Об оптике разведывательных дронов высокого разрешения

В этом видео на YouTube (которое, как мне кажется, является исключением из документации) представлена ​​разработка DARPA для камеры наблюдения с высоким разрешением. Этот вопрос касается оптики, которая, вероятно, потребуется для его работы.

Резюме приведенных спецификаций:

  • 1,8 × 10 9 пиксель
  • покрытие 35 к м 2
  • с высоты 5 к м
  • с использованием 368 чипы камеры мобильного телефона

Некоторые расчеты на тыльной стороне руки:

  • эквивалентная площадь в пикселях: 35 × 10 6 м 2 1,8 × 10 9 п Икс 2 "=" 1,94 × 10 − 2 м 2 п Икс 2
  • длина края области, эквивалентной пикселю: 1,94 × 10 − 2 м 2 п Икс 2 "=" 1,39 × 10 − 1 м п Икс ≈ 14 с м п Икс
  • количество пикселей на чип: 1,8 × 10 9 п Икс 368 с час я п с ≈ 5 × 10 6 п Икс с час я п

Вопрос по оптике

Чипы мобильных телефонов имеют шаг пикселя порядка нескольких микрон. Скажем, они используют типичный 5-мегапиксельный чип приличного качества с 2,25 µ м подача.

Как оптика может отображать 15 см на расстоянии 5 км на 2,25 мкм на чипе камеры, диаметр которой в лучшем случае составляет метр?

Я ищу ответы помимо «они используют телеобъектив» ... Фокусные расстояния объектива, комбинации и настройки для получения требуемого изображения - это то, что я изо всех сил пытаюсь решить.

Если вопрос касается физических ограничений оптики (т. е. критерия Рэлея и/или сверхразрешения, конструкции для ограничения аберраций и т. д.), то он здесь по теме, но я думаю, что @EnergyNumbers может быть прав, если вопрос касается разновидность «выбери объектив». Хотите уточнить?
Используя уравнение линзы, я получаю, что фокусное расстояние системы равно 8.036 с м "=" 803,6 м м . Конечно, это всего лишь расчет первого порядка, и на самом деле система не очень сложна в изготовлении. Аберрации, вес и т. д. были бы настоящими инженерными проблемами.
Кроме того, вероятно, существует почти бесконечное количество способов создания системы с таким фокусным расстоянием, в зависимости от количества компонентов и характеристик каждого компонента.
"возможно существует почти бесконечное количество способов сделать систему с таким фокусным расстоянием" Да. И производители фотооборудования имеют многолетний опыт в этом искусстве , поэтому многие такие вопросы, возможно, вовсе не вопросы физики. Они находятся в ведении инженеров-специалистов (которые, конечно же, широко используют физику в качестве своего игрового поля).
@daaxix Не могли бы вы привести пример того, как использовать уравнение линзы здесь, в ответе? Я продолжаю получать нелепые ответы.
@dmckee Это явно не вопрос «выбор объектива». Я пытаюсь понять оптику, необходимую для решения этой проблемы. Я пытался решить эту проблему сам, но получаю очень странные результаты относительно требуемых фокусных расстояний... порядка микрометров! - Явно неправильно.
1 г ′ "=" 1 г + 1 ф где г ′ "=" 8.0357 с м , г "=" − 500 , 000 с м . я могу получить г ′ от увеличения м "=" − 2,25 × 10 − 4 с м 14 с м "=" г ′ г "=" г ′ − 500 , 000 с м .
@daaxix Большое спасибо. Это было именно то, что я искал. Так что высококачественный коммерческий объектив должен справляться со своей задачей. Нет необходимости в сложных оптических настройках.
@ user20359, наверное, нет. Вы также должны учитывать диафрагму (sp?). См. Airy Disk: en.wikipedia.org/wiki/Airy_disk

Ответы (1)

В первом порядке это задача дифракции. Никакая конструкция объектива не может превзойти дифракционный предел, но многие приближаются к этому. Наилучший разрешенный угол ограничен

θ "=" 1,22 λ Д ,
где D — размер диафрагмы вашего объектива.

Итак, чтобы решить 15 с м "=" 0,15 м в 5 к м "=" 5000 м , тангенс вашего угла составляет около 1/33000. Поэтому размер апертуры вашего объектива должен быть

Д >= 1,22 λ * 33000 "=" 2 с м
для видимых длин волн. Это меньше, чем у хорошей SLR, так что это выполнимо.

Поскольку, как было указано, телеобъектив может увеличивать изображение, разрешение в пикселях не играет большой роли для фундаментального предела разрешения.

Квадратный корень из 368 равен примерно 19, 5-мегапиксельная микросхема имеет размер около 2000 пикселей в поперечнике, при шаге 2,5 мкм это будет 5 мм*19. ≈ Размер детектора в квадрате 10 см, 40000 пикселей в поперечнике. Для разрешения 15 см это даст поле зрения 6 х 6 км.

Настоящая проблема заключается в том, как передать эти объемы в эфир (1,8 Gpxl * 24-битная глубина цвета * 30 кадров в секунду). ≈ 1 Тбит/с до сжатия), если дома Netflix не справляется с пятничными вечерами.

Если вы хотите использовать один объектив, то дизайн оптики не составит большого труда сделать на «бумаге» (Zemax), но объектив будет большим и дорогим. Просто сравните полнокадровые объективы от Nikon с объективами для любительских зеркальных фотокамер и подумайте о коэффициенте 3 по диаметру, 10 по площади и 30 по весу.

Теперь не совсем бесшовное соединение дешевых чипов от края к краю уже оставит на изображении несколько темных линий. Так что имеет смысл использовать объективы 4,9, 16 или 25 COTS и сшивать изображение в софте. Чем больше линз вы используете, тем меньше, дешевле и легче они будут в целом. 25 линз были бы жестким ограничением, поскольку каждая линза должна иметь апертуру 2 см для разрешения 15 см. Я бы использовал 16 линз, каждая из которых освещала бы 21 чип (5x5 без углов).

16*21=336, 16*23= 668, хм.

С практической точки зрения можно было бы не использовать чипы для мобильных телефонов, а просто связать OEM-версии 16 камер с суперзумом. Эти объективы с минимальной апертурой 2 см являются самой дорогой и самой тяжелой частью установки.

Настоящая хитрость заключается в том, чтобы выполнить встроенную предварительную обработку и анализ, чтобы снизить необходимую скорость передачи данных. Подумайте об орле, который вряд ли сможет разглядеть эту мышь на земле, но лучше обработает данные для тех редких объектов, которые движутся относительно неподвижного фона.

«Никакая конструкция объектива не может превзойти предел дифракции». Стоит поискать «сверхразрешение» , которое связано с выходом за пределы этого предела.
@dmckee: Хороший вопрос. Однако вам придется отбросить информацию о «внутриполосном частоте», если вы используете частоты за пределами предела Фурье, которые накладываются обратно на разрешенные частоты. Это довольно сложная тема, и в целом вам нужно кое-что знать о составе вашего сигнала (например, во временной области вы производите выборку на частоте 1 ГГц с помощью осциллографа, но единственный сигнал находится на частоте 2,5 ГГц, вы увидите его на частоте 0,5 ГГц). ГГц, но вы должны знать, что нет входящего сигнала 0,5 ГГц).
Об оптике разведывательных дронов высокого разрешения
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v