이동 플랫폼에서 이미징 시간 다중화 슈퍼 해결 기법

본 절차의 전반적인 목표는 스캐닝 이미징 플랫폼의 렌즈 조리개 값을 인위적으로 높이는 것입니다. 이는 먼저 시스템의 광축을 따라 이동하며 대상의 서로 다른 디포커싱 상태를 가진 저해상도 이미지 3장을 캡처함으로써 수행됩니다. 두 번째 단계에서는 이미징 시스템 전체를 수직 방향으로 이동시킨 후, 대상의 디포커싱 이미지 3장을 다시 촬영합니다.

다음으로, 이미징 시스템을 광축의 반대편으로 이동시켜 타겟의 디포커스 이미지를 세 장 더 캡처합니다. 마지막 단계는 광학 위상을 수치적으로 복원하여 광학장(optical fields)을 결정한 다음, 이를 적절히 결합하여 초고해상도 이미지를 얻는 것입니다. 결과적으로 이동 방향을 따라 합성적으로 확장된 렌즈 구경이 생성되어 더 높은 이미징 해상도를 구현하게 됩니다.

제안된 기술이 다른 시간 다중화 초해상도 접근 방식보다 갖는 주요 장점은 본 기술이 수동적이라는 점이며, 따라서 초해상도 이미지를 얻기 위해 나중에 사용되지 않는 인코딩 패턴의 투사가 필요하지 않다는 것입니다. 이 실험은 보통 상대적인 암실 상태에서 수행됩니다. 하지만 프로토콜을 더 잘 시각화하기 위해 일부 영상은 조명을 켠 상태에서 촬영되었습니다. 레이저 빔 확장 렌즈와 카메라를 동일한 광축상에 대략적으로 정렬하는 것으로 설정을 시작하십시오. 렌즈와 카메라 모두를 이동 스테이지에 장착하여 광축에 수직인 미세한 움직임이 가능하도록 하십시오.

추가적으로, 광축과 평행하게 미세하게 이동시킬 수 있도록 카메라를 이동 스테이지(translation stage)에 장착하십시오. 레이저를 켜고 조리개(aperture iris)를 사용하여 빛이 렌즈의 중심을 통과하는지 확인하십시오. 그다음, 카메라를 켜고 선형 Z 스테이지(linear Z stage)를 사용하여 레이저 빔의 정렬 상태를 점검하십시오.

정렬이 완료되면, 디포커싱 시 카메라는 스폿의 크기만 변화시킬 뿐 스폿의 측면 이동을 유발하지 않습니다. 정렬이 완료된 후, 빔 확장기 앞에 US Air Force 테스트 타겟을 삽입하십시오. 빛이 타겟을 통과하여 렌즈의 중심을 지나도록 타겟을 배치하십시오.

선형 Z 스테이지를 사용하여 타겟의 초점을 맞춥니다. 카메라의 이 초기 xz 위치가 기준점이 됩니다. 초점이 맞으면 0.1 inch 정사각형 조리개를 삽입하고 타겟의 첫 번째 이미지를 캡처합니다.

이제 선형 Z 스테이지를 조절합니다. 이를 사용하여 카메라를 표적에서 0.2 inches만큼 이동시킵니다. 표적의 두 번째 이미지를 캡처한 후, 카메라를 다시 0.2 inches만큼 멀리 이동시킵니다.

세 번째 이미지를 촬영합니다. 이 세 장의 이미지는 B 시리즈로 지칭됩니다. 다음 단계로 진행하기 전에 카메라를 원래의 고정 위치로 되돌립니다.

앵커 위치로 복귀한 후, 선형 X 스테이지 이동을 시작하십시오. 전체 이미징 시스템을 양의 방향으로 0.1 inches만큼 가로로 이동시킵니다. 이제 이미징 시스템이 레이저 빔의 중심에서 벗어나게 됩니다.

이 위치에서 대상의 이미지를 캡처하십시오. Z 스테이지를 조정하여 카메라를 대상으로부터 0.2 inches 멀어지게 이동시킵니다. 이미지를 캡처한 후, 다시 0.2 inches 뒤로 이동시키십시오.

타겟의 세 번째 이미지를 촬영합니다. 이 세 장의 이미지는 A 시리즈로 지칭됩니다. 카메라를 앵커 위치로 되돌립니다.

기준 위치에서 카메라를 -0.1인치 이동시킵니다. 다른 시리즈와 동일한 Z 위치에서 이미지를 3장 더 촬영합니다. 이 이미지들이 C 시리즈가 됩니다.

카메라는 전계 강도만을 캡처하므로 광학 위상 정보가 소실됩니다. 이를 복원하고 광학 전계를 찾기 위해 수치적 3평면법(numerical three planes method)을 사용하십시오. 각 이미지 시리즈의 광학 전계를 찾은 후, 페이잘 자유 공간 적분(phenal free space integral)을 사용하여 B 시리즈의 광학 전계를 A 시리즈의 렌즈 평면으로 역전파하십시오.

광축에 대한 상대적 위치가 반영되도록 필드를 이동시키십시오. 렌즈 평면까지 광학 필드를 자유 공간 전파시키십시오. 광축 아래에 있는 C 시리즈에 대해서도 동일한 단계를 반복하십시오.

세 개의 필드를 합산하여 결합함으로써 합성적으로 개구수 크기를 증가시킵니다. 마지막으로, 결과 필드를 이미지 평면으로 자유 공간 전파시킵니다. 실험에 사용된 타겟은 여기 고해상도 이미지에 표시된 음각 1951 USAF 테스트 타겟입니다.

이를 광축의 앵커 위치에서 촬영한 저해상도 이미지와 비교하십시오. 초고해상도 이미지에서는 해상도 바가 전혀 보이지 않습니다. 수직 바는 오른쪽의 세 번째 요소까지 보입니다.

구경이 수평 방향 X로만 증가했기 때문에 수평 막대의 해상도는 개선되지 않았습니다. 이 영상을 시청하신 후에는 촬영 플랫폼의 움직임과 수치 계산을 이용하여 렌즈 구경을 합성적으로 증가시키는 수동 초해상도 시스템의 작동 원리를 충분히 이해하시게 될 것입니다. 시연은 광학 벤치에서 이루어졌으나, 제안된 개념은 실제 항공 촬영 시스템에서도 구현 가능합니다.