应用于超分辨率成像的光束偏移器BSW-20

时间：2024-09-11 来源：新特光电访问量：1135

引言

任何成像系统的分辨率最终都会受到像素大小的限制。克服分辨率限制的常用方法是像素移动，有时也称为超分辨率。某些型号的相机采用像素移动方法，在连续拍摄的图像之间，图像传感器每次移动一个像素。由于组合图像中的每个像素都带有必要的色彩和亮度信息，因此通过组合图像，可以生成具有亚像素分辨率的单一图像。

Optotune 的光束偏移器不是物理移动传感器，而是偏移照射到传感器上的光线。这是通过精确地倾斜玻璃窗来实现的，横向平移了进入的光束，从而降低了噪点，实现了超越像素极限的超分辨率成像。移光器 BSW-20 具有 20 x 20 平方毫米的大光圈，适用于各种成像和投影应用。它不仅可用于去毛刺、避免彩色相机的插值和显示检测，还可用于光纤耦合、3D 打印和计量等非成像应用。此外，BSW-20 还可在没有更小像素或更大传感器或传感器过于昂贵的应用中发挥优势。

主要特点

快速转换时间（~1 毫秒）
可靠性高，适合连续运行
角位置精度高（通常为 ±5）
无轴承设计 - 不产生颗粒、无磨损、无摩擦
支持高达 4.8 μm 的光束偏移

工作原理

BSW-20 通过横向移动入射光束来工作。移动是通过倾斜平面玻璃窗来实现的，光束从玻璃窗中穿过。倾斜角θ与光束位移∆y之间的关系如图 1 所示。这里，t表示玻璃窗的厚度，n表示折射率。

BSW-20工作原理

1：BSW-20光束偏移器工作原理。将玻璃窗倾斜角θ会导致横向光束偏移Δy对于小角度， Δy的表达式可以简化。

光束偏移是提高分辨率的一种手段

BSW-20 可以沿两个轴向倾斜玻璃窗，以达到四个不同的位置，即所谓的 4 位置 (4P) 光束偏移。其原理如图 2 所示。因此，每个像素可投射到四个位置，从而将分辨率提高四倍（每个横向方向的分辨率最多可提高两倍）。请注意，即使进行了光束移动，分辨率最终也会受到衍射极限的限制。驱动模式可以是任意形状，不限于正方形，也可以是位置较少或较多的模式。

图 2：4 位 (4P) 光束偏移。每个像素分别投射到 A、B、C 和 D 四个位置，使原始分辨率提高了四倍。最右边的图片显示了反射激光束的效果，正方形的四个角分别对应 BSW-20 的四个位置。

在彩色成像中，通常使用拜耳滤色片阵列来创建图像。在这种阵列中，每个像素都经过过滤，只能记录三种颜色中的一种。全彩色图像是在去分色或去马赛克后得到的，在去分色或去马赛克的过程中，每个像素都要插值一组红、绿、蓝三色的值。最简单的方法是平均每个像素的近邻值。这种方法在色彩渐变平滑或色彩恒定的区域效果很好，但在图像边缘、小范围细节和色彩变化突然的区域会产生伪影。

光束偏移是克服这一问题和避免彩色图像出现伪影的直接方法。图 3 展示了如何通过 BSW-20 进行三次光束偏移，使每个像素最终携带完整的色彩信息。这样，通过处理来自四个连续图像的信息，就可以重建数字图像，而不会产生与插值有关的伪影。

图 3：彩色成像。在没有光束偏移的情况下（上图），最终图像依赖于每个颜色通道的插值。使用光束偏移（下图）时，每个像素都包含完整的色彩数据，最终图像的获得无需依赖插值。

应用实例：超分辨率成像

设置

为了可视化 BSW-20 带来的分辨率提升，可使用图 4 所示的设置。BSW-20 由 Optotune 的ICC-4C-2000 控制器控制；可索取包含 BSW-20、ICC-4C-2000、适配器板和必要电缆的开发套件。

为了防止杂散光影响测量，我们使用定制的 3D 打印支架将 BSW-20 固定在相机和物镜之间。有关该解决方案的详细 CAD 图纸（见图 5 和图 6），可应要求提供。物镜为 35 mm焦距镜头（Kowa LM35HC-OPT，C型安装，31.5 x 61.5 mm，建议像素尺寸 5.0 μm）。使用背照式 1951 年 USAF分辨率测试目标来说明分辨率的变化。

图 4：安装组件，BSW-20 位于相机和物镜之间。一个USAF目标用于显示分辨率的变化。

图 5 显示了使用定制支架将相机、BSW-20 和物镜组装在一起的过程。图 6 展示了三个 3D 打印部件。设计文件可应要求提供。

图 5：带有摄像头、BSW-20 和物镜的组件 CAD 模型。

图 6：用于将相机、BSW-20 和物镜安装在一起的定制部件。详细设计文件可应要求提供。

在成像应用中使用 BSW-20 时，一个重要的设计考虑因素是，光束偏移器的加入会增加最靠近传感器的镜头的有效后焦距。增加的原因是 BSW-20 对以一定角度射入的光线施加了光束偏移。图 7 显示，位于透镜后焦距f处的传感器需要向后移动Δf的距离，以适应 BSW-20 和相关的离轴光线光束偏移。对于带有 2 mm厚 B270（皇冠玻璃）窗口的 BSW-20，后焦距的增加相当于 0.7 mm。

图 7：在光束路径中插入透明窗口后，后焦距增加。后焦距的增加系数取决于玻璃的厚度t和折射率n.

结果

使用单色照相机对USAF 目标成像时，分别开启和不开启 BSW-20，结果如图 8 所示。在这里，当使用光束偏移器时，横向分辨率提高了 41%，从 198 lp/mm（USAF 第 4 组，元素 4）提高到 280 lp/mm（USAF 第 5 组，元素 1），远远超过了所使用相机的奈奎斯特极限 208 lp/mm。

图 8：（左）USAF目标在关闭 BSW-20 的单色相机上成像。(右图）开启 BSW-20 后USAF目标成像。横向分辨率提高了 41%。

另一个例子是使用彩色摄像机的红色通道。结果如图 9 所示。在这里，横向分辨率提高了 100%，从 65lp/mm（USAF 第 3 组第 4 单元）提高到 130 lp/mm（USAF 第 4 组第 4 单元）--接近所使用摄像机的奈奎斯特极限 145 lp/mm。这样就可以实现所有三个彩色通道的全分辨率。