target object makes the processing of the obtained images from different distances less complicated.

Согласно еще одному варианту реализации устройства формирования изображения (см. фиг.14) с разделение зоны зрачка на по меньшей мере две зоны, предлагается оптический блок, иллюстрирующий схему формирования пучков лучей L1, L2 с соответствующими фокусами, где функция рассеяния PSF зависит от глубины поля зрения. Каждая зона (PZ1, PZ2) зрачка характеризуется своим собственным фокусом (F1, F2) и аберрационными свойствами.According to another embodiment of the imaging device (see Fig.14) with the division of the pupil zone into at least two zones, an optical block is proposed illustrating the scheme for forming beams of beams L1, L2 with corresponding foci, where the scattering function PSF depends on the depth of field vision. Each zone (PZ1, PZ2) of the pupil is characterized by its own focus (F1, F2) and aberration properties.

При этом каждой зоне зрачка соответствует соответствующий пучок лучей L1, L2, например зоне PZ1 соответствует пучок L1 и фокус F1.In this case, each zone of the pupil corresponds to the corresponding beam of rays L1, L2, for example, the zone PZ1 corresponds to the beam L1 and the focus F1.

Функциональность оптического блока согласно фиг.14 проиллюстрирована на графиках функции рассеяния для дальней позиции, центральной позиции и ближней позиции, которые имеют различную форму функции PSF (см. графики а) фиг.14) в зависимости от глубины изображаемого пространства, где PSF2, PSF0, PSF3-функции PSF для дальней позиции, центральной позиции и ближней позиции, соответственно. Таким образом, функции рассеяния различны (PSF0≠PSF2≠PSF3) при различных значениях глубины изображаемого пространства.The functionality of the optical unit according to Fig. 14 is illustrated in the spread function plots for the far position, center position and near position, which have a different shape of the PSF function (see graphs a) of Fig. 14) depending on the depth of the imaged space, where PSF2, PSF0, PSF3 PSFs for far position, center position, and near position, respectively. Thus, the scattering functions are different (PSF0≠PSF2≠PSF3) for different depths of the imaged space.

При этом, как наглядно видно на графиках b) фиг.14, иллюстрирующих зависимость функции PSF от угла поля зрения, где функции PSF примерно одинаковы в зависимости от угла поля зрения. Таким образом функции рассеяния инвариантны (PSF0~PSF1) для разных углов поля зрения. At the same time, as can be clearly seen in the graphs b) of Fig. 14, illustrating the dependence of the PSF function on the angle of the field of view, where the PSF functions are approximately the same depending on the angle of the field of view. Thus, the scattering functions are invariant (PSF0~PSF1) for different angles of the field of view.

Как видно на фиг.15b, где представлен вид пятен рассеяния в плоскости изображения в соответствии с функции PSF для устройства формирования изображения согласно фиг.14, т.е. пятна рассеяния имеют одинаковый размер в зависимости от угла поля зрения, но отличаются по глубине.As can be seen in Fig. 15b, which is a view of the stray spots in the image plane according to the PSF for the imaging apparatus of Fig. 14, i. e. stray spots have the same size depending on the angle of the field of view, but differ in depth.

Такая способность оптического блока устройства формирования изображения согласно изобретению, т.е. независимость качества формируемого изображения от поля зрения, обеспечивает менее сложную обработку получаемых изображений.This capability of the optical unit of the imaging apparatus according to the invention, i. e. independence of the quality of the generated image from the field of view, provides less complex processing of the resulting images.

Согласно еще одному варианту реализации устройства формирования изображения признаки, представленные на фиг. 13 и фиг. 14, могут сочетаться в одном устройстве, т.е. одновременно обеспечивается инвариантность функции рассеяния и по полю зрения и по глубине, что упрощает последующую обработку изображения.According to another embodiment of the imaging apparatus, the features shown in FIG. 13 and FIG. 14 can be combined in one device, i.e. at the same time, the invariance of the scattering function is ensured both in the field of view and in depth, which simplifies the subsequent image processing.

Согласно еще одному варианту реализации оптический блок устройства формирования изображения обеспечивает также равномерную модуляционную передаточную функцию (MTF), характеризующую зависимость коэффициента передачи модуляции от дефокусировки (z), т.е. MTF не зависит от величины дефокусировки в требуемом диапазоне (равномерный диапазон MTF на фиг.15с).According to another embodiment, the optical unit of the imaging apparatus also provides a uniform modulation transfer function (MTF) characterizing the dependence of the modulation gain on defocus (z), i.e. The MTF is independent of the amount of defocus within the desired range (uniform MTF range in Fig. 15c).

Согласно еще одному варианту реализации оптический блок устройства формирования изображения обеспечивает одновременно равномерную модуляционную передаточную функцию и инвариантную функцию рассеяния (см. фиг.15с).According to another embodiment, the optical unit of the imaging device provides both a uniform modulation transfer function and an invariant scattering function (see Fig. 15c).

Такая способность оптического блока устройства формирование изображения согласно изобретению, обеспечивает менее сложную обработку получаемых изображений.This ability of the optical unit of the imaging device according to the invention allows less complex processing of the resulting images.

Оптический блок устройства формирования изображения представляет собой совокупность оптических элементов определенным образом расположенных в пространстве, обеспечивающих необходимое формирование пучков лучей (без приемника и блока обработки). При этом в качестве оптических элементов могут быть использованы линзы, имеющие различный профиль поверхностей, и/или составная линза, и/или дифракционный оптический элемент, и/или голографический оптический элемент, и/или поляризационный элемент и/или амплитудно-фазовая маска. The optical unit of the image forming device is a set of optical elements located in space in a certain way, providing the necessary formation of beams of rays (without a receiver and a processing unit). In this case, lenses having a different surface profile and/or a composite lens and/or a diffractive optical element and/or a holographic optical element and/or a polarizing element and/or an amplitude-phase mask can be used as optical elements.

При этом составная линза представляет собой структуру, состоящую из по меньшей мере двух зон с различными оптическими свойствами. В качестве составной линзы могут использоваться бифокальная линза, прогрессивная линза, линза Френеля.In this case, the composite lens is a structure consisting of at least two zones with different optical properties. As a compound lens, a bifocal lens, a progressive lens, a Fresnel lens can be used.

Бифокальная линза - это составная линза с двумя зонами, имеющими разные фокусные расстояния. A bifocal lens is a compound lens with two zones having different focal lengths.

Прогрессивная линза - это составная линза, состоящая из нескольких зон, характеризующихся градиентом фокусного расстояния.A progressive lens is a composite lens consisting of several zones characterized by a focal length gradient.

Линза Френеля - это составная линза, состоящая из нескольких ступенчатых зон, представляющих собой соответствующие зоны непрерывного профиля поверхности обычной линзы.The Fresnel lens is a composite lens consisting of several stepped zones, which are the corresponding zones of the continuous profile of the surface of a conventional lens.

При этом дифракционный оптический элемент представляет собой дифракционную микроструктуру, осуществляющую амплитудно-фазовую модуляцию проходящего или отраженного излучения. In this case, the diffractive optical element is a diffractive microstructure that performs amplitude-phase modulation of transmitted or reflected radiation.

Голографический оптический элемент - дифракционный оптический элемент, изготовляемый методами интерференции световых волн. A holographic optical element is a diffractive optical element manufactured by the methods of interference of light waves.

Дифракционный оптический элементы и в частности голографический оптический элемент позволяет эффективно исправлять или вносить хроматические аберрации, имея небольшую толщину от 5 мкм. The diffractive optical element, and in particular the holographic optical element, makes it possible to effectively correct or introduce chromatic aberrations, having a small thickness of 5 microns.

Поляризационный элемент представляет собой устройство, изменяющее состояние поляризации. Например, в качестве поляризационного элемента может использоваться поляризатор или фазовая пластинка. Поляризатор, предназначен для получения поляризованного или частично поляризованного излучения. Фазовая пластинка вносит разность фаз между ортогональными линейно поляризованными составляющими излучения. В частности, в качестве фазовой пластики может использоваться четвертьволновая пластинка, если разность фаз советует четверти длины волны, или полуволновая пластинка, если разность фаз соответствует половине длины волны. Фазовую пластинка, может быть выполнена с возможностью преобразования излучения из состояния p-поляризации в состояние s-поляризации или наоборот, преобразования правой циркулярной поляризации в левую циркулярную поляризацию или наоборот, преобразования линейно поляризованного излучения в циркулярно поляризованное или наоборот.The polarizing element is a device that changes the state of polarization. For example, a polarizer or a phase plate can be used as the polarizing element. The polarizer is designed to produce polarized or partially polarized radiation. The phase plate introduces the phase difference between the orthogonal linearly polarized radiation components. In particular, a quarter-wave plate can be used as a phase plastic if the phase difference is a quarter of a wavelength, or a half-wave plate if the phase difference corresponds to half a wavelength. The phase plate can be configured to convert radiation from the p-polarization state to the s-polarization state or vice versa, convert the right circular polarization to the left circular polarization or vice versa, convert linearly polarized radiation to circularly polarized or vice versa.

Наличие поляризационного элемента в оптическом блоке согласно изобретению позволяет, например, обеспечить многократное прохождение излучения через небольшое количество оптических элементов, составляющих оптический блок. При этом многопроходное прохождение излучения позволяет сократить общую длину оптического блока и устройства формирования изображения в целом, тем самым обеспечивая компактность устройства, что является важным требованием для смартфонов.The presence of a polarization element in the optical unit according to the invention makes it possible, for example, to ensure that the radiation passes through a small number of optical elements constituting the optical unit multiple times. At the same time, the multipass passage of radiation makes it possible to reduce the overall length of the optical unit and the image forming device as a whole, thereby ensuring the compactness of the device, which is an important requirement for smartphones.

Также поляризационный элемент может использоваться в качестве поляризационного фильтра, например, для устранения бликов.The polarizing element can also be used as a polarizing filter, for example to eliminate glare.

Амплитудно-фазовая маска - устройство, осуществляющее амплитудно-фазовую модуляцию проходящего или отраженного излучения.Amplitude-phase mask - a device that performs amplitude-phase modulation of transmitted or reflected radiation.

Амплитудно-фазовые маски представляют собой, например: маски с фазовым профилем параболы четвертой степени, кубической фазовой маски, маски с концентрическими кольцевыми отверстиями в экране и выполнены с возможностью обеспечения фазовой задержки или амплитудной модуляции для обеспечения равномерного коэффициента передачи модуляции по требуемой глубине изображения. Наличие амплитудно-фазовых масок в оптическом блоке обеспечивает оптимизацию формы функции рассеяния (PSF). Amplitude-phase masks are, for example: masks with a fourth-degree parabola phase profile, a cubic phase mask, masks with concentric annular holes in the screen and are designed to provide a phase delay or amplitude modulation to ensure a uniform modulation gain over the required image depth. The presence of amplitude-phase masks in the optical block provides optimization of the shape of the scattering function (PSF).

При этом, каждый оптический элемент из указанного блока оптических элементов выполнен из оптически прозрачного материала, выбранного из одного из оптических стекол, оптических кристаллов и полимеров.At the same time, each optical element from the specified block of optical elements is made of an optically transparent material selected from one of optical glasses, optical crystals and polymers.

В одном из вариантов осуществления изобретения в оптическом блоке предусматривается наличие затвора, например оптического затвора, предпочтительно в плоскости апертурной диафрагмы или сопряженной с ней плоскости устройства формирования изображения. Наличие оптического затвора позволяет регулировать количество фокусных расстояний устройства, т.е. регулирование открытия или закрытия определенного количества зон зрачка (PZ). Согласно фиг.16а предусмотрено три зоны: PZ1, PZ2 или PZ3, при этом на приемнике будет получено промежуточное изображение со следующими характеристиками MTF, т.е. зависимостями контраста (T) от дефокусировки (z) (см. графики на фиг.16b-16d).In one of the embodiments of the invention, the optical unit provides for the presence of a shutter, for example an optical shutter, preferably in the plane of the aperture diaphragm or the plane of the imaging device associated with it. The presence of an optical shutter allows you to adjust the number of focal lengths of the device, i.e. regulation of the opening or closing of a certain number of pupil zones (PZ). According to Fig. 16a, three zones are provided: PZ1, PZ2 or PZ3, in which case an intermediate image will be obtained at the receiver with the following MTF characteristics, i.e. contrast (T) versus defocus (z) (see graphs in Figs. 16b-16d).

График 16b соответствует варианту, когда все три зоны зрачка открыты, вариант 16c-открыта одна зона зрачка и вариант 16d-открыты PZ2 и PZ3.Graph 16b corresponds to the option when all three zones of the pupil are open, option 16c - one zone of the pupil is open and option 16d - PZ2 and PZ3 are open.

Оптический затвор позволяет варьировать фокусное расстояние системы без изменения положения линз или изменения фокусного расстояния отдельных линз.The optical shutter allows you to vary the focal length of the system without changing the position of the lenses or changing the focal length of individual lenses.

Наличие оптического затвора в оптическом блоке влечет за собой уменьшение площади апертурной диафрагмы и потерю энергии (светосилы) оптического блока, которая далее компенсируется обработкой изображения в блоке обработки изображения.The presence of an optical shutter in the optical unit entails a decrease in the area of the aperture diaphragm and loss of energy (luminosity) of the optical unit, which is further compensated by image processing in the image processing unit.

Согласно изобретению предусмотрено разделение зон зрачка на зоны и подзоны, при этом зоны зрачка могут иметь различную форму и различное распределение оптических сил в пределах зоны. According to the invention, the pupil zones are divided into zones and subzones, while the pupil zones can have a different shape and a different distribution of optical powers within the zone.

При этом на фиг.17а-17d представлены карты распределения оптической силы в зависимости от формы оптических зон.At the same time, Figs. 17a-17d show maps of the distribution of optical power depending on the shape of the optical zones.

На фиг.17а представлено непрерывное мультифокальное ассиметричные распределение оптической силы, посредством которого возможно обеспечивать заданное распределение функции рассеяния (PSF) или модуляционной передаточной функции (MTF). Такая конфигурация достаточна проста в изготовлении.On figa presents a continuous multifocal asymmetric distribution of optical power, through which it is possible to provide a given distribution of the scattering function (PSF) or modulation transfer function (MTF). Such a configuration is quite simple to manufacture.

На фиг.17b представлено непрерывное мультифокальное осесимметричное распределение оптической силы. Такая конфигурация достаточна проста в изготовлении.On fig.17b presents a continuous multifocal axisymmetric distribution of optical power. Such a configuration is quite simple to manufacture.

На фиг.17с представлены дискретные распределения оптической силы (P1, P2, PN) осесимметричное с кольцевой формой зрачка и планарносимметричное с сегментированной формой зрачка, посредством которых возможно обеспечивать разделение по глубине изображений, сформированных различными зонами, и такой профиль оптической силы упрощает процесс обработки изображения.Figure 17c shows discrete distributions of optical power (P1, P2, PN) axisymmetric with an annular pupil shape and planar-symmetrical with a segmented pupil shape, through which it is possible to provide depth separation of images formed by different zones, and such a power profile simplifies the image processing process .

На фиг.17d представлен дискретное мультифокальное (P1, P2, PN) произвольное распределение оптической силы, посредством которого возможно обеспечивать заданное распределение функции рассеяния(PSF)или модуляционной передаточной функции (MTF). FIG. 17d shows a discrete multifocal (P1, P2, PN) arbitrary distribution of optical power, by means of which it is possible to provide a given spreading function (PSF) or modulation transfer function (MTF) distribution.

Согласно одному из вариантов осуществления изобретения предусмотрены устройство и способ формирования изображения с обеспечением увеличенной глубины изображаемого пространства, основанного на совместном проектировании оптического блока и блока обработки изображения, при этом оба блока рассчитываются и настраиваются совместно с учетом особенностей и параметров каждого блока (так называемая сквозная оптимизация). According to one of the embodiments of the invention, a device and a method for forming an image providing an increased depth of the imaged space are provided, based on the joint design of the optical block and the image processing block, while both blocks are calculated and adjusted together, taking into account the features and parameters of each block (the so-called end-to-end optimization ).

Схематично устройство формирования изображения представлено на фиг.18, где последовательно расположены оптический блок, содержащий совокупность оптических элементов в виде линз с различными профилями поверхностей через которые проходят лучи L1,L2,и L3, приемник и блок обработки изображения.Schematically, the image forming device is shown in Fig. 18, where an optical unit is sequentially located, containing a set of optical elements in the form of lenses with different surface profiles through which the beams L1, L2, and L3 pass, a receiver and an image processing unit.

К параметрам оптического блока относятся: параметры поверхностей оптических элементов, например радиусы поверхностей линз (r1,r2,..,ri), параметры оптических материалов, например показатели преломления оптических элементов (n1, n2,.. ni), толщины оптических элементов и расстояния между ними в оптическом блоке (d1,d2,..di), L - длина системы (аксиальное расстояние между поверхностью первого оптического элемента со стороны объекта и поверхностью изображения на приемнике).The parameters of the optical block include: parameters of the surfaces of optical elements, for example, the radii of the surfaces of the lenses (r 1 ,r 2 ,..,r i ), parameters of optical materials, for example the refractive indices of optical elements (n 1 , n 2 ,.. n i ) , the thickness of the optical elements and the distance between them in the optical unit (d 1 ,d 2 ,..d i ), L is the length of the system (axial distance between the surface of the first optical element on the side of the object and the image surface on the receiver).

К параметрам приемника относятся, например спектральная чувствительность κλ, шум ƞ, параметры оцифровки S.Receiver parameters include, for example, spectral sensitivity κ λ , noise ƞ, digitization parameters S.

К параметрам блока обработки изображения относятся, например параметры цифровых фильтров или весовые коэффициенты слоев (w1,w2, …,wi) нейронной сети. Блок обработки изображения с учетом вышеуказанных параметров оптического блока, в том числе модуляционной передаточной функции (MTF) или функции рассеяния(PSF) в зависимости от расстояния до целевого объекта и параметров приемника обеспечивает обработку изображения с последующим его восстановлением.The parameters of the image processing unit include, for example, the parameters of digital filters or the weight coefficients of the layers (w 1 ,w 2 , ..., wi ) of the neural network. The image processing unit, taking into account the above parameters of the optical unit, including the modulation transfer function (MTF) or scattering function (PSF), depending on the distance to the target object and the parameters of the receiver, provides image processing with its subsequent restoration.

С учетов указанных параметров оптического блока, приемника и блока обработки изображения, устройство формирования изображения обеспечивает процесс формирования и обработки изображения таким образом, что невязка между восстановленным изображением

Figure 00000001
и исходным изображением Iλ целевого объекта минимизируются, Taking into account the specified parameters of the optical unit, the receiver and the image processing unit, the image forming device provides the image formation and processing process in such a way that the discrepancy between the reconstructed image
Figure 00000001
and the source image I λ of the target object are minimized,

Например, квадратичная невязка (1):

Figure 00000002
. For example, quadratic discrepancy (1):
Figure 00000002
.

Таким образом, промежуточное изображение, формируемое на приемнике оптическим блоком не обязательно должно быть высокого качества и разрешения, что упрощает требования к оптике, поскольку качество изображения корректируется в блоке обработки изображения. Thus, the intermediate image formed at the receiver by the optical unit does not have to be of high quality and resolution, which simplifies the requirements for optics, since the image quality is corrected in the image processing unit.

Обработка изображения и его восстановление выполняется в блоке обработки изображения таким образом, что оценочная функция в виде нормы невязки между восстановленным изображением

Figure 00000001
и исходным изображением Iλ (референсное изображение, соответствующее идеальному изображению целевого объекта), нормы их визуального сходства VGG (детальное описание VGG раскрыто в источнике: https://arxiv.org/abs/1409.1556v6) или их комбинации минимизируется. Image processing and restoration is performed in the image processing block in such a way that the evaluation function in the form of the norm of the residual between the restored image
Figure 00000001
and the original image I λ (reference image corresponding to the ideal image of the target object), their visual similarity norm VGG (a detailed description of VGG is disclosed in the source: https://arxiv.org/abs/1409.1556v6), or a combination of both is minimized.

В качестве неограничивающего примера блок обработки может быть реализован с помощью искусственных нейронных сетей, фильтра Винера или их комбинации. As a non-limiting example, the processing block may be implemented using artificial neural networks, a Wiener filter, or a combination thereof.

В качестве одного из решений предлагается реализация на основе широко используемой в области обработки изображений сети типа U-net, раскрытая в источнике: (https://arxiv.org/pdf/1505.04597.pdf).As one of the solutions, an implementation based on a U-net type network widely used in the field of image processing is proposed, disclosed in the source: (https://arxiv.org/pdf/1505.04597.pdf).

При разработке и анализе предлагаемого изобретения авторы используют реализацию вышеуказанной архитектуры сети с семью уровнями, см. фиг. 28. В направлении уменьшения размерности (входного изображения) сеть содержит блоки из нескольких сверток (см. фиг. 28, Блок Тип1 - Блок Тип3), а в направлении повышения размерности используются (Блок Тип4 - Блок Тип7). Подробное описание блоков представлено в источнике: https://arxiv.org/pdf/1505.04597.pdf .In developing and analyzing the present invention, the authors use the implementation of the above seven-layer network architecture, see FIG. 28. In the downsizing (input image) direction, the network contains blocks of multiple convolutions (see FIG. 28, Block Type1 - Block Type3), and in the upsizing direction (Block Type4 - Block Type7) are used. A detailed description of the blocks is provided in the source: https://arxiv.org/pdf/1505.04597.pdf.

Для тренировки сети используется набор пар изображений (референсное изображение и обрабатываемое изображение). В процессе тренировки определяются параметры блоков, т.е. весовые коэффициенты слоев w1,w2, …,wi нейронной сети, преимущественно используя градиентные методы оптимизации, примеры которых раскрыты в: https://arxiv.org/pdf/1609.04747.pdf . A set of pairs of images (reference image and processed image) is used to train the network. In the process of training, the parameters of the blocks are determined, i.e. weight coefficients of the layers w 1 ,w 2 , …, wi of the neural network, mainly using gradient optimization methods, examples of which are disclosed in: https://arxiv.org/pdf/1609.04747.pdf .

В качестве базового такого набора пар изображений используются для референсных изображений - высококачественные изображения, для обрабатываемых - модель изображения на приемнике. Простейшая модель описывающая влияние оптической системы - свертка с соответствующей функцией рассеяния PSF с добавлением параметризированного шума.As a basic such set of pairs of images, high-quality images are used for reference images, for processed images, an image model on the receiver. The simplest model describing the influence of an optical system is convolution with the corresponding scattering function PSF with the addition of parameterized noise.

Учет шума при построении изображения на приемнике позволяет использовать сеть для подавления шума при обработке изображения, что является важным в виду неизбежности присутствия шума и его влияния на результат обработки.Taking noise into account when building an image at the receiver allows using the network to suppress noise during image processing, which is important in view of the inevitability of the presence of noise and its influence on the processing result.

В качестве оценочной функции используется норма L1 (сумма модулей попиксельной разности между восстановленным и референсным изображением), или взвешенная комбинация нормы L1 и метрики визуального восприятия сходства (VGG), раскрытая в:https://arxiv.org/abs/1409.1556v6) или их комбинации. Также возможно применение альтернативные решений на основе искусственных нейронных сетей, с использованием различных вариантов архитектуры сети и оценочной функции. Например, квадратичная норма, обратная функция оценки, или пирамидальная функция потерь.The scoring function is the L1 norm (the sum of the modules of the pixel difference between the restored and the reference image), or a weighted combination of the L1 norm and the similarity visual perception metric (VGG) disclosed in: https://arxiv.org/abs/1409.1556v6) or their combinations. It is also possible to use alternative solutions based on artificial neural networks, using various network architectures and evaluation functions. For example, the quadratic norm, the inverse evaluation function, or the pyramidal loss function.

Следует отметить, что обработка промежуточных изображений объекта на основании сверточной нейронной сети, например сети типа U-net, выполняется с учетом параметров оптического блока и приемника. При этом к параметрам оптического блока относятся по меньше мере одно из: радиусы поверхностей оптических элементов, коэффициенты асферических поверхностей оптических элемeнтов, толщины оптических элементов, показатели преломления материалов оптических элементов, величина дисперсии оптических элементов, расстояния между оптическими элементами в оптическом блоке, длина устройства, представляющая аксиальное расстояние между поверхностью первого оптического элемента со стороны объекта и поверхностью изображения на приемнике, а к параметрам приемника относятся по меньшей мере одно из: спектральной чувствительности, шум, параметры оцифровки. It should be noted that the processing of intermediate images of an object based on a convolutional neural network, for example, a U-net type network, is performed taking into account the parameters of the optical unit and the receiver. At the same time, the parameters of the optical block include at least one of: the radii of the surfaces of the optical elements, the coefficients of the aspherical surfaces of the optical elements, the thicknesses of the optical elements, the refractive indices of the materials of the optical elements, the dispersion value of the optical elements, the distances between the optical elements in the optical block, the length of the device, representing the axial distance between the surface of the first optical element on the side of the object and the image surface on the receiver, and the receiver parameters include at least one of: spectral sensitivity, noise, digitization parameters.

Одной из альтернатив решению на основе нейронной сети, для восстановления изображения сформированного на приемнике, является применение известных из уровня техники классических алгоритмических подходов.One of the alternatives to the solution based on a neural network for restoring the image formed on the receiver is the use of classical algorithmic approaches known from the prior art.

Таким, например, является метод восстановления размытого изображения с использованием фильтра Винера (Wiener, Norbert (1949). Extrapolation, Interpolation, and Smoothing of Stationary Time Series. New York: Wiley. ISBN 978-0-262-73005-1.), т.н. обратная свертка с винеровской фильтрацией). Such, for example, is the method of restoring a blurred image using a Wiener filter (Wiener, Norbert (1949). Extrapolation, Interpolation, and Smoothing of Stationary Time Series. New York: Wiley. ISBN 978-0-262-73005-1.), so-called inverse convolution with Wiener filtering).

В рамках данного подхода оптимальная оценка резкого изображения x по изображению, сформированному на приемнике y, получается в результате применения фильтра Винера (X, Y - соответствующие изображения в частотном представлении):Within the framework of this approach, the optimal estimate of a sharp image x from the image formed at the receiver y is obtained by applying the Wiener filter (X, Y are the corresponding images in frequency representation):

Figure 00000003
, (2)
Figure 00000003
, (2)

ГдеWhere

H - соответствующая функция рассеяния в частотном представлении (т.е. модуляционная передаточная функция), и

Figure 00000004
- обратное отношение сигнал-шум устройства формирования изображения,H is the corresponding spread function in frequency representation (i.e. modulation transfer function), and
Figure 00000004
- inverse signal-to-noise ratio of the imaging device,

X - спектр изображения в частотном представлении после обработки в блоке обработки изображения,X - spectrum of the image in the frequency representation after processing in the image processing unit,

Y - спектр промежуточного изображения, регистрируемого на приемнике. Y is the spectrum of the intermediate image recorded at the receiver.

Решения на основе винеровской фильтрации позволяют реализовать работу блока обработки изображения в режиме реального времени и таким образом, подобное решение может быть использовано для реализации функции предпросмотра восстановленного изображения пользователем.Solutions based on Wiener filtering make it possible to implement the operation of the image processing unit in real time, and thus, such a solution can be used to implement the function of previewing the reconstructed image by the user.

Следует отметить, что обработка промежуточных изображений объекта на основании фильтра Винера выполняется с учетом параметров оптического блока и приемника. При этом к параметрам оптического блока относятся по меньше мере одно из: радиусы поверхностей оптических элементов, коэффициенты асферических поверхностей оптических элемeнтов, толщины оптических элементов, показатели преломления материалов оптических элементов, величина дисперсии оптических элементов, расстояния между оптическими элементами в оптическом блоке, длина устройства, представляющая аксиальное расстояние между поверхностью первого оптического элемента со стороны объекта и поверхностью изображения на приемнике, а к параметрам приемника относятся по меньшей мере одно из: спектральной чувствительности, шум, параметры оцифровки. It should be noted that the processing of intermediate images of the object based on the Wiener filter is performed taking into account the parameters of the optical unit and the receiver. At the same time, the parameters of the optical block include at least one of: the radii of the surfaces of the optical elements, the coefficients of the aspherical surfaces of the optical elements, the thicknesses of the optical elements, the refractive indices of the materials of the optical elements, the dispersion value of the optical elements, the distances between the optical elements in the optical block, the length of the device, representing the axial distance between the surface of the first optical element on the side of the object and the image surface on the receiver, and the receiver parameters include at least one of: spectral sensitivity, noise, digitization parameters.

Ускорение обработки изображений при восстановлении изображения сформированного на приемнике также реализуется в рамках настоящего изобретения, если Функция рассеяния PSF может быть представлена в разделяемом (сепарабельном) виде, т.е. если данную функцию можно разделить на два одномерных сигнала, в вертикальной проекции и в горизонтальной проекции.Acceleration of image processing when restoring the image formed on the receiver is also implemented within the framework of the present invention, if the Scattering Function PSF can be represented in a separable (separable) form, i.e. if the given function can be divided into two one-dimensional signals, in vertical projection and in horizontal projection.

На фиг.27 представлен пример разделяемой функции рассеяния (PSF) в виде горизонтального и вертикального профиля. FIG. 27 shows an example of a shared spreading function (PSF) as a horizontal and vertical profile.

Значение каждого пикселя x[r, c] в изображении равно соответствующей точке в горизонтальной проекции horz[c] умноженной на соответствующую точку. The value of each pixel x[r, c] in the image is equal to the corresponding point in the horizontal projection horz[c] multiplied by the corresponding point.

Использование разделяемых функций рассеяния (PSF) обеспечивает ускорение процесса обработки данных изображения.The use of Shared Scattering Functions (PSFs) speeds up the processing of image data.

На фигурах 19а и 19b представлены изображения, полученные заявленным устройством формирования изображения до и после обработки устройством формирования изображения.Figures 19a and 19b show images taken by the inventive imaging device before and after processing by the imaging device.

На фиг.19а представлены два изображения: машины и на заднем фоне ворот гаража, на среднем расстоянии, первое (размытое), как входное изображение, захваченное камерой, и второе (четкое), как выходное изображение, т.е. восстановленное изображение после обработки блоком обработки изображения. Figure 19a shows two images: a car and a garage door in the background, at a medium distance, the first (blurred) as the input image captured by the camera, and the second (sharp) as the output image, i. reconstructed image after processing by the image processing unit.

На фиг. 19b представлены два изображения: балкона и на заднем фоне элементы дома, на дальнем расстоянии, первое, как входное изображение, захваченные камерой, и второе (четкое), как выходное изображение, т.е. восстановленное изображение после обработки блоком обработки изображения. In FIG. 19b shows two images: a balcony and in the background elements of a house, in the far distance, the first as an input image captured by the camera, and the second (sharp) as an output image, i.e. reconstructed image after processing by the image processing unit.

Далее на фиг.20а представлен пример реализации оптического блока устройства формирования изображения, который содержит оптические компоненты, последовательно расположенные вдоль оптической оси со стороны предмета до поверхности изображения: апертурную диафрагму, первую линзу (l1), вторую линзу (l2), третью линзу (l3), четвертую линзу (l4), пятую линзу (l5) и шестую линзу (l6), при этомFurther on figa shows an example of the implementation of the optical unit of the image forming device, which contains optical components sequentially located along the optical axis from the side of the object to the image surface: aperture diaphragm, the first lens (l 1 ), the second lens (l 2 ), the third lens (l 3 ), the fourth lens (l 4 ), the fifth lens (l 5 ) and the sixth lens (l 6 ), while

первая линза имеет положительную оптическую силу, при этом поверхность первой линзы со стороны предмета является выпуклой, а поверхность первой линзы со стороны поверхности изображения является вогнутой; the first lens has a positive power, wherein the surface of the first lens on the object side is convex and the surface of the first lens on the side of the image surface is concave;

вторая линза имеет отрицательную оптическую силу, при этом поверхность второй линзы со стороны предмета является вогнутой и поверхность второй линзы со стороны поверхности изображения является также вогнутой; the second lens has a negative optical power, while the surface of the second lens on the object side is concave and the surface of the second lens on the side of the image surface is also concave;

третья линза имеет положительную оптическую силу, the third lens has a positive optical power,

четвертая линза имеет форму мениска,the fourth lens has the shape of a meniscus,

пятая линза и шестая линза, каждая, имеют форму мениска в области близкой к оптической оси, при этом поверхность, каждой из пятой и шестой линзы, со стороны предмета, является выпуклой в области близкой к оптической оси, и поверхность, каждой из пятой и шестой линзы, со стороны поверхности изображения является вогнутой в области близкой к оптической оси; the fifth lens and the sixth lens each have a meniscus shape in the region close to the optical axis, while the surface of each of the fifth and sixth lenses, on the object side, is convex in the region close to the optical axis, and the surface of each of the fifth and sixth lenses lens, from the side of the image surface is concave in the area close to the optical axis;

и осевое расстояние между поверхностью первой линзы со стороны предмета и поверхностью изображения составляет менее около 4, 5 мм.and the axial distance between the object-side surface of the first lens and the image surface is less than about 4.5 mm.

Такая конфигурация оптического блока в отличие от EDoF систем известного уровня техники (US S8559118) детально раскрытых в настоящем описании, позволяет получить большую глубину изображаемого пространства (от 200 мм до бесконечности), плавную функцию MTF, в отличие от известного уровня техники, имеющего выраженный максимум в функции МTF, при этом указанном Примере оптического блока функция MTF в сагиттальном и меридиональном сечениях практически совпадают, как наглядно проиллюстрировано на фиг.20с. This configuration of the optical unit, in contrast to the EDoF systems of the prior art (US S8559118) disclosed in detail in this description, allows you to get a large depth of the imaged space (from 200 mm to infinity), a smooth MTF function, in contrast to the prior art, which has a pronounced maximum in the MTF function, with this example of an optical unit, the MTF function in the sagittal and meridional sections practically coincide, as clearly illustrated in Fig.20c.

На фиг.20b представлен график, иллюстрирующий функцию MTF, характеризующую зависимость коэффициента передачи модуляции (T) от дефокусировки (z) известного уровня техники.FIG. 20b is a graph illustrating the MTF function of modulation gain (T) versus prior art defocusing (z).

На фиг.20с представлен график, иллюстрирующий функцию MTF, характеризующую зависимость коэффициента передачи модуляции (T) от дефокусировки (z) заявленного устройства формирования изображения (EDoF).FIG. 20c is a graph illustrating the MTF function characterizing modulation gain (T) versus defocus (z) of an inventive imaging device (EDoF).

Авторы изобретения при разработке оптической части устройства формирования изображения рассмотрели возможность выполнения по меньшей мере одной из линз, входящей в оптический блок, имеющей асферическую и/или поверхность Цернике.The inventors, when developing the optical part of the imaging device, considered the possibility of making at least one of the lenses included in the optical unit having an aspherical and/or Zernike surface.

При этом профили асферических поверхностей линз заявленного устройства формирования изображения описываются следующим выражением (3):In this case, the profiles of the aspherical surfaces of the lenses of the claimed imaging device are described by the following expression (3):

Figure 00000005
Figure 00000005

где,where,

z - аксиальная координата точки поверхности относительно вершины поверхности, r - радиальное расстояние от оптической оси, к - коническая константа, с - кривизна поверхности, A, B, S, D, E, F, G, H, J - асферические коэффициенты. z - axial coordinate of a surface point relative to the surface vertex, r - radial distance from the optical axis, k - conical constant, c - surface curvature, A, B, S, D, E, F, G, H, J - aspherical coefficients.

При этом при k=0 поверхность имеет профиль сферы,In this case, for k=0, the surface has a spherical profile,

-1˂ к ˂0 поверхность имеет форму эллипсоида с главной осью на оптической оси (вытянутый эллипсоид (сфероид)-1˂ to ˂0 the surface has the shape of an ellipsoid with the main axis on the optical axis (prolate ellipsoid (spheroid)

к=-1 поверхность имеет форму параболоидаk \u003d -1 the surface has the shape of a paraboloid

к˂-1 поверхность имеет форму гиперболоида.k˂-1 surface has the form of a hyperboloid.

Сложная форма поверхностей линз, в том числе асферических, рассчитанных согласно выражению (3) обеспечивает коррекцию аберраций и повышает качество, формируемого заявленным устройством, изображения.The complex shape of the lens surfaces, including aspherical ones, calculated according to expression (3) provides aberration correction and improves the quality of the image generated by the claimed device.

Следует отметить, что использование асферических поверхностей обеспечивает исправление полевых аберраций малым количеством линз, в данном случае пятью или шестью, обеспечивая компактность патентуемого устройства.It should be noted that the use of aspherical surfaces provides correction of field aberrations with a small number of lenses, in this case five or six, ensuring the compactness of the patented device.

При этом, изготавливаемые из оптического пластика, линзы с асферическими поверхностями согласно изобретению, легко формуются, что приводит к снижению их стоимости.At the same time, lenses with aspherical surfaces made of optical plastic according to the invention are easily molded, which leads to a reduction in their cost.

При изготовлении линз с асферическими поверхностями из оптического стекла порядок асферических поверхностей выбирается более низким ввиду более высокого показателя преломлении стекла и низкого значения числа Аббе, что также играет роль в снижении стоимости изготовления устройства формирования изображения согласно изобретению и смартфонов, использующих указанные устройства.When manufacturing lenses with aspherical surfaces from optical glass, the order of aspherical surfaces is chosen to be lower due to the higher refractive index of the glass and the low Abbe number, which also plays a role in reducing the cost of manufacturing the imaging device according to the invention and smartphones using these devices.

Профили поверхностей Цернике линз заявленного устройства формирования изображения описываются следующим выражением (4):The surface profiles of the Zernike lenses of the claimed imaging device are described by the following expression (4):

Figure 00000006
Figure 00000006

где,where,

z - координата точки поверхности вдоль оптической оси относительно вершины поверхности, r - радиальное расстояние от оптической оси, к - коническая константа, с - кривизна поверхности при вершине, ZPj - j-ый полином Цернике (диапазон j от 1 до 66),z - coordinate of a surface point along the optical axis relative to the surface vertex, r - radial distance from the optical axis, k - conical constant, c - surface curvature at the vertex, ZP j - jth Zernike polynomial (range j from 1 to 66),

С(j+1) - коэффициент при ZPj. C (j+1) - coefficient at ZP j.

Выполнение поверхностей линз, описываемых выражением (4), т.е. поверхностей Цернике, обеспечивает коррекцию аберраций и повышает качество, формируемого заявленным устройством согласно изобретению, изображения.The execution of the lens surfaces described by expression (4), i.e. Zernike surfaces, provides correction of aberrations and improves the quality of the image generated by the claimed device according to the invention.

Следует отметить, что использование поверхностей Цернике обеспечивает исправление полевых аберраций малым количеством линз, в данном случае пятью или шестью, обеспечивая компактность патентуемого устройства.It should be noted that the use of Zernike surfaces provides correction of field aberrations with a small number of lenses, in this case five or six, ensuring the compactness of the patented device.

При этом, изготовление указанных линз является достаточным сложным процессом, но вклад в качество формируемого изображения при этом очень большой.At the same time, the manufacture of these lenses is a rather complicated process, but the contribution to the quality of the formed image is very large.

На фиг. 21 представлены графики, иллюстрирующие функции MTF, характеризующую зависимость коэффициента передачи модуляции (T) от дефокусировки (z) для оптического блока, имеющего асферическую поверхность и/или поверхность Цернике согласно варианту реализации заявленного устройства формирования изображения (EDoF).In FIG. 21 are graphs illustrating the MTF functions characterizing modulation gain (T) versus defocus (z) for an optical assembly having an aspherical surface and/or a Zernike surface according to an embodiment of the claimed imaging device (EDoF).

Как видно из графиков, применение поверхности Цернике обеспечивает более равномерную модуляционную передаточную функцию в диапазоне расстояний до предмета от 200 мм до 5000 мм (соответствующая глубина резкости примерно от -0,03 мм до 0,03 мм) по сравнению с асферической поверхностью. As can be seen from the graphs, the use of the Zernike surface provides a more uniform modulation transfer function in the range of distances to the object from 200 mm to 5000 mm (corresponding depth of field from about -0.03 mm to 0.03 mm) compared to the aspherical surface.

На фиг.22а представлены примеры графиков модуляционной передаточной функции MTF для заявленного оптического блока, характеризующих зависимость коэффициента передачи модуляции (T) от дефокусировки (z) на частоте 100 линий/мм для точек с координатами 0, 1,9 и 2,5 мм. При этом сплошной линией обозначено меридиональное сечение, а пунктирной-сагиттальное сечение.On figa presents examples of plots of the modulation transfer function MTF for the claimed optical unit, characterizing the dependence of the modulation transfer coefficient (T) from defocusing (z) at a frequency of 100 lines/mm for points with coordinates of 0, 1.9 and 2.5 mm. In this case, the solid line indicates the meridional section, and the dotted line indicates the sagittal section.

На фиг.22b представлены соответствующие графики функции рассеяния для точки на оси при дальности до предмета (целевого объекта) d равного 200мм, 400мм, 5000мм. При этом на графиках x - координата в плоскости изображения, I - значение функции рассеяния. Следует отметить, что для удаленного предмета (d=5000мм), боковые максимумы практически отсутствуют, что обеспечивает естественный боке-эффект (без изображений точечных объектов в виде колец и овалов).On fig.22b presents the corresponding graphs of the scattering function for a point on the axis at a distance to the object (target object) d equal to 200mm, 400mm, 5000mm. In this case, on the graphs, x is the coordinate in the image plane, I is the value of the scattering function. It should be noted that for a distant object (d=5000mm), side maxima are practically absent, which provides a natural bokeh effect (without images of point objects in the form of rings and ovals).

На фиг.22с представлены примеры графиков, иллюстрирующих дисторсию оптического блока согласно варианту реализации заявленного устройства формирования изображения (EDoF).On figs presents examples of graphs illustrating the distortion of the optical unit according to the embodiment of the claimed imaging device (EDoF).

По оси абсцисс представлено значении дисторсии в процентах, а оси ординат размер изображения в мм. В одном из вариантов осуществления максимальный размер изображения 2.78 мм соответствует углу поля зрения 40 градусов (поле зрения 80 градусов). При этом для оптического блока дисторсия не превышает 2%. The abscissa shows the distortion value in percent, and the ordinate shows the image size in mm. In one embodiment, the maximum image size of 2.78 mm corresponds to a 40 degree field of view (80 degree field of view). In this case, for the optical unit, the distortion does not exceed 2%.

Предпочтительный вариант заявленного устройства формирования изображения (см. фиг.18) характеризуется функцией рассеяния (PSF) в положении вне фокуса с минимальными боковыми лепестками, который представлен на графике фиг. 24а. На графике наглядно проиллюстрировано максимальное значение P пиков боковых лепестков (уровень боковых лепестков или значение боковых максимумов), которое составляет менее, чем 0,1*A, где А максимальное значение функции PSF (или центральный максимум), т.е. P≤0,1*A, что приводит к отсутствию ореолов в виде колец или полуколец на изображении точек предмета. The preferred embodiment of the inventive imaging device (see FIG. 18) is characterized by a scatter function (PSF) at an out-of-focus position with minimal side lobes, as shown in the graph of FIG. 24a. The graph clearly illustrates the maximum value P of sidelobe peaks (sidelobe level or sidelobes value) which is less than 0.1*A, where A is the maximum value of the PSF function (or central maximum), i.e. P≤0.1*A, which leads to the absence of halos in the form of rings or semirings on the image of the points of the object.

Указанный эффект достигается посредством использования мультифокальной оптической системы с множеством зон зрачка. При этом в результате, на выходе из оптического блока обработки изображения обеспечивается получение естественного эффекта боке в промежуточном размытом изображении объекта.This effect is achieved through the use of a multifocal optical system with multiple pupil zones. At the same time, as a result, at the output of the optical image processing unit, a natural bokeh effect is obtained in the intermediate blurred image of the object.

Предпочтительный вариант заявленного устройства формирования изображения (см. фиг.18) характеризуется также модуляционной передаточной функцией (MTF). The preferred embodiment of the inventive imaging device (see FIG. 18) is also characterized by a modulation transfer function (MTF).

На фиг.24b - представлен график MTF функции в зависимости от дефокусировки (глубины резкости), иллюстрирующий плавную кривую Функции MTF. При этом неравномерность U функции MTF в зависимости от фокусных расстояний в заданном диапазоне глубины резкости, определяемой фокусными расстояниями составляет менее 20% в диапазоне частот от 0,5N до 0,9N, где N - частота Найквиста.Fig. 24b is a graph of the MTF function versus defocus (depth of field) illustrating the smooth curve of the MTF function. In this case, the unevenness U of the MTF function depending on the focal lengths in a given range of depth of field determined by the focal lengths is less than 20% in the frequency range from 0.5N to 0.9N, where N is the Nyquist frequency.

При этом неравномерность U определяется согласно следующему выражению (5):In this case, the unevenness U is determined according to the following expression (5):

U=(max-min)/(max+min)*100%,U=(max-min)/(max+min)*100%,

где max - максимальное значение функции MTF в заданном диапазоне, where max is the maximum value of the MTF function in the given range,

min - минимальное значение функции MTF в заданном диапазоне.min - the minimum value of the MTF function in the specified range.

При этом заданный диапазон глубин резкости составляет от -0,03 мм до 0,03 мм, а соответствующая ему глубина изображаемого пространства от 200мм до 5000 мм. In this case, the specified range of depths of field is from -0.03 mm to 0.03 mm, and the corresponding depth of the imaged space is from 200 mm to 5000 mm.

Графики, представленные на фиг.24а, 24b, получены на основе экспериментальных данных, проведенными авторами в ходе подготовки изобретения.The graphs shown in figa, 24b, obtained on the basis of experimental data conducted by the authors during the preparation of the invention.

Таким образом авторы изобретения разработали способ и устройство формирования изображения с обеспечением увеличенной глубины изображаемого пространства, в котором:Thus, the inventors have developed a method and apparatus for imaging with increased depth of imaging space, in which:

-не требуется перемещение оптических элементов,- no need to move optical elements,

-не требуется сложная оптика (дополнительные оптические элементы), - no complex optics required (additional optical elements),

-обеспечение оптического устройства с обеспечением увеличенной глубины изображаемого пространства без функции автофокусировки,-providing an optical device with an increased depth of image space without autofocus function,

-отсутствие задержки фокусировки, -no focus delay

-быстрый алгоритм восстановления, -fast recovery algorithm,

-отсутствие необходимости взаимодействия с пользователем,- no need for user interaction,

-не требуется контроль процесса снятия изображения пользователем смартфона (т.е. пользователю не нужно выбирать область фокусировки), - no control over the process of taking an image by a smartphone user is required (i.e. the user does not need to select the focus area),

-объект вне зависимости от расстояния до камеры всегда находится в фокусе,- the object, regardless of the distance to the camera, is always in focus,

-простой алгоритм обработки данных изображения,- a simple image data processing algorithm,

-недорогое, компактное устройство формирования изображения, с возможностью применения для массового производства.- inexpensive, compact imaging device, with the possibility of application for mass production.

На фиг.23а схематично представлен оптический блок с разделением входного зрачка на две зоны зрачка (PZ1, PZ2) и приемник согласно варианту реализации устройства формирования изображения. Пучки лучей поступают в оптический блок условно представленный в виде одной линзы, через входной зрачок, расположенный в пространстве предметов (объектов), и разделенный на две зоны. Два параллельных пучка лучей (количество пучков лучей соответствует количеству зрачковых зон и их количество не ограничено примером, представленным на фиг.23а) проходят через оптический блок в виде совокупности линз (на фиг.23а условно представлена одна линза). При этом точка пересечения лучей в пучке задает фокусное расстояние EFL (EFL1-для первого пучка лучей L1 и EFL2-для второго пучка лучей L2), измеряемое от главной плоскости оптического блока до точки пересечения лучей в пучке вдоль оптической оси. Изменение оптической силы P или фокусного расстояния EFL в зависимости от координат зрачка (x, y) задает карту распределения оптической силы или карту распределения фокусного расстояния соответственно, представленные на фиг.23b и 23d. Приемник расположен на расстоянии z’ от оптического блока и выполнен с возможностью захвата изображений, формируемых оптическим блоком через зрачковые зоны (PZ1,PZ2). При этом различные фокусные расстояния соответствуют различным расстояниям z в пространстве предметов, где z=z’/EFL2. Таким образом, на приемнике имеется информация об целевых объектах на различных расстояниях, но изображение, формируемое на приемнике получается размытым, как уже детально было раскрыта в описании. При этом уровень «размытости» изображения характеризуется функцией рассеяния (PSF).Fig. 23a schematically shows an optical unit with a division of the entrance pupil into two pupil zones (PZ1, PZ2) and a receiver according to an embodiment of an imaging device. Beams of rays enter the optical unit, conventionally represented as a single lens, through the entrance pupil, located in the space of objects (objects), and divided into two zones. Two parallel beams of rays (the number of beams of rays corresponds to the number of pupillary zones and their number is not limited to the example shown in figa) pass through the optical unit in the form of a set of lenses (one lens is conventionally shown in figa). In this case, the point of intersection of the beams in the beam sets the focal length EFL (EFL1 for the first beam of beams L1 and EFL2 for the second beam of beams L2), measured from the main plane of the optical unit to the point of intersection of the beams in the beam along the optical axis. Changing the optical power P or the focal length EFL depending on the coordinates of the pupil (x, y) sets the optical power distribution map or the focal length distribution map, respectively, presented in Fig.23b and 23d. The receiver is located at a distance z' from the optical unit and is configured to capture images generated by the optical unit through the pupillary areas (PZ1,PZ2). In this case, different focal lengths correspond to different distances z in the space of objects, where z=z'/EFL 2 . Thus, the receiver has information about targets at various distances, but the image formed at the receiver is blurry, as has already been detailed in the description. In this case, the level of "blurring" of the image is characterized by the scattering function (PSF).

Карты распределения оптической силы оптического блока согласно фиг.23а устройства формирования изображения согласно изобретению, представлены на фиг.23b, 23c, 23d. Карта распределения оптической сила (P) может представлена как функция координат зрачка от фокусного расстояния (EFL) или P=1/EFL, как наглядно видно на графиках фиг.23b, фиг.23c. На фиг. 23d представлена карта распределения фокусного расстояния в виде функции от координат зрачка. На фиг.23с представлено распределение фокусного расстояния в сагиттальном сечении зрачка (т.е. это профиль распределения фокусного расстояния на карте с фиг. 23d при y координате на зрачке равной нулю). Power distribution maps of the optical unit according to Fig. 23a of the imaging device according to the invention are shown in Figs. 23b, 23c, 23d. A power distribution map (P) can be represented as a function of pupil coordinates versus focal length (EFL) or P=1/EFL, as can be clearly seen in the graphs of Fig. 23b, Fig. 23c. In FIG. 23d is a map of focal length distribution as a function of pupil coordinates. On figs presents the distribution of the focal length in the sagittal section of the pupil (ie, this is the distribution profile of the focal length on the map of Fig. 23d with y coordinate on the pupil equal to zero).

Уровень размытости можно описать функцией рассеяния PSF(x, y), где x, y - координаты на приемнике. Функция рассеяния зависит от расстояния до предмета (объекта) и угла поля зрения, под которым наблюдается объект. При этом функция PSF(x, y) определяется формой зрачка и аберрационными свойствами (например, волновыми аберрациями (OPD)). Волновые аберрации (OPD) каждой зоны зрачка определяют или задают качество изображения в соответствии с характеристиками оптической системы для диапазона расстояний d1, d2, d3…dN. Функция PSF описывает отклик оптического блока на точечный объект. Получение функции рассеяния (PSF) детально раскрыто в книге: Goodman J.W. «Introduction to Fourier Optics» second edition, New York: McGraw-Hill, 1996, p.145The blur level can be described by the scattering function PSF (x, y), where x, y are coordinates at the receiver. The scattering function depends on the distance to the object (object) and the angle of the field of view at which the object is observed. The function PSF (x, y) is determined by the shape of the pupil and aberration properties (for example, wave aberrations (OPD)). Wave aberrations (OPD) of each pupil zone determine or set the image quality in accordance with the characteristics of the optical system for the distance range d1, d2, d3…dN. The PSF describes the response of an optical block to a point object. The derivation of the scattering function ( PSF ) is detailed in the book: Goodman JW "Introduction to Fourier Optics" second edition, New York: McGraw-Hill, 1996, p.145

Распределение интенсивности или интенсивность изображения Ic в зависимости от координат на изображении (далее, как изображение Ic), сформированное оптическим блоком на по меньшей мере части приемника, в пределах которой функцию рассеянии можно считать инвариантной (т.е. функция рассеяния не зависит от угла поля зрения) можно представить в виде свертки распределения интенсивности объекта

Figure 00000007
(или интенсивности объекта, приведенной к приемнику, которая соответствует идеальному изображению объекта) и функции
Figure 00000008
PSF:. Следует отметить, что λ в нижнем индексе означает зависимость от длины волны. Учитывая чувствительность приемника к длине волны
Figure 00000009
т.е. спектральную чувствительность, сформированное изображение Intensity distribution or intensity of the image Ic as a function of coordinates in the image (hereinafter referred to as the image Ic) formed by the optical unit on at least a part of the receiver, within which the scattering function can be considered invariant (i.e. the scattering function does not depend on the field angle vision) can be represented as a convolution of the intensity distribution of the object
Figure 00000007
(or the intensity of the object, reduced to the receiver, which corresponds to the ideal image of the object) and the function
Figure 00000008
PS:. It should be noted that λ in the subscript denotes wavelength dependence. Given the sensitivity of the receiver to the wavelength
Figure 00000009
those. spectral sensitivity, formed image

Figure 00000010
Figure 00000010

где Ic - интенсивность изображения (далее, как изображение), сформированного на по меньшей мере части приемника,

Figure 00000011
- интенсивность объекта в зависимости от длины волны (λ), сформированного на по меньшей мере части приемника,
Figure 00000012
- функция рассеяния в зависимости от длины волны (λ),
Figure 00000013
- чувствительность приемника к длине волны (λ), dλ - дифференциал длины волны излучения. where Ic is the intensity of the image (hereinafter referred to as the image) formed on at least a part of the receiver,
Figure 00000011
- the intensity of the object depending on the wavelength (λ) formed on at least part of the receiver,
Figure 00000012
- scattering function depending on the wavelength (λ),
Figure 00000013
- sensitivity of the receiver to the wavelength (λ), d λ - radiation wavelength differential.

Изображение Ic, сформированное на приемнике, оцифровывается, т.е. становится дискретным с частотой следования пикселей приемника, квантуется по уровню (в предпочтительном варианте 256 уровней квантования), попиксельно интегрируется на приемнике и становится зашумленным η, что дает результирующее (промежуточное) изображение:

Figure 00000014
где S - оператор оцифровки, η - шум, Ic - интенсивность изображения, сформированного на по меньшей мере части приемника. Полученное изображение отправляется в блок обработки изображения.The image Ic formed at the receiver is digitized, i.e. becomes discrete with the pixel repetition rate of the receiver, is level-quantized (preferably 256 quantization levels), integrated pixel-by-pixel at the receiver, and becomes noisy η, which gives the resulting (intermediate) image:
Figure 00000014
where S is the digitization operator, η is the noise, Ic is the intensity of the image formed on at least part of the receiver. The resulting image is sent to the image processing unit.

На фиг.25а-e схематично представлен процесс формирования изображения, происходящий в оптическом блоке и на приемнике. На фиг.25а рассматриваемый объект условно делится на части, в пределах которых функцию рассеяния можно считать инвариантной, т.е. функция PSF рассматривается как инвариант. Математически оптический блок устройства формирования изображения может быть представлен в виде свертки распределения интенсивности на объекте и функции рассеяния (фиг.25b). Функция PSF рассчитывается для каждой части приемника (см. фиг.25с). Приемник характеризуется спектральной чувствительностью

Figure 00000015
и привносит (добавляет) шум (η) в промежуточное изображение (фиг.25d). Изображение, сформированное на приемнике, оцифровывается (S). На фиг.25e представлено получение результирующего промежуточного изображения на приемнике On figa-e schematically shows the process of imaging, occurring in the optical unit and the receiver. In Fig.25a, the object under consideration is conditionally divided into parts, within which the scattering function can be considered invariant, i.e. the PSF function is considered as an invariant. Mathematically, the optical unit of the imaging device can be represented as a convolution of the intensity distribution on the object and the scattering function (Fig.25b). The PSF function is calculated for each part of the receiver (see Fig.25c). The receiver is characterized by spectral sensitivity
Figure 00000015
and brings (adds) noise (η) to the intermediate image (Fig.25d). The image formed at the receiver is digitized (S). Figure 25e shows the acquisition of the resulting intermediate image at the receiver

Figure 00000016
Figure 00000017
Figure 00000016
Figure 00000017

На фиг.26 схематично представлен вид изображения объекта (Yc), получаемого на приемнике (см. результирующее промежуточное изображение на фиг.25d и восстановленного изображения, получаемого после обработки в блоке обработки изображения. Таким образом, используя информацию зарегистрированного изображения (Yc) приемником и зависимость функции рассеяния от координат на приемнике PSF (x, y), блок обработки изображения выполнен с возможностью обработки изображения таким образом, что невязка или расхождение между восстановленным изображением

Figure 00000018
и идеальным изображением
Figure 00000019
объекта минимизируется, например :
Figure 00000020
.FIG. 26 is a schematic view of an object image (Yc) obtained at the receiver (see the resulting intermediate image in FIG. 25d and the reconstructed image obtained after processing in the image processing unit. Thus, using the information of the registered image (Yc) by the receiver and dependence of the scattering function on the coordinates at the PSF receiver (x, y), the image processing unit is configured to process the image in such a way that the discrepancy or discrepancy between the reconstructed image
Figure 00000018
and perfect picture
Figure 00000019
object is minimized, for example:
Figure 00000020
.

Промышленная применимостьIndustrial Applicability

Устройство и способ формирования изображения с обеспечением увеличенной глубины изображаемого пространства может использоваться в компактных, переносных устройствах, например, планшетных компьютерах, ноутбуках, системах телеконференций, кроме того, может использоваться для фото- и видеосъемки камерами EDoF смартфонов под управлением операционных систем Android, iOS, HarmonyOS, а также подобных им систем, и в других устройствах, в которых имеется потребность к обеспечению съемки в реальном временя объектов на разных расстояниях. Кроме того, может использоваться в защитных устройствах, камерах видеонаблюдения, в устройствах для снятия биометрических данных, в микроскопии, в системах безопасности для сканирования сетчатки движущихся объектов c мгновенной фиксацией объекта без его фокусировки и бесконтактного снятия отпечатков пальцев.The device and method for imaging with increased image depth can be used in compact, portable devices, such as tablet computers, laptops, teleconferencing systems, in addition, it can be used for photo and video recording by EDoF cameras of smartphones running Android, iOS operating systems, HarmonyOS, as well as systems similar to them, and in other devices in which there is a need to provide real-time shooting of objects at different distances. In addition, it can be used in security devices, video surveillance cameras, devices for taking biometric data, in microscopy, in security systems for scanning the retina of moving objects with instant fixation of an object without focusing it and non-contact fingerprinting.

Claims (79)

1. Устройство формирования изображения с обеспечением увеличенной глубины изображаемого пространства, содержащее: 1. An image forming device with an increased depth of the imaged space, comprising: - оптический блок, выполненный с возможностью одновременного формирования промежуточных изображений объекта на различных расстояниях с эффектом размытия по меньшей мере частей изображений объекта, и содержащий по меньшей мере один оптический элемент, и имеющий по меньшей мере две зоны зрачка, сформированных таким образом, чтобы обеспечить предварительно заданное распределение оптических сил и аберраций в пределах каждой, из по меньшей мере двух зон зрачка, на основании которых формируется функция рассеяния, характеризующаяся кривой с минимизированными боковыми максимумами по сравнению с центральным максимумом в заданном диапазоне расстояний до объекта, при этом каждой из по меньшей мере двух зон зрачка соответствует заданный соответствующий диапазон расстояний до объекта и заданный соответствующий диапазон углов поля зрения, - an optical unit configured to simultaneously form intermediate images of an object at different distances with the effect of blurring at least parts of the object images, and containing at least one optical element, and having at least two pupil zones formed in such a way as to provide a preliminary a given distribution of optical powers and aberrations within each of at least two pupil zones, on the basis of which a scattering function is formed, characterized by a curve with minimized side maxima compared to the central maximum in a given range of distances to the object, with each of at least two zones of the pupil correspond to the given corresponding range of distances to the object and the given corresponding range of angles of the field of view, - приемник, выполненный с возможностью регистрации промежуточных изображений, сформированных оптическим блоком, с разных расстояний до объекта и под разными углами поля зрения одновременно,- a receiver configured to register intermediate images formed by the optical unit from different distances to the object and at different angles of the field of view simultaneously, - блок обработки изображения, соединенный с приемником и выполненный с возможностью обработки промежуточных изображений объекта с эффектом размытия по меньшей мере частей изображений объекта, зарегистрированных приемником, при этом обработка указанных изображений выполняется на основе полученной функции рассеяния в заданном диапазоне расстояний и углов поля зрения, с восстановлением на выходе результирующих изображений без эффекта размытия вне зависимости от расстояний до объекта.- an image processing unit connected to the receiver and configured to process intermediate images of an object with a blur effect of at least parts of the object images recorded by the receiver, while processing these images is performed based on the obtained scattering function in a given range of distances and angles of the field of view, with restoring the output of the resulting images without the blur effect, regardless of the distances to the object. 2. Устройство по п. 1, в котором минимизированные боковые максимумы функции рассеяния, формируемые оптическим блоком, не превышают 10% центрального максимума в заданном диапазоне расстояний до объекта. 2. The device according to claim 1, in which the minimized lateral maxima of the scattering function formed by the optical unit do not exceed 10% of the central maximum in a given range of distances to the object. 3. Устройство по п. 1 или 2, в котором заданный диапазон расстояний до объекта составляет от 400 до 5000 мм. 3. The device according to claim. 1 or 2, in which the specified range of distances to the object is from 400 to 5000 mm. 4. Устройство по п. 2, в котором заданный диапазон углов поля зрения составляет от -40 до +40 градусов. 4. The device according to claim. 2, in which the specified range of angles of the field of view is from -40 to +40 degrees. 5. Устройство по одному из пп. 1-4, в котором оптический блок выполнен таким образом, что обеспечивает формирование инвариантной функции рассеяния, не зависящей от расстояния до объекта в заданном диапазоне.5. The device according to one of paragraphs. 1-4, in which the optical block is designed in such a way that provides the formation of an invariant scattering function that does not depend on the distance to the object in a given range. 6. Устройство по одному из пп. 1-4, в котором оптический блок выполнен таким образом, что обеспечивает формирование инвариантной функции рассеяния, не зависящей от угла поля зрения. 6. The device according to one of paragraphs. 1-4, in which the optical unit is designed in such a way that provides the formation of an invariant scattering function that does not depend on the angle of the field of view. 7. Устройство по одному из пп. 1-4, в котором оптический блок выполнен таким образом, что обеспечивает формирование инвариантной функции рассеяния, не зависящей от угла поля зрения и расстояния до объекта. 7. The device according to one of paragraphs. 1-4, in which the optical unit is designed in such a way that provides the formation of an invariant scattering function that does not depend on the angle of the field of view and the distance to the object. 8. Устройство по одному из пп. 1-4, в котором оптический блок выполнен с возможностью формирования равномерной модуляционной передаточной функции (MTF), не зависящей от расстояния до объекта. 8. The device according to one of paragraphs. 1-4, in which the optical unit is configured to generate a uniform modulation transfer function (MTF) independent of the distance to the object. 9. Устройство по одному из предыдущих пунктов, в котором оптический блок дополнительно выполнен с возможностью одновременного формирования промежуточных изображений объекта на различных расстояниях с эффектом размытия всего изображения объекта.9. The device according to one of the previous claims, in which the optical unit is additionally configured to simultaneously form intermediate images of the object at different distances with the effect of blurring the entire image of the object. 10. Устройство по п. 1, в котором оптический блок содержит по меньшей мере один оптический элемент, представляющий собой по меньшей мере один из: линзы с различными профилями поверхностей, составной линзы, дифракционного оптического элемента, голографического оптического элемента, поляризационного элемента, амплитудно-фазовой маски.10. The device according to claim 1, in which the optical unit contains at least one optical element, which is at least one of: lenses with different surface profiles, a composite lens, a diffractive optical element, a holographic optical element, a polarizing element, an amplitude- phase mask. 11. Устройство по п. 10, в котором по меньшей мере одна линза имеет асферическую поверхность и/или, в частности, поверхность Цернике.11. The device according to claim. 10, in which at least one lens has an aspherical surface and/or, in particular, a Zernike surface. 12. Устройство по п. 11, в котором линзы с асферической поверхностью и/или, в частности, поверхностью Цернике обеспечивают коррекцию аберраций.12. An apparatus according to claim 11, wherein lenses with an aspherical surface and/or in particular a Zernike surface provide aberration correction. 13. Устройство по п. 10, в котором оптические элементы оптического блока представляют собой расположенные вдоль оптической оси со стороны предмета до поверхности изображения: первую линзу, вторую линзу, третью линзу, четвертую линзу, пятую линзу и шестую линзу, при этом13. The device according to claim 10, in which the optical elements of the optical unit are located along the optical axis from the side of the object to the image surface: the first lens, the second lens, the third lens, the fourth lens, the fifth lens and the sixth lens, while первая линза имеет положительную оптическую силу, при этом поверхность первой линзы со стороны предмета является выпуклой, а поверхность первой линзы со стороны поверхности изображения является вогнутой; the first lens has a positive power, wherein the surface of the first lens on the object side is convex and the surface of the first lens on the side of the image surface is concave; вторая линза имеет отрицательную оптическую силу, при этом поверхность второй линзы со стороны предмета является вогнутой и поверхность второй линзы со стороны поверхности изображения является также вогнутой; the second lens has a negative optical power, while the surface of the second lens on the object side is concave and the surface of the second lens on the side of the image surface is also concave; третья линза имеет положительную оптическую силу, the third lens has a positive optical power, четвертая линза имеет форму мениска,the fourth lens has the shape of a meniscus, пятая линза и шестая линза, каждая, имеют форму мениска в области, близкой к оптической оси, при этом поверхность каждой из пятой и шестой линзы со стороны предмета является выпуклой в области, близкой к оптической оси, и поверхность каждой из пятой и шестой линзы со стороны поверхности изображения является вогнутой в области, близкой к оптической оси.the fifth lens and the sixth lens each have a meniscus shape in the area close to the optical axis, while the surface of each of the fifth and sixth lenses on the object side is convex in the area close to the optical axis, and the surface of each of the fifth and sixth lenses with side of the image surface is concave in the region close to the optical axis. 14. Устройство по п. 10, в котором составная линза представляет собой по меньшей мере одну из: бифокальной линзы, прогрессивной линзы, линзы Френеля и/или их комбинаций.14. The device of claim 10, wherein the composite lens is at least one of: a bifocal lens, a progressive lens, a Fresnel lens, and/or combinations thereof. 15. Устройство по п. 10, в котором дифракционный оптический элемент представляет собой дифракционную микроструктуру, выполненную с возможностью обеспечения амплитудно-фазовой модуляции проходящего или отраженного излучения.15. The device of claim. 10, in which the diffractive optical element is a diffractive microstructure, configured to provide amplitude-phase modulation of transmitted or reflected radiation. 16. Устройство по п. 10, в котором голографический элемент выполнен и размещен таким образом, чтобы вносить вклад в устранение хроматических аберраций.16. The apparatus of claim 10, wherein the holographic element is designed and positioned to contribute to the elimination of chromatic aberrations. 17. Устройство по п. 10, в котором поляризационный элемент представляет собой поляризатор, и/или фазовую пластинку, и/или поляризационный фильтр.17. The apparatus of claim 10 wherein the polarizing element is a polarizer and/or a phase plate and/or a polarizing filter. 18. Устройство по п. 17, в котором поляризационный элемент, представляющий собой поляризатор и/или фазовую пластинку, выполнен с возможностью обеспечения многократного прохождения излучения через оптические элементы оптического блока.18. The device according to claim 17, in which the polarization element, which is a polarizer and/or a phase plate, is configured to provide multiple passages of radiation through the optical elements of the optical unit. 19. Устройство по п. 10, в котором поляризационный элемент представляет собой поляризационный фильтр, выполненный с возможностью устранения бликов. 19. The apparatus of claim 10 wherein the polarizing element is a polarizing filter capable of eliminating glare. 20. Устройство по п. 10, в котором амплитудно-фазовая маска выполнена и размещена в оптическом блоке таким образом, чтобы обеспечивать фазовую задержку или амплитудную модуляцию излучения для обеспечения равномерного коэффициента передачи модуляции по требуемой глубине изображения.20. The device according to claim 10, in which the amplitude-phase mask is made and placed in the optical block in such a way as to provide a phase delay or amplitude modulation of the radiation to ensure a uniform modulation gain over the required image depth. 21. Устройство по п. 10, в котором амплитудно-фазовая маска представляет собой одну из: маски с фазовым профилем параболы четвертой степени, кубической фазовой маски, маски с концентрическими кольцевыми отверстиями в экране.21. The device according to claim 10, in which the amplitude-phase mask is one of: a mask with a phase profile of a fourth degree parabola, a cubic phase mask, a mask with concentric annular holes in the screen. 22. Устройство по п. 1, в котором каждый из оптических элементов оптического блока выполнен из оптически прозрачного материала, выбранного из по меньшей мере одного из: оптического стекла, оптического кристалла и полимера.22. The device according to claim. 1, in which each of the optical elements of the optical block is made of an optically transparent material selected from at least one of: optical glass, optical crystal and polymer. 23. Устройство по п. 1, дополнительно содержащее затвор, расположенный в плоскости апертурной диафрагмы или сопряженной с ней плоскости устройства формирования изображения. 23. The apparatus of claim. 1, further comprising a shutter located in the plane of the aperture diaphragm or its conjugate plane of the imaging device. 24. Устройство по п. 23, в котором затвор выполнен с возможностью регулирования открытия или закрытия заданного количества зон зрачка.24. The device according to claim 23, in which the shutter is configured to regulate the opening or closing of a given number of pupil zones. 25. Устройство по п. 1, в котором приемник представляет собой матричный фотодетектор.25. The apparatus of claim. 1, wherein the receiver is a matrix photodetector. 26. Устройство по п. 25, в котором матричный фотодетектор выполнен с возможностью регистрации электромагнитного излучения в диапазоне 0,4-0,7 мкм, а размер пиксела датчика составляет от 0,7 до 1,5 мкм.26. The device according to claim 25, in which the matrix photodetector is configured to detect electromagnetic radiation in the range of 0.4-0.7 microns, and the sensor pixel size is from 0.7 to 1.5 microns. 27. Устройство по п. 25, в котором приемник представляет собой КМОП матричный фотоприемник или ПЗС приемник.27. The apparatus of claim 25, wherein the receiver is a CMOS sensor or CCD receiver. 28. Устройство по п. 1, в котором блок обработки изображения выполнен с возможностью обработки промежуточных изображений объекта с восстановлением на выходе результирующих изображений на основании сверточной нейронной сети и/или фильтра Винера, параметры которых предварительно определяются на основании конструктивных параметров оптического блока и приемника.28. The device according to claim 1, in which the image processing unit is configured to process intermediate images of the object with restoring the resulting images at the output based on a convolutional neural network and / or Wiener filter, the parameters of which are preliminarily determined based on the design parameters of the optical unit and the receiver. 29. Устройство по п. 1, в котором к параметрам оптического блока относятся по меньше мере одно из: радиусов поверхностей оптических элементов, коэффициентов асферических поверхностей оптических элемeнтов, толщин оптических элементов, показателей преломления материалов оптических элементов, величины дисперсии оптических элементов, расстояний между оптическими элементами в оптическом блоке, длины устройства, представляющей аксиальное расстояние между поверхностью первого оптического элемента со стороны объекта и поверхностью изображения на приемнике.29. The device according to claim 1, in which the parameters of the optical block include at least one of: the radii of the surfaces of the optical elements, the coefficients of the aspherical surfaces of the optical elements, the thicknesses of the optical elements, the refractive indices of the materials of the optical elements, the dispersion value of the optical elements, the distances between the optical elements elements in the optical block, the length of the device, representing the axial distance between the surface of the first optical element on the object side and the image surface on the receiver. 30. Устройство по п. 1, в котором к параметрам приемника относятся по меньшей мере одно из: спектральной чувствительности, шума, параметров оцифровки. 30. The device according to claim 1, in which the receiver parameters include at least one of: spectral sensitivity, noise, digitization parameters. 31. Устройство формирования изображения с обеспечением увеличенной глубины изображаемого пространства, содержащее: 31. An image forming device with an increased depth of the imaged space, comprising: - оптический блок, выполненный с возможностью одновременного формирования промежуточных изображений объекта на различных расстояниях с эффектом размытия по меньшей мере частей изображений объекта, и содержащий совокупность оптических элементов, и имеющий по меньшей мере две зоны зрачка, сформированные таким образом, чтобы обеспечить предварительно заданное распределение оптических сил и аберраций в пределах каждой из по меньшей мере двух зон зрачка, на основании которых формируется функция рассеяния, характеризующаяся кривой с минимизированными боковыми максимумами по сравнению с центральным максимумом в заданном диапазоне расстояний до объекта, при этом каждой из по меньшей мере двух зон зрачка соответствует заданный соответствующий диапазон расстояний до объекта и заданный соответствующий диапазон углов поля зрения, при этом совокупность оптических элементов содержит расположенные вдоль оптической оси со стороны предмета до поверхности изображения: первую линзу, вторую линзу, третью линзу, четвертую линзу, пятую линзу и шестую линзу, при этом- an optical unit configured to simultaneously form intermediate images of an object at different distances with the effect of blurring at least parts of the object images, and containing a set of optical elements, and having at least two pupil zones formed in such a way as to provide a predetermined distribution of optical forces and aberrations within each of at least two pupil zones, on the basis of which a scattering function is formed, characterized by a curve with minimized side maxima compared to the central maximum in a given range of distances to the object, while each of at least two pupil zones corresponds to a given corresponding range of distances to the object and a given corresponding range of angles of the field of view, while the set of optical elements contains located along the optical axis from the side of the object to the image surface: the first lens, the second lens, the third lens, fourth lens, fifth lens, and sixth lens, while первая линза имеет положительную оптическую силу, при этом поверхность первой линзы со стороны предмета является выпуклой, а поверхность первой линзы со стороны поверхности изображения является вогнутой; the first lens has a positive power, wherein the surface of the first lens on the object side is convex and the surface of the first lens on the side of the image surface is concave; вторая линза имеет отрицательную оптическую силу, при этом поверхность второй линзы со стороны предмета является вогнутой и поверхность второй линзы со стороны поверхности изображения является также вогнутой; the second lens has a negative optical power, while the surface of the second lens on the object side is concave and the surface of the second lens on the side of the image surface is also concave; третья линза имеет положительную оптическую силу, the third lens has a positive optical power, четвертая линза имеет форму мениска,the fourth lens has the shape of a meniscus, пятая линза и шестая линза, каждая, имеют форму мениска в области, близкой к оптической оси, при этом поверхность каждой из пятой и шестой линзы со стороны предмета является выпуклой в области, близкой к оптической оси, и поверхность каждой из пятой и шестой линзы со стороны поверхности изображения является вогнутой в области, близкой к оптической оси,the fifth lens and the sixth lens each have a meniscus shape in the area close to the optical axis, while the surface of each of the fifth and sixth lenses on the object side is convex in the area close to the optical axis, and the surface of each of the fifth and sixth lenses with side of the image surface is concave in the region close to the optical axis, - приемник, выполненный с возможностью регистрации промежуточных изображений, сформированных оптическим блоком, с разных расстояний до объекта и под разными углами поля зрения одновременно,- a receiver configured to register intermediate images formed by the optical unit from different distances to the object and at different angles of the field of view simultaneously, - блок обработки изображения, соединенный с приемником и выполненный с возможностью обработки промежуточных изображений объекта с эффектом размытия по меньшей мере частей изображений объекта, зарегистрированных приемником, при этом обработка указанных изображений выполняется на основе полученной функции рассеяния в заданном диапазоне расстояний и углов поля зрения, с восстановлением на выходе результирующих изображений без эффекта размытия вне зависимости от расстояний до объекта.- an image processing unit connected to the receiver and configured to process intermediate images of an object with a blur effect of at least parts of the object images recorded by the receiver, while processing these images is performed based on the obtained scattering function in a given range of distances and angles of the field of view, with restoring the output of the resulting images without the blur effect, regardless of the distances to the object. 32. Устройство по п. 31, в котором минимизированные боковые максимумы функции рассеяния, формируемые оптическим блоком, не превышают 10% центрального максимума в заданном диапазоне расстояний до объекта. 32. The device according to claim 31, in which the minimized side maxima of the scattering function generated by the optical unit do not exceed 10% of the central maximum in a given range of distances to the object. 33. Устройство по п. 31 или 32, в котором заданный диапазон расстояний до объекта составляет от 400 до 5000 мм. 33. The device according to claim 31 or 32, in which the specified range of distances to the object is from 400 to 5000 mm. 34. Устройство по п. 32, в котором заданный диапазон углов поля зрения составляет от -40 до +40 градусов. 34. The apparatus of claim 32, wherein the predetermined range of field of view angles is -40 to +40 degrees. 35. Устройство по одному из пп. 31-34, в котором оптический блок выполнен таким образом, что обеспечивает формирование инвариантной функции рассеяния, не зависящей от расстояния до объекта в заданном диапазоне.35. The device according to one of paragraphs. 31-34, in which the optical unit is designed in such a way that provides the formation of an invariant scattering function that does not depend on the distance to the object in a given range. 36. Устройство по одному из пп. 31-34, в котором оптический блок выполнен таким образом, что обеспечивает формирование инвариантной функции рассеяния, не зависящей от угла поля зрения. 36. The device according to one of paragraphs. 31-34, in which the optical block is designed in such a way that provides the formation of an invariant scattering function that does not depend on the angle of the field of view. 37. Устройство по одному из пп. 31-34, в котором оптический блок выполнен таким образом, что обеспечивает формирование инвариантной функции рассеяния, не зависящей от угла поля зрения и расстояния до объекта. 37. The device according to one of paragraphs. 31-34, in which the optical block is designed in such a way that provides the formation of an invariant scattering function that does not depend on the angle of the field of view and the distance to the object. 38. Устройство по одному из пп. 31-34, в котором оптический блок выполнен с возможностью формирования равномерной кривой модуляционной передаточной функции (MTF), не зависящей от расстояния до объекта. 38. The device according to one of paragraphs. 31-34, wherein the optical unit is configured to form a uniform modulation transfer function (MTF) curve independent of object distance. 39. Устройство по одному из предыдущих пунктов, в котором оптический блок дополнительно выполнен с возможностью одновременного формирования промежуточных изображений объекта на различных расстояниях с эффектом размытия всего изображения объекта.39. The device according to one of the previous claims, in which the optical unit is additionally configured to simultaneously form intermediate images of the object at different distances with the effect of blurring the entire image of the object. 40. Устройство по п. 31, в котором каждый из оптических элементов оптического блока выполнен из оптически прозрачного материала, выбранного из по меньшей мере одного из: оптического стекла, оптического кристалла и полимера.40. The device according to claim 31, wherein each of the optical elements of the optical unit is made of an optically transparent material selected from at least one of: optical glass, optical crystal and polymer. 41. Устройство по п. 31, дополнительно содержащее затвор, расположенный в плоскости апертурной диафрагмы или сопряженной с ней плоскости устройства формирования изображения. 41. The apparatus of claim. 31, further comprising a shutter located in the plane of the aperture diaphragm or its conjugate plane of the imaging device. 42. Устройство по п. 41, в котором затвор выполнен с возможностью регулирования открытия или закрытия заданного количества зон зрачка.42. The device of claim 41, wherein the shutter is configured to control the opening or closing of a predetermined number of pupil zones. 43. Устройство, по п. 31, в котором приемник представляет собой матричный фотодетектор.43. The device according to claim 31, in which the receiver is a matrix photodetector. 44. Устройство по п. 43, в котором матричный фотодетектор выполнен с возможностью регистрации электромагнитного излучения в диапазоне 0,4-0,7 мкм, а размер пиксела датчика составляет от 0,7 до 1,5 мкм.44. The device according to claim 43, in which the matrix photodetector is configured to detect electromagnetic radiation in the range of 0.4-0.7 microns, and the sensor pixel size is from 0.7 to 1.5 microns. 45. Устройство по п. 31, в котором приемник представляет собой КМОП матричный фотоприемник или ПЗС приемник.45. The apparatus of claim 31, wherein the receiver is a CMOS sensor or CCD receiver. 46. Устройство по п. 31, в котором блок обработки изображения выполнен с возможностью обработки промежуточных изображений объекта с восстановлением на выходе результирующих изображений на основании сверточной нейронной сети и/или фильтра Винера, параметры которых предварительно определяются на основании параметров оптического блока и приемника.46. The device according to claim 31, in which the image processing unit is configured to process intermediate images of the object with restoring the output of the resulting images based on a convolutional neural network and / or a Wiener filter, the parameters of which are predetermined based on the parameters of the optical unit and the receiver. 47. Устройство по п. 31, в котором к параметрам оптического блока относятся по меньше мере одно из: радиусов поверхностей оптических элементов, коэффициентов асферических поверхностей оптических элемeнтов, толщин оптических элементов, показателей преломления материалов оптических элементов, величины дисперсии оптических элементов, расстояний между оптическими элементами в оптическом блоке, длины устройства, представляющей аксиальное расстояние между поверхностью первого оптического элемента со стороны объекта и поверхностью изображения на приемнике.47. The device according to claim 31, in which the parameters of the optical block include at least one of: the radii of the surfaces of the optical elements, the coefficients of the aspherical surfaces of the optical elements, the thicknesses of the optical elements, the refractive indices of the materials of the optical elements, the dispersion value of the optical elements, the distances between the optical elements elements in the optical block, the length of the device, representing the axial distance between the surface of the first optical element on the object side and the image surface on the receiver. 48. Устройство по п. 31, в котором к параметрам приемника относятся по меньшей мере одно из: спектральной чувствительности, шума, параметров оцифровки.48. The device according to claim 31, in which the receiver parameters include at least one of: spectral sensitivity, noise, digitization parameters. 49. Способ формирования изображения с обеспечением увеличенной глубины изображаемого пространства, содержащий этапы, при которых: 49. A method for forming an image with an increased depth of the imaged space, comprising steps in which: - обеспечивают одновременное формирование промежуточных изображений объекта на различных расстояниях с эффектом размытия по меньшей мере частей изображений объекта посредством оптического блока, имеющего по меньшей мере две зоны зрачка, сформированные таким образом, чтобы обеспечить предварительно заданное распределение оптических сил и аберраций в пределах каждой, из по меньшей мере двух зон зрачка, на основании которых формируют функцию рассеяния, характеризующуюся кривой с минимизированными боковыми максимумами по сравнению с центральным максимумом в заданном диапазоне расстояний до объекта, при этом каждой из по меньшей мере двух зон зрачка соответствует заданный соответствующий диапазон расстояний до объекта и заданный соответствующий диапазон углов поля зрения, - provide simultaneous formation of intermediate images of the object at different distances with the effect of blurring at least parts of the images of the object by means of an optical unit having at least two pupil zones formed in such a way as to provide a predetermined distribution of optical powers and aberrations within each of the at least two pupil zones, on the basis of which a scattering function is formed, characterized by a curve with minimized lateral maxima compared to the central maximum in a given range of distances to the object, while each of at least two pupil zones corresponds to a given corresponding range of distances to the object and a given appropriate range of field of view angles, - обеспечивают регистрацию промежуточных изображений, сформированных оптическим блоком, с разных расстояний до объекта и под разными углами поля зрения одновременно, посредством приемника,- provide registration of intermediate images formed by the optical unit, from different distances to the object and at different angles of the field of view simultaneously, by means of a receiver, - блоком обработки изображения осуществляют обработку промежуточных изображений объекта с эффектом размытия по меньшей мере частей изображений объекта, на основании полученной функции рассеяния в заданном диапазоне расстояний и углов поля зрения, и- the image processing unit processes the intermediate images of the object with the effect of blurring at least parts of the images of the object, based on the obtained scattering function in a given range of distances and angles of the field of view, and - восстанавливают результирующие изображения без эффекта размытия вне зависимости от расстояний до объекта.- restore the resulting images without the blur effect, regardless of the distances to the object. 50. Способ по п. 49, в котором минимизированные боковые максимумы функции рассеяния, формируемые оптическим блоком, не превышают 10% центрального максимума в заданном диапазоне расстояний до объекта. 50. The method according to claim 49, wherein the minimized side maxima of the scattering function generated by the optical unit do not exceed 10% of the central maximum in a given range of distances to the object. 51. Способ по п. 49 или 50, в котором заданный диапазон расстояний до объекта составляет от 400 до 5000 мм. 51. The method according to claim 49 or 50, in which the specified range of distances to the object is from 400 to 5000 mm. 52. Способ по п. 49, в котором заданный диапазон углов поля зрения составляет от -40 до +40 градусов. 52. The method of claim 49, wherein the predetermined range of field of view angles is -40 to +40 degrees. 53. Способ по одному из пп. 49-52, в котором оптический блок выполнен таким образом, что обеспечивает формирование инвариантной функции рассеяния, не зависящей от расстояния до объекта в заданном диапазоне.53. The method according to one of paragraphs. 49-52, in which the optical unit is designed in such a way that provides the formation of an invariant scattering function that does not depend on the distance to the object in a given range. 54. Способ по одному из пп. 49-52, в котором оптический блок выполнен таким образом, что обеспечивает формирование инвариантной функции рассеяния, не зависящей от угла поля зрения. 54. The method according to one of paragraphs. 49-52, in which the optical unit is designed in such a way that provides the formation of an invariant scattering function that does not depend on the angle of the field of view. 55. Способ по одному из пп. 49-52, в котором оптический блок выполнен с возможностью формирования равномерной модуляционной передаточной функции (MTF), не зависящей от расстояния до объекта. 55. The method according to one of paragraphs. 49-52, in which the optical unit is configured to form a uniform modulation transfer function (MTF) independent of the distance to the object. 56. Способ по одному из предыдущих пунктов, в котором оптический блок дополнительно выполнен с возможностью одновременного формирования промежуточных изображений объекта на различных расстояниях с эффектом размытия всего изображения объекта.56. The method according to one of the preceding claims, in which the optical unit is additionally configured to simultaneously form intermediate images of the object at different distances with the effect of blurring the entire image of the object. 57. Способ по п. 49, в котором выполняют обработку промежуточных изображений объекта с восстановлением на выходе результирующих изображений блоком обработки изображения на основании сверточной нейронной сети и/или фильтра Винера, параметры которых предварительно определяются на основании параметров оптического блока и приемника.57. The method according to claim 49, in which the processing of intermediate images of the object is performed with the restoration of the resulting images at the output by the image processing unit based on a convolutional neural network and / or Wiener filter, the parameters of which are preliminarily determined based on the parameters of the optical unit and the receiver. 58. Способ по п. 57, в котором к параметрам оптического блока относятся по меньше мере одно из: радиусов поверхностей оптических элементов, коэффициентов асферических поверхностей оптических элемeнтов, толщин оптических элементов, показателей преломления материалов оптических элементов, величины дисперсии оптических элементов, расстояний между оптическими элементами в оптическом блоке, длины устройства, представляющей аксиальное расстояние между поверхностью первого оптического элемента со стороны объекта и поверхностью изображения на приемнике.58. The method according to claim 57, in which the parameters of the optical block include at least one of: the radii of the surfaces of the optical elements, the coefficients of the aspherical surfaces of the optical elements, the thicknesses of the optical elements, the refractive indices of the materials of the optical elements, the dispersion value of the optical elements, the distances between the optical elements elements in the optical block, the length of the device, representing the axial distance between the surface of the first optical element on the object side and the image surface on the receiver. 59. Способ по п. 57, в котором к параметрам приемника относятся по меньшей мере одно из: спектральной чувствительности, шума, параметров оцифровки.59. The method of claim 57, wherein the receiver parameters include at least one of: spectral sensitivity, noise, sampling parameters.
RU2021137160A 2021-12-15 2021-12-15 Device and method for image formation with provision of increased depth of the depicted space (options) RU2782980C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/KR2022/016053 WO2023113193A1 (en) 2021-12-15 2022-10-20 Device and method for extended depth of field imaging

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2782980C1 true RU2782980C1 (en) 2022-11-08

Family

ID=

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8559118B2 (en) * 2009-11-18 2013-10-15 DigitalOptics Corporation Europe Limited Fixed focal length optical lens architecture providing a customized depth of focus optical system
US8989447B2 (en) * 2012-08-13 2015-03-24 Texas Instruments Incorporated Dynamic focus for computational imaging

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8559118B2 (en) * 2009-11-18 2013-10-15 DigitalOptics Corporation Europe Limited Fixed focal length optical lens architecture providing a customized depth of focus optical system
US8989447B2 (en) * 2012-08-13 2015-03-24 Texas Instruments Incorporated Dynamic focus for computational imaging

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11721002B2 (en) Imaging system and method for imaging objects with reduced image blur
KR101610975B1 (en) Single-lens extended depth-of-field imaging systems
JP4565192B2 (en) System and method for minimizing the effects of aberrations in an imaging system
JP3275010B2 (en) Optical system with extended depth of field
JP2008511859A (en) Extended depth of focus using a multifocal length lens with a controlled spherical aberration range and a concealed central aperture
KR100735367B1 (en) Optical System Having Multiple curvature Lens And Forming Method Thereof
US8462213B2 (en) Optical system, image pickup apparatus and information code reading device
US9473700B2 (en) Camera systems and methods for gigapixel computational imaging
WO2008087486A2 (en) Imaging system with improved image quality and associated methods
CN110646933A (en) Automatic focusing system and method based on multi-depth plane microscope
WO2012132685A1 (en) Focus extending optical system and imaging system
RU2782980C1 (en) Device and method for image formation with provision of increased depth of the depicted space (options)
JP2009086017A (en) Imaging device and imaging method
US20180172987A1 (en) Modulated Optical Technique for Focus Stacking Images in Imaging Systems
US20220114706A1 (en) Methods and Systems for Image Correction and Processing in High-Magnification Photography exploiting Partial Reflectors
JP2016218285A (en) Lens unit and imaging device
JP5409588B2 (en) Focus adjustment method, focus adjustment program, and imaging apparatus
RU2785988C1 (en) Imaging system and image processing method
CN115130304B (en) Fovea calculation imaging system based on wavefront coding and optimization method
Katkovnik et al. A novel binary and multilevel phase masks for enhanced depth-of-focus infrared imaging
JP2004077914A (en) Imaging device and its optical system
US20230336858A1 (en) Methods and Systems for Image Correction and Processing in High-Magnification Photography exploiting Partial Reflectors
He et al. Optimization of phase mask-based iris imaging system through the optical characteristics
Katkovnik et al. A novel two-and multi-level binary phase mask design for enhanced depth-of-focus
Stoker et al. A computational photography shootout: Wavefront coding vs. lattice focal imaging