應(yīng)用于超分辨率成像的光束偏移器BSW-20

引言

任何成像系統(tǒng)的分辨率最終都會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動，有時也稱為超分辨率。某些型號的相機采用像素移動方法，在連續(xù)拍攝的圖像之間，圖像傳感器每次移動一個像素。由于組合圖像中的每個像素都帶有必要的色彩和亮度信息，因此通過組合圖像，可以生成具有亞像素分辨率的單一圖像。

Optotune 的光束偏移器不是物理移動傳感器，而是偏移照射到傳感器上的光線。這是通過精確地傾斜玻璃窗來實現(xiàn)的，橫向平移了進入的光束，從而降低了噪點，實現(xiàn)了超越像素極限的超分辨率成像。移光器 BSW-20 具有 20 x 20 平方毫米的大光圈，適用于各種成像和投影應(yīng)用。它不僅可用于去毛刺、避免彩色相機的插值和顯示檢測，還可用于光纖耦合、3D 打印和計量等非成像應(yīng)用。此外，BSW-20 還可在沒有更小像素或更大傳感器或傳感器過于昂貴的應(yīng)用中發(fā)揮優(yōu)勢。

主要特點

• 快速轉(zhuǎn)換時間（~1 毫秒）

• 可靠性高，適合連續(xù)運行

• 角位置精度高（通常為 ±5）

• 無軸承設(shè)計 - 不產(chǎn)生顆粒、無磨損、無摩擦

• 支持高達 4.8 μm 的光束偏移

工作原理

BSW-20 通過橫向移動入射光束來工作。移動是通過傾斜平面玻璃窗來實現(xiàn)的，光束從玻璃窗中穿過。傾斜角θ與光束位移?y之間的關(guān)系如圖 1 所示。這里，t表示玻璃窗的厚度 ，n表示折射率。

1：BSW-20光束偏移器工作原理。將玻璃窗傾斜角θ會導(dǎo)致橫向光束偏移Δy對于小角度， Δy的表達式可以簡化。

光束偏移是提高分辨率的一種手段

BSW-20 可以沿兩個軸向傾斜玻璃窗，以達到四個不同的位置，即所謂的 4 位置 (4P) 光束偏移。其原理如圖 2 所示。因此，每個像素可投射到四個位置，從而將分辨率提高四倍（每個橫向方向的分辨率最多可提高兩倍）。請注意，即使進行了光束移動，分辨率最終也會受到衍射極限的限制。驅(qū)動模式可以是任意形狀，不限于正方形，也可以是位置較少或較多的模式。

圖 2：4 位 (4P) 光束偏移。每個像素分別投射到 A、B、C 和 D 四個位置，使原始分辨率提高了四倍。最右邊的圖片顯示了反射激光束的效果，正方形的四個角分別對應(yīng) BSW-20 的四個位置。

在彩色成像中，通常使用拜耳濾色片陣列來創(chuàng)建圖像。在這種陣列中，每個像素都經(jīng)過過濾，只能記錄三種顏色中的一種。全彩色圖像是在去分色或去馬賽克后得到的，在去分色或去馬賽克的過程中，每個像素都要插值一組紅、綠、藍三色的值。最簡單的方法是平均每個像素的近鄰值。這種方法在色彩漸變平滑或色彩恒定的區(qū)域效果很好，但在圖像邊緣、小范圍細節(jié)和色彩變化突然的區(qū)域會產(chǎn)生偽影。

光束偏移是克服這一問題和避免彩色圖像出現(xiàn)偽影的直接方法。圖 3 展示了如何通過 BSW-20 進行三次光束偏移，使每個像素最終攜帶完整的色彩信息。這樣，通過處理來自四個連續(xù)圖像的信息，就可以重建數(shù)字圖像，而不會產(chǎn)生與插值有關(guān)的偽影。

圖 3：彩色成像。在沒有光束偏移的情況下（上圖），最終圖像依賴于每個顏色通道的插值。使用光束偏移（下圖）時，每個像素都包含完整的色彩數(shù)據(jù)，最終圖像的獲得無需依賴插值。

應(yīng)用實例： 超分辨率成像

設(shè)置

為了可視化 BSW-20 帶來的分辨率提升，可使用圖 4 所示的設(shè)置。BSW-20 由 Optotune 的ICC-4C-2000 控制器控制；可索取包含 BSW-20、ICC-4C-2000、適配器板和必要電纜的開發(fā)套件。

為了防止雜散光影響測量，我們使用定制的 3D 打印支架將 BSW-20 固定在相機和物鏡之間。有關(guān)該解決方案的詳細 CAD 圖紙（見圖 5 和圖 6），可應(yīng)要求提供。物鏡為 35 mm焦距鏡頭（Kowa LM35HC-OPT，C型安裝，31.5 x 61.5 mm，建議像素尺寸 5.0 μm）。使用背照式 1951 年 USAF分辨率測試目標(biāo)來說明分辨率的變化。

圖 4：安裝組件，BSW-20 位于相機和物鏡之間。一個USAF目標(biāo)用于顯示分辨率的變化。

圖 5 顯示了使用定制支架將相機、BSW-20 和物鏡組裝在一起的過程。圖 6 展示了三個 3D 打印部件。設(shè)計文件可應(yīng)要求提供。

圖 5：帶有攝像頭、BSW-20 和物鏡的組件 CAD 模型。

圖 6：用于將相機、BSW-20 和物鏡安裝在一起的定制部件。詳細設(shè)計文件可應(yīng)要求提供。

在成像應(yīng)用中使用 BSW-20 時，一個重要的設(shè)計考慮因素是，光束偏移器的加入會增加最靠近傳感器的鏡頭的有效后焦距。增加的原因是 BSW-20 對以一定角度射入的光線施加了光束偏移。圖 7 顯示，位于透鏡后焦距f處的傳感器需要向后移動Δf的距離，以適應(yīng) BSW-20 和相關(guān)的離軸光線光束偏移。對于帶有 2 mm厚 B270（皇冠玻璃）窗口的 BSW-20，后焦距的增加相當(dāng)于 0.7 mm。

圖 7：在光束路徑中插入透明窗口后，后焦距增加。后焦距的增加系數(shù)取決于玻璃的厚度t和折射率n.

結(jié)果

使用單色照相機對USAF 目標(biāo)成像時，分別開啟和不開啟 BSW-20，結(jié)果如圖 8 所示。在這里，當(dāng)使用光束偏移器時，橫向分辨率提高了 41%，從 198 lp/mm（USAF 第 4 組，元素 4）提高到 280 lp/mm（USAF 第 5 組，元素 1），遠遠超過了所使用相機的奈奎斯特極限 208 lp/mm。

圖 8：（左）USAF目標(biāo)在關(guān)閉 BSW-20 的單色相機上成像。(右圖）開啟 BSW-20 后USAF目標(biāo)成像。橫向分辨率提高了 41%。

另一個例子是使用彩色攝像機的紅色通道。結(jié)果如圖 9 所示。在這里，橫向分辨率提高了 100%，從 65lp/mm（USAF 第 3 組第 4 單元）提高到 130 lp/mm（USAF 第 4 組第 4 單元）--接近所使用攝像機的奈奎斯特極限 145 lp/mm。這樣就可以實現(xiàn)所有三個彩色通道的全分辨率。

圖 9：（左）在關(guān)閉 BSW-20 的情況下，用彩色相機的紅色通道拍攝的USAF目標(biāo)。(右圖）開啟 BSW-20 后拍攝的USAF目標(biāo)。橫向分辨率提高了 100%。

應(yīng)用示例： 顯示屏檢測

上一節(jié)介紹的測量方法可用于高分辨率檢測。在此，我們將該方法用于檢測手機顯示屏，見圖10。BSW-20 提供的更高分辨率可以更精確地識別缺失像素等缺陷。

圖 10：（左）BSW-20 關(guān)閉時的電話顯示圖像。(右圖）開啟 BSW-20 后的手機顯示屏圖像。可以很容易地識別出缺失的像素（白色虛線圓圈標(biāo)識）。

更多信息和支持

Optotune 的 XPR 是擴展像素分辨率 2 位和 4 位執(zhí)行器。通過精確地傾斜玻璃窗，穿過它的光線會橫向移動。標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品可提供從9mm到33mm的通光孔徑4位執(zhí)行器的主要特點：角度位置精度高，通常為 +/-5% 至 8%、快速轉(zhuǎn)換時間通常為 1.2 至 1.35ms、低噪音，在 20cm 處通常為 22 至 30dBA、在 50 和 60Hz 下完全預(yù)校準(zhǔn)，溫度高達 75°C。Optotune的產(chǎn)品由電流控制。現(xiàn)成的控制器可為特定產(chǎn)品提供必要的電流，并提供軟件控制選項，例如溫度補償和響應(yīng)時間優(yōu)化。控制器范圍從緊湊型便攜式設(shè)備、研發(fā)開發(fā)套件、嵌入式選項到24/7工業(yè)操作解決方案。雖然Optotune設(shè)計和制造自己的控制器，為特定行業(yè)提供控制解決方案。我們很樂意就如何將 BSW-20 集成到您的設(shè)計中為您提供建議。武漢新特光電技術(shù)有限公司目前是Optotune在中國的授權(quán)代理商，為尋求滿足所有光束偏移器需求的客戶提供了便捷途徑，如果您對光束偏移器有任何需求，請隨時通過手機18162698939或者電郵lql@SintecLaser.com與我們的產(chǎn)品經(jīng)理羅經(jīng)理聯(lián)系。