Summary
광 회절 한계를 극복하기위한 방법이 제시된다. 광학 반복 Gerchberg - 스턴 알고리즘을 이용하여 위상 검색 및 첫 번째 단계의 반복 하였다 이미징 시스템 변속 : 상기 방법은 두 단계를 포함한다. 합성 증가 렌즈 구경보다 높은 이미징 해상도를 수득 이동 방향을 따라 발생한다.
Abstract
우리는 객체의 해상도를 증가 등 공수 플랫폼이나 위성 방송과 같은 움직이는 이미징 시스템의 상부에 설치된 광학계의 회절 한계를 극복하기위한 방법을 제안한다. 해상도 개선은 두 단계 과정에서 얻어진다. 첫째, 세 가지 해상도가 낮은 다른 defocused 표시 이미지가 캡처되는 광 단계는 개선 된 반복 Gerchberg-스턴 기반의 알고리즘을 사용하여 검색됩니다. 위상 검색이 수치 다시 조리개 비행기에 필드를 전파 할 수 있습니다. 둘째, 영상 시스템은 시프트되고 첫 번째 단계는 반복된다. 조리개 평면에서 얻어진 광학 필드가 결합되어 합성 증가 렌즈 구경보다 높은 이미징 해상도를 수득 이동 방향을 따라 발생한다. 상기 방법은 마이크로파 정권에서 잘 알려진 방법은 안테나의 크기는 합성 플랫폼을 따라 증가되는 합성 개구 레이더 (SAR)이라는 유사한전파 방향. 제안 된 방법은 실험실 실험을 통해 입증된다.
Introduction
레이더 이미징, 펄스 무선 주파수 (RF)의 협각 빔은 플랫폼 상에 장착되는 안테나를 사용하여 전송된다. 레이더 신호는 표면 1,2 향해 측방 방향으로 전송한다. 반사 된 신호는 표면으로부터 후방 산란되고, 동일한 안테나 (2)에 의해 수신된다. 수신 된 신호는 레이더 이미지로 변환됩니다. 레알 개구 레이더 (RAR)에 방위각 방향의 해상도는 조리개 차원 내지 3 파장에 비례하고 반비례한다. 따라서, 더 큰 안테나는 높은 방위 확인을 위해 필요합니다. 그러나, 이러한 비행기와 위성 등 이동 플랫폼으로 큰 안테나를 부착하는 것이 곤란하다. 1951 와일리 4 이미징 플랫폼의 움직임에 의해 생성 된 도플러 효과를 사용한다 (SAR) 합성 개구 레이더라는 새로운 레이더 기술을 제안했다. SAR에서 진폭뿐만 아니라 수신 된 신호의 위상은 5 기록된다 6 단계가 플랫폼 위에 설치 기준 지역 공진기를 사용하여 기록하기 때문에이 가능합니다. 광학 영상에서 짧은 파장은 가시로 사용되는 약 1 μm의 인 근적외선 (NIR), 약 10 ~ 14 Hz 인 즉, 주파수. 전계 강도보다는 필드 자체는, 표준 실리콘 기반 검출기를 사용하여 검출 용 너무 빠른 광학 위상 변화 이후 검출되고있다.
광학계를 통해 물체를 이미징하는 동안, 광학 조리개는 저역 통과 필터로서 기능한다. 따라서, 개체의 고주파 공간 정보 (7)를 분실한다. 본 논문에서는 위상이 손실 및 회절 한계 효과 즉, 개별적으로 위에서 언급 한 문제를 각각 해결하는 것을 목표로하고 있습니다.
Gerchberg와 스턴 (GS)는 8은 광 위상 retrie 될 수 있다는 것을 제안반복적 인 프로세스를 사용 VED. Misell 9-11은 두 개의 입력 및 출력 플레인에 대한 알고리즘을 확장했다. 이러한 접근 방식은 최소 평균 제곱 오차 (MSE) 12, 13와 위상 분포에 수렴 입증된다. GUR 및 Zalevsky 14 Misell 알고리즘을 개선하는 세 가지 평면 방법을 제시했다.
우리는 SAR 애플리케이션에서의 안테나로 이루어 같이, 촬상 렌즈를 이동하면서 위상을 복원해도주세요 합성 스캐닝 축을 따라 개구의 유효 크기를 증가시키고, 결국 결과 영상의 해상도를 향상시킬 수 있음을 제안하고 실험적으로 입증.
간섭과 홀로그래피를 사용하여 광학 이미징 SAR의 응용 프로그램은 16, 17 잘 알려져있다. 그러나, 제안 된 방법 (예 : 측방 공중 플랫폼으로) 비코 히어 런트 이미지에 적합하고, 스캔 이미징 플랫폼을 흉내을 목적으로하고 있습니다. 따라서, 홀로그래피의 개념, WHI채널은, 기준 빔을 사용하여 이러한 애플리케이션에 적합하지 않다. 대신, 개정 Gerchberg-스턴 알고리즘은 위상을 검색하기 위해 사용됩니다.
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Protocol
1. 설치 정렬
- 대략 동일 축 상에 레이저 빔 expender, 렌즈 및 카메라를 정렬하여 시작, 이것은 광축 것이다.
- (USAT 대상 제외) 레이저를 켜고 빛이 렌즈의 중심을 통과해야합니다. 확인 구경 조리개를 사용합니다.
- 카메라의 전원을 켜고, 그리고 빛이 카메라의 중심에 초점을 맞추고 있는지 확인하십시오.
- 선형 Z 스테이지를 사용하여, 백 카메라 시프트. 시스템의 초점이 맞지 것입니다 때문에, 빛의 반점은 성장할 것이다. 그 자리의 중심이 같은 측면 위치에 남아 있는지 확인합니다. 그렇지 않다면, 정중 이미징 시스템의 위치를 변경하고 스폿이 화소 레벨까지, 동일한 공간 위치에 유지 될 때까지이 과정을 반복한다.
2. 세 디 포커스 비행기에서 영상
- 빔 expender 앞의 테스트 대상을 삽입합니다. 그것을 통과하는 빛이 일을 통과 할 수 있도록 대상을 놓고렌즈의 거친 중앙.
- 이미지를 캡처합니다. 이 이미지는 앵커 포인트가 될 것이며, 그 위치가 Z 0이됩니다, X 0 (다른 모든 이미지의 위치를 참조 할 것). 이 이미지는 I 1, B가됩니다.
- (선형 Z의 단계를 사용하여) DZ = 5.08 mm (또는 0.2)의 거리를 카메라를 뒤로 이동하고 이미지를 캡처합니다. 이 이미지는 I 2, B가됩니다.
- 카메라에게 DZ = 5.08 mm의 또 다른 거리 (Z 0을 기준으로 10.16 mm)를 다시 이동하고 이미지를 캡처합니다. 이 이미지는 I 3, B가됩니다.
- 다시 Z 0으로 이동합니다.
3. 조리개를 스캔
- (선형 X 스테이지를 사용하는) 측방 DX = 2.5 mm의 거리를 전체 이미징 시스템을 이동 및 이미지를 캡처. 이 이미지는 I 1이됩니다.
- 프로토콜 2의 과정을 반복합니다. (선형 Z 스테이지를 사용하는) 카메라 DZ = 5.08 mm의 거리를 확대 시프트, 및 이미지를 캡처 (I 2). 일을 뒤로 이동전자 카메라 DZ = 5.08 mm의 다른 거리 및 이미지를 캡처 (I 03).
- 이제, 다른 쪽의 절차를 반복합니다. 이미징 시스템에게 DX = -2.5 mm의 거리를 이동하고 세 Z 위치에 세 이미지의 집합을 캡처 (I 1-3 C).
- Z 0, X 0으로 돌아갑니다.
4. 위상 불러 오기 (수치 계산)
- 세 개의 평면 방법 (14), 및 이미지 I 1-3, B를 사용하여, 나는 1, B. 검색 한 단계를 사용하여, B, Q 1을 정의하는 이미지의 광학 위상을 검색 할 수 있습니다.
- 반복 프로세스가 수렴 않는지 확인하기 위해 2, | Q 1, B | I 1, B 사이의 상관 계수를 모니터링한다. 이렇게하려면, MATLAB의 'corr2'기능을 사용합니다.
- I 1-3, 그리고 1-3, C의 위상 검색 과정을 반복합니다.
5. 슈퍼 해결 이미지 (수치 계산)
- 유통합 15, 다시 렌즈면에 필드에게 Q 1, 교류를 전파 프레 넬 자유 공간 전파 (FSP)을 노래. 이 필드는 Ê 렌즈, 교류 +됩니다.
- 다시 렌즈를 통해 전달하기 위해, 특급 (+ πix 0 2) / λf)에 의해 생성 된 필드에게 전자 렌즈, 교류 +를 곱합니다. -이 필드는 Ê 렌즈, 교류 될 것입니다.
- 필드 Ê 렌즈를 배치하기 위해, 원래 위치에서 측 방향 DX = 2.5 mm의 거리를 이동.
- 측 방향 DX = -2.5 mm의 거리를 이동하여, 원래의 위치 C에서, 전계 Ê 렌즈를 배치하기 위하여.
- 그들을 결합하고, 합성 개구 크기를 증가시키기 위해 세 개의 필드 렌즈 Ê, AC를 화.
- (-πix 0 2) / λf) 전문가에 의해 생성 된 필드를 곱하면, 여유 공간은 이미지 평면에 전파.
- 인자 O에 의해 해상도 향상주사 방향의 F 3 목격한다.
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Representative Results
아홉 촬영 된 이미지 (세 가지 측면 위치에있는 세 개의 디 포커스 이미지)에 대한 예는 그림 3에서 볼 수 있습니다.
GS 컨버전스 대한 예가도 4에 도시된다. 나는 1 중앙 이미지의 상관 계수는, B는 0.95 이상이고, 사이드 이미지 I 1의 상관 계수,, 그리고 1, C는 (그들 모두가 0.99를 통과 전체 수치 시뮬레이션에) 0.85 이상입니다.
SR 이미지에 대한 대표적인 결과는 그림 5에 표시됩니다. 해상도 바의 LR 이미지 없음에 볼 수 있습니다. 그러나, SR 콘텐츠에 수평 바는 오른쪽으로 세 번째 요소까지 볼 수 있습니다. 우리의 방법은 합성 적으로 만 X 방향 (이동 방향)으로 조리개를 증가하기 때문에, 세로줄의 개선이 보이지 않을 것을 주목하라.
1 "FO : 콘텐츠 너비 =" "FO : SRC ="5 인치 / files/ftp_upload/51148/51148fig1highres.jpg "SRC ="/ files/ftp_upload/51148/51148fig1.jpg "폭 ="600PX "/>
그림 1. 전체 실험 실험실 설치. 실험 실험실 설치가 레이저 빔 확장기, USAF 테스트 대상 렌즈와 조리개, 카메라, 및 2 개의 선형 단계가 포함되어 있습니다. 더 큰 이미지를 보려면 여기를 클릭하십시오 .
그림 2. 이미징 시스템. 이미징 시스템은 X의 정확한 움직임을 허용이 움직이는 선형 스테이지의 상부에 위치, Z 방향. 여기 t O 큰 이미지를 볼 수 있습니다.
그림 3. 연구소는 낮은 해상도의 이미지를 인수했다. 나인 실험실 광 위상을 검색하고, 최고 해상도의 이미지가 생성되는 낮은 해상도의 이미지를 인수했다. 이미지 I 1, AC는 X = X 0 + DX 다른 Z 위치에 인수되었다. 마찬가지로, 이미지 I 2, AC는 X = X 0에서 취득한 및 이미지 I 3, AC는 X = X 0에있는 인수했다 -. DX는 큰 이미지를 보려면 여기를 클릭하십시오 .
PG "SRC ="/ files/ftp_upload/51148/51148fig4.jpg "폭 ="600PX "/>
그림 4. 상관 계수 결과 얻어진 강도 사이의 상관 계수 실험 결과 |. P 1, AC |. 2의 원래 이미지 I 1, 교류는 큰 이미지를 보려면 여기를 클릭하십시오 .
그림 5. SR 결과. 실험 결과 100,000 GS 반복 후. 왼쪽, 원래의 높은 해상도 개체입니다. 중동, 흐린 낮은 해상도 이미지입니다. 오른쪽, 얻어진 슈퍼 해결 이미지. 더 큰 이미지를 보려면 여기를 클릭하십시오 .
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Discussion
이 논문에 제시되어 광 합성 개구 레이더 (OSAR) 개념은 스캔 방향 객체의 공간 해상도를 향상시키기 위해서 GS 알고리즘 및 스캐닝 기술을 사용하는 새로운 수퍼 해결 방법이다. 이미징 플랫폼의 이동은 자체 생성 된 공기 또는 위성 플랫폼을 사용하는 동안이 될 수 있습니다. 많은 시간 다중화 SR 기술과는 달리, 우리의 방법은 화상 형성 공정 동안 정지한다는 사실 이외의 다른 개체의 어떠한 선험적 인 정보를 필요로하지 않는다. 제안 된 기술은 주사 방향으로 3 배만큼 해상도 개선이다. (3)의 요인에 의한 개선은 단지 예이며, 더 큰 개선 인자도 가능하다. 그러나, 합성 개구 개선은 제한되고 1 미만인 합성 F 번호를 얻을 수 없다. 2-D로 SR을 연장하기 위해, 스캐닝 프로세스는 y 방향으로 반복되어야한다. 제안 된 광 concePT는 마이크로파 체제에 적용되는 해상도 개선 SAR 기법을 닮는다.
몇몇 개선이 더 적용하게하기 위해 셋업에서 만들어 질 수있다. 예를 들어, 빔 스플리터를 사용하여, 세 개의 카메라 설치에 도입하고 동시에 세 defocused 표시 이미지를 캡처 할 수있다.
10 만 반복하고, 세 가지 측면의 위치로 구성 제시된 결과의 총 실행 시간은 ~ 30 시간이었다. 각 GS의 반복은 약 0.3 초 걸렸다. 실시간 프로그램의 알고리즘을 실행하고 이러한 프로세서는 약 100,000의 인자에 의해 처리 시간을 줄일 수 위해 최적화. 따라서, 전체 처리 시간은 단 몇 초 정도 걸릴 수 있습니다. 또한 컨버전스는 이미 후 10,000 반복을 발생하기 때문에 그림 4에서 볼 수있는 바와 같이, 하나는 10를 필요로하지 않을 수 있음을 양해 해 주시기 바랍니다.
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Disclosures
공개 아무것도 없다.
Acknowledgments
없음
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Red Laser Module | Thorlabs | LDM635 | |
| 10X Galilean Beam Expander | Thorlabs | BE10M-A | |
| Negative 1951 USAF Test Target | Thorlabs | R3L3S1N | |
| Filter holder for 2 in Square Filters | Thorlabs | FH2 | |
| 1 in Linear Translation Stage | Thorlabs | PT1 | 2x |
| Lens Mount for Ø1 in Optics | Thorlabs | LMR1 | |
| Lens f = 100.0 mm | Thorlabs | AC254-100-A | |
| Graduated Ring-Activated Iris Diaphragm | Thorlabs | SM1D12C | |
| 2.5 mm x 2.5 mm Aperture Ø1 in | Indoor production | ||
| High Resolution CMOS Camera | Thorlabs | DCC1545M |
References
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