Асферический однолинзовый объектив для систем радиовидения миллиметрового диапазона длин волн
←
→
Транскрипция содержимого страницы
Если ваш браузер не отображает страницу правильно, пожалуйста, читайте содержимое страницы ниже
Журнал технической физики, 2014, том 84, вып. 4
11
Асферический однолинзовый объектив для систем радиовидения
миллиметрового диапазона длин волн
© П.В. Волков,1 Ю.И. Белов,2 А.В. Горюнов,1 И.А. Илларионов,1 А.Г. Серкин,2 В.И. Шашкин 1
1
Институт физики микроструктур РАН,
603950 Нижний Новгород, Россия
2
Научно-исследовательский радиофизический институт,
Нижний Новгород, Россия
e-mail: volkov@ipmras.ru
(Поступило в Редакцию 20 июня 2013 г.)
Представлены характеристики созданной системы формирования видеоизображения объектов в диапазоне
длин волн 3-mm. Описана процедура расчета и приведены характеристики разработанного и исследованного
асферического однолинзового объектива для формирования изображения — функции рассеяния точки,
разрешения, поля зрения. В плоскости изображения детектирование сигналов осуществлено матрицей
8 × 8 антенных элементов, нагруженных детекторами. Регистрация, управление, ввод−вывод электрических
сигналов, формирующих изображение, осуществлены цифровым блоком обработки, параметры которого —
скорость обработки и передачи данных — приведены. Проведены пробные эксперименты по получе-
нию изображений простых предметов (одной и нескольких металлических сфер разного диаметра) в
активном радиолокационном режиме с использованием разработанной системы на монохроматическом
сигнале.
Введение ред объективом [3,4]. Однако данные системы получают-
ся сложными с точки зрения их технической реализации
В настоящее время наблюдается большой интерес к и практически не пригодными для реальных применений.
разработке и созданию систем получения изображения в Наибольшие успехи были достигнуты при использова-
миллиметровом (ММ) диапазоне длин волн (систем ра- нии многоканальных приемников — линеек детекторов
диовидения). Причем наибольшая активность наблюда- с одномерным сканированием. Использование линеек
ется в области решения задач, связанных с противодей- не позволяет полностью избавиться от механического
ствием терроризму. Одной из основных причин этому сканирования. Тем не менее уже при таком подходе
является тот факт, что большое количество материалов, выигрыш в частоте получаемых кадров изображения со-
используемых в быту (ткань, пластик и др.), оказыва- ставляет не менее N раз для кадра размерностью N × N
ются прозрачными для ММ-волн, что позволяет решить точек. К тому же сканирование осуществляется только
задачу обнаружения оружия и взрывчатых веществ под по одной координате, что значительно упрощает кон-
одеждой и в багаже в аэропортах и других общественных струкцию сканера. Причем есть варианты конструкций
местах, а также обнаружения закладок и посторонних
как с перемещающейся линейкой, так и с поворотным
вложений в различных предметах, например, в обуви,
зеркалом. Примеры построения систем радиовидения
почтовых отправлениях [1].
с линейкой детекторов и однокоординатным сканером
Поскольку в обозначенных выше задачах в первую
приведены в работах [5,6]. Но наиболее перспективными
очередь речь идет о системах непрерывного наблюдения,
на наш взгляд выглядят системы с матричными при-
то скорость получения изображения становится одним
емниками, в которых полностью отсутствует механиче-
из ключевых параметров. С точки зрения удобства
ское сканирование [7]. Такие системы являются наибо-
использования, а также интегрирования ММ-систем ви-
дения в существующие системы видеонаблюдения оп- лее близкими к классическим видеокамерам в смысле
тимальной является конструкция с использованием ре- идеологии их построения и потенциально позволяют
фракционной оптики (объектива), переносящей наблю- получить максимальное быстродействие, ограниченное
даемую сцену на плоскость изображения. Изначально только скоростью электрической коммутации каналов и
такие системы строились на базе одиночного детектора, чувствительностью.
сканирующего плоскость изображения [2]. Очевидно, что В настоящей работе приведены результаты исследова-
такой подход сравним по своим характеристикам со ний оптических характеристик созданного макета систе-
сканированием пространства антенной и не позволяет мы ММ-видения с асферической линзой — объективом,
получить заметный выигрыш по времени получения позволяющим получать безаберрационное изображение
кадра изображения. Предпринимались попытки создать во всем рабочем поле и проводить его анализ с помощью
квазидвумерную приемную систему с одноэлементным двумерного матричного детекторного приемника раз-
приемником, в котором сканирование по пространству мерностью 8 × 8, интегрированного с высокоскоростной
осуществлялось за счет набора амплитудных масок пе- системой цифровой обработки сигналов.
120Асферический однолинзовый объектив для систем радиовидения... 121
Описание системы O
D
Схема созданной системы приведена на рис. 1. Объек- Amp
тив представлял собой линзу, выполненную из полиэти-
Mx CPU PC
лена высокой плотности с двумя асферическими поверх-
ностями. В плоскости изображения объектива устанав-
Amp
ливалась созданная матрица детекторов размерностью
8 × 8, подключенная через малошумящие усилители к
цифровому блоку сбора и обработки информации. В ка- Рис. 1. Общая схема системы. O — объектив, D — матрица
честве приемных элементов в матрице использовались детекторов, Amp — малошумящие усилители, Mx — мульти-
планарные детекторы на основе модифицированных ще- плексор каналов, CPU — цифровой блок обработки, PC —
левых антенн с непосредственно включенными в них персональный компьютер.
низкобарьерными диодами Мотта на основе структуры
Al/GaAs с δ-легированным слоем вблизи контакта [8,9].
Характеристики приемных элементов матрицы, такие 4. Поле изображения (линейные размеры матрицы)
как NEP и диаграмма направленности, приведены в 36 × 36 mm.
работе [10]. В ней показано, что достигнутые характери- 5. Межпиксельное расстояние 4.5 mm.
стики достаточны для построения непосредственно си- 6. Количество пикселей 8 × 8.
стемы видения. При этом необходимо было разработать 7. Рабочий диапазон 90−100 GHz. Определялся как
оптическую систему, переносящую изображение сцены рабочая полоса приема детекторов матрицы.
на матрицу. Параметры 4−6 определялись конструкцией уже разра-
Для формирования изображения было принято ре- ботанной матрицы [10]. Фокусное расстояние объектива
шение создать рефракционную оптическую систему. выбиралось, исходя из заданных выше параметров. Из-
Основным достоинством таких систем является отсут- вестно, что радиус первого темного кольца дифракцион-
ствие излома оптической оси, что сильно упрощает их но ограниченного объектива ρdifr в фокальной плоскости
конструкцию и юстировку. Поскольку межпиксельное при бесконечно удаленном объекте составляет [12]
расстояние в создаваемой матрице порядка длины волны
или несколько больше, то объектив должен быть хорошо λ
ρdifr = 1.22 f, (1)
скомпенсирован на аберрации, причем для достаточно D
большого углового поля в пространстве изображений.
где λ — длина волны излучения, D — диаметр входного
В оптике видимого диапазона подобные проблемы ре-
зрачка объектива (для одиночной линзы — диаметр
шаются, как правило, использованием многоэлементых
линзы), f — его фокусное расстояние. Оптимальной по
объективов. Однако для ММ-диапазона создание объек-
критерию контраста будет ситуация, когда первое тем-
тива, состоящего из большего количества линз, затруд-
ное кольцо будет попадать на соседний с основным пик-
нительно. Во-первых, это связано с наличием заметного сел, т. е. ρdiff ≈ 4−5 mm. Используя (1), легко получить,
поглощения в материалах (как правило, полимерах) [11], что оптимальное фокусное расстояние при диаметре
применяемых для создания оптических элементов в этом линзы 100 mm составляет 100−140 mm. Отсюда можно
диапазоне, во-вторых, с достаточно большими габарита- рассчитать, что при f = 100 mm и при расстоянии
ми отдельных элементов данного диапазона длин волн. b = 1 m до объекта линейное увеличение M = (b − f )/ f
Исходными параметрами для расчета объектива были составит M ≈ 9, что соответствует линейному разреше-
выбраны следующие: нию сцены около 40 mm. Таким образом, в качестве
1. Диаметр линз не более 100 mm определялся исходя целевого значения фокусного расстояния была выбрана
из компактности габаритов создаваемого макета. величина f = 100 mm.
2. Толщина линзы менее 40 mm. Оценим возможность использования в предлагаемой
3. Разрешение (линейный размер площадки, отобража- системе ММ-видения одиночной линзы для построения
емой в один пиксел) — не более 40 mm при расстоянии изображения с точки зрения возможности компенсации
до объекта 1 m. Данная величина выбиралась исходя из аберраций до приемлемого уровня. В качестве материа-
того, что в задачах обнаружения скрытых предметов в ла будем рассматривать полиэтилен высокой плотности.
первую очередь речь идет о терминальных приложениях Основными его достоинствами являются сравнительно
с расстоянием до объекта в единицы метров. При этом небольшое поглощение, простота обработки и малая
для активных систем с когерентной подсветкой вид дисперсия диэлектрической проницаемости в рабочем
радиоизображения, как правило, не соответствует его диапазоне частот [13], что позволяет не учитывать хро-
изображению в видимом диапазоне, а основная задача матические искажения изображения. В рамках теории
заключается в определении факта наличия постороннего аберраций третьего порядка Зайделя [14] выделяются
предмета и места его расположения в контролируемом пять монохроматических аберраций: сферическая абер-
объеме. рация, меридиональная кома, кривизна поля изображе-
Журнал технической физики, 2014, том 84, вып. 4122 П.В. Волков, Ю.И. Белов, А.В. Горюнов, И.А. Илларионов, А.Г. Серкин, В.И. Шашкин
2.5 системы дисторсия не превышает 0.1 mm, что позволяет
SI пренебречь ею.
2 SII Поскольку регистрация изображения осуществляется
SIII плоской матрицей, то величина астигматизма не играет
1.5 SIV
большой роли, при этом принципиально неустранимой
SI–V
1 SV
аберрацией для одиночной линзы является кривизна по-
0.5 ля изображения. Ее наличие приводит к дефокусировке
изображения по мере удаления от его центра и факти-
0
чески ограничивает максимальный размер используемой
–0.5 матрицы. Сдвиг положения фокуса для крайних точек
55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 плоскости изображения z ′av определяется выражением
R1, mm
z ′av = −0.5 f tg2 ω(2S ∞ ∞
III + S IV ). (4)
Рис. 2. Суммы Зайделя для различных значений радиуса
кривизны первой поверхности при фиксированном фокусном Исходя из значений сумм Зайделя и (4) можно оценить,
расстоянии. что сдвиг фокальной точки на краю поля изображения
будет меньше 2.5 mm, что примерно в 2 раза меньше
длины фокальной перетяжки в гауссовом приближении.
ния, астигматизм и дисторсия, которые определяются со- Следовательно, в нашем случае кривизну поля также
ответствующими суммами Зайделя S I–V , вычисляемыми можно не учитывать. Величина меридиональной комы
через параметры системы. Методы расчета сумм Зайде- определяется выражением
ля подробно описаны (см., например, [14]). Поскольку m2 ∞ 2
фокусное расстояние и толщина линзы нами заданы, KIII = −1.5 S tg ω, (5)
f II
то радиусы кривизны поверхностей линзы r 1,2 связаны
через известное выражение для толстой линзы где m — координата луча на входном зрачке. Отсюда
легко оценить, что для края зрачка (m = D/2 = 50 mm)
1/ f = (n − 1)(1/r 1 − 1/r 2 ) + (n − 1)2 d/(nr 1 r 2 ), (2) KIII ≈ 3 mm, что хотя и меньше размера пиксела, но
уже сравнимо с ним, и будет приводить к некоторому
где n — показатель преломления материала линзы, размытию изображения.
f — ее фокусное расстояние, d — толщина. С другой И наконец, оценим величину сферической аберрации.
стороны, если определены диаметр и толщина линзы, то Она определяется выражением
существует конструктивное ограничение снизу на радиус
кривизны одной поверхности. В нашем случае радиус m2 ∞
1S ′∞
III = −0.5 S . (6)
кривизны не может быть меньше 50 mm. Поскольку f I
увеличение системы достаточно велико, то оценку абер-
рационных свойств удобнее всего сделать для объекта, Исходя из (6) и значений S I для края зрачка полу-
∞
находящегося в бесконечности. На рис. 2 приведены чим 1S ′ III > 25 mm. Таким образом, для применения
графики значений сумм Зайделя S ∞ одиночной линзы в качестве объектива необходимо
I–V , рассчитанных при
общепринятых условиях нормировки вспомогательных устранение двух аберраций — меридиональной комы и
лучей для бесконечно удаленного объекта [14], для сферической. Данную проблему можно решить путем
различных радиусов кривизны первой поверхности в асферизации поверхностей линзы. Причем наличие двух
диапазоне 50−100 mm. Рассматривать большие значения степеней свободы — двух поверхностей — позволяет
радиусов кривизны первой поверхности нецелесообраз- рассчитывать на успешное решение задачи. В mm-
но в силу быстрого роста сферической аберрации. диапазоне легко преодолевается основная проблема оп-
Исходя из этих данных оценим величины аберраций тической асферики — сложность и дороговизна ее
третьего порядка для нашей системы. Известно, что изготовления, что связано с относительной простотой
величина дисторсии оптической системы определяется обработки полимерных материалов. Известно, что, со-
выражением [14] гласно критерия Марешаля для дифракционно ограни-
ченного объектива, максимальная величина волновой
1y ′IIId = −0.5 f S ∞ 3
V tg ω, (3) аберрации h в выходном зрачке должна удовлетворять
условию h < λ/14 [15]. Это приводит к требованию на
где 1y ′IIId — разность между реальным положение точность изготовления поверхности линзы для однолин-
главного луча в плоскости изображения и положением, зового объектива δ < 2h/(n − 1), где n — показатель
соответствующим идеальному изображению, ω — угло- преломления материала линзы, что в нашем случае
вое поле системы, в нашем случае tg ω ≈ 0.16. Расчет составляет величину δ < 0.2 mm.
показывает, что для заданных ранее конструктивных В рамках теории аберраций третьего порядка асфе-
параметров величина S V лежит в диапазоне −0.4−0.1. ризация двух поверхностей позволяет полностью ском-
В результате из (3) получаем, что для проектируемой пенсировать кому и сферическую аберрацию. Однако в
Журнал технической физики, 2014, том 84, вып. 4Асферический однолинзовый объектив для систем радиовидения... 123
1 поперечное сечение функции рассеяния точки (ФРТ)
center объектива. При этом на рис. 4, a приведена ФРТ, из-
0.8 middle меренная с помощью матрицы, а на рис. 4, b — оди-
corner
I, arb. units
ночным детектором, который перемещался в фокальной
0.6 плоскости в направлении, перпендикулярном оптиче-
ской оси, с шагом 0.1 mm. Видно, что ширина кривой
0.4
по уровню 0.5 составляет около 3.4 mm, что обеспе-
чивает контраст изображения точечного источника не
0.2
хуже 50 : 1. Поскольку кривая, с одной стороны, не имеет
плоской крыши“, а с другой — имеет ширину меньше
0 ”
–10 –8 –6 –4 –2 0 2 4 6 8 10 межпиксельного расстояния, то можно утверждать, что
r, mm оптическая система хорошо согласована с матрицей и
Рис. 3. Распределение мощности в фокальном пятне для имеет размер пятна рассеяния немного меньше размера
различных пикселей матрицы. пиксела.
Разрешение системы при расстоянии до источника
1 m составило около 34 mm при величине поля зрения
238 × 238 mm. Для проверки хроматических искажений
нашем объективе из-за достаточно большого углового объектива была измерена ФРТ при различных частотах
поля системы будут присутствовать аберрации высших
источника (рис. 5). Изменения в диаграммах являются
порядков. В результате устранить аберрации полностью
незначительными. Отсюда можно сделать вывод, что
для всего поля системы не удастся, однако, как будет по-
данный объектив может быть использован при широко-
казано далее, их величину можно будет минимизировать
полосной подсветке в диапазоне 92−105 GHz.
до приемлемого уровня. Отдельно отметим, что в отли-
Система регистрации и обработки сигналов матрицы
чие от остальных аберраций асферизация поверхностей
состояла из блока мультиплексоров аналоговых сигна-
линзы не влияет на кривизну поля [14]. Поэтому для
лов, обеспечивающих построчную выдачу сигналов с
построения широкоугольных систем применение двух-
канальных усилителей на АЦП, цифрового блока на
трехлинзовых объективов будет принципиальным.
базе 32 разрядного микроконтроллера AT32UC3C0512
Окончательные расчет и оптимизация линзы про-
фирмы Atmel и ПЭВМ, соединенной с цифровым блоком
водились методом трассировки лучей [16]. Миними-
по каналу USB. Выбор данного микроконтроллера был
зировался размер пятна рассеяния одновременно для
двух точечных источников, один из которых находился
на оси системы, а второй на краю объектного поля. 1.2
Оптимизационными параметрами выступали уравнения a
поверхностей, которые задавались в виде поверхностей 1
вращения второго порядка
I, arb. units
0.8
2
cr 0.6
z = p , (7)
1 + 1 − (1 + k)c 2 r 2
0.4
где z — расстояние до образующей плоскости, c — кри- 0.2
визна поверхности, r — радиус точки, k — коническая
константа. 0
0 1 2 3 4 5 6 7 8
На рис. 3 приведены расчетные графики распределе- N
ния мощности в фокальном пятне для центрального,
1
промежуточного и углового пикселей. Видно, что в
b
угловом пикселе присутствует остаточная кома, при- 0.8
водящая к асимметрии пятна и небольшому падению
I, arb. units
контраста. Тем не менее поскольку при правильной на- 0.6
стройке энергия основного максимума практически вся
приходится на один пиксел, а первое кольцо размывается 0.4
по нескольким, то расчетный контраст по всему полю
получился не хуже 35 : 1. 0.2
0
Результаты экспериментов 0 1 2 3 4 5 6 7 8
x, mm
Ниже приведены оптические характеристики системы, Рис. 4. Функция рассеяний точки: a — изображение с
полученные экспериментально. На рис. 4 приведено матрицы; b — снятая одиночным детектором с шагом 0.1 mm.
Журнал технической физики, 2014, том 84, вып. 4124 П.В. Волков, Ю.И. Белов, А.В. Горюнов, И.А. Илларионов, А.Г. Серкин, В.И. Шашкин
a b c
3 3 3
2 2 2
1 1 1
0 0 0
2 2 2
4 8 4 8 4 8
6 6 6 6 6 6
8 4 8 4 8 4
2 2 2
Рис. 5. ФРТ объектива для различных частот подсветки: a — 92.2, b — 98.2, c — 105 GHz.
2
8
7
6
5
U, V
4
3
2
1
1 2 3 4 5 6 7 8 0
2
8
7
6
5 U, V
4
3
2
1
1 2 3 4 5 6 7 8 0
Рис. 6. Набор металлических сфер (слева) и их изображение, зарегистрированное системой (справа).
обусловлен тем, что он имеет в своем составе 12 разряд- по получению изображений простых предметов при
ный АЦП с мультиплексором на 8 дифференциальных регистрации отраженного монохроматического сигнала.
каналов и контроллер канала USB. Разработанное про- На рис. 6 приведены сигналы, зарегистрированные де-
граммное обеспечение микроконтроллера обеспечивало текторной матрицей при облучении металлических сфер
построчное считывание сигналов с детекторов матрицы монохроматическим излучением с частотой 94.2 GHz.
с их последующей передачей в ПЭВМ для обработки Видно, что отраженный сигнал регистрируется одним
и визуализации. Достигнутая скорость работы системы детектором и отображается в одном пикселе. Возмож-
около 50 кадров/s при визуализации данных и около на регистрация сигнала от нескольких металлических
250 кадров/s без визуализации. шаров разных диаметров. При этом величина сигнала
С использованием разработанной системы, состоящей возрастает при увеличении диаметра. Заметного взаи-
из линзы и матрицы детекторов, помещенной в ее мовлияния шаров на ММ-изображение не обнаружи-
фокальную плоскость, были проведены эксперименты вается.
Журнал технической физики, 2014, том 84, вып. 4Асферический однолинзовый объектив для систем радиовидения... 125
Заключение [14] Заказнов Н.П., Кирюшин С.И., Кузичев В.И. Теория
оптических систем. СПб.: 2008. 448 с.
В настоящей работе представлена созданная си- [15] Сокольский М.Н. Допуски и качество оптического изоб-
стема получения видеоизображения диапазона длин ражения. Л.: Машиностроение, 1989. 220 с.
[16] Smith W.J. Modern Lens Design. NY: McGraw-Hill, 1992.
волн 3 mm, состоящая из асферической линзы, обеспе-
485 p.
чивающей дифракционное качество изображения по всей
регистрирующей излучение матрице 8 × 8 детекторов в
заданном диапазоне частот 90−100 GHz, и цифрового
блока регистрации и управления на базе микроконтрол-
лера Atmel AT32UC3C0512.
С использованием разработанной системы проведе-
ны эксперименты по получению изображений простых
предметов (одной и нескольких металлических сфер
разного диаметра) при регистрации отраженного моно-
хроматического сигнала.
Полученные результаты говорят о хороших перспек-
тивах построения многопиксельных систем ММ-видения
реального времени с рефракционной оптикой.
Работа выполнена при поддержке РФФИ, проект
№ 12-02-12006-офи_м.
Список литературы
[1] Oka S., Togo H., Kukutsu N., Nagatsuma T. // Prog. in
Electromagn. Res. Lett. 2008. Vol. 1. P. 197−204.
[2] Du Bosq T.W., Lopez-Alonso J.M., Boreman G.D. // Appl.
Opt. 2006. V. 45, N. 22. P. 5686−5692.
[3] Chan W.L., Charan K., Takhar D., Kelly K.K., Baraniuk R.G.,
Mittleman D.M. // Conf. on Lasers and Electro-Optics/
Quantum Electronics and Laser Science Conference and
Photonic Applications Systems Technologies, OSA Technical
Digest (CD). 2008. P. CThN1.
[4] Ma Y., Grant J., Saha S., Cumming D. // Opt. Lett. 2012.
Vol. 37. N. 9. P. 1484−1486.
[5] Hiroyasu Sato, Kunio Sawaya et. al. // Proc. of SPIE. 2010.
Vol. 7671. P. 76710V-1.
[6] Grossman E.N., Dietlein C.R., Bjarnason J.E., Ramirez M.,
Leivo M., Penttilad J.A., Helistoc P. // Proc. SPIE. 2008.
Vol. 6948. P. 694 806.
[7] Rebeiz G.M. // Proc. IEEE, 1992. Vol. 80, N 11.
P. 1748−1770.
[8] Шашкин В.И., Дрягин Ю.А., Закамов В.Р., Кривов С.В.,
Кукин Л.М., Мурель А.В., Чеченин Ю.И. // Радиофизика.
2007. Т. 51, № 12. С. 1077−1087.
[9] Шашкин В.И., Мурель А.В., Дроздов Ю.Н., Даниль-
цев В.М., Хрыкин О.И. // Микроэлектроника. 1997. T. 26.
Bып. 1. C. 57−61.
[10] Шашкин В.И., Белов Ю.И., Волков П.В., Горюнов А.В.,
Закамов В.Р., Илларионов И.А. // Письма ЖТФ. 2013.
Т. 39. Вып. 12. С. 44−49.
[11] Паршин В.В., Третьяков М.Ю., Кошелев М.А., Се-
ров Е.А. // Изв. вузов. Радиофизика. 2009. Т. 52. № 8.
С. 583−594.
[12] Борн М., Вольф Э. Основы оптики М.: Наука, 1970. 720 с.
[13] Naftaly M., Miles R.E. // Proc. IEEE. 2007. Vol. 95. N 8.
P. 1658−1665.
Журнал технической физики, 2014, том 84, вып. 4Вы также можете почитать
