Например, Бобцов

ДИСКРЕТИЗАЦИЯ ПРОСТРАНСТВА В ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМАХ С МОЗАИЧНЫМ УГЛОВЫМ ПОЛЕМ

ОПТИЧЕСКИЕ И ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ

УДК 535

В. А. СОЛОМАТИН
ДИСКРЕТИЗАЦИЯ ПРОСТРАНСТВА В ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМАХ
С МОЗАИЧНЫМ УГЛОВЫМ ПОЛЕМ

Обсуждаются особенности оптико-электронных систем с мозаичной структурой углового поля, в которых поля смежных оптических каналов могут перекрываться.

Ключевые слова: дискретизация пространства, мозаичное угловое поле, оптико-электронные системы.

Особенности мозаичных систем. В последние годы возрос интерес к разработкам оп-

тических систем с мозаичным угловым полем, аналогичным фасеточному глазу некоторых

насекомых. Мозаичные оптические системы состоят из многочисленных оптических каналов,

каждый из которых воспринимает поток излучения в сравнительно узком угловом поле.

Оптические оси каналов развернуты относительно друг друга на определенный угол и в сово-

купности перекрывают широкое угловое поле. В традиционных оптико-электронных систе-

мах, построенных по схеме „объектив—фокальная матрица приемника излучения“, дискрети-

зация пространства (выборка) осуществляется в плоскости изображения, пикселы образуются

элементами матрицы. В мозаичных системах выборка реализуется в пространстве объектов,

Секторные объективы

именно это пространство делится на пикселы уз-

кими угловыми полями. Такая выборка имеет

существенные особенности, в частности угловые

поля смежных оптических каналов могут пере-

крываться.

Одним из вариантов оптико-электронной

системы с мозаичным угловым полем является

обзорно-панорамная система с секторными

объективами (рис. 1) [1]. Пространство объектов
делится секторами на k равных частей, каждая
из которых соответствует азимутальному углу
360°/ k градусов. Секторы образуют кольцо, что

Входная сферическая поверхность

Выходная плоская поверхность

обеспечивает круговой обзор пространства.

Рис. 1

Внешняя (входная) поверхность каждого сектора является светосильной, а выходная поверх-

ность (торец) — плоской. Изображение строится в плоскости торца, сопряженного с прием-

ником излучения.

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 5

58 В. А. Соломатин

Существуют различные варианты мозаичных оптико-электронных систем. В ряде слу-

чаев мозаичный принцип построения углового поля дополняется использованием фокальных

матриц в каждом канале, создающих изображение высокого качества, удовлетворяющее, в

Микролинза

частности, требованиям аэрокосмической съемки. В мозаичных (фасеточных) системах, когда каждый канал

„работает“ на одноэлементный приемник излучения, по-

лучение высокого пространственного разрешения про-

блематично, однако успехи в области микрооптики об-

Конус надеживают. Так, например, учеными Калифорнийского из полимера университета Беркли разработана фасеточная система, в

которой микролинзы расположены на куполообразной

поверхности из эпоксидной смолы. Каждая микролинза

сопряжена с оптическим волокном, подводящим поток

Эпоксидная смола

Оптическое волокно

излучения к приемнику (рис. 2) [2]. Система микролинз образует мозаичный объектив, состоящий из 8500 искус-

ственных фасеток. Диаметр объектива — 2,5 мм.

Предполагается, что такие объективы (см. рис. 2)

могут использоваться в системах технического зрения,

Приемник излучения

Рис. 2

охранных системах, при создании искусственной сетчатки глаза. Пространственное разрешение мозаичных систем зависит, очевидно, от числа каналов, которое огра-

ничено прежде всего технологическими факторами.

Вместе с тем улучшить энергетическое и пространственное разрешение мозаичных систем

позволяет пространственная выборка с перекрытием угловых полей оптических каналов.

Выборка в мозаичных системах. Структура мозаичного углового поля представлена

на рис. 3.

α

∆α

β

Зоны перекрытия
f′
a Рис. 3
Угловое поле канала (фасетки) равно ∆α = a / f ′ , рад, где а — размер полевой диафрагмы, f ′ — фокусное расстояние объектива.
Когда значение ∆α меньше углового расстояния между каналами β (периода фасеток), образуются „мертвые зоны“ — зазоры между каналами. При выборке в пространстве изображений с помощью фокальной матрицы „мертвые зоны“ неизбежны из-за зазоров между эле-
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 5

Дискретизация пространства в оптико-электронных системах с мозаичным угловым полем 59
ментами матрицы, при выборке в пространстве объектов они устраняются естественным образом, если ∆α ≥β .
Представим процедуру выборки. Допустим, что задана функция S (α) , описывающая
распределение яркости в пространстве объектов по угловому полю как функция угла α
(рис. 4, а — сигналы, б — их спектры). Функция S (α) имеет пространственно-частотный спектр S ( fα ) , записанный как функция угловых пространственных частот fα , рад–1.
а) б)
S(α) S(fα)

0 N(α)
0β Sив(α)
0 g(α)
∆α 0 Sв(α)
0 g(α)
∆α1 0 Sпв(α)

α –fmax 0 fmax N(fα)

α

–1/β 0

1/β

Sив(fα)

α

–1/β 0

1/β

G(fα)

–1/∆α α

0 Sв(fα)

–1/∆α

α

–1/β –fR 0

fR 1/β

G(fα)

α

–fR 0

fR

Sпв(fα)

fα fα fα fα fα fα



–fR 0

fR



Рис. 4
Используем методику описания усредняющей выборки [3]. Идеальная выборка функции
S (α) описывается следующим произведением:

Sив (α) = S (α)× N (α) ,

(1)

где

N

(

α)

=

1 β

comb

⎛ ⎜ ⎝

α β

⎞ ⎟ ⎠



решетчатая

функция

с

угловым

периодом

β,

равным

угловому

рас-

стоянию между каналами. Напомним, что решетчатая функция

comb

⎛ ⎝⎜

α β

⎞ ⎟⎠

=


β∑
n=−∞

δ

(

α



nβ)

,

где δ(α) — дельта-функция Дирака.

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 5

60 В. А. Соломатин

Произведению (1) соответствует свертка в частотной области, т.е.
F ⎣⎡S (α)× N (α)⎤⎦ = S ( fα )• N ( fα ) ,

N

(



)=

F

⎣⎡ N

( α ) ⎦⎤

=

F

⎡1

⎢ ⎣

β

comb

⎛ ⎜



α β

⎞⎤ ⎟⎥ ⎠⎦

=

comb (βfα

)=

1 β




δ

⎛ ⎜

n=−∞ ⎝





n β

⎞ ⎟ ⎠

.

Здесь запись F [ ] означает операцию преобразования Фурье от функции в скобках.

Функции, указанные стрелками (см. рис. 4), являются парой преобразования Фурье. На основании фильтрующего свойства дельта-функции получим

F

[ Sив

]=

Sив

(



)=

1 β



n=−∞

S

⎛ ⎝⎜





n β

⎞ ⎠⎟

.

Сигнал в каждом оптическом канале (фасетке) усредняется, что может быть представ-

лено сверткой идеальной выборки с прямоугольной (Sпв) функцией g ( x) , физический смысл

которой — усредненное значение чувствительности канала по угловому полю

Sв (α) = Sив (α)• g (α) .

Тогда спектр функции Sв (α) , описывающей усредняющую выборку, будет

F ⎣⎡Sв (α)⎤⎦ = Sив ( fα )×G ( fα ) ,
где

G(



)

=

F

⎣⎢⎡rect

⎛ ⎜⎝

α ∆α

⎞⎤ ⎟⎠⎦⎥

=

∆α sin

c ( ∆α



)

,

sin

c ( ∆α



)=

sin (π∆α fα
π∆α fα

)

,

rect

⎛ ⎜⎝

α ∆α

⎞ ⎠⎟



прямоугольный

импульс

длительностью

∆α ,

равной

величине

углового

поля

канала.

Окончательно получим, что пространственно-частотный спектр усредняющей выборки

определяется как



(



)=

∆α β

sinc (∆α



)




n=−∞

S

⎛ ⎜⎝





n β

⎞ ⎠⎟

.

(2)

Проанализировав (2), а также из графических представлений (см. рис. 4) можно опреде-

лить влияние углового поля на результаты выборки. Функция F ⎣⎡g (α)⎦⎤ = G ( fα ) выступает

как частотная характеристика пространственного фильтра, преобразующего спектр сигнала. Для восстановления сигнала по выборке, как известно, требуется выполнение условия Ко-

тельникова,

что

в

рассматриваемом

случае

выражается

неравенством

1 β



2

fmax

,

при

выпол-

нении которого боковые полосы в спектре выборки не перекрываются (см. рис. 4). В против-

ном случае (при нарушении указанного условия) перекрытие полос осуществляется в области

пространственной частоты

fR

=

1 2β

.

Функция

G( fα )

обращается в нуль на частоте



=

1 ∆α

.

Если

fR

=

1 2β

=

1 ∆α

или

∆α = 2β , частоты спектра в области наложения боковых полос подав-

ляются фильтром G ( fα ) . Соотношение ∆α = 2β означает, что угловые поля каналов должны

наполовину перекрываться. При заданном числе каналов расширение углового поля вдвое

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 5

Дискретизация пространства в оптико-электронных системах с мозаичным угловым полем 61
дает и соответствующий энергетический выигрыш. Следствием этого является возможное искажение высокочастотной составляющей изображения за счет спада функции
∆αsinc (∆α fα ) .
Приведенные рассуждения относятся к одномерному случаю выборки. Двумерная выборка описывается более сложно, но вывод, касающийся результатов перекрытия угловых полей оптических каналов, остается в силе.
Отметим, что фасетки глаза насекомых имеют гексагональную структуру. Такой структуре соответствует сетчатый растр дискретизации, в котором решетки строк так же, как и в рассмотренном выше случае, сдвинуты на половину периода. Гексагональный растр при выборке обеспечивает экономию числа отсчетов по сравнению с выборкой по квадратному растру на 15 % [4].
Заключение. В отличие от широко распространенных оптико-электронных систем с фокальными матрицами, системы с мозаичным угловым полем реализуют выборку в пространстве объектов, а не в пространстве изображений. Выборка в пространстве объектов может осуществляться с перекрытием угловых полей смежных оптических каналов. Преимуществами такой выборки являются повышение качества изображения за счет подавления пространственных частот в зоне возможного наложения боковых полос в спектре выборки и увеличение потока излучения в оптических каналах.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. А. с. СССР № 4689468/22. Устройство для определения азимута светоизлучающих объектов / Соломатин В. А. и др. 05.05.89.

2. Insect eye inspires future vision [Electronic recource]: .

3. Соломатин В. А. Системы контроля и измерения с многоэлементными приемниками. М.: Машиностроение, 1992. 128 с.

4. Ярославский Л П. Цифровая обработка сигналов в оптике и голографии: Введение в цифровую оптику. М.: Радио и связь, 1987. 296 с.

Владимир Алексеевич Соломатин

Сведения об авторе — д-р техн. наук, профессор; Московский государственный универси-
тет геодезии и картографии, кафедра оптико-электронных приборов; E-mail: vsolomatin@mail.ru

Рекомендована кафедрой оптико-электронных приборов

Поступила в редакцию 08.06.09 г.

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 5