引言

任何成像系統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的，橫向平移了進入的光束，從而降低了噪點，實現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用中發揮優勢。

主要特點

• 快速轉換時間（~1 毫秒）

• 可靠性高，適合連續運行

• 角位置精度高（通常為 ±5）

• 無軸承設計 - 不產生顆粒、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的，光束從玻璃窗中穿過。傾斜角θ與光束位移?y之間的關系如圖 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 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建圖像。在這種陣列中，每個像素都經過過濾，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域效果很好，但在圖像邊緣、小范圍細節和色彩變化突然的區域會產生偽影。

光束偏移是克服這一問題和避免彩色圖像出現偽影的直接方法。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圖像的信息，就可以重建數字圖像，而不會產生與插值有關的偽影。

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據，最終圖像的獲得無需依賴插值。

應用實例： 超分辨率成像

設置

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。有關該解決方案的詳細 CAD 圖紙（見圖 5 和圖 6），可應要求提供。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。設計文件可應要求提供。

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。詳細設計文件可應要求提供。

在成像應用中使用 BSW-20 時，一個重要的設計考慮因素是，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 BSW-20 和相關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。后焦距的增加系數取決于玻璃的厚度t和折射率n.

結果

使用單色照相機對USAF 目標成像時，分別開啟和不開啟 BSW-20，結果如圖 8 所示。在這里，當使用光束偏移器時，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目標在關閉 BSW-20 的單色相機上成像。(右圖）開啟 BSW-20 后USAF目標成像。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。這樣就可以實現所有三個彩色通道的全分辨率。

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

應用示例： 顯示屏檢測

上一節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 位執行器。通過精確地傾斜玻璃窗，穿過它的光線會橫向移動。標準產品可提供從9mm到33mm的通光孔徑4位執行器的主要特點：角度位置精度高，通常為 +/-5% 至 8%、快速轉換時間通常為 1.2 至 1.35ms、低噪音，在 20cm 處通常為 22 至 30dBA、在 50 和 60Hz 下完全預校準，溫度高達 75°C。Optotune的產品由電流控制。現成的控制器可為特定產品提供必要的電流，并提供軟件控制選項，例如溫度補償和響應時間優化。控制器范圍從緊湊型便攜式設備、研發開發套件、嵌入式選項到24/7工業操作解決方案。雖然Optotune設計和制造自己的控制器，為特定行業提供控制解決方案。我們很樂意就如何將 BSW-20 集成到您的設計中為您提供建議。武漢新特光電技術有限公司目前是Optotune在中國的授權代理商，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與我們的產品經理羅經理聯系。

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