Über die Optik hochauflösender Überwachungsdrohnen

In diesem Youtube-Video (was meiner Meinung nach eine Ausnahme von einer Dokumentation ist) wird eine DARPA-Entwicklung für eine hochauflösende Überwachungskamera vorgestellt. Diese Frage bezieht sich auf die Optik, die wahrscheinlich erforderlich ist, damit es funktioniert.

Zusammenfassung der angegebenen Spezifikationen:

  • 1.8 × 10 9 Pixel
  • Abdeckung 35 k M 2
  • ab einer Höhe von 5 k M
  • verwenden 368 Handy-Kamera-Chips

Einige Handrückenrechnungen:

  • pixeläquivalente Fläche: 35 × 10 6 M 2 1.8 × 10 9 P X 2 = 1,94 × 10 − 2 M 2 P X 2
  • Kantenlänge der pixeläquivalenten Fläche: 1,94 × 10 − 2 M 2 P X 2 = 1.39 × 10 − 1 M P X ≈ 14 C M P X
  • Pixelanzahl pro Chip: 1.8 × 10 9 P X 368 C H ich P S ≈ 5 × 10 6 P X C H ich P

Frage zur Optik

Mobiltelefonchips haben Pixelabstände in der Größenordnung von wenigen Mikrometern. Sprich sie verwenden einen typischen 5-Megapixel-Chip mit anständiger Qualität 2.25 µ M Tonhöhe.

Wie sieht wohl die Optik aus, um in einer Kamera mit bestenfalls einem Meter Durchmesser 15 cm in 5 km Entfernung auf 2,25 µm auf dem Chip abzubilden?

Ich suche nach Antworten, die über "sie verwenden ein Teleobjektiv" hinausgehen ... Objektivbrennweiten, Kombinationen und Einstellungen zur Erzeugung des erforderlichen Bildes sind das, womit ich mich bemühe.

Wenn die Frage physikalische Grenzen der Optik betrifft (dh Rayleigh-Kriterium und / oder Superauflösung, Design zur Begrenzung von Aberration, ...), dann ist sie hier ein Thema, aber ich denke, dass @EnergyNumbers richtig sein kann, wenn die Frage lautet die Sorte "Objektiv auswählen". Klären?
Mit der Linsengleichung erhalte ich die Systembrennweite zu sein 8.036 C M = 803.6 M M . Natürlich ist das nur eine Berechnung erster Ordnung und wirklich kein besonders schwer herzustellendes System. Aberrationen und Gewicht usw. wären die eigentlichen technischen Herausforderungen.
Außerdem gibt es wahrscheinlich nahezu unendlich viele Möglichkeiten, ein System mit dieser Brennweite herzustellen, abhängig von der Anzahl der Komponenten und den Spezifikationen jeder Komponente.
„Es gibt wahrscheinlich nahezu unendlich viele Möglichkeiten, ein System mit dieser Brennweite herzustellen.“ Ja. Und die Hersteller von Fotoausrüstung haben jahrzehntelange Erfahrung in dieser Kunst , weshalb viele solcher Fragen wohl gar keine Physikfragen sind. Sie sind in der Domäne spezialisierter Ingenieure (die natürlich intensiven Gebrauch von der Physik als Spielfeld machen).
@daaxix Würde es Ihnen etwas ausmachen, hier in einer Antwort ein Beispiel für die Verwendung der Linsengleichung zu geben? Ich bekomme immer wieder komische Antworten.
@dmckee Dies ist eindeutig keine Frage zum Auswählen eines Objektivs. Ich versuche, die Optik zu verstehen, die zur Lösung dieses Problems erforderlich ist. Ich habe versucht, es selbst zu lösen, aber ich bekomme immer wieder sehr seltsame Ergebnisse bezüglich der erforderlichen Brennweiten ... in der Größenordnung von µm! - Eindeutig falsch.
1 z ' = 1 z + 1 F Wo z ' = 8.0357 C M , z = − 500 , 000 C M . ich kann erhalten z ' aus der Vergrößerung M = − 2.25 × 10 − 4 C M 14 C M = z ' z = z ' − 500 , 000 C M .
@daaxix Vielen Dank. Das war genau das, wonach ich gesucht hatte. Daher sollte ein hochwertiges kommerzielles Objektiv die Aufgabe erfüllen. Keine Notwendigkeit für komplizierte optische Setups.
@ user20359, wahrscheinlich nicht. Sie müssen auch die Blende (sp?) Betrachten. Siehe Airy Disk: en.wikipedia.org/wiki/Airy_disk

Antworten (1)

In erster Ordnung ist dies ein Beugungsproblem. Kein Linsendesign kann die Beugungsgrenze überschreiten, aber viele kommen nahe. Der feinst aufgelöste Winkel wird auf begrenzt

θ = 1.22 λ D ,
wobei D die Größe Ihrer Objektivöffnung ist.

Also zum lösen 15 C M = 0,15 M bei 5 k M = 5000 M , der Tangens deines Winkels beträgt etwa 1/33000. Daher müsste die Größe Ihrer Objektivöffnung sein

D >= 1.22 λ ∗ 33000 = 2 C M
für sichtbare Wellenlängen. Das ist weniger, als eine gute Spiegelreflexkamera schon hat, also ist es machbar.

Da wie gesagt ein Teleobjektiv das Bild vergrößern kann, spielt die Pixelauflösung für die grundsätzliche Auflösungsgrenze keine wirklich große Rolle.

Die Quadratwurzel von 368 ist ungefähr 19, ein 5-Mpxl-Chip hat einen Durchmesser von ungefähr 2000 pxl, bei einem Abstand von 2,5 um wären das 5 mm * 19 ≈ 10 cm quadratische Detektorgröße mit 40000 Pixeln im Durchmesser. Bei einer Auflösung von 15 cm würde das ein Sichtfeld von 6 x 6 km ergeben.

Das eigentliche Problem ist, wie man diese Mengen über den Äther bekommt (1,8 Gpxl* 24 Bit Farbtiefe * 30 fps ≈ 1 Tbit/s vor Komprimierung), wenn hier zu Hause Netflix Freitagabende nicht bewältigen kann.

Wenn Sie ein einzelnes Objektiv verwenden möchten, ist das Optikdesign auf „Papier“ (Zemax) nicht allzu schwer, aber das Objektiv wird groß und teuer sein. Vergleichen Sie einfach Vollformat-Objektive von Nikon mit Amateur-SLR-Objektiven und denken Sie an Faktor 3 im Durchmesser, 10 in der Fläche und 30 im Gewicht.

Nun, das nicht ganz nahtlose Stoßen von Kante zu Kante der billigen Chips hinterlässt bereits einige dunkle Linien auf dem Bild. Es wäre also sinnvoll, 4,9-, 16- oder 25-COTS-Objektive zu verwenden und das Bild in der Software zusammenzufügen. Je mehr Objektive Sie verwenden, desto kleiner, günstiger und leichter werden die Objektive insgesamt. 25 Objektive wären die harte Grenze, da jedes Objektiv die 2 cm Öffnung haben muss, um die 15 cm aufzulösen. Ich würde 16 Linsen verwenden, wobei jede Linse 21 Chips beleuchtet (5x5 mit fehlenden Ecken).

16*21=336, 16*23=668, hm.

Aus praktischer Sicht würde man keine Handychips verwenden, sondern nur die OEM-Versionen von 16 Superzoom-Kameras bündeln. Diese Objektive mit ihren 2 cm Mindestöffnung sind der teuerste und schwerste Teil des Setups.

Der eigentliche Trick besteht darin, eine Onboard-Vorverarbeitung und -Analyse durchzuführen, um die erforderlichen Datenraten zu reduzieren. Denken Sie an einen Adler, der diese Maus am Boden wahrscheinlich nicht auflösen kann, aber eine überlegene Datenverarbeitung für seltene Objekte hat, die sich relativ zu einem stabilen Hintergrund bewegen.

"Kein Linsendesign kann die Beugungsgrenze überschreiten", es lohnt sich, nach "Superresolution" zu suchen , die sich damit befasst, Endläufe um diese Grenze herum zu machen.
@dmckee: Guter Punkt. Sie müssen jedoch „In-Band“-Informationen wegwerfen, wenn Sie Frequenzen außerhalb der Fourier-Grenze verwenden, die in die aufgelösten Frequenzen zurückgefaltet werden. Es ist ein ziemlich fortgeschrittenes Thema und im Allgemeinen müssten Sie etwas über Ihre Signalzusammensetzung wissen (z. B. im Zeitbereich tasten Sie mit einem Oszilloskop bei 1 GHz ab, aber das einzige Signal liegt bei 2,5 GHz, Sie sehen es bei 0,5 GHz, aber Sie müssen wissen, dass kein 0,5-GHz-Signal ankommt).
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