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光學工程
利用合成孔徑進行光學成像


文章的共同作者,Rice大學博士生Yicheng Wu與實驗裝置照片

合成孔徑雷達在超過半個世紀以來都是無線電成像和監測的重要部分。但是將合成孔徑技術用于遠距離光學成像是一項艱難的工作。

最近,美國Rice大學和西北大學的科學家表示,他們借助于前沿的計算顯微學中的一項技術,研究出一種制作用于光學成像的合成孔徑的方法。雖然該研究小組相信目前這個技術僅僅適用于相干光源,但已為一定間隔距離的子衍射極限光學成像鋪平了道路。

更大的孔徑,更高的分辨率

在合成孔徑雷達系統中,移動的雷達信號臺,例如一個衛星或者飛機,不斷朝目標區域重復發送雷達信號,然后以皮秒的時間分辨捕捉被反射回的完整場信息(振幅和相位)。通過計算將這種多重的雷達回波信息轉變為單一的雷達影像。

通過覆蓋廣大的區域(幾十千米量級),飛機有效地增加了成像孔徑,達到了物理孔徑的數倍以上。由于任何成像系統的分辨率都部分取決于孔徑的大小,因此這個巨大的“合成孔徑”將顯著提高雷達影像的分辨率。

但是制造一個類似的用于遠距離光學成像的合成孔徑存在一些基本的技術問題。對雷達信號來說,皮秒時間分辨是合適的,然而對于更短波長的光學信號來說,就需要亞飛秒時間分辨的連續記錄來達到相同的效果。當前的可見光數碼傳感器僅僅記錄光場的強度信息,丟失了對合成孔徑成像至關重要的相位信息。因此,要使得遠距離光學成像和監測具有更高的分辨率,就必須具有更大的透鏡或透鏡組,這將顯著增加鏡頭的重量、大小和復雜程度。

向計算顯微學“取經”

為達到目的,Rice-西北大學聯合小組希望找到新的制作可見光合成孔徑的方法。于是,他們借鑒了計算顯微學領域的相關研究,具體就是傅里葉疊層成像技術。

這項技術由加州理工學院的Changhuei Yang,加州大學伯克利分校的Laura Waller以及其他合作者共同開發。傅里葉疊層成像技術捕獲由LED光源組照射的多重顯微圖片,計算分析冗余圖片,從而在算法上恢復相位信息,而不是通過直接測量得到相位信息。從原理上講,這項技術可以將普通的實驗室顯微鏡轉變為一個十億像素的成像平臺。

然而將這個技術擴展到遠距離成像還存在一些挑戰。傅里葉疊層顯微成像設備傾向于用透射模式,光源從底部穿過樣品。而遠距離成像系統需要用反射光。同時成像設備與物體之間距離也將增加好幾個數量級。

移動相機


Rice-西北大學聯合小組的可見光合成孔徑技術可以在一米外捕捉到指紋上的脊線(如下圖所示),這是綜合分析多張由移動相機在不同角度拍攝到的反射光斑點圖片(如上圖所示),計算處理得到的。

在他們的實驗設備中,由美國光學學會成員Ashok Veeraraghavan 領銜的Rice-西北大學研究人員將532nm的二極管激光光源照射到距離1m遠處的光學粗糙物體上。一個帶有CMOS傳感器的機器視覺相機不斷地捕捉照片,它的物理孔徑為2.5mm。相機沿著平行于物體的一條路徑移動,重疊成像,這就像裝備有合成孔徑雷達的飛機在地球表面飛行,對地面物體進行追蹤和成像。這產生的合成孔徑達到15.1mm,比鏡頭的孔徑要大六倍。

圖像采集系統給研究人員提供了一系列交疊的低分辨率斑點反射光圖片。通過傅里葉疊層計算手段復原相位信息,減少散斑,他們可以將這些低分辨的圖片合成為一張分辨率高6倍的高分辨照片,與合成孔徑增加的效果一致。這個技術可以在一米遠外清晰地拍攝到指紋上的彎曲脊線。

該研究小組表示這個可見光合成孔徑系統在大規模應用前還有一些困難需要解決。當前它需要用相干光源,同時大氣湍流也會對真正的遠距離成像帶來嚴重阻礙。但研究人員仍然相信未來的研究可以克服這些難題,成功實現“在不遠的將來全畫幅成像。”


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