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光学工程
利用合成孔径进行光学成像


文章的共同作者,Rice大学博士生Yicheng Wu与实验装置照片

合成孔径雷达在超过半个世纪以来都是无线电成像和监测的重要部分。但是将合成孔径技术用于远距离光学成像是一项艰难的工作。

最近,美国Rice大学和西北大学的科学家表示,他们借助于前沿的计算显微学中的一项技术,研究出一种制作用于光学成像的合成孔径的方法。虽然该研究小组相信目前这个技术仅仅适用于相干光源,但已为一定间隔距离的子衍射极限光学成像铺平了道路。

更大的孔径,更高的分辨率

在合成孔径雷达系统中,移动的雷达信号台,例如一个卫星或者飞机,不断朝目标区域重复发送雷达信号,然后以皮秒的时间分辨捕捉被反射回的完整场信息(振幅和相位)。通过计算将这种多重的雷达回波信息转变为单一的雷达影像。

通过覆盖广大的区域(几十千米量级),飞机有效地增加了成像孔径,达到了物理孔径的数倍以上。由于任何成像系统的分辨率都部分取决于孔径的大小,因此这个巨大的“合成孔径”将显著提高雷达影像的分辨率。

但是制造一个类似的用于远距离光学成像的合成孔径存在一些基本的技术问题。对雷达信号来说,皮秒时间分辨是合适的,然而对于更短波长的光学信号来说,就需要亚飞秒时间分辨的连续记录来达到相同的效果。当前的可见光数码传感器仅仅记录光场的强度信息,丢失了对合成孔径成像至关重要的相位信息。因此,要使得远距离光学成像和监测具有更高的分辨率,就必须具有更大的透镜或透镜组,这将显著增加镜头的重量、大小和复杂程度。

向计算显微学“取经”

为达到目的,Rice-西北大学联合小组希望找到新的制作可见光合成孔径的方法。于是,他们借鉴了计算显微学领域的相关研究,具体就是傅里叶叠层成像技术。

这项技术由加州理工学院的Changhuei Yang,加州大学伯克利分校的Laura Waller以及其他合作者共同开发。傅里叶叠层成像技术捕获由LED光源组照射的多重显微图片,计算分析冗余图片,从而在算法上恢复相位信息,而不是通过直接测量得到相位信息。从原理上讲,这项技术可以将普通的实验室显微镜转变为一个十亿像素的成像平台。

然而将这个技术扩展到远距离成像还存在一些挑战。傅里叶叠层显微成像设备倾向于用透射模式,光源从底部穿过样品。而远距离成像系统需要用反射光。同时成像设备与物体之间距离也将增加好几个数量级。

移动相机


Rice-西北大学联合小组的可见光合成孔径技术可以在一米外捕捉到指纹上的脊线(如下图所示),这是综合分析多张由移动相机在不同角度拍摄到的反射光斑点图片(如上图所示),计算处理得到的。

在他们的实验设备中,由美国光学学会成员Ashok Veeraraghavan 领衔的Rice-西北大学研究人员将532nm的二极管激光光源照射到距离1m远处的光学粗糙物体上。一个带有CMOS传感器的机器视觉相机不断地捕捉照片,它的物理孔径为2.5mm。相机沿着平行于物体的一条路径移动,重叠成像,这就像装备有合成孔径雷达的飞机在地球表面飞行,对地面物体进行追踪和成像。这产生的合成孔径达到15.1mm,比镜头的孔径要大六倍。

图像采集系统给研究人员提供了一系列交叠的低分辨率斑点反射光图片。通过傅里叶叠层计算手段复原相位信息,减少散斑,他们可以将这些低分辨的图片合成为一张分辨率高6倍的高分辨照片,与合成孔径增加的效果一致。这个技术可以在一米远外清晰地拍摄到指纹上的弯曲脊线。

该研究小组表示这个可见光合成孔径系统在大规模应用前还有一些困难需要解决。当前它需要用相干光源,同时大气湍流也会对真正的远距离成像带来严重阻碍。但研究人员仍然相信未来的研究可以克服这些难题,成功实现“在不远的将来全画幅成像。”


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