引言

任何成像系統(tǒng)的分辨率最終都會(huì)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(dòng)，有時(shí)也稱為超分辨率。某些型號(hào)的相機(jī)采用像素移動(dòng)方法，在連續(xù)拍攝的圖像之間，圖像傳感器每次移動(dòng)一個(gè)像素。由于組合圖像中的每個(gè)像素都帶有必要的色彩和亮度信息，因此通過(guò)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(dòng)傳感器，而是偏移照射到傳感器上的光線。這是通過(guò)精確地傾斜玻璃窗來(lái)實(shí)現(xiàn)的，橫向平移了進(jìn)入的光束，從而降低了噪點(diǎn)，實(shí)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(jī)的插值和顯示檢測(cè)，還可用于光纖耦合、3D 打印和計(jì)量等非成像應(yīng)用。此外，BSW-20 還可在沒(méi)有更小像素或更大傳感器或傳感器過(guò)于昂貴的應(yīng)用中發(fā)揮優(yōu)勢(shì)。

主要特點(diǎn)

• 快速轉(zhuǎn)換時(shí)間（~1 毫秒）

• 可靠性高，適合連續(xù)運(yùn)行

• 角位置精度高（通常為 ±5）

• 無(wú)軸承設(shè)計(jì) - 不產(chǎn)生顆粒、無(wú)磨損、無(wú)摩擦

• 支持高達(dá) 4.8 μm 的光束偏移

工作原理

BSW-20 通過(guò)橫向移動(dòng)入射光束來(lái)工作。移動(dòng)是通過(guò)傾斜平面玻璃窗來(lái)實(shí)現(xiàn)的，光束從玻璃窗中穿過(guò)。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(huì)導(dǎo)致橫向光束偏移Δy對(duì)于小角度， Δy的表達(dá)式可以簡(jiǎn)化。

光束偏移是提高分辨率的一種手段

BSW-20 可以沿兩個(gè)軸向傾斜玻璃窗，以達(dá)到四個(gè)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(gè)像素可投射到四個(gè)位置，從而將分辨率提高四倍（每個(gè)橫向方向的分辨率最多可提高兩倍）。請(qǐng)注意，即使進(jìn)行了光束移動(dòng)，分辨率最終也會(huì)受到衍射極限的限制。驅(qū)動(dòng)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(gè)像素分別投射到 A、B、C 和 D 四個(gè)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(gè)角分別對(duì)應(yīng) BSW-20 的四個(gè)位置。

在彩色成像中，通常使用拜耳濾色片陣列來(lái)創(chuàng)建圖像。在這種陣列中，每個(gè)像素都經(jīng)過(guò)過(guò)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(guò)程中，每個(gè)像素都要插值一組紅、綠、藍(lán)三色的值。最簡(jiǎn)單的方法是平均每個(gè)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(xì)節(jié)和色彩變化突然的區(qū)域會(huì)產(chǎn)生偽影。

光束偏移是克服這一問(wèn)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(guò) BSW-20 進(jìn)行三次光束偏移，使每個(gè)像素最終攜帶完整的色彩信息。這樣，通過(guò)處理來(lái)自四個(gè)連續(xù)圖像的信息，就可以重建數(shù)字圖像，而不會(huì)產(chǎn)生與插值有關(guān)的偽影。

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

應(yīng)用實(shí)例： 超分辨率成像

設(shè)置

為了可視化 BSW-20 帶來(lái)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(kāi)發(fā)套件。

為了防止雜散光影響測(cè)量，我們使用定制的 3D 打印支架將 BSW-20 固定在相機(jī)和物鏡之間。有關(guān)該解決方案的詳細(xì) CAD 圖紙（見(jiàn)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(cè)試目標(biāo)來(lái)說(shuō)明分辨率的變化。

圖 4：安裝組件，BSW-20 位于相機(jī)和物鏡之間。一個(gè)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(jī)、BSW-20 和物鏡組裝在一起的過(guò)程。圖 6 展示了三個(gè) 3D 打印部件。設(shè)計(jì)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(jī)、BSW-20 和物鏡安裝在一起的定制部件。詳細(xì)設(shè)計(jì)文件可應(yīng)要求提供。

在成像應(yīng)用中使用 BSW-20 時(shí)，一個(gè)重要的設(shè)計(jì)考慮因素是，光束偏移器的加入會(huì)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(duì)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(dòng)Δf的距離，以適應(yīng) BSW-20 和相關(guān)的離軸光線光束偏移。對(duì)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(jī)對(duì)USAF 目標(biāo)成像時(shí)，分別開(kāi)啟和不開(kāi)啟 BSW-20，結(jié)果如圖 8 所示。在這里，當(dāng)使用光束偏移器時(shí)，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(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了所使用相機(jī)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(jī)上成像。(右圖）開(kāi)啟 BSW-20 后USAF目標(biāo)成像。橫向分辨率提高了 41%。

另一個(gè)例子是使用彩色攝像機(jī)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(jī)的奈奎斯特極限 145 lp/mm。這樣就可以實(shí)現(xiàn)所有三個(gè)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(jī)的紅色通道拍攝的USAF目標(biāo)。(右圖）開(kāi)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(cè)

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

圖 10：（左）BSW-20 關(guān)閉時(shí)的電話顯示圖像。(右圖）開(kāi)啟 BSW-20 后的手機(jī)顯示屏圖像?？梢院苋菀椎刈R(shí)別出缺失的像素（白色虛線圓圈標(biāo)識(shí)）。

更多信息和支持

Optotune 的 XPR 是擴(kuò)展像素分辨率 2 位和 4 位執(zhí)行器。通過(guò)精確地傾斜玻璃窗，穿過(guò)它的光線會(huì)橫向移動(dòng)。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(diǎn)：角度位置精度高，通常為 +/-5% 至 8%、快速轉(zhuǎn)換時(shí)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(dá) 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(xiàng)，例如溫度補(bǔ)償和響應(yīng)時(shí)間優(yōu)化?？刂破鞣秶鷱木o湊型便攜式設(shè)備、研發(fā)開(kāi)發(fā)套件、嵌入式選項(xiàng)到24/7工業(yè)操作解決方案。雖然Optotune設(shè)計(jì)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(lè)意就如何將 BSW-20 集成到您的設(shè)計(jì)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(guó)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(duì)光束偏移器有任何需求，請(qǐng)隨時(shí)通過(guò)手機(jī)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。