On-chip hullámfront érzékelés és processzálás parallel implementációja
Title in English
Parallel implementation of on-chip wavefront sensing and processing
Keywords in Hungarian
on-chip szenzor, adaptív optika,
Keywords in English
on-chip sensing, adaptive optics
Discipline
Electronic Devices and Technologies (Council of Physical Sciences)
85 %
Physics (Council of Physical Sciences)
15 %
Panel
Informatics and Electrical Engineering
Department or equivalent
HUN-REN Institute for Computer Science and Control
Participants
Mező, György Tokés, Szabolcs Török, Levente
Starting date
2006-04-01
Closing date
2009-03-31
Funding (in million HUF)
12.760
FTE (full time equivalent)
0.20
state
closed project
Summary in Hungarian
Az adaptív optikai (AO) rendszerek célja az, hogy a közegen áthaladó fény hullámfront torzulásait kompenzálja. A torzulás oka az, hogy a közeg optikai tulajdonsága (törésmutató), dinamikusan változnak. A probléma először a csillagászatban merült fel, ahol nagy méretű (>30cm) távcső esetén, a felbontás nem növekedett a légkör turbulenciája miatt a távcső méretével, ahogyan ez elvárható lett volna.Az AO célja ennek a torzító hatásnak a kompenzálása. Jelenleg meglehetősen költséges AO berendezések készülnek, amelyek ára csak az óriás távcsövek kiegészítő berendezéseként megfizethető (40.000-15.000.000 USD).A hazai csillagvizsgálók általában nem engedhetnek meg ekkora járulékos ráfordítást. Az AO egyre nagyobb teret nyer polgári alkalmazásokban (pl.szemészet) is. Az igazán széleskörű elterjedéshez azonban olcsó, nagy teljesítményű kis méretű rendszerre van szükség. Néhány ígéretes előkísérlet után, jelen pályázatban az AO részéhez egy olyan hullámfront-torzulás-mérő eszköz fejlesztéséhez kérünk támogatást, amelynek sebessége megközelíti a jelenlegi legnagyobb sebességű szenzor sebességét, méretében kisebb (kompaktabb), mint a legkisebb, viszont egy nagyságrenddel olcsóbb, mint bármelyik, ami a piacon hozzáférhető, köszönhetően annak, hogy megoldásunkban, az érzékelés és a feldolgozás funkciója egyazon chip-re integrálódik. A szakirodalom feldolgozásából kitűnik, hogy hosszabb távon az elgondolásunk megegyezik a fejlődés irányával. A CNN-UM chip birtokában azonban, mi már jelenleg is rendelkezünk olyan eszközzel és ismeretanyaggal, amelynek segítségével az integrált berendezés kidolgozása reálisan megvalósítható célként tűzhető ki. Amennyiben a szenzor megépítése sikeresen lezárul, a kutatás második fázisban aktuátor beszerzésével (illetve reményeink szerint legyártatásával) egy komplett AO-t tervezünk megépíteni. Tisztázandó alapkutatási kérdések A szenzort magába foglaló tömbprocesszor architektúrájú eszközre (Bi-i) hibatűrő algoritmus fejlesztése tűnik az egyik legkritikusabb feladatnak,ami adott esetben alkalmazásonként is más és más lehet. Kutatásunkban arra a kérdésre keressük a választ, hogy milyen korlátai vannak együttesen az on-chip érzékelésnek, feldolgozásnak és az aktuátor vezérlésének egy AO rendszer megépítésénél. Fontos kicsatolás lenne a chip tervezők számára, azok a tapasztalatok, amelyeket az méréseink során szerezhetünk. Ez vonatkozik, mind a szenzor tömb minőségére, mind a feldolgozási algoritmusok szerkezetére (műveletek).
Summary
The aim of the adaptive optic (AO) systems is to compensate the wave front torsions that emerges from the variations of the refraction coefficient of the medium on which the light passes through. The problem first appeared in astronomy where it was experienced that telescopes larger than 30cm do not have better resolution. It was independent of the diameter. This is due to the turbulences in the air. The objective is to compensate this effect. Currently, very expensive AO devices are sold (40.000-15.000.000 USD). Their price is affordable only for giant telescopes. Telescopes nationwide cannot afford additional expenses of this magnitude. Furthermore, AO systems gain larger marketshare in civil applications such as (e.g.: ophthalmology). There is a large need to have an cheap, powerful and small AO systems, in order to have it used widespread. Being after the first few promising initial experiments, we propose to build a wave-front-sensor that is as fast as the currently available of the highest speed, as small (compact) as the smallest one and cheaper than any of them with a magnitude difference. This can be achieved thanks to a Cellular Neural/Non-linear(CNN) chip.In the solution we suggest, the sensing and processing is integrated on this single chip. From the literature it excels that our solution corresponds to the heading of the mainstream. However, owning a CNN chip in hand, we have the device ready and the knowledge accumulated in our laboratory by which we can target for this integrated device. As a part of the work, we have to characterize the theoretical and technical limits of the instruments we plan to purchase and all those that are in stock including the CNN chip itself. This is to articulate desires and suggestions on the architecture of the next generation of the CNN chips which is already an active research area.The most difficult problem to solve is to develop a fault tolerant algorithm for the array processor device (Bi-i&CNN).
Final report
Results in Hungarian
Turbulens közeg által okozott dinamikus aberrációk méréséhez hullámfront szenzorokra van szükség, melyekben találkozik a fejlett fényérzékelő tömbök technológiája és a nagysebességű valós idejű feldolgozás, amit párhuzamos, szenzor közeli eszközökkel lehet teljesíteni. Három módszert vizsgáltunk:
1. Analóg és digitális processzálással is rendelkező, celluláris architektúrát használó, párhuzamos processzálásra képes - programozható szenzorhoz (Eye-Ris) illesztettünk egy lencse mátrixot (Shack-Hartmann szenzor, SH). Erre eszközre korrelációs hullámfront mérő algoritmust készítettünk. Ugyan az eszközön elérhető felbontás nem túl nagy, de magán a chip-en párhuzamosan futó algoritmus következtében igen nagy sebesség érhető el.
2. A speciális, nagysebességű és felbontású CMOS szenzort (SH) egy nagy teljesítményű FPGA eszközzel egészítettük ki, ami a szenzor kontrol funkcióján kívül a szükséges processzálásokat is elvégzi nagy párhuzamossággal. Az eszköz hullámfront korrigáló egysége egy nagysebességű LCOS mikro-megjelenítő, aminek a kontrol funkcióit is a beépített FPGA látja el. Ílymódon sokkal nagyobb sebesség érhető el, mint más hasonló, ma hozzáférhető eszközzel.
3. A térbeli fázistolás-interferometrián alapuló (FINCH) eljárás lényege, hogy a hullámfrontról egyszerre több önmagával képzett, nulla úthossz különbségű interferogrammot veszünk fel különböző fázistolásokkal (0, pi/2, pi, 3pi/2). Ekkor a hullámfront fázisa egyszerűen (elemi algebrai műveletekkel) meghatározható.
Results in English
To measure and compensate dynamic aberrations caused by turbulent media wavefront sensors using high end area scan technology and high speed, parallel, close-to-sensor, real time processing are applied. We have developed three methods:
1. We applied a new, mixed mode cellular array sensor-computer device, which combines analog and digital parallel processing capabilities with on chip sensors (Eye-Ris). We attached to the sensory elements a lens array (Shack-Hartmann sensor, SH) and developed an appropriate, parallel, on chip correlation based wavefront sensor algorithm. Although the achievable resolution is constrained, but due to its analog, parallel processing capabilities very high speed was accessible.
2. A high speed, high resolution CMOS sensor (SH) is combined with a FPGA, which in addition to the sensor control function can fulfill the required processing with high parallelism. This device has a wavefront corrector unit, an LCOS micro display, which in accordance with the measured wavefront distortions can compensate it at a very high speed. This device outperforms any contemporary counterparts in resolution, speed, noise and price.
3. A fast wavefront sensor method based on spatial phase shifting interferometry (FINCH), applying measurements of several zero path length difference interferograms with different phase shifts (0, p/2, p, 3p/2). From these smaller resolution interferograms the wavefront can be reconstructed using only elementary algebra.
Zoltán Kincses, László Orzó, Zoltán Nagy, György Mezo, Péter Szolgay: Implementation of a paralell SAD based wavefront sensor architecture on FPGA, Proc of the European Conference on Circuit Theory and Design, ECCTD, submitted, 2009
Szabolcs Tőkés, László Orzó, Ahmed Ayoub: Programmable OASLM as a Novel Sensing Cellular Computer, Proceedings of the 10th IEEE International Workshop on Cellular Neural Networks and their Applications, pp. 63-67., 2006
Detre Örs Hunor: Nagy felbontású optikai csillagászat földi távcsövekkel, Diplomamunka, ELTE Csillagászati Tanszék, 2007
Mező György, Regály Zsolt, Orzó László, Detre Örs: Szögmásodperc alatti felbontás hagyományos távcsövekkel – Magyarországon, Fizikus Vándorgyűlés Eger, 2007
László Orzó, György Mező, Szabolcs Tőkes, András Radványi: Combined Optically Addressable Spatial Light Modulator for Optical feedback CNN implementation, Circuit Theory and Applications special issue Cellular Wave Computing Architecture, 2008
György Mező, Zsolt Regály, Örs Detre, László Orzó: Speckle interferometry for testing CMOS, VLTI Summer School, 2008
Zoltán Kincses, László Orzó, Zoltán Nagy, György Mező, Péter Szolgay: High-speed, SAD based wavefront sensor architecture implementation on FPGA, Journal of Signal Processing Systems, Springer, Submitted; Manuscript Number: VLSI669, 2009
