Zeit-Multiplexing-Technik für überauflösenden Imaging von einer beweglichen Plattform

Das allgemeine Ziel dieses Verfahrens besteht darin, die numerische Apertur einer abbildenden Scannervorrichtung künstlich zu vergrößern. Dies wird erreicht, indem zunächst drei niedrig aufgelöste, unterschiedlich defokussierte Bilder eines Objekts aufgenommen werden, während entlang der optischen Achse des Systems verschoben wird. Der zweite Schritt besteht darin, das gesamte Abbildungssystem senkrecht zu verschieben und anschließend erneut drei defokussierte Bilder des Objekts aufzunehmen.

Als Nächstes verschieben Sie das Abbildungssystem auf die andere Seite der optischen Achse und nehmen drei weitere defokussierte Bilder des Targets auf. Der letzte Schritt besteht darin, die optischen Phasen numerisch zu rekonstruieren, um die optischen Felder zu bestimmen, und diese anschließend korrekt zu kombinieren, um ein überauflösendes Bild zu erzielen. Letztendlich wird entlang der Bewegungsrichtung eine synthetisch vergrößerte Objektivblende erzeugt, was zu einer höheren Abbildungsauflösung führt.

Der Hauptvorteil der vorgeschlagenen Technik gegenüber anderen zeitmultiplexbasierten superauflösenden Verfahren besteht darin, dass unsere Methode passiv ist und daher keine Projektion von Kodierungsmustern erfordert, die später nicht verwendet werden, um das superaufgelöste Bild zu erhalten. Dieses Experiment wird normalerweise bei relativer Dunkelheit durchgeführt. Einige Teile des Videos wurden jedoch bei eingeschaltetem Licht aufgenommen, um den Protokollablauf besser veranschaulichen zu können. Beginnen Sie den Aufbau mit der groben Ausrichtung des Laserstrahlexpander-Objektivs und der Kamera auf derselben optischen Achse. Befestigen Sie sowohl das Objektiv als auch die Kamera auf einer Translationsstufe, um feine Bewegungen senkrecht zur optischen Achse zu ermöglichen.

Montieren Sie außerdem die Kamera auf eine Translationsstufe für kleine Bewegungen parallel zur optischen Achse. Schalten Sie den Laser ein und verwenden Sie eine Blendenblende, um sicherzustellen, dass das Licht durch die Mitte der Linse verläuft. Schalten Sie danach die Kamera ein und überprüfen Sie mithilfe der linearen Z-Stufe die Ausrichtung des Laserstrahls.

Wenn es ausgerichtet ist, bewirkt eine Defokussierung der Kamera lediglich eine Größenänderung des Flecks, jedoch keine laterale Verschiebung des Flecks. Nach Abschluss der Ausrichtung ein US-Air-Force-Testmuster vor dem Strahlvergrößerer einsetzen. Das Muster so platzieren, dass das durch es hindurchtretende Licht durch die Mitte der Linse verläuft.

Verwenden Sie die lineare Z-Achse, um das Zielobjekt zu fokussieren. Diese anfängliche xz-Position der Kamera dient als Ankerpunkt. Sobald die Fokussierung erreicht ist, setzen Sie die quadratische Blende mit 0,1 Zoll Seitenlänge ein und nehmen das erste Bild des Zielobjekts auf.

Passen Sie nun die lineare Z-Achse an. Verwenden Sie sie, um die Kamera um 0,2 Zoll von dem Ziel wegzubewegen. Nehmen Sie ein zweites Bild des Ziels auf und bewegen Sie die Kamera anschließend weitere 0,2 Zoll davon weg.

Nehmen Sie ein drittes Bild auf. Diese drei Bilder werden als B-Serie bezeichnet. Bringen Sie die Kamera vor dem Fortfahren in ihre ursprüngliche Ankerposition zurück.

Nachdem Sie zur Ausgangsposition zurückgekehrt sind, beginnen Sie mit der linearen X-Achsen-Verschiebung. Das gesamte Abbildungssystem wird seitlich um eine Strecke von positiven 0,1 Zoll verschoben. Das Abbildungssystem befindet sich nun außerhalb der Mitte des Laserstrahls.

Nehmen Sie ein Bild des Zielobjekts aus dieser Position auf. Justieren Sie den Z-Stage, um die Kamera um 0,2 Zoll vom Zielobjekt wegzubewegen. Nehmen Sie ein Bild auf und bewegen Sie die Kamera anschließend erneut um 0,2 Zoll zurück.

Nehmen Sie ein drittes Bild des Zielobjekts auf. Diese drei Bilder werden als A-Reihe bezeichnet. Bringen Sie die Kamera in die Ankerposition zurück.

Ausgehend von der Ankerposition die Kamera um 0,1 Zoll nach negativ verschieben. Drei weitere Bilder auf denselben Z-Positionen wie bei der anderen Serie aufnehmen. Diese Bilder bilden die C-Serie.

Da die Kamera nur die Feldintensität erfasst, geht die optische Phaseninformation verloren. Um diese wiederzugewinnen und das optische Feld zu bestimmen, verwenden Sie die numerische Drei-Ebenen-Methode. Sobald das optische Feld jeder Bildserie ermittelt ist, nutzen Sie das phänomologische Freiraumintegral, um das optische Feld der B-Serie zurück zum Objektiv der A-Serie zu propagieren.

Stellen Sie sicher, dass das Feld verschoben wird, um seine Position bezüglich der optischen Achse widerzuspiegeln. Leiten Sie das optische Feld im freien Raum zur Linsenebene weiter. Wiederholen Sie dieselben Schritte für die C-Serie unterhalb der optischen Achse.

Summieren Sie die drei Felder, um sie zu kombinieren und die Aperturgröße künstlich zu vergrößern. Schließlich propagieren Sie das resultierende Feld im Freiraum bis zur Bildebene. Als Target wurde in dem Experiment der negative 1951 USAF-Testtarget verwendet, der hier in einem hochauflösenden Bild dargestellt ist.

Vergleichen Sie dies mit dem Bild niedriger Auflösung, das an der Verankerungsposition auf der optischen Achse aufgenommen wurde. Keine der Auflösungsleisten ist im superauflösenden Bild sichtbar. Die vertikalen Leisten sind bis zum dritten Element rechts sichtbar.

Da die Apertur nur in horizontaler Richtung X vergrößert wurde, ergibt sich keine Verbesserung der Auflösung der horizontalen Balken. Nach dem Anschauen dieses Videos sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie ein passives Super-Resolution-System aufgebaut wird, das die Objektivapertur synthetisch vergrößert, indem es die Bewegung der Abbildungsplattform und numerische Berechnung nutzt. Obwohl die von Ihnen gesehene Demonstration auf einer optischen Bank durchgeführt wurde, ist das vorgeschlagene Konzept für reale luftgestützte Abbildungssysteme durchführbar.