Tempo Multiplexing Super Risoluzione Tecnica di imaging da una piattaforma mobile
12 febbraio 2014
Un metodo per superare il limite di diffrazione ottica è presentato. Il metodo include un processo in due fasi: il recupero di fase ottica utilizzando l'algoritmo iterativo Gerchberg-Saxton, e spostamento sistema di imaging seguita dalla ripetizione del primo passo. Un sinteticamente maggiore apertura dell'obiettivo è generata lungo la direzione di movimento, producendo risoluzione di immagini superiore.
L'obiettivo generale di questa procedura è aumentare sinteticamente l'apertura dell'obiettivo di una piattaforma di imaging a scansione. Questo risultato si ottiene innanzitutto acquisendo tre immagini a bassa risoluzione del bersaglio, con diversi gradi di sfocatura, mentre ci si sposta lungo l'asse ottico del sistema. Il secondo passaggio consiste nello spostare l'intero sistema di imaging perpendicolarmente e quindi acquisire altre tre immagini sfocate del bersaglio.
Successivamente, spostare il sistema di imaging sull'altro lato dell'asse ottico ed acquisire altre tre immagini defocate del bersaglio. L'ultimo passaggio consiste nel recuperare numericamente le fasi ottiche al fine di determinare i campi ottici e quindi combinarli correttamente per ottenere un'immagine super risolta. In definitiva, viene generata un'apertura sintetica della lente aumentata lungo la direzione del movimento, ottenendo una risoluzione di imaging più elevata.
Il vantaggio principale della tecnica proposta rispetto ad altri approcci di risoluzione superiore basati sulla multiplazione temporale è che la nostra tecnica è passiva e, pertanto, non richiede la proiezione di pattern di codifica che successivamente non vengono utilizzati per ottenere l'immagine a super risoluzione. Questo esperimento viene normalmente eseguito in condizioni di relativa oscurità. Tuttavia, alcuni video sono stati ripresi con la luce accesa al fine di visualizzare meglio il protocollo. Per iniziare, effettuare il montaggio con un allineamento approssimativo della lente espansore del fascio laser e della telecamera lungo lo stesso asse ottico. Montare sia la lente che la telecamera su una fase di traslazione per consentire piccoli movimenti perpendicolari all'asse ottico.
Inoltre, montare la telecamera su un banco traslazionale per piccoli spostamenti paralleli all'asse ottico. Accendere il laser e utilizzare un diaframma ad iride per assicurarsi che la luce passi attraverso il centro della lente. Successivamente, accendere la telecamera e utilizzare il banco lineare sull'asse Z per verificare l'allineamento del fascio laserico.
Una volta allineato, la defocalizzazione causerà alla telecamera soltanto una variazione delle dimensioni del punto, ma non provocherà uno spostamento laterale del punto stesso. Al termine dell'allineamento, inserire un bersaglio di prova US Air Force davanti all'espansore del fascio. Posizionare il bersaglio in modo che la luce che lo attraversa passi attraverso il centro della lente.
Utilizzare lo stadio Z lineare per mettere a fuoco il bersaglio. Questa posizione iniziale xz della telecamera fungerà da punto di ancoraggio. Una volta raggiunta la messa a fuoco, inserire l'apertura quadrata da 0,1 pollici e acquisire la prima immagine del bersaglio.
Ora regolare lo stadio lineare Z. Utilizzarlo per spostare la telecamera lontano dal bersaglio di 0,2 pollici. Acquisire una seconda immagine del bersaglio, quindi spostare nuovamente la telecamera di altri 0,2 pollici di distanza.
Acquisire una terza immagine. Queste tre immagini saranno indicate come serie B. Riportare la telecamera alla sua posizione iniziale prima di procedere.
Dopo essere tornati alla posizione di ancoraggio, iniziare a utilizzare lo spostamento lineare dello stadio X. L'intero sistema di imaging si sposta lateralmente di una distanza positiva di 0,1 pollici. Il sistema di imaging si trova ora fuori centro rispetto al fascio laser.
Acquisire un'immagine del bersaglio da questa posizione. Regolare lo stadio Z per spostare la telecamera lontano dal bersaglio di 0,2 pollici. Acquisire un'immagine, quindi riavvicinarla di altri 0,2 pollici.
Acquisire una terza immagine della zona bersaglio. Queste tre immagini saranno indicate come serie A. Riportare la telecamera alla posizione di ancoraggio.
Partendo dalla posizione di ancoraggio, spostare la telecamera di -0,1 pollici. Acquisire altre tre immagini alle stesse posizioni Z dell'altra serie. Queste immagini costituiranno la serie C.
Poiché la telecamera acquisisce solo l'intensità del campo, l'informazione sulla fase ottica viene persa. Per recuperarla e determinare il campo ottico, utilizzare il metodo numerico dei tre piani. Una volta determinato il campo ottico di ciascuna serie di immagini, utilizzare l'integrale fenal nello spazio libero per retropropagare il campo ottico della serie B fino al piano della lente relativo alla serie A.
Assicurarsi che il campo sia spostato in modo da riflettere la sua posizione rispetto all'asse ottico. Propagare il campo ottico nello spazio libero fino al piano della lente. Ripetere gli stessi passaggi per la serie C al di sotto dell'asse ottico.
Sommare i tre campi per combinarli e aumentare sinteticamente le dimensioni dell'apertura. Infine, propagare il campo risultante nello spazio libero fino al piano dell'immagine. L'oggetto utilizzato nell'esperimento era il target di prova negativo 1951 USAF mostrato qui in un'immagine ad alta risoluzione.
Confrontare questo con l'immagine a bassa risoluzione acquisita nella posizione di ancoraggio sull'asse ottico. Nessuna delle barre di risoluzione è visibile nell'immagine super risolta. Le barre verticali sono visibili fino al terzo elemento a destra.
Poiché l'apertura è stata aumentata solo nella direzione orizzontale X, non vi è alcun miglioramento nella risoluzione delle barre orizzontali. Dopo aver visto questo video, dovresti avere una buona comprensione di come realizzare un sistema passivo di super risoluzione che aumenti sinteticamente l'apertura dell'obiettivo sfruttando il movimento della piattaforma di acquisizione e il calcolo numerico. Sebbene la dimostrazione mostrata sia stata effettuata su un banco ottico, il concetto proposto è realizzabile anche per sistemi di imaging aerei reali.
Visualizza la trascrizione completa e accedi a migliaia di video scientifici
Panoramica
Questo articolo presenta un metodo per superare il limite di diffrazione ottica attraverso un processo in due fasi che prevede il recupero della fase ottica e lo spostamento del sistema di imaging. La tecnica consente un aumento sintetico dell'apertura dell'obiettivo, con conseguente miglioramento della risoluzione dell'immagine.
Componenti Chiave dello Studio
Area della Scienza
- Immagini ottiche
- Tecniche di super risoluzione
- Metodi di recupero di fase
Sfondo
- La diffrazione ottica limita la risoluzione dei sistemi di imaging.
- I metodi tradizionali richiedono spesso configurazioni complesse o un'illuminazione attiva.
- Le tecniche passive possono semplificare il processo di imaging.
- Comprendere il recupero della fase ottica è fondamentale per migliorare la risoluzione.
Scopo dello studio
- Sviluppare un metodo passivo per aumentare l'apertura dell'obiettivo.
- Migliorare la risoluzione dell'immagine senza ricorrere a schemi di codifica complessi.
- Dimostrare la fattibilità della tecnica per applicazioni nel mondo reale.
Metodi Utilizzati
- Acquisire immagini a bassa risoluzione e sfocate durante lo spostamento lungo l'asse ottico.
- Spostare il sistema di imaging perpendicolarmente e acquisire ulteriori immagini sfocate.
- Utilizzare metodi numerici per recuperare le fasi ottiche e combinare le immagini.
- Propagare in spazio libero i campi risultanti per ottenere una super risoluzione.
Risultati principali
- Il metodo proposto aumenta con successo l'apertura effettiva dell'obiettivo.
- Sono state ottenute immagini a risoluzione più elevata rispetto alle acquisizioni a bassa risoluzione.
- Nell'immagine super risolta, le barre verticali di risoluzione erano visibili fino al terzo elemento.
- La tecnica è applicabile ai sistemi di imaging aerei.
Conclusioni
- Il metodo fornisce un approccio innovativo alla super risoluzione passiva.
- Semplifica il processo di imaging migliorandone la risoluzione.
- La tecnica ha potenziali applicazioni in diversi ambiti dell’imaging.
Domande frequenti
Rilevanza Industriale del Progetto
Questa tecnica affronta la sfida del raggiungimento di immagini ad alta risoluzione in ambienti dinamici, in cui i sistemi ottici tradizionali sono limitati dalla diffrazione e dal movimento della piattaforma. Aumentando sinteticamente l'apertura effettiva della lente attraverso il recupero passivo della fase ottica e lo spostamento controllato della piattaforma, il metodo migliora l'affidabilità predittiva nel rilevamento e nella caratterizzazione di bersagli. Supporta i flussi di lavoro per la scoperta precoce consentendo la raccolta di dati di imaging affidabili da piattaforme in movimento, riducendo l'ambiguità meccanicistica nelle applicazioni di sorveglianza e ricognizione.
Applicazioni Strategiche nella Ricerca e Sviluppo in Biopharma
Scoperta Precoce e Validazione del Target
- Valore scientifico: Consente l'analisi di ipotesi spaziali risolvendo dettagli strutturali fini nei campioni sottoposti a imaging.
- Valore operativo: Offre un approccio passivo che evita schemi di illuminazione complessi, semplificando l'allestimento sperimentale.
- Valore predittivo: Aumenta l'affidabilità nell'identificazione del bersaglio grazie a una risoluzione migliorata, senza necessità di codifica attiva.
Sviluppo di screening e saggi
- Valore scientifico: Genera dati quantitativi sul campo ottico adatti per analisi dell'immagine e riconoscimento di pattern successivi.
- Valore operativo: Produce serie di immagini defocate riproducibili che possono essere standardizzate tra diverse sessioni di acquisizione.
- Valore di scalabilità: Consente il riutilizzo della piattaforma sfruttando la sintesi dell'apertura basata sul movimento anziché la modifica dell'hardware.
Ricerca Translazionale e Preclinica
- Valore traslazionale: Mantiene la continuità dalla dimostrazione in laboratorio al potenziale impiego in sistemi aerei.
- Contenimento del rischio: Riduce l'incertezza nella classificazione degli obiettivi migliorando la risoluzione lungo la direzione del movimento.
- Conferma predittiva: Permette decisioni più affidabili di tipo sì/no nei flussi di validazione basati sull'imaging.
Integrazione di Pipeline e Flusso di Lavoro
Il metodo si inserisce nel percorso della scoperta migliorando la prontezza all'imaging durante le prime fasi di verifica delle ipotesi e sostenendo la generazione scalabile di dati per le fasi di identificazione dei composti promettenti.
- Biologia della scoperta: Supporta la verifica delle ipotesi risolvendo caratteristiche sub-diffrazione nelle strutture bersaglio.
- Screening: Fornisce dati d'immagine quantitativi pronti per il saggio attraverso acquisizioni defocalizzate standardizzate e recupero di fase.
- Analisi: Permette il confronto tra campi ottici in diverse condizioni mediante retropropagazione numerica e combinazione dei campi.
- Ricerca traslazionale: Collega la validazione su banco ottico alla fattibilità pratica di immagini aeree.
- Riutilizzo aziendale: Funziona come capacità riutilizzabile di miglioramento delle immagini piuttosto che come protocollo monouso.
Impatto Operativo ed Aziendale
- Valore scientifico: Aumenta la fiducia predittiva nella validazione degli obiettivi grazie al miglioramento della risoluzione limitata dalla diffrazione.
- Valore operativo: Garantisce riproducibilità e standardizzazione mediante acquisizione di immagini passiva basata sul movimento.
- Valore strategico: Riduce i rischi biologici e tecnici nei flussi di lavoro di scoperta dipendenti dall'imaging.
- Impatto sul portafoglio: Supporta la priorizzazione adeguata al rischio migliorando la qualità dei dati per le valutazioni di prosegui/non prosegui.
Considerazioni sull'implementazione
- Richiede competenze in fisica ottica, algoritmi di recupero di fase e sistemi di traslazione di precisione.
- È dipendente da un'illuminazione laser stabile, dall'allineamento del fascio e da un movimento controllato della piattaforma lungo assi ortogonali.
- Necessita di una standardizzazione condivisa tra i gruppi di lavoro per i protocolli di acquisizione delle immagini e le procedure di elaborazione numerica.
- Comporta considerazioni di adattamento nel passaggio da configurazioni ottiche su banco ottico a piattaforme aeree o satellitari.
- È limitato al miglioramento della risoluzione lungo la direzione del movimento dell'apertura sintetica, come dimostrato solo lungo l'asse X.
