可動プラットホームからの撮像のための時間多重超解像技術

本手順の全体的な目的は、走査型イメージングプラットフォームのレンズ開口数を合成的に増大させることです。これはまず、システムの光軸に沿って移動しながら、ターゲットの異なる脱焦点状態で3枚の低解像度画像を撮影することで達成されます。第2のステップとして、イメージングシステム全体を垂直方向に移動させ、その後、ターゲットの脱焦点画像を3枚撮影します。

次に、イメージングシステムを光軸の反対側に移動させ、ターゲットのデフォーカス像をさらに3枚撮影します。最終ステップとして、光学位相を数値的に復元して光電場を決定し、それらを適切に合成することで超解像画像を得ます。最終的に、移動方向に沿って合成的に拡大されたレンズ開口が生成され、より高いイメージング解像度が得られます。

提案された手法の、他の時間多重化超解像アプローチに対する主な利点は、本手法がパッシブであるため、超解像画像を得る際に後で不要となるエンコーディングパターンの投影を必要としない点にあります。この実験は通常、相対的な暗所で実施されます。ただし、プロトコルをより分かりやすく視覚化するため、一部のビデオは点灯状態で撮影しています。まず、レーザービーム拡大レンズとカメラをおおよそ同じ光軸上に揃えてセットアップを開始してください。レンズとカメラの両方を翻訳ステージに取り付け、光軸に対して垂直方向に微調整できるようにします。

さらに、光軸に平行に微小移動させるため、カメラを移動ステージに取り付けます。レーザーを点灯し、絞り（アイリス）を使用して、光がレンズの中心を通過していることを確認します。次に、カメラを起動し、リニアZステージを用いてレーザービームのアライメントを確認します。

アライメントが適切に行われていれば、デフォーカスさせてもスポットのサイズが変化するだけで、スポットの横方向へのずれは生じません。アライメント完了後、ビームエキスパンダーの前方にUS Air Forceテストターゲットを挿入します。ターゲットを、そこを通過した光がレンズの中心を通るように配置してください。

リニアZステージを使用して、ターゲットに焦点を合わせます。この時のカメラの初期xz位置が基準点となります。合焦後、0.1インチ四方の絞りを挿入し、ターゲットの最初の画像を撮影します。

次に、リニアZステージを調整します。これを使用して、カメラをターゲットから0.2 inches遠ざけます。ターゲットの2枚目の画像を撮影し、さらにカメラを0.2 inches遠ざけます。

3枚目の画像を取得します。これら3枚の画像をBシリーズと呼びます。次に進む前に、カメラを元の固定位置に戻してください。

アンカーポジションに戻った後、リニアXステージのシフトを開始します。イメージングシステム全体を、正の方向に0.1 inchesだけ横方向に移動させます。これにより、イメージングシステムがレーザービームの中心から外れた状態になります。

この位置からターゲットの画像を撮影します。Zステージを調整して、カメラをターゲットから0.2 inches遠ざけます。画像を撮影し、その後、さらに0.2 inches戻します。

ターゲットの3枚目の画像を撮影します。これら3枚の画像はAシリーズと呼ばれます。カメラをアンカー位置に戻します。

アンカー位置から開始し、カメラをマイナス0.1インチ移動させます。他のシリーズと同じZ位置でさらに3枚の画像を撮影します。これらの画像がCシリーズとなります。

カメラは電場の強度のみを捉えるため、光学的な位相情報は失われます。これを復元して光電場を求めるために、数値的な3平面法を用います。各画像シリーズの光電場が求められたら、フェーズフリー空間積分を用いて、Bシリーズの光電場をAシリーズのレンズ平面まで逆伝播させます。

光軸に対する位置を反映させるため、フィールドが適切にシフトしていることを確認してください。光場をレンズ面まで自由空間伝搬させます。光軸下のCシリーズについても、同様の手順を繰り返します。

3つの電場を合算して組み合わせ、合成的に開口数を拡大します。最後に、得られた電場を像平面まで自由空間伝搬させます。実験に使用したターゲットは、こちらの高解像度画像に示されている1951年 USAF ネガテストターゲットです。

これを、光軸上のアンカー位置で撮影した低解像度画像と比較してください。超解像画像では、解像度バーはどれも視認できません。一方、低解像度画像では、右側の3番目の要素まで垂直バーが視認できます。

開口部は水平方向Xにのみ拡大されたため、水平バーの分解能は向上していません。このビデオを視聴することで、撮像プラットフォームの移動と数値計算を用いてレンズ開口数を合成的に拡大させる、パッシブ超解像システムの仕組みについて十分に理解できたはずです。今回示したデモンストレーションは光学ベンチ上で行われましたが、提案したコンセプトは実際の航空撮像システムにおいても実現可能です。