ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНАЯ КАМЕРА

Настоящее изобретение относится к устройствам автоматического управления и может быть использовано в адаптивных оптических системах для автоматического управления фазой световых пучков для компенсации искажений на пути их распространения или для формирования световых пучков с заданными свойствами.
В задачах лазерной технологии большое значение имеет качество фокусировки лазерного излучения на обрабатываемом объекте. Проходя через искажающие среды, в которых имеется неоднородное по сечению пучка распределение показателя преломления или оптические элементы с неидеальными свойствами, оптическое излучение приобретает фазовую модуляцию. При этом форма волнового фронта излучения будет отличаться от плоской или сферической (излучение со сферическим волновым фронтом фокусируется в точку в центре кривизны сферы, а случай плоского волнового фронта соответствует сфере бесконечного радиуса), то есть искажения волнового фронта будут препятствовать фокусировке излучения в пятно с размерами, ограниченными лишь дифракционными эффектами (см. М.Борн, Э.Вольф, Основы оптики, М., "Наука", 1970). Соответственно, излучение с искаженным волновым фронтом не может формировать неискаженное (безаберрационное) изображение.
Традиционно адаптивные оптические системы строятся по следующему принципу (см. М.А.Воронцов, А.В.Корябин, В.И.Шмальгаузен. Управляемые оптические системы. М. Наука, 1988.). Входное излучение, имеющее искаженный волновой фронт попадает на корректор волнового фронта 1 (фиг.1) - устройство, меняющее фазу входного излучения по командам устройства управления. Как правило, в виде корректора волнового фронта используют гибкое деформируемое зеркало с пьезоэлектическими приводами. Форма поверхности зеркала настраивается таким образом, что после отражения от него волновой фронт становится плоским (или сферическим). Затем основная часть излучения с исправленным волновым фронтом направляется в рабочее плечо устройства (например, в схему формирования и регистрации изображений), а небольшая его часть попадает на датчик волнового фронта, который измеряет форму волнового фронта и передает данные в устройство управления, вырабатывающее сигналы для приводов корректора волнового фронта.
Датчик волнового фронта содержит оптический элемент 2 (фиг.2а) (маску, дифракционную решетку и т.п.) или систему в которой модуляция фазы входного излучения преобразуется в модуляцию интенсивности. Примерами таких устройств могут служить линзовый растр (в датчике Шака-Гартмана), дефокусированная конфокальная линзовая система (в датчике кривизны) и т.д. Различают несколько категорий таких элементов, в том числе устройства, в которых локальные особенности распределения интенсивности отражают локальные характеристики волнового фронта (например,
кривизну или наклон) - далее «тип I» и устройства, в которых локальные особенности распределения интенсивности зависит от формы волнового фронта в целом (например, распределение интенсивности в фокусе линзы) - далее «тип II».
Обычно в современных датчиках волнового фронта для регистрации распределения интенсивности используются видеокамеры на основе матричных приемников ПЗС (прибор с зарядовой связью) или КМОП (комплементарный метало-оксидный полупроводник). При этом оптический сигнал сначала экспонирует фоточувствительные элементы матрицы (генерирует электроны или дырки в светочувствительных элементах матрицы) и затем величина, пропорциональная накопленному заряду, считывается с выходов матрицы. Как правило, матрица имеет лишь несколько (1-10) выходов, поэтому информация с элементов матрицы считывается последовательно, что ограничивает максимальную скорость регистрации изображений.
Информация с видеокамеры в виде кадров передается в устройство обработки (обычно это специализированное программное обеспечение, установленное на компьютере), вычисляющее профиль волнового фронта. При передаче используется аналоговый (например, в видеостандарте CCIR) или цифровой интерфейс (например, CameraLink, USB-2 и т.д.) и устройство ввода изображений, например карты в формате PCI.
Таким образом, информация о распределении интенсивности становится доступной устройству обработки датчика волнового фронта спустя некоторое время (Т1), равное времени экспозиции (время, в течение которого происходит накопление светоиндуцированных зарядов в фотоприемнике), времени считывания информации с матрицы и времени передачи и приема данных по интерфейсу.
Затем устройство обработки производит вычисление профиля волнового фронта или непосредственное его разложение по функциям отклика корректора волнового фронта. Эта операция занимает определенное время (Т2), зависящее от принципа работы датчика, мощности вычислительного устройства и алгоритма обработки. Данные о форме волнового фронта используются для вычисления сигналов управления для корректора волнового фронта. Вычисленные сигналы управления передаются на устройство управления, которое вырабатывает и подает сигналы управления на приводы корректора. Передача данных на устройство управления также занимает определенное время (Т3). Таким образом, полное время задержки между изменением состояния волнового фронта излучения и началом реакции на это корректором волнового фронта равна Тз=Т1+Т2+Т3.
Отмеченный эффект может быть продемонстрирован на примере.
Пусть видеокамера датчика волнового фронта регистрирует изображения с частотой 100 Гц (время экспозиции 10 мс) и данные с матрицы видеокамеры считываются за время полного кадра (10 мс). Процедура вычисления формы волнового фронта и
сигналов управления занимает 8 мс и, наконец, передача сигналов управления в устройство управления занимает 2 мс. Тогда полная задержка (мертвое время) адаптивной оптической системы управления Тз будет составлять 30 мс. Оценим величину частотной полосы управления такой системы в предположении, что обеспечена ее устойчивость. Пусть искажения волнового фронта меняются по времени по гармоническому закону sin(wt), где w - циклическая частота. Тогда сигнал ошибки будет равен sin(wt)-sin(w(t-Тз)). Несложные преобразования приводят к следующей формуле для граничной частоты полосы управления f (частота, при которой сигнал ошибки равен самому сигналу): f=1/(6Тз). В рассматриваемом случае эта частота равна всего 5.5 Гц. Естественно, что уменьшение общего времени задержки в контуре управления адаптивных оптических систем является весьма актуальной задачей.
Известны методы автоматического управления (см. например, «Методы классической и современной теории автоматического управления. ТОМ 2. Статистическая динамика и идентификация систем автоматического управления» Под редакцией Пупкова К.А. и Егупова Н.Д Изд-во МГТУ им. Баумана, 640 стр., 2004), позволяющие с определенной степенью вероятности предсказать (экстраполировать) на финитном временном интервале значения фазовых флуктуаций, имеющих ограниченный частотный спектр, по измеренным предыдущим значениям. Устройство, в котором реализован принцип компенсации задержки (мертвого времени) в контуре управления путем экстраполяции на основе идентификации модели описан в «State space wavefront reconstructor for an adaptive optics control» (заявка на патент США US 20050045801). Одним из недостатков данного устройства является то, что, точность работы подобных устройств быстро падает при увеличении интервала экстраполяции.
Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности существенных признаков относится широко используемая при автоматизации технологических процессов интеллектуальная камера «SMART CAMERA SYSTEM» (см. US 2004080618 (ЕР 1512126)). Данное устройство, принятое нами за прототип, содержит модуль управления, формирующий тактовые сигналы управления для матричного приемника датчика изображений и передающий последовательно считанные с матричного приемника значения интенсивности изображений в оперативную память процессора, который на основе обработки данной информации вырабатывает сигналы управления для исполнительных устройств, и модуля интерфейсов, обеспечивающего связь с исполнительными устройствами и удаленными компьютерами. Так как подобные устройства создавались для систем автоматизации технологических процессов, где, как правило, требуется обработка всего кадра или последовательности кадров в целом, и требования по времени задержки срабатывания системы не так существенны, в них отсутствует возможность совмещения процесса считывания и обработки данных с матричного приемника изображений.
Задача настоящего изобретения направлена на улучшение технических, эксплуатационных и потребительских характеристик адаптивных оптических систем: точности управления, надежности и стоимости.
Основной технический результат, который может быть получен при осуществлении заявленного изобретения состоит в сокращении времени задержки в контуре управления адаптивных оптических систем и, соответственно, расширении полосы слежения (увеличения граничной частоты полосы управления).
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается за счет того, что известная интеллектуальная камера, содержащая модуль управления, формирующий тактовые сигналы управления для матричного приемника датчика изображений и передающий последовательно считанные с матричного приемника значения интенсивности изображений в оперативную память процессора, вырабатывающего на основе обработки данной информации сигналы управления для исполнительных устройств, и модуль интерфейсов, который обеспечивает связь с исполнительными устройствами и удаленными компьютерами, дополнительно укомплектована оптическим элементом, производящим преобразование фазовой модуляции входной световой волны в модуляцию интенсивности на датчике изображений, модуль управления камеры выполнен с возможностью передачи в процессор считанной информации в виде последовательности фрагментов кадра, а процессор производит обработку каждого фрагмента кадра сразу по завершении его получения.
Известно [С.Smith, A.Corripio, «Principles and Practice of Automatic Process Control» (Second Edition), John Wiley & Sons, Inc., New York, 1997], что наличие задержки (так называемого - мертвого времени) приводит к ухудшению точности управления, ограничению (сверху) частотной полосы управления, а также затрудняет обеспечение стабильности замкнутого контура управления.
Одними из весомых составляющих полного времени задержки между изменением состояния волнового фронта излучения и началом реакции на это корректором волнового фронта являются время, затраченное на передачу считанной с матричного приемника датчика изображений информации в оперативную память процессора, и время на последующую обработку процессором данной информации для выработки сигналов управления для исполнительных устройств.
Если для преобразования распределения в фазы в распределение интенсивности используется устройство «типа II» (устройства, в которых локальные особенности распределения интенсивности зависят от формы волнового фронта в целом (например, распределение интенсивности в фокусе линзы)), то совершенно очевидно, что для начала восстановления формы волнового фронта необходимо иметь информацию о распределении интенсивности целиком.
При использовании для преобразования фазы в распределение интенсивности устройств «типа I», для вычисления локальных характеристик волнового фронта (например кривизны или наклона) достаточно измерить распределение интенсивности лишь в некоторой небольшой окрестности от точки в которой необходимо вычислить эти характеристики. Соответственно, начиная с того момента, когда данные о распределении интенсивности в окрестности заданной точки волнового фронта станут доступны процессору, он может начинать обработку этой точки. Таким образом, появляется возможность совместить во времени процесс считывания данных с матричного приемника и их обработку.
К примеру, если в качестве преобразователя фаза-интенсивность использован линзовый растр, то для определения локального наклона волнового фронта достаточно знать значения интенсивности лишь в пределах соответствующей ячейки линзового растра. Следовательно, как только все значения интенсивности в пределах ячейки линзового растра считаны с матричного приемника, процессор может приступать к их обработке. При этом нет необходимости дожидаться окончания считывания всего массива данных (всего кадра) с матричного приемника.
Конструкция и функциональные возможности модуля управления заявленного устройства позволяют модулю управления осуществлять передачу в оперативную память процессора считанную информации в виде последовательности фрагментов кадра, сообщать процессору о поступлении каждого нового фрагмента и вырабатывать для него команду о начале обработки этого фрагмента кадра сразу по завершении его получения. Таким образом, обработка процессором поступившего в его оперативную память очередного фрагмента кадра считанной информации происходит одномоментно со считыванием последующего фрагмента кадра с матричного приемника датчика изображений, что значительно сокращает полное время задержки в замкнутом контуре управления АОС.
Таким образом, очевидно, что для совмещения во времени операций обработки и считывания, необходимым является применение для преобразования фаза-интенсивность устройств «типа I» (устройства, в которых локальные особенности распределения интенсивности отражают локальные характеристики волнового фронта). Заметим, что после полного считывания кадра процессор еще будет какое-то время обрабатывать его последний фрагмент. Естественно, это время будет тем больше, чем на меньшее число фрагментов разбивается кадр. Минимальный размер фрагмента зависит от типа элемента осуществляющего преобразование фаза-интенсивность, и, в случае линзового растра, этот минимальный фрагмент - размер ячейки растра. Таким образом, актуальным является уменьшение размеров ячеек растра. С точки зрения оптимального покрытия площади измеряемого волнового фронта выгодным является использования линзового растра второго порядка (порядок растра определяется как
отношения размера периода растра к диаметру фокального пятна). На практике, минимальный размер ячейки растра ограничен дифракционными эффектами. Типичная картина дифракции на апертуре микролинзы растра с квадратными ячейками приведена на рис.5а. Как видно из графика, вне центрального дифракционного максимума имеются дифракционные максимумы более высоких порядков, которые при малых порядках растра накладываются на фокальные пятна соседних ячеек и приводят к перекрестным наводкам. Эти наводки значительно ухудшают точность определения центров фокальных пятен (см. USP 6656373). Для устранения перекрестных наводок применяют амплитудную аподизацию линз растра супергауссовым профилем пропускания (см. USP 6656373). Нанесение амплитудных масок аподизации требует дополнительных технологических операций при производстве линзовых растров, что увеличивает их стоимость.
2n
Для устранения перекрестных наводок и упрощения технологии производства линзовах растров нами предлагается использовать метод фазовой аподизации микролинз. Метод фазовой аподизации состоит в следующем: на профиле микролинзы создаются микронеровности, причем площадь участков с микронеровностями (или их амплитуда) меняются по супер-гауссову закону (с удалением от центра микро-линзы). Если радиус микролинзы задан в относительных безразмерных единицах и меняется от 0 до 1, то функциональная зависимость будет иметь вид: 1-ехр[-r], где r - расстояние от центра линзы, n -(целое число >=1) порядок супергаусса. Характерный поперечный размер микронеровностей должен быть существенно (предпочтительно в 10 и более раз) меньше размера микролинзы. При распространении света через микролинзу свет частично будет рассеиваться на микронеровностях, формируя излучение со случайной фазой и широкой диаграммой направленности. Меняя статистические характеристики микронеровнойстей можно управлять формой диаграммы направленности рассеянного излучения. Излучение, рассеянное на микронеровностях не принимает участия в формировании фокального пятна микролинзы, соответственно участки микролинзы на которых нанесены микронеровности будут вносить меньший вклад в формируемое изображения фокального пятна, обеспечивая аподизацию микролинзы. Естественно, что профиль аподизации может иметь форму несколько отличную от супергауссовой. Конкретный профиль аподизации можно рассчитать задаваясь допустимым уширением цетрального дифракционного максимума и максимальной величиной осцилляции вне его.
Практически микролинзовые растры изготовляются по фотолитографической методике с применением набора масок для экспозиции фоторезиста с последующим травлением поверхностного профиля подложки. Технологически не представляет трудности нанести изображение микронеровностей на одну или несколько масок. Таким образом, появляется возможность изготовления микролинз с фазовой аподизацией в одном технологическом процессе, что сокращает стоимость этих элементов.
Недостатком фазовой аподизации является наличие некоторого постоянного фона от рассеянного излучения, однако этот фон легко компенсируется соответствующим выбором напряжения смещения матричного приемника изображений.
Дополнительным техническим результатом реализации заявленного изобретения является упрощение конструкции адаптивных оптических систем, уменьшения их веса, габаритов, энергопотребления и увеличение надежности. Указанный дополнительный результат достигается за счет того, что большинство функций необходимых для реализации систем адаптивной оптики реализовано в одном устройстве -интеллектуальной камере. При этом отпадает необходимость в использовании нескольких модулей высокопроизводительных интерфейсов, например, между видеокамерой и устройством ввода изображений (рис.2а), что увеличивает надежность устройства.
Перечень фигур и чертежей:
Фиг.1 - Блок-схема АОС с замкнутым контуром управления.
Фиг.2а - Блок-схема датчика волнового фронта в традиционой АОС.
Фиг.2б - График времени задержки в контуре управления традиционной АОС.
Фиг.3а - Блок-схема АОС с интеллектуальной камерой.
Фиг.3б - График времени задержки в контуре управления АОС с интеллектуальной камерой.
Фиг.4а - Линзовый растр.
Фиг.4б - Кадр гартмановской картины в фокальной плоскости растра.
Фиг.5а - Сечение распределения интенсивности в фокальном пятне неаподизированной квадратной линзы.
Фиг.5б - Сечение распределения интенсивности в фокальном пятне квадратной линзы с фазовой аподизацией.
Сведения, подтверждающие осуществление изобретения с получением вышеуказанного технического результата, заключаются в следующем:
Интеллектуальная камера, в частном случае ее исполнения, (фиг.3а) состоит из являющегося преобразователем фаза-интенсивность оптического элемента 2, на который с корректора волнового фронта 1 АОС поступает входное излучение с исправленным волновым фронтом; датчика изображений, выполненного на основе матричных приемников с последовательным считываением зарегистрированного изображения, модуля управления, процессора с оперативной памятью и модуля интерфейсов, обеспечивающего связь с исполнительными устройствами и удаленными компьютерами.
Датчик изображений измеряет форму волнового фронта и передает эти данные в модуль управления, который, формируя тактовые сигналы управления для матричного приемника датчика, управляет процессом считывания с него зарегистрированного изображения (информации о значениях интенсивности изображений), обеспечивает
передачу данной информации в виде последовательности фрагментов кадра в процессор, заносит эти данные в оперативную память процессора, вырабатывает сигналы для процессора о поступлении новых данных. Процессор производит обработку каждого фрагмента кадра по мере его поступления и вырабатывает сигналы управления для исполнительных устройств системы.
При реализации описанного изобретения, подключение внешнего управляющего компьютера (фиг.3а) необходимо только при начальной загрузке программного обеспечения в интеллектуальную камеру и отладке ее функционирования. В дальнейшем программное обеспечение может сохраняться в энергонезависимой памяти интеллектуальной камеры и загружаться в оперативную память процессора при включении питания или в ходе процедуры инициализации камеры. Проверка функционирования адаптивной оптической системы с интеллектуальной камерой и изменение ее параметров возможны при использовании сравнительно низкоскоростного интерфейса, поскольку программное обеспечение камеры может осуществлять сжатие изображений считываемых с матричного приемника (например по алгоритму MPEG). Передача сжатых изображений и управляющих параметров возможна по сети Интернет при реализации в интеллектуальной камере протокола TCP/IP.
Функционирование предложенного устройства показано на примере адаптивной оптической системы, где преобразование фаза интенсивность осуществляется по методу Шака-Гартмана [Shack R.V. and Platt B.C., Production and use of a lenticular Hartmann screen, J. Opt. Soc. Am., V.61 (1971), p.656.]. В этом случае, для преобразования фаза-интенсивность используется линзовый растр (рис.4а), а картина в фокальной плоскости растра имеет вид изображенный на рис.46. Пятно в фокальной плоскости каждой микролинзы растра смещается на величину Δy, Δx, пропорциональную локальному наклону волнового фронта в пределах субапертуры. При обработке картины необходимо найти положение центра фокального пятна в каждой ячейке растра и вычислить его смещение относительно опорного положения. Обычно положение фокального пятна в ячейке вычисляют, используя метод «центра масс» по формуле:  где i, j - координаты внутри каждой ячейки размерности m×n, I - интенсивность в точке с координатами i, j. (формулы для смещения по y - аналогичны).
Легко видно, что для определения локального наклона волнового фронта этим методом достаточно знать значения интенсивности лишь в пределах соответствующей ячейки линзового растра. Следовательно, как только все значения интенсивности в пределах ячейки линзового растра считаны с матричного приемника, процессор может приступать к его обработке. При этом нет необходимости дожидаться окончания считывания всего массива данных (кадра) с матричного приемника.
Для реализации данного режима обработки необходимо, чтобы в каждый момент времени процессору было бы известно, какая часть изображения уже считана с матричного приемника и занесена в оперативную память. Для этого можно организовать считывание информации с матричного приемника под непосредственным управлением процессора, однако при этом значительная часть ресурсов процессора будет отвлечена на управление считыванием вместо обработки данных. Более эффективный метод заключается в управлении процессом считывания со стороны модуля управления, который генерирует необходимые сигналы управления для матричного приемника, считывает с него значения интенсивности, заносит эти данные в оперативную память процессора и вырабатывает для процессора сигналы о готовности очередного блока данных для обработки.
В частности, при обработке гартмановских картин сигналы готовности могут вырабатываться блоком управления при окончании считывания колонки с координатой х, большей или равной х1(mах) (рис.4б). Если процессор успевает обработать полученный блок данных до прихода следующего, то к моменту окончания считывания кадра практически вся информация (за исключением последнего блока данных) будет уже обработана (рис.3б). Таким образом, время задержки (Т1+Т2) будет значительно уменьшено. Это свидетельствует о достижении заявленного технического результата.