Sobre la óptica de los drones de vigilancia de alta resolución

En este video de youtube (que es una excepción de una documentación, creo) se presenta un desarrollo de DARPA para una cámara de vigilancia de alta resolución. Esta pregunta se refiere a la óptica que es probable que se requiera para que funcione.

Resumen de las especificaciones dadas:

  • 1.8 × 10 9 píxel
  • cubierta 35 k metro 2
  • desde una altitud de 5 k metro
  • usando 368 chips de la cámara del teléfono celular

Algunos cálculos del dorso de la mano:

  • área equivalente a píxeles: 35 × 10 6 metro 2 1.8 × 10 9 pag X 2 = 1.94 × 10 − 2 metro 2 pag X 2
  • longitud del borde del área equivalente al píxel: 1.94 × 10 − 2 metro 2 pag X 2 = 1.39 × 10 − 1 metro pag X ≈ 14 C metro pag X
  • recuento de píxeles por chip: 1.8 × 10 9 pag X 368 C h i pag s ≈ 5 × 10 6 pag X C h i pag

Cuestión de óptica

Los chips de los teléfonos móviles tienen pasos de píxel del orden de unas pocas micras. Digamos que usan un chip típico de 5 megapíxeles de calidad decente con 2.25 µ metro paso.

¿Cómo es probable que la óptica se vea como una imagen de 15 cm a 5 km de distancia en 2,25 µm en el chip dentro de una cámara que tiene, en el mejor de los casos, un metro de diámetro?

Estoy buscando respuestas más allá de "usan un teleobjetivo"... Las distancias focales de los lentes, las combinaciones y la configuración para producir la imagen requerida es lo que me cuesta resolver.

Si la pregunta se refiere a los límites físicos de la óptica (es decir, el criterio de Rayleigh y/o la superresolución, el diseño para limitar la aberración, ...), entonces es un tema aquí, pero creo que @EnergyNumbers puede tener razón si la pregunta es de la variedad "seleccione una lente". ¿Te importa aclarar?
Usando la ecuación de la lente, obtengo que la distancia focal del sistema es 8.036 C metro = 803.6 metro metro . Por supuesto, eso es solo un cálculo de primer orden, y realmente no es un sistema terriblemente difícil de fabricar. Las aberraciones y el peso, etc. serían los verdaderos desafíos de ingeniería.
Además, probablemente haya casi un número infinito de formas de hacer un sistema con esta distancia focal, según el número de componentes y las especificaciones de cada componente.
"Probablemente hay cerca de un número infinito de formas de hacer un sistema con esta distancia focal", sí. Y los fabricantes de equipos fotográficos tienen décadas de experiencia en este arte , razón por la cual muchas de estas preguntas posiblemente no sean preguntas de física en absoluto. Están en el dominio de los ingenieros especializados (quienes, por supuesto, hacen un uso intensivo de la física como campo de juego).
@daaxix ¿Le importaría dar un ejemplo de cómo usar la ecuación de la lente aquí en una respuesta? Sigo recibiendo respuestas ridículas.
@dmckee Claramente, esta no es una pregunta de "seleccionar una lente". Estoy tratando de entender la óptica necesaria para resolver este problema. Intenté resolverlo yo mismo, pero sigo obteniendo resultados muy extraños con respecto a las distancias focales requeridas... ¡del orden de µm! - Claramente equivocado.
1 z ′ = 1 z + 1 F dónde z ′ = 8.0357 C metro , z = − 500 , 000 C metro . puedo conseguir z ′ de la magnificación metro = − 2.25 × 10 − 4 C metro 14 C metro = z ′ z = z ′ − 500 , 000 C metro .
@daaxix Muchas gracias. Esto era exactamente lo que estaba buscando. Así que una lente comercial de alta calidad debería hacer el trabajo. No hay necesidad de configuraciones ópticas complicadas.
@ usuario20359, probablemente no. También debe considerar la apertura (sp?). Ver disco Airy: en.wikipedia.org/wiki/Airy_disk

Respuestas (1)

En primer orden, este es un problema de difracción. Ningún diseño de lente puede superar el límite de difracción, pero muchos se acercan. El ángulo resuelto más fino está limitado a

θ = 1.22 λ D ,
donde D es el tamaño de la apertura de su lente.

Entonces para resolver 15 C metro = 0.15 metro en 5 k metro = 5000 metro , la tangente de tu ángulo es aproximadamente 1/33000. Por lo tanto, el tamaño de la apertura de su lente tendría que ser

D >= 1.22 λ ∗ 33000 = 2 C metro
para longitudes de onda visibles. Eso es menos de lo que ya tiene una buena SLR, por lo que es factible.

Dado que, como se señaló, un teleobjetivo puede ampliar la imagen, la resolución de píxeles en realidad no juega un papel importante para el límite de resolución fundamental.

La raíz cuadrada de 368 es aproximadamente 19, un chip de 5 Mpxl tiene aproximadamente 2000 pxl de ancho, con un paso de 2,5 um, sería 5 mm * 19 ≈ Tamaño del detector de 10 cm cuadrados con 40000 píxeles de ancho. Para una resolución de 15 cm, eso daría un campo de visión de 6 x 6 km.

El verdadero problema es cómo transmitir esas cantidades a través de las ondas de radio (1,8 Gpxl* profundidad de color de 24 bits * 30 fps ≈ 1 Tbit/s antes de la compresión), si aquí en casa, Netflix no puede manejar los viernes por la noche.

Si desea usar una sola lente, entonces el diseño de la óptica no será demasiado difícil de hacer en 'papel' (Zemax), pero la lente será grande y costosa. Simplemente compare los lentes de fotograma completo de Nikon con los lentes SLR de aficionados y piense en un factor de 3 en diámetro, 10 en área y 30 en peso.

Ahora, el empalme no del todo uniforme de borde a borde de los chips baratos ya dejará algunas líneas oscuras en la imagen. Por lo tanto, tendría sentido usar lentes COTS 4, 9, 16 o 25 y unir la imagen en el software. Cuantas más lentes use, más pequeñas, baratas y livianas serán las lentes en total. 25 lentes sería el límite estricto ya que cada lente debe tener una apertura de 2 cm para resolver los 15 cm. Usaría 16 lentes con cada lente iluminando 21 chips (5x5 sin las esquinas).

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

Desde un punto de vista práctico, uno no usaría chips de teléfonos celulares, sino que simplemente empaquetaría las versiones OEM de 16 cámaras superzoom. Esas lentes con su apertura mínima de 2 cm son las más caras y la parte más pesada de la configuración.

El verdadero truco es hacer preprocesamiento y análisis a bordo para reducir las velocidades de datos necesarias. Piense en un águila, que probablemente no pueda resolver ese mouse en el suelo, pero tiene un procesamiento de datos superior para esos objetos raros que se mueven en relación con un fondo estable.

"Ningún diseño de lente puede superar el límite de difracción", vale la pena buscar "superresolución" , que se ocupa de hacer recorridos finales alrededor de este límite.
@dmckee: Buen punto. Sin embargo, debe descartar la información 'en banda' si usa frecuencias fuera del límite de Fourier que se vuelven a convertir en alias en las frecuencias resueltas. Es un tema bastante avanzado y, en general, necesita saber algo sobre la composición de su señal (por ejemplo, en el dominio del tiempo, muestrea a 1 GHz con un osciloscopio, pero la única señal es a 2,5 GHz, la verá a 0,5 GHz, pero hay que saber que no entra señal de 0,5 GHz).
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