Summary
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.
Abstract
Si propone un metodo per aumentare la risoluzione di un oggetto e superare il limite di diffrazione di un sistema ottico installato sopra un sistema di imaging in movimento, ad esempio una piattaforma aerea o satellitare. Il miglioramento risoluzione viene ottenuta in un processo a due fasi. In primo luogo, tre a bassa risoluzione le immagini in modo diverso sfocato vengono catturati e la fase ottica vengono recuperati utilizzando un iterativo algoritmo basato Gerchberg-Saxton migliorata. Il recupero fase permette di propagare numericamente indietro il campo per il piano di apertura. In secondo luogo, il sistema di imaging viene spostata e il primo passo è ripetuto. I campi ottici ottenuti in corrispondenza del piano del diaframma vengono combinati e un sinteticamente maggiore apertura dell'obiettivo è generata lungo la direzione di movimento, producendo risoluzione di immagini superiore. Il metodo assomiglia un approccio noto dal regime microonde chiamato il radar ad apertura sintetica (SAR), in cui le dimensioni dell'antenna viene aumentata sinteticamente lungo la piattaformadirezione di propagazione. Il metodo proposto è dimostrato attraverso esperimenti di laboratorio.
Introduction
In immagini radar, un fascio stretto angolo di impulsi a radiofrequenza (RF) sono trasmessi usando un'antenna che è montato su una piattaforma. Il segnale radar trasmette in senso lato guardando verso la superficie 1,2. Il segnale riflesso viene retrodiffusa dalla superficie ed è ricevuto dalla stessa antenna 2. I segnali ricevuti vengono convertiti in un'immagine radar. In reale Aperture Radar (RAR) la risoluzione nella direzione azimutale è proporzionale alla lunghezza d'onda e inversamente proporzionale alla dimensione dell'apertura 3. Così, una grande antenna è necessaria per la risoluzione azimutale superiore. Tuttavia, è difficile attaccare grande antenna a una piattaforme mobili come aerei e satelliti. Nel 1951 Wiley 4 proposto una nuova tecnica chiamata radar radar ad apertura sintetica (SAR), che utilizza l'effetto Doppler creata dal movimento della piattaforma di imaging. In SAR, l'ampiezza e la fase del segnale ricevuto vengono registrate 5 6 e la fase viene registrata utilizzando un risonatore locale di riferimento installato sopra la piattaforma. In imaging ottico, vengono utilizzati lunghezze d'onda più corte, come visibile e infrarosso vicino (NIR), che è di circa 1 micron, ossia la frequenza di circa 10 Hz. 14. L'intensità di campo, piuttosto che il campo stesso, viene rilevato dalle barriere poiché le variazioni di fase ottica troppo veloci per rivelazione utilizzando rivelatori al silicio standard.
Mentre l'imaging un oggetto attraverso un sistema ottico, l'apertura delle ottiche funge da filtro passa-basso. Pertanto, le informazioni spaziali ad alta frequenza dell'oggetto è perso 7. In questo articolo ci proponiamo di risolvere ciascuno dei temi di cui sopra separatamente, cioè alla fase perso e l'effetto limite di diffrazione.
Gerchberg e Saxton (GS) 8 suggerito che la fase ottica può essere retrieved utilizzando un processo iterativo. Misell 9-11 ha esteso l'algoritmo per ogni due piani di ingresso e uscita. Questi approcci hanno dimostrato di convergere ad una distribuzione di fase con un minimo errore quadratico medio (MSE) 12,13. Gur e Zalevsky 14 hanno presentato un metodo a tre piani che migliora l'algoritmo Misell.
Proponiamo e dimostrare sperimentalmente che il ripristino della fase mentre spostando la lente di imaging, come fatto con l'antenna in applicazione SAR ci permette di aumentare sinteticamente la dimensione effettiva del diaframma lungo l'asse di scansione e, infine, migliorare la risoluzione delle immagini comportato.
L'applicazione di SAR in imaging ottico utilizza l'interferometria e olografia è ben noto 16,17. Tuttavia, il metodo proposto si rivolge per mimare una piattaforma di imaging scansione, che lo rende adatto per l'imaging non coerente (come piattaforma aerea lato cercando). Così, il concetto di olografia, which utilizza un fascio di riferimento, non è adatto per una tale applicazione. Invece, l'algoritmo Gerchberg-Saxton revisionato viene utilizzato al fine di recuperare la fase.
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Protocol
1. Impostazione di allineamento
- Inizia di circa allineando il laser, il fascio expender, la lente, e la fotocamera sullo stesso asse, e questo sarà all'asse ottico.
- Accendere il laser (senza bersaglio USAT), e assicurarsi che la luce passa attraverso il centro della lente. Utilizzare un'apertura del diaframma di verificare.
- Accendere la fotocamera e accertarsi che la luce si concentra sul centro della fotocamera.
- Spostare indietro la fotocamera, utilizzando la fase di z lineare. Dato che il sistema sta andando fuori fuoco, la macchia di luce crescerà. Assicurarsi che il centro della macchia rimane nella stessa posizione laterale. In caso contrario, cambiare accuratamente la posizione del sistema di imaging e ripetere l'operazione fino a quando il punto rimane nella stessa posizione spaziale, fino a un livello di pixel.
2. Imaging al Tre aerei di sfocatura
- Inserire il target di test davanti alla expender fascio. Posizionare il bersaglio in modo che la luce che passa attraverso passerà thruvida centro della lente.
- Catturare un'immagine. Questa immagine sarà un punto di ancoraggio, e la sua posizione sarà z 0, x 0 (tutte le altre immagini saranno in riferimento alla sua posizione). L'immagine sarà I 1, b.
- Spostare indietro la fotocamera (con la fase z lineare) una distanza di dz = 5,08 mm (0,2 in) e catturare un'immagine. L'immagine sarà I 2, b.
- Spostare indietro la fotocamera un'altra distanza di dz = 5,08 millimetri (10,16 millimetri rispetto alla z 0) e catturare un'immagine. L'immagine sarà I 3, b.
- Torna alla z 0.
3. Scansione del diaframma
- Spostare l'intero sistema di imaging lateralmente (usando l'x fase lineare) una distanza di dx = 2,5 mm ed acquisire un'immagine. Questa immagine sarà I 1, a.
- Ripetere il processo nel protocollo 2. Spostare indietro la fotocamera (usando la fase lineare z) una distanza di dz = 5,08 mm, e catturare un'immagine (I 2, a). Spostare indietro the un'altra fotocamera a distanza di dz = 5,08 mm, e catturare un'immagine (I 3, a).
- Ora, ripetere la procedura per l'altro lato. Spostare il sistema di imaging a distanza di dx = -2.5 mm e memorizzare una serie di tre immagini in tre posizioni z (I 1-3, c).
- Torna alla z 0, x 0.
4. Phase Retrieval (Calcolo Numerico)
- Utilizzando il metodo tre piani di 14, e le immagini sono 1-3, b, recuperare la fase ottica dell'immagine I 1, b. Usando la fase che è stato recuperato, definire 1 q, b.
- Monitorare il coefficiente di correlazione tra I 1, b e | 1 q, b | 2, al fine di verificare che il processo iterativo converge. Per fare ciò, utilizzare la funzione 'corr2' in MATLAB.
- Ripetere il processo di recupero di fase per I 1-3, una, e io 1-3, c.
5. Immagine Super Risolto (Calcolo Numerico)
- Ucantare Fresnel spazio propagazione libera (FSP) solidale 15, torna propagare i campi 1 q, ac al piano lente. Questi campi saranno lente Ê, ac +.
- Moltiplicare i campi risultanti lente Ê, ac + da exp (+ πix 0 2) / ÀF), per passare indietro attraverso la lente. Questi campi saranno lente Ê, ac -.
- Per posizionare la lente Ê campo, una nella sua posizione originale, spostare lateralmente una distanza di dx = 2,5 mm.
- Per posizionare la lente Ê campo, c nella sua posizione originale, spostare lateralmente una distanza di dx = -2.5 mm.
- Sommare obiettivo i tre campi Ê, ac, al fine di combinarli, e sinteticamente aumentare la dimensione di apertura.
- Moltiplicare il campo risultante da exp (-πix 0 2) / ÀF), e lo spazio libero propaga al piano dell'immagine.
- Un miglioramento risoluzione di un fattore of 3 nella direzione di scansione deve essere assistito.
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Representative Results
Un esempio per i nove immagini catturate (tre immagini di sfocatura in tre posizioni laterali) è mostrato in Figura 3.
Un esempio per la convergenza GS è mostrato in Figura 4. Il coefficiente di correlazione per l'immagine centrale I 1, b è superiore a 0,95, e il coefficiente di correlazione per le immagini laterali I 1, una, e I 1, c è superiore a 0,85 (in pieno simulazione numerica che tutti passati 0,99).
Un risultato rappresentativo per l'immagine SR è presentato in Figura 5. Nella LR immagine nessuna delle barre di risoluzione è visibile. Tuttavia, l'immagine SR nelle barre orizzontali sono visibili, fino al terzo elemento a destra. Si noti che, poiché il nostro metodo aumenta sinteticamente l'apertura solo nella direzione x (direzione di movimento), non vi è alcun miglioramento delle barre verticali.
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Figura 1. Completa la configurazione laboratorio sperimentale. Il setup laboratorio sperimentale contiene un laser e fascio expander, un target di test USAF, una lente e una apertura, una macchina fotografica, e due tappe lineari. Clicca qui per vedere l'immagine ingrandita .
Figura 2. Il sistema di imaging. Il sistema di imaging posizionato sopra due fasi lineari in movimento, consentendo movimenti precisi in direzione x, z. clic qui t o vedere l'immagine ingrandita.
Figura 3. Laboratorio ha acquisito le immagini a bassa risoluzione. Nine laboratorio ha acquisito le immagini a bassa risoluzione da cui la fase ottica è stato recuperato e l'immagine eccellente risoluzione è stata generata. Immagini I 1, ac sono stati acquisiti in diverse posizioni z in x = x 0 + dx. Allo stesso modo, Images I due, ac sono stati acquisiti in in x = x 0, e Images I 3, ac sono stati acquisiti in in x = x 0 -. Dx Clicca qui per vedere l'immagine ingrandita .
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Figura 4. Risultati coefficiente di correlazione risultati di laboratorio di coefficiente di correlazione tra l'intensità ottenuto. | P 1, ac |. 2 e le immagini originali che uno, ac Clicca qui per vedere l'immagine ingrandita .
Figura 5. Risultati SR. Risultati di laboratorio dopo 100.000 GS iterazioni. Sinistra, l'oggetto originale alta risoluzione. Medio, immagine sfocata bassa risoluzione. A destra, l'immagine eccellente risolto ottenuta. Clicca qui per vedere l'immagine ingrandita .
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Discussion
L'apertura ottica RADAR sintetica concetto (OSAR) che viene presentato in questo documento è un nuovo approccio eccellente deliberato che utilizza l'algoritmo GS e tecnica di scansione per migliorare la risoluzione spaziale di un oggetto nella direzione della scansione. Il movimento della piattaforma di imaging può essere auto-generato durante l'utilizzo di una piattaforma aerea o satellitare. A differenza di molte tecniche multiplazione temporale SR, il nostro metodo non richiede alcuna informazione a priori dell'oggetto, a parte il fatto che esso è fermo durante il processo di imaging. La tecnica proposta è di migliorare la risoluzione di un fattore 3, nella direzione di scansione. Il miglioramento di un fattore 3 è solo un esempio e grande fattore di miglioramento sono anche fattibile. Tuttavia, il miglioramento apertura sintetica è limitata e non può cedere numero F sintetici di meno di 1. Per estendere la SR in 2-D, il processo di scansione deve essere ripetuta nella direzione y. Il conce ottica propostapt assomiglia al miglioramento risoluzione tecnica SAR che viene applicata per il regime a microonde.
Diversi miglioramenti possono essere apportati nella configurazione al fine di facilitarne l'applicazione. Ad esempio, utilizzando beam splitter, tre telecamere possono essere introdotti nella configurazione e catturare simultaneamente le tre immagini sfocate.
Il tempo di esecuzione totale dei risultati presentati, che consisteva di 100.000 iterazioni, e tre posizioni laterali, era ~ 30 hr. Ogni iterazione GS sono voluti circa 0,3 sec. Eseguendo l'algoritmo in un vero e proprio programma tempo e l'ottimizzazione per tale processore può ridurre il tempo di elaborazione per un fattore di circa 100.000. Così, il tempo di elaborazione totale può prendere solo pochi secondi. Inoltre si ricorda che, come si può vedere dalla figura 4, non ha bisogno di 100.000 poiché la convergenza avviene già dopo 10.000 iterazioni.
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Disclosures
Non c'è nulla da rivelare.
Acknowledgments
Nessuno
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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