Фазовая камера для измерения искажения волнового фронта и расстояния

Изобретение относится к оптике и предназначено для определения волновых фронтов, например, при астрономических наблюдениях с Земли и т.д. Фазовая камера содержит микролинзы, помещенные в фокус собирающей линзы, причем данные камеры, обработанные с использованием объединения "Фурье-среза" и методики распознавания изображения с помощью быстрого Фурье преобразования, обеспечивают и трехмерную карту волнового фронта, и реальную карту глубины объекта съемки в пределах широкого диапазона объемов. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Задача изобретения

Система согласно изобретению состоит из фазовой камеры с микролинзами, помещенными в фокус собирающей линзы, причем данные камеры, обработанные с использованием объединенных "Фурье-среза" и методики распознавания изображения при быстром Фурье преобразовании, предоставляют и трехмерную карту волнового фронта, и реальную карту глубины объекта съемки в пределах широкого диапазона объемов.

Это изобретение предназначено для использования в любой области, где требуется определение волновых фронтов, например, при астрономических наблюдениях с земли, офтальмологии, и т.д., а также в режиме метрологических задач, например, реальные объекты съемки, полировка прибора с зарядовой связью, автомобильная механика, и т.д. Изобретение применено к специфическому случаю атмосферной томографии, с использованием ELT (телескопы большого диаметра: 50 или 100 метров).

Область техники

Изобретение относится к области оптики и обработки изображения.

Уровень техники

Из уровня техники известны оптические устройства для определения грубины объекта съемки и получения реального изображения объекта, содержащие микролинзы, объектив переноса изображения, матрицу фотодетекторов, процессор обработки, см., например, Международная публикация WO 9203702 A1, 05.03.1992 г. Кроме того, известны датчики волнового фронта с матрицей микролиз, приспособленные для анализа волнового фронта (ES 2114799 A1, 01.06.1998 г.).

Однако известные из уровня техники средства не обеспечивают получение трехмерного изображения объекта высокого качества.

Настоящее изобретение относится и к задаче получения трехмерного измерения волнового фронта, связанного с какой-либо оптической проблемой, в которой качество изображения является существенным (например, для диагностики), и к задаче получения достаточно надежной и точной карты глубин в пределах широкого диапазона объемов, от нескольких микрон до нескольких километров.

Хотя общий подход может быть применен и к другим задачам, приведенный анализ относится к телескопам с большой апертурой и к измерению глубины объекта съемки.

Современное состояние техники

Атмосферная томография

Для существующих телескопов большого диаметра (GRANTECAN, Keck, …) и будущих гигантских телескопов (50 или 100 метров в диаметре) система адаптивной оптики ориентируется на измерения трехмерного распределения фазы в атмосфере посредством использования вида томографии, называемого мульти-сопряженной адаптивной оптикой. Отсутствие достаточного числа естественных точечных источников на небе, так, чтобы всегда был один в пределах видимости объекта, наблюдаемого телескопом, приводит к необходимости использовать искусственные точечные источники, например звезды Na (на высоте 90 км).

Для коррекции всей атмосферы, которая воздействует на световой луч, приходящий от объекта в небе (избежание фокального анизопланетизма), необходимо использовать некоторые из этих искусственных звезд (по меньшей мере 5). При этом для каждой из них требуется очень высокое разрешение и импульсный лазер большой мощности, что подразумевает очень дорогую технологию. Кроме того, при столь высоких затратах мульти-сопряженная адаптивная оптика может измерить только ту фазу в атмосфере, которая связана максимум с тремя горизонтальными турбулентными слоями (с тремя датчиками фазы, осуществляющими одновременное измерение), то есть она сканирует малую часть трехмерного цилиндра, влияющего на изображение. Она также предоставляет оценку фазы по расчетам, которые настолько сложны, что серьезно ставят под угрозу адаптивную коррекцию оптического луча в пределах времени стабильности атмосферы в видимом спектре (10 мс).

Предложенная здесь методика позволяет:

- ограничиться единственным измерением и с единственным датчиком в течение каждого периода времени атмосферной стабильности;

- восстановление фазы, связанной с каждым турбулентным горизонтальным слоем, то есть томография всей атмосферы, посредством алгоритма, основанного на Фурье преобразовании, которое и само по себе является быстрым, но может быть ускорено при его интеллектуальной адаптации к блокам графического процессора (GPU) или к электронным логическим блокам, типа FPGA (программируемая пользователем логическая матрица);

- избежать необходимость использования искусственных лазерных звезд, поскольку изображение объекта восстанавливается в режиме реального времени при достижении его атмосферы Земли, поскольку эта новая методика не требует калибровки с точечным сигналом для последующей его деконволюции (восстановления методом обращения свертки).

Томография человеческого глаза

Основная задача при выполнении томографии человеческого глаза по существу заключается в получении для медицинских специалистов доступного и четкого изображения сетчатки глазного дна пациента, для установки более надежных диагнозов. Влага глаза, влага на стекле и линза ведут себя в глазу как средства, искажающие изображение, получаемое на сетчатке глазного дна.

Фактически, при этом не требуется выполнять измерения так часто, как в случае Земной атмосферы (по одному, каждые 10 мс), потому, что в данном случае это устойчивая деформация; однако требуется достаточное трехмерное разрешение, не только для получения хорошего изображения сетчатки глазного дна, но также для обнаружения пространственного местоположения возможных глазных повреждений.

Авторы, которые в случае упомянутых приложений помещали микролинзы в фокус, не использовали методику "Фурье-среза" для оценки оптического искажения, или для коррекции изображения, или для получения расстояний. Кроме того, методика "Фурье-среза", связанная с микролинзами в фокусе, использовалась только для получения сфокусированных фотографий реальных объектов съемки в пределах диапазонов объема в несколько кубических метров с качеством, которое очевидно превышает обычную глубину полевой методики. Таким образом, данные работы других авторов не имеют никакого отношения к описываемому здесь патенту.

Описание изобретения

Единственная матрица микролинз, формирующая изображение на приборе с зарядовой связью (ПЗС) с достаточным разрешением, при ее размещении в фокусе собирающей линзы, позволяет осуществлять томографические измерения целевого трехмерного пространства.

Измерения выполняются только один раз, то есть единственное изображение содержит достаточную информацию для восстановления трехмерной окружающей среды. Такое изображение может рассматриваться как соответствующее 4-м измерениям: две координаты на ПЗС, связанные с внутренней частью каждой микролинзы, и две другие координаты, связанные с матрицей микролинз.

Предложенная методика основана на Обобщенной Теореме "Фурье-среза". Изображение, получаемое посредством ПЗС, представляет собой Фурье преобразование в четырех измерениях, затем к нему применяется оператор вращения и "среза", который определяет глубину, при которой объект будет восстановлен и уменьшает 4 измерения до 2-х. Цель этого изобретения состоит в определении глубин, на которых расположены объекты; с этой целью, посредством работы в преобразованной области и, идентифицируя объекты с помощью алгоритма выделения контуров (высокие пространственные частоты), оказывается возможным идентифицировать компоненты объекта съемки, о которых предварительно известно, на каком расстоянии они расположены.

Кроме того, датчик Shack-Hartmann состоит из набора линз, помещенных в виде матрицы для формирования того же самого числа изображений в двумерном детекторе. Смещение каждого из них относительно положения, соответствующего плоскому волновому фронту, измеряет локальный градиент волнового фронта. При этом оказывается возможным восстановить первоначальный волновой фронт посредством численной обработки. Предложенная фазовая камера содержит датчик Shack-Hartmann в фокусе собирающей линзы, благодаря которой конструкция является также и фазовой камерой волнового фронта, но помещенная в фокус линзы, с полностью отличающейся обработкой данных в отличие от того, что было до настоящего времени с датчиком Shack-Hartmann. Таким образом, оказывается возможным восстановить и глубины, и фазы волнового фронта.

Описание чертежей

Фиг.1 изображает схему расположения апертуры (1) линзы, линз (2), и ПЗС (3), формирующие фазовую камеру, (5) - фокусное расстояние собирающей линзы, (6) - фокусное расстояние каждой микролинзы матрицы линз, (7) - локальный угол наклона волнового фронта, (4) - смещение оптической длины пути, испытываемое из-за турбулентности волновым фронтом относительно другого, неискаженного волнового фронта.

Фиг.2 - принципиальная схема согласно изобретению, примененная к телескопу с большим главным зеркалом (1). Выполнение атмосферной томографии при астрофизическом наблюдении звезды (8) с адаптивной оптикой. Отдельные турбулентные слои в пределах атмосферы соответствуют обозначениям (9) и (10). Фазовая камера позволяет сканировать полный цилиндр атмосферной турбулентности (13), который влияет на окончательное изображение телескопа.

Фиг.3 - принципиальная схема классического астрофизического наблюдения звезды (8) с использованием адаптивной оптики мульти-сопряженной с двумя турбулентными слоями в атмосфере (9) и (10). При этом может быть восстановлено только очень небольшое количество отдельных турбулентных слоев (максимум три слоя), (11) и (12) указывают датчики волнового фронта, сопряженные с каждым соответствующим турбулентным слоем, (1) соответствует телескопу.

Предпочтительный вариант реализации изобретения

Рассматривается конкретный случай астрофизического наблюдения с телескопом, имеющим диаметр, превышающий размер r₀ когерентности атмосферы (приблизительно 20 см в видимой части спектра). Турбулентность атмосферы вызывает потерю разрешения изображения, получаемого с помощью телескопа, то есть потерю информации высоких пространственных частот. Для предотвращения этой потери необходимо знать, каким образом атмосферная турбулентность ухудшает волновой фронт света, приходящего от исследуемой звезды. С этой целью могут использоваться естественные или искусственные исходные точки, позволяющие характеризовать деформацию, которую атмосфера привносит в волновой фронт.

С классической мульти-сопряженной адаптивной оптикой (фиг.3) датчик фазы волнового фронта должен использоваться для каждого деформируемого зеркала, сопряженного с отдельным слоем турбулентности, то есть два различных датчика фазы (WFS), которые должны быть выровнены и размещены для работы параллельно в различных положениях оптической оси. Сложность вычислений и необходимость быстродействия, поскольку атмосфера изменяется каждые 10 миллисекунд в видимой части спектра, делает невозможным на сегодняшний день производить коррекцию больше, чем в трех атмосферных турбулентных слоях.

С помощью фазовой камеры, имеющей такую конструкцию, как на Фиг.1, и работа которой показана на Фиг.2, используется только один датчик, причем этот датчик помещается в единственное положение на оптической оси, и единственное измерение, впоследствии обрабатываемое посредством техники Фурье-среза, позволяет получить трехмерную карту турбулентностей (фазы волнового фронта), связанную с целым столбом атмосферы, которая влияет на наблюдение с помощью телескопа согласно изобретению, а также высоты, на которых расположены эти слои турбулентности.

1. Фазовая камера для получения в режиме реального времени трехмерной карты волнового фронта и карты глубины трехмерного пространства, содержащая собирающую линзу, матрицу микролинз, размещенную в фокусе собирающей линзы, устройство прибора с зарядовой связью и средства обработки в режиме реального времени, приспособленные для получения последовательностей томографических измерений трехмерного пространства посредством применения алгоритма Фурье-среза, и идентификации компонент для каждой глубины последовательностей томографических измерений такого трехмерного пространства с помощью алгоритма распознавания контуров изображения быстрым Фурье преобразованием.

2. Фазовая камера для получения в режиме реального времени трехмерной карты волнового фронта и карты глубины трехмерного пространства по п.1, отличающаяся тем, что средство обработки содержит графический процессор (GPU).

3. Фазовая камера для получения в режиме реального времени трехмерной карты волнового фронта и карты глубины трехмерного пространства по п.1, отличающаяся тем, что средство обработки содержит программируемую пользователем логическую матрицу (FPGA).

4. Способ для получения в режиме реального времени трехмерной карты волнового фронта и карты глубины трехмерного пространства, содержащий следующие этапы: получение изображения трехмерного пространства посредством фазовой камеры;
получение последовательностей томографических измерений трехмерного пространства посредством применения алгоритма Фурье-среза; и
идентификация компонентов для каждой глубины последовательностей томографических измерений такого трехмерного пространства посредством алгоритма распознавания контуров изображения быстрым Фурье преобразованием.

5. Способ для получения в режиме реального времени трехмерной карты волнового фронта и карты глубины трехмерного пространства по п.4, причем трехмерная карта волнового фронта и карта глубины трехмерного пространства применяется к наблюдению, выбранному из группы: астрономическое наблюдение, офтальмологическое наблюдение, наблюдение реального объекта съемки, наблюдение поверхности прибора с зарядовой связью и наблюдение поверхности механической детали.