(57)【要約】  光学系の瞳面において１つ以上の未較正可変位相板で、受光した放射線波面を修正して、焦点面に大気のようなぼけた画像を生成し、サンプリングパラメータＱを効果的に増加させることによって画質を改善するシステムおよび方法が開示されている。次いで、リアルタイム画像復元アルゴリズムを、検出器配列上に形成されたぼけた画像からサンプリングされたデータセットに適用することができる。波面を修正する多数の位相板の実施形態が提供される。
2019507923.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
瞳面と、焦点面に配置されるピクセル配列検出器とを含み、１より小さい焦点面画像のサンプリングパラメータＱを有する光学イメージングシステムの画質を改善する方法であって、
前記光学イメージングシステムの入射開口において光放射波面を受け取ることと、
前記サンプリングパラメータＱが有効に増大して前記焦点面にぼけた画像を生成するように、前記瞳面における少なくとも１つの未較正可変位相板で、前記光放射波面を修正することと、
前記ぼけた画像を前記ピクセル配列検出器でサンプリングしてサンプルデータセットを生成することと、
前記サンプルデータセットにリアルタイム画像復元アルゴリズムを適用してぼけていない画像を生成することとを含む、方法。
【請求項２】
前記光放射波面を修正することは、少なくとも１つの可変位相板を電気的に変化させることを含む、
請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記光放射波面を修正することは、少なくとも１つの可変位相板を起動的に作動させることを含む、
請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記リアルタイム画像復元アルゴリズムはバイスペクトル画像復元アルゴリズムを含む、
請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記光放射波面を修正することにより、前記ぼけた画像に大気のようなぼかしが生じる、
請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記光放射波面を修正することにより、前記サンプリングパラメータが１以上に増加する、
請求項１に記載の方法。
【請求項７】
光学イメージング装置であって、
光放射波面を受けるように較正された、光学イメージングシステムの入り口に配置される開口と、
ピクセルピッチと１未満の焦点面画像サンプリングパラメータＱとを有するピクセルの配列を含む、焦点面に配置されたイメージング検出器であって、ここでサンプリングパラメータＱは入射光放射波面の波長とシステムの焦点比との積と、ピクセルピッチとの比として定義され、前記入射光放射波面からサンプリングされたデータセットを生成するように構成された前記イメージング検出器と、
前記開口に光学的に結合され、前記サンプリングパラメータＱを効果的に増加させて前記焦点面にぼけた画像を生成するように、前記光放射波面を変更するように構成された、瞳面に配置された少なくとも１つの未較正可変位相板と、
リアルタイム画像復元アルゴリズムを適用してぼけていない画像を生成するように構成される、前記イメージング検出器に結合したデジタル画像プロセッサとを有する、光学イメージング装置。
【請求項８】
前記少なくとも１つの未較正可変位相板は、前記焦点面において前記光放射波面を２次元でシフトさせる高速ステアリングミラー機構を含む、
請求項７に記載の光学イメージング装置。
【請求項９】
前記少なくとも１つの未較正可変位相板は機械的に作動される位相板を含む、
請求項７に記載の光学イメージング装置。
【請求項１０】
前記少なくとも１つの未較正可変位相板は電子的に歪められる位相板を含む、
請求項７に記載の光学イメージング装置。
【請求項１１】
前記リアルタイム画像復元アルゴリズムはバイスペクトル画像復元アルゴリズムを含む、
請求項７に記載の光学イメージング装置。
【請求項１２】
前記未較正可変位相板は、前記ぼけた画像に大気のようなぼかしを生じさせる、
請求項７に記載の光学イメージング装置。
【請求項１３】
有効な前記サンプリングパラメータＱが１以上に増加する、
請求項７に記載の光学イメージング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［米国政府の持ち分］
本明細書に記載され請求される発明には、米国政府の所有権その他の持ち分はない。
［技術分野］
本発明は、未較正の位相板と後処理との組合せを用いた計算イメージングに関し、特に超解像度とも呼ばれる焦点面イメージサンプリングパラメータＱの計算効率の良い改善のための方法およびシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
焦点面検出器配列を用いたイメージングシステムの設計が普及しており、光学系と生の検出器配列データのデジタル処理との間で画像形成の負担が益々共有されている。イメージングシステム解像度、焦点面配列サンプリング、および視野は、イメージングサンプリングパラメータＱの関数である。ここで、Ｑ＝λ＊（焦点比）／（検出器素子サイズ）である。点光源の画像の広がり（ぼかし）の程度は、イメージングシステムの品質の尺度である。現在のプラクティスでは、システムパラメータがＱ＝１システムによって達成可能なものを超える場合、所望のイメージング性能よりも低いままであり、利用可能な焦点面検出器配列イメージャのピクセル限定画像サンプリング解像度を受け入れることが多い。
【０００３】
Ｍａｒｋ  ＮｅｉｆｅｌｄとＡｍｉｔ  Ａｓｈｏｋは、検出器素子サイズが制限された光学系（Ｑ＜１）において、Ｑを３倍に改善することによってシステムサンプリングを成功裡に向上させた（非特許文献１に記載され、ここにその内容を参照援用する）。しかし、このアプローチでは、慎重に較正された位相板に合わせて非線形反復アルゴリズムを大幅に調整する必要があり、実際には操作がしにくく、資源を必要とするので、展開されたシステムでの幅広いアプリケーションはまだ見いだされていない。
【０００４】
従って、ピクセル限定性能を克服して光学系による有効サンプリングを増加させ、より高いサンプリングパラメータＱを達成する高速（例えば、リアルタイム）のシングルパス位相クロージャー方法および装置が必要とされている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Ｍａｒｋ  Ｎｅｉｆｅｌｄ、Ａｍｉｔ  Ａｓｈｏｋ著「Ｐｓｅｕｄｏｒａｎｄｏｍ  Ｐｈａｓｅ  Ｍａｓｋｓ  ｆｏｒ  Ｓｕｐｅｒ−ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ  Ｉｍａｇｉｎｇ  ｆｒｏｍ  Ｓｕｂｐｉｘｅｌ  Ｓｈｉｆｔｉｎｇ」（Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｏｐｔｉｃｓ，２００７年５月）
【発明の概要】
【０００６】
以下に説明される実施例によれば、焦点面サンプリング限定イメージングシステムの解像度を改善する方法およびシステムが開示される。一例では、未較正可変位相板を使用して、光放射波面を修正して、検出器配列上に形成された画像に制御可能なぼかしを意図的に導入する。次に、デジタル信号処理を用いて、ピクセル配列検出器上に形成されたぼけた画像からサブピクセル情報を回復する。
【０００７】
一実施形態では、光学系及びその光学系の使用方法が開示されており、このシステムは、瞳面と、焦点面に配置されたピクセル配列検出器とを含み、このシステムは、最初に画像をアンダーサンプリングする。すなわち、光学系の画質は、よくても回折による限界があり、ナイキスト値の１以下であるサンプリングパラメータＱを有し、エイリアシングが懸念される。光学イメージングシステムの入射開口で受光された光放射波面は、瞳面に位置する少なくとも１つの未較正可変位相板まで伝播し、修正される。位相板は、サンプリングパラメータＱを効果的に増加させて焦点面上にぼけた画像を生成するように、大気によるぼけに近似するぼかし関数で波面を修正することができる。次に、サンプリングされたデータセットを生成するために、焦点面に配置されたピクセル配列検出器でぼけた画像がサンプリングされ得る。次いで、リアルタイム画像復元アルゴリズムを、サンプルデータセットに適用して、より高い有効サンプリングパラメータＱを有するぼけのない画像（ｕｎｂｌｕｒｒｅｄ  ｉｍａｇｅ）を生成する。リアルタイム復元アルゴリズムはバイスペクトル画像復元アルゴリズムまたは同様のアルゴリズムを含み得る。様々な実施形態において、未較正可変位相板は、電子的に変化されるか、または機械的に作動されてもよい。
【０００８】
上記の及びその他の機能、及び特徴と、動作方法と、関連構成要素の機能と、パーツの組み合わせと、生産の経済性とは、本出願の出願書類を構成する、添付した図面を参照して以下の説明と特許請求の範囲を検討すれば明らかになるだろう。図面中、対応するパーツには同じ参照数字を付した。図面によってはラベルを付していないコンポーネントもあるが、これは説明を明りょうにするためである。しかし、言うまでもないが、図面は例示と説明を目的としたものであり、請求項を限定することを意図したものではない。本明細書と特許請求の範囲において、「１つの」、「前記」との記載は別段の記載がなければ、複数の場合も含む。ここに開示の実施形態は、ここに開示の原理の少なくとも１つと一貫性のある方法で、他の実施形態と組み合わせても良い。「一実施形態（ａｎ  ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ、ａｎ  ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ）」、「別の一実施形態（ａｎ  ａｌｔｅｒｎａｔｅ  ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」、「さまざまな実施形態（ｖａｒｉｏｕｓ  ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔｓ）」、「１つの実施形態（ｏｎｅ  ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」などと言うとき、必ずしも相互に排他的ではなく、説明するある特徴、構造、または特性が少なくとも１つの実施形態に含まれ得ることを示すことを意図している。かかる用語の使用は必ずしもすべてが同じ実施形態を指すわけではない。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
上記やその他の目的、特徴、および利点は、添付した図面に示した例のより具体的な説明から明らかになるであろう。異なる図面において、同じ参照番号は同じパーツを示している。添付の図面では、これは必ずしも寸法通りではないが、実施例の原理を例示するに当たり強調した部分もある。
【図１】実施形態による例示的な方法を示すフロー図である。
【図２】実施形態による例示的な装置の一部を示す概略図である。
【図３Ａ】実施形態による、較正されていない可変位相板を用いずに構成された光学システムの一部を示す概略図である。
【図３Ｂ】実施形態による、較正されていない可変位相板を用いて構成された光学システムの一部を示す概略図である。
【図４】画像のぼかし（ｂｌｕｒｒｉｎｇ）および復元プロセスを示す高レベルの機能的ブロック図である。
【図５Ａ】異なる位相板タイプを有する代替的な光学システムの一部を示す概略図である。
【図５Ｂ】異なる位相板タイプを有する代替的な光学システムの一部を示す概略図である。
【図５Ｃ】異なる位相板タイプを有する代替的な光学システムの一部を示す概略図である。
【図６Ａ】例示的な較正されていない位相板変調及び相関復元プロセスを適用して処理されたテスト画像である。
【図６Ｂ】例示的な較正されていない位相板変調及び相関復元プロセスを適用しないで処理されたテスト画像である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下の説明では、同種のコンポーネントには、異なる例に示されているかどうかに係わらず、同じ参照数字を付した。本開示の例を明確かつ簡潔に説明するため、図面は必ずしもスケール通りではなく、ある特徴は概略的に示した。ある例を参照して説明及び／又は例示した特徴は、他の例で、及び／又は他の例の特徴と組み合わせて、又は他の例の特徴に替えて、同一又は同様の方法で用いることができる。
【００１１】
この用語が本明細書で使用されるとき、「大気の歪み」は、屈折率を変動させる乱気流運動から生じる光学的歪みを含む。これらの光学的歪みは、Ａ．Ｎ．  Ｋｏｌｍｏｇｏｒｏｖ，  Ｖ．Ｉ．  Ｔａｔａｒｓｋｉｉ，  ａｎｄ  Ｄ．Ｌ．  Ｆｒｉｅｄ著「Ｒｏｇｇｅｒｍａｎｎ  ａｎｄ  Ｗｅｌｓｈ，  Ｉｍａｇｉｎｇ  ｔｈｒｏｕｇｈ  Ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ」（ＣＲＣ  Ｐｒｅｓｓ，  Ｂｏｃａ  Ｒａｔｏｎ，  ＦＬ，  ２００６、その内容はここに参照援用する）により開発されたような理論を用いてモデル化及び予測することができる。
【００１２】
態様および実施形態は、イメージングシステムの瞳面における光放射波面を変調することを含む、検出器配列におけるサンプリングパラメータＱを改善する方法およびシステムに関する。一実施形態によれば、変調により、レンズの点広がり関数が意図的にぼかし、複数の検出器ピクセルにわたって拡散させる。サブ検出器情報は、以下に、より詳細に説明されるように、相関フィルタリングによって回復されてもよい。
【００１３】
図１および図２を参照すると、光学イメージングシステムのサンプリングパラメータＱを改善する方法１００およびイメージングシステム２００を示すフロー図の例が示されている。電磁放射（例えば、光学的放射）は、源２１０から放出され（ステップ１１０）、入射開口２２０で受け取られる（ステップ１２０）。放射波面は、イメージングシステム２００の瞳面に位置する較正されていない可変位相板によって修正される（ステップ１３０）前に、他の光学部品２３０を通過する可能性がある。位相板２４０は、局所的、空間的に依存する光路長の変化を与える光学素子を表し、これは、波面位相の局所的、空間的に依存する変化に等しい。位相板２４０は、画像復元アルゴリズムと共に使用するために波面に導入された位相変化のコヒーレント測定を使用する際に完全に特徴付けされる必要がない点で、有利にも較正されていなくてもよい。較正されていない位相板は、一般的には、広い性能仕様で製造され、画像復元アプリケーションでの使用を特徴付けるデータはほとんどない。光放射波面を減衰させないので、位相板２４０における位相変調が好ましい。次に、修正された光放射波面は進行して、イメージングシステム２００の焦点面に配置されたイメージング検出器２５０を照射する。イメージング検出器２５０は、焦点面配列検出器、またはその他の素子配列２６０ａ，ａないし２６０ｎ，ｎを有する。配列２５５中の素子２６０ａ，ａないし２６０ｎ，ｎのそれぞれは、光源２１０の画像内の１つのピクセルに対応することができる。態様および実施形態は、レンズに関連する点広がり関数を意図的にぼかして、素子２６０ａ，ａないし２６０ｎ，ｎの配列２５５を有効に分割して、サンプリングパラメータＱを回折限界の光学的能力を超えて増加させる（「超解像」とも呼ばれる）方法に関する。
【００１４】
図３Ａと図３Ｂを参照して、サンプリングパラメータＱに対する画像ぼかし（ｉｍａｇｅ  ｂｌｕｒｒｉｎｇ）の効果を説明する。図３Ａにおいて、位相修正なしに、妨害されない光学系が、検出器配列２５５においてアンダーサンプリングされてもよく、検出器素子の中心間の（例えば、配列素子２６０ａ、ｎ及び２６０ｂ、ｎの中心間の）距離を表すピクセルピッチｄはアンダーサンプリングされた点広がり関数の直径ρｕよりも大きい。本明細書で説明される装置および方法の実施形態は、検出器配列２５５における画像に歪みを導入し、点広がり関数をぼかしおよび点広がり関数直径ρｄまで拡大する。これはピクセルピッチｄと同じまたはそれ以上であり得る。ある実施形態では、入射する光放射波面が、未較正可変位相板２４０により瞳面でぼかされる（ｂｌｕｒｒｅｄ）。これは、レンズの点広がり関数（ｐｏｉｎｔ  ｓｐｒｅａｄ  ｆｕｎｃｔｉｏｎ）を（点光源パッチ３１０Ａからぼけて広がったパッチ３１０Ｂまで）意図的に歪ませ、点広がり関数からの情報は、単一の配列素子２６０ｂ、ｂ（例えば、ピクセル）に分散されるのではなく、多くの周囲の検出器配列素子にわたって、例えば配列素子２６０ａ，ａないし２６０ｃ，ｃにわたって分散され得る。このアプローチは、任意の所望の配列サイズに拡大することができ、図示のような正方形配列に限定されない。サブピクセル情報、または検出器配列の解像度未満の情報は、以下でさらに説明するように、相関フィルタリングによって復元されてもよい。焦点面で生成されたぼけた画像は、較正されていない可変位相板２４０によって修正され、「真の」画像が、その較正されていない可変位相板２４０によって生じるぼかし関数と畳み込まれる。
【００１５】
ぼかし関数（ｂｌｕｒｒｉｎｇ  ｆｕｎｃｔｉｏｎ）は、Ｆｒｉｅｄのよく知られた長時間露出または短時間露出伝達関数（Ｗｅｌｓｈ、Ｉｍａｇｉｎｇ  ｔｈｒｏｕｇｈ  Ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ、ＣＲＣ  Ｐｒｅｓｓ、２００６）を用いて表すことができる。これらのモデルでは、ぼかし関数はＦｒｉｅｄパラメータｒｏに依存する。Ｆｒｉｅｄパラメータは、位相誤差がその中では１ラジアンのオーダーである円形領域の直径を表す。Ｆｒｉｅｄパラメータは、画像復元アルゴリズムへの入力として使用される。
【００１６】
画像復元アルゴリズムは、フーリエ振幅推定およびスペックル画像位相再構成アルゴリズムに依存する。フーリエ振幅を推定または測定するには、様々な周知技術がある。一実施形態で用いられるのは、パワースペクトルとＬａｂｅｙｒｉｅ−Ｋｏｒｆｆ伝達関数との比の平方根である（Ｋｏｒｆｆ著「Ａｎａｌｙｓｉｓ  ｏｆ  ａ  ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  ｏｂｔａｉｎｉｎｇ  ｎｅａｒ−ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ−ｌｉｍｉｔｅｄ  ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ  ｉｎ  ｔｈｅ  ｐｒｅｓｅｎｃｅ  ｏｆ  ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ  ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ」（Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  ｏｆ  Ａｍｅｒｉｃａ、１９７３年８月）参照、この内容は参照援用する）。様々なスペックル画像位相再構成アルゴリズムを利用することができるが、あるリアルタイム実施形態では、Ｌａｗｒｅｎｃｅらの研究「Ｓｐｅｃｋｌｅ  ｉｍａｇｉｎｇ  ｏｆ  ｓａｔｅｌｌｉｔｅｓ  ａｔ  ｔｈｅ  Ｕ．Ｓ．  Ａｉｒ  Ｆｏｒｃｅ  Ｍａｕｉ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｓｔａｔｉｏｎ」（Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｏｐｔｉｃｓ，  １９９２年１０月、この内容はここに参照援用する）に記載されているようなバイスペクトラムアルゴリズムが使用される。このアルゴリズムでは、オブジェクトの位相スペクトルは次の式
【００１７】
【数１】
2019507923.tif 000003
を解くことによって求められる。ここで、画像のバイスペクトルは
【００１８】
【数２】
2019507923.tif 000004
と定義される。上記の式において、ｕベクトル（訳注：「ｕ」の上に「→」）とｖベクトル（訳注：「ｖ」の上に「→」）は２次元の空間周波数ベクトルであり、Ｏはオブジェクトのフーリエ変換であり、Ｉｎは画像セットのｎ番目のメンバーのフーリエ変換である。
【００１９】
図４は例示的な画像ぼかし（すなわち「劣化」）と復元プロセスのモデルを示し、大きさがＸ×Ｙの画像ｆと、大きさがｍ×ｎのぼかし関数ｈの場合、ぼけた波形は
【００２０】
【数３】
2019507923.tif 000005
で表すことができる。ぼかし関数Ｈは、好ましくは上記のような大気によるぼかしを近似する。トリプル相関バイスペクトル法は、Ｘ線結晶学で最初に適用され、その後、大気により劣化した天文学的画像の復元のために開発された。
【００２１】
また、図５Ａないし図５Ｃは、位置依存光路長変化を有する固定された光学素子を回転または平行移動させる高速ステアリングミラーを含む様々な物理系によって実施される、可変の未較正位相板２４０を示す。別の実施形態では、位相板２４０は、その空間的範囲にわたってプログラム可能な経路長変化を有する光学素子（例えば、変形可能ミラー、音響光学変調器配列、電気光学変調器配列など）であってもよい。図５Ａは、コントローラ４１０に結合された回転または並進位相板２４０Ａを含む実施例を示す。コントローラ４１０はまた、検出器配列回路４２０およびデジタル画像プロセッサ４３０に結合されて、位相板２４０Ａの機械的作動と検出器２５０における信号検出との間の同期を達成するようにし得る。光路を通る位相板２４０Ａの機械的作動（回転および／または並進）が比較的迅速に起こることが好ましい場合がある。
【００２２】
図５Ｂに示す他の実施形態によると、可変位相板２４０Ｂは、検出器配列２５０を通って波面をシフトさせて、ぼけた画像を生成する２次元高速ステアリングミラーとして実現されてもよい。
【００２３】
図５Ｃに示す別の実施形態では、可変位相板２４０Ｃは、プログラム可能な位相板または変形可能なミラーとして実現されてもよい。一例では、コントローラ４１０は、液晶を光学的に活性な位相板材料として動作させる低電圧スイッチング回路に制御信号を供給する。アクティブ液晶材料の電気的スイッチング技術は、可視および近赤外信号処理分野の当業者には周知である。従来、このような位相板は、２つの透明電極の間に配置された電気光学的に活性な材料を含み、そのうちの少なくとも１つは、電極間に電圧が印加されると、変調板を通る波面に所望の位相変調パターンが生じるようにパターン化される。
【００２４】
再び図１および図５Ａを参照すると、ぼかしの結果として、３重相関バイスペクトル復元技術を使用して、任意の単一の検出器２６０ｎ，ｎよりはるかに小さい領域から画像情報を回復および解像することができる。いくつかの例では、短い時間で、複数のサンプルデータセットが検出器配列２５５にわたって生成される（ステップ１４０）。一例では、瞳面位相板変調の結果、光放射の点光源が、例えば素子２６０ａ，ａないし２６０ｃ，ｃのような適度に大きな検出素子群をカバーする複雑なパターンに広がる。ぼかし関数ｈ（ｘ、ｙ）は、ファーフィールドの単一の点光源からの照明のこの拡張パッチ２７５として定義されてもよい。ステップ１５０において、検出器配列２５５（またはそれに関連する検出器配列回路４２０）は、画像処理のためのソース波面ｆ（ｘ、ｙ）とぼかし関数ｈ（ｘ、ｙ）との畳み込みから生じるぼけた画像のサンプルデータセットを、デジタル信号プロセッサ４３０に転送する。一例では、デジタル信号プロセッサ４３０は、サンプリングされたデータセットに例えば、Ｃａｒｍｅｎ  Ｊ．  Ｃａｒｒａｎｏ著「Ｓｐｅｃｋｌｅ  ｉｍａｇｉｎｇ  ｏｖｅｒ  ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ  ｐａｔｈｓ」（Ｈｉｇｈ−Ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ  Ｗａｖｅｆｒｏｎｔ  Ｃｏｎｔｒｏｌ：  Ｍｅｔｈｏｄｓ，  Ｄｅｖｉｃｅｓ  ａｎｄ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ  ＩＶ，  Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ＳＰＩＥ  Ｖｏｌ．  ４８２５  （２００２））記載されたもののような大気補正のためのバイスペクトル相関技術を適用する。この文献の内容はここに参照援用する。
【００２５】
デジタル信号プロセッサ４３０は（ステップ１６０において）、増加したサンプリングパラメータＱで有効にサンプリングされた、ぼけのない画像（ｕｎｂｌｕｒｒｅｄ  ｉｍａｇｅ）からなる画像データ４４０を出力する（すなわち、サブピクセル検出器情報が得られる）。上記の通り、イメージングシステム解像度、焦点面配列サンプリング、および視野は、イメージングサンプリングパラメータＱの関数である。ここで、Ｑ＝λ＊（焦点比）／（検出器素子サイズ）である。画像のアンダーサンプリングによって生じる画像エイリアシングは、Ｑ＝１の回折（ナイキストサンプリング）限界よりも上にサンプリングパラメータＱを増加させ、本質的に検出器配列２５５中のピクセルの数およびサイズにより生じる光学系の回折限界を越えることによって低減または除去することができる。したがって、抽出された画像は、本明細書で開示される意図的な空間的なぼかし（サブピクセルシフト）および相関に基づく画像復元をせずに、システムが他の方法では提供することができるよりも高い解像度（すなわち、最小解像度の画像特徴サイズを縮小する「超解像度」）に、改善することができる。
【００２６】
本開示の利益により、当業者には言うまでもなく、本明細書で説明するデジタル画像処理は本質的に線形である。したがって、ある実施形態によれば、ぼかし関数畳み込み画像は、画像解像度を回復するためにデジタル画像復元プロセッサ４３０を１回通るだけでよい。この線形性は、従来の計算イメージング技術とは対照的である。従来の技術は、一般的に高解像度画像を回復するためには多くの反復を必要とする。したがって、本明細書で説明する技術の実施形態は、計算上の負担を大幅に低減することができる。
【００２７】
思考実験の証明は、リアルタイムで、すなわち、方法の実行可能性および有効性を実証した１２８０×７２０ピクセル配列の高解像度で４９フレーム／秒を用いて実行された。図６Ａおよび図６Ｂはそれぞれ、開示された較正されていない位相板変調及び相関復元プロセスを適用して、及び適用せずに処理されたテスト画像である。
【００２８】
位相板コントローラ４１０、検出器回路４２０、および／またはデジタル信号プロセッサ４３０を含む、本明細書に開示されたシステム、方法および構成要素は、デジタル電子回路、コンピュータハードウェア、ファームウェア、および／またはソフトウェアで実施することができる。実装はコンピュータプログラム製品（すなわち、情報キャリア媒体において有体に実施されたコンピュータプログラム）として行える。実装は、例えば、データ処理装置により実行される、またはその動作を制御する機械読み取り可能記憶デバイスで行うこともできる。実装は、例えば、プログラマブルプロセッサ、コンピュータ、及び／又は複数のコンピュータであってもよい。
【００２９】
一例では、コンピュータプログラムは、コンパイラ及び／又はインタプリタ言語を含む、どんな形式のプログラミング言語で記述することもできる。コンピュータプログラムは、ここに説明のさまざまな例の特徴や機能を実行する、スタンドアロンプログラムまたはサブルーチン、エレメント、及び／又は計算環境で用いるその他のユニットを含む、どんな形式で展開することもできる。コンピュータプログラムは１つのコンピュータ上で実行しても、一箇所にある複数のコンピュータ上で実行するように展開することもできる。
【００３０】
方法ステップまたは演算は、コンピュータプログラムを実行して、入力データに作用して出力を生成することによりさまざまな例の機能を実行する一以上のプログラム可能プロセッサによりプロセスとして実行できる。方法ステップは特定用途論理回路により実行することができ、装置は特定用途論理回路として実装することもできる。回路は、例えば、フィールドプログラマブルゲート配列（ＦＰＧＡ）及び／又は特定用途集積回路（ＡＳＩＣ）であってもよい。モジュール、サブルーチン、及びソフトウェアエージェントは、その機能を実装するコンピュータプログラム、プロセッサ、特殊回路、ソフトウェア、及び／又はハードウェアの一部を指すこともある。
【００３１】
位相板コントローラ４１０、検出器回路４２０及び／又はデジタル信号プロセッサ４３０は、コンピュータプログラムの実行に適した一以上のプロセッサを含み、例えば、特定目的及び汎用のマイクロプロセッサと、任意種類のデジタルコンピュータの任意の一以上のプロセッサとを両方とも含む。一般的に、プロセッサは読み取り専用メモリまたはランダムアクセスメモリから命令またはデータまたはその両方を受け取る。コンピュータの要素は、命令を実行するプロセッサと、命令とデータを格納する一以上のメモリデバイスとを有しても良い。一般的に、コンピュータは、（例えば、磁気ディスク、光磁気ディスク、または光ディスクなどの）データを記憶する一以上の大規模ストレージデバイス（例えば、メモリモジュール）を含み、それからデータを受け取り、及び／又はそれにデータを送るように動作可能に結合していてもよい。メモリは、画像を処理するコンピュータ読み取り可能命令を格納した有体、非一時的コンピュータ読み取り可能記憶媒体であってもよい。該命令は、一以上のプロセッサにより実行されたとき、一以上のプロセッサに、ここに説明のさまざまな例の特徴や機能を実行または実装させる。
【００３２】
コンピュータプログラム命令およびデータを利用するのに適した情報キャリアは、例えば、半導体メモリデバイスを含む、すべての形式の不揮発性メモリを含む。情報キャリアは、例えば、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、フラッシュメモリデバイス、磁気ディスク、内部ハードディスク、リムーバブルディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、及び／又はＤＶＤ−ＲＯＭディスクであり得る。プロセッサとメモリは特定用途論理回路により補足され、及び／又はそれに組み込まれてもよい。
【００３３】
ユーザとのインターラクションを提供するため、上記の手法はディスプレイデバイスを有する計算デバイスに実装できる。ディスプレイデバイスは、例えば、陰極線管（ＣＲＴ）及び／又は液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）モニター及び／又は発光ダイオード（ＬＥＤ）モニターであってもよい。ユーザとのインターラクションは、例えば、ユーザへの情報のディスプレイと、ユーザが計算デバイスに入力をできる（例えば、ユーザインタフェース要素とインターラクトできる）キーボード及びポインティングデバイス（例えば、マウスまたはトラックボール）であり得る。他種類のデバイスを用いてユーザとのインターラクションを提供することもできる。他のデバイスは、例えば、任意形式の感覚的フィードバック（例えば、視覚的フィードバック、聴覚的フィードバック、触覚的フィードバックなど）でユーザに提供されるフィードバックであり得る。ユーザからの入力は、例えば、音響的、発話的、及び／又は触覚的入力を含む任意の形式で受け取ることができる。
【００３４】
「ｃｏｍｐｒｉｓｅ」、「ｉｎｃｌｕｄｅ」との用語及び／又はこれらの複数形は、オープンエンドであり、列挙したものを含み、列挙していないものも含み得る。「及び／又は」は、オープンエンドであり、列挙したもののうち一以上、及び列挙したものの組み合わせを含む。
【００３５】
当業者には言うまでもなく、本発明は、その精神や基本的特性から逸脱することなく、その他の具体的な形式で実施できる。上記の実施形態は、すべての点で例示でありここに説明した発明を限定するものではないと考えなければならない。本発明の範囲は、上記の説明ではなく、添付した請求項に記載されており、請求項の意味と均等物の範囲内での変更はすべてその請求項に含まれる。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５Ａ】
2019507923.tif 000011
【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【手続補正書】
【提出日】平成30年8月9日(2018.8.9)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
瞳面と、焦点面に配置されるピクセル配列検出器とを含み、１より小さい焦点面画像のサンプリングパラメータＱを有する光学イメージングシステムの画質を改善する方法であって、
前記光学イメージングシステムの入射開口において光放射波面を受け取ることと、
前記サンプリングパラメータＱが有効に増大して前記焦点面にぼけた画像を生成するように、前記瞳面における少なくとも１つの未較正可変位相板で、前記光放射波面を修正することと、
前記ぼけた画像を前記ピクセル配列検出器でサンプリングしてサンプルデータセットを生成することと、
前記サンプルデータセットにリアルタイム画像復元アルゴリズムを適用してぼけていない画像を生成することとを含み、
前記リアルタイム画像復元アルゴリズムはバイスペクトル画像復元アルゴリズムを含む、
方法。
【請求項２】
前記光放射波面を修正することは、少なくとも１つの可変位相板を電気的に変化させることを含む、
請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記光放射波面を修正することは、少なくとも１つの可変位相板を起動的に作動させることを含む、
請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記光放射波面を修正することにより、前記ぼけた画像に大気のようなぼかしが生じる、
請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記光放射波面を修正することにより、前記サンプリングパラメータが１以上に増加する、
請求項１に記載の方法。
【請求項６】
光学イメージング装置であって、
光放射波面を受けるように較正された、光学イメージングシステムの入り口に配置される開口と、
ピクセルピッチと１未満の焦点面画像サンプリングパラメータＱとを有するピクセルの配列を含む、焦点面に配置されたイメージング検出器であって、ここでサンプリングパラメータＱは入射光放射波面の波長とシステムの焦点比との積と、ピクセルピッチとの比として定義され、前記入射光放射波面からサンプリングされたデータセットを生成するように構成された前記イメージング検出器と、
前記開口に光学的に結合され、前記サンプリングパラメータＱを効果的に増加させて前記焦点面にぼけた画像を生成するように、前記光放射波面を変更するように構成された、瞳面に配置された少なくとも１つの未較正可変位相板と、
リアルタイム画像復元アルゴリズムを適用してぼけていない画像を生成するように構成される、前記イメージング検出器に結合したデジタル画像プロセッサとを有し、
前記リアルタイム画像復元アルゴリズムはバイスペクトル画像復元アルゴリズムを含む、
光学イメージング装置。
【請求項７】
前記少なくとも１つの未較正可変位相板は、前記焦点面において前記光放射波面を２次元でシフトさせる高速ステアリングミラー機構を含む、
請求項６に記載の光学イメージング装置。
【請求項８】
前記少なくとも１つの未較正可変位相板は機械的に作動される位相板を含む、
請求項６に記載の光学イメージング装置。
【請求項９】
前記少なくとも１つの未較正可変位相板は電子的に歪められる位相板を含む、
請求項６に記載の光学イメージング装置。
【請求項１０】
前記未較正可変位相板は、前記ぼけた画像に大気のようなぼかしを生じさせる、
請求項６に記載の光学イメージング装置。
【請求項１１】
有効な前記サンプリングパラメータＱが１以上に増加する、
請求項６に記載の光学イメージング装置。
【国際調査報告】
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