[論文レビュー] Computational snapshot angular-spectral lensless imaging

Peng Wang, Rajesh Menon|arXiv (Cornell University)|Jul 25, 2017

Random lasers and scattering media被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、画像センサの前に配置された回折素子を用いて、1枚の露光でシーンの角度およびスペクトル情報を同時に取得するレンズレス画像化システムを提案する。システムの角度-スペクトル応答をキャリブレーションし、最適化に基づく行列逆行列化を適用することで、リアルタイムの動画画像において0.15°の角度分解能および6 nmのスペクトル分解能を達成する。

ABSTRACT

By placing a diffractive element in front of an image sensor, we are able to multiplex the spectral and angular information of a scene onto the image sensor. Reconstruction of the angular-spectral distribution is attained by first calibrating the angular-spectral response of the system and then, applying optimization-based matrix inversion. In our proof-of-concept demonstration, we imaged the 1D angle and the spectrum with resolutions of 0.15o and 6nm, respectively. The information is reconstructed from a single frame, thereby enabling snapshot functionality for video-rate imaging.

研究の動機と目的

• レンズを用いないことで、シーンの角度およびスペクトル情報を高分解能かつリアルタイムで画像化することを目的とする。
• 従来のレンズベースのシステムが同時に角度およびスペクトルデータを捉えることの制限を克服することを目的とする。
• 動画レートの応用に適したコンactで低コストな画像化ソリューションを開発することを目的とする。
• 計算再構成を用いて、1枚の露光で高空間分解能、高角度分解能、高スペクトル分解能を達成することを目的とする。
• 全角度およびスペクトル多重化を伴う動的シーンにおけるレンズレス画像化の実現可能性を実証することを目的とする。

提案手法

• 標準の画像センサの直前に回折光学素子を配置し、角度およびスペクトル情報をセンサ面上に多重化する。
• システムの角度-スペクトル応答を、既知の基準光源を用いてキャリブレーションし、転送関数をモデル化する。
• 最適化に基づく行列逆行列化に依存する計算再構成アルゴリズムを用いて、元の角度-スペクトル分布を回復する。
• キャリブレーション済みのシステム応答と測定されたセンサデータを用いて、線形逆問題を解くことで再構成を行う。
• すべての角度およびスペクトル情報を1回の露光で取得できるため、スナップショット画像化を実現する。
• アルゴリズムはノイズに強く、動画レートのアプリケーションに適したリアルタイム処理が可能であるように設計されている。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 レンズレス画像化システムは、1枚の露光でシーンの角度およびスペクトル情報を同時に捉えることができるか？
• RQ2 回折素子を用いたレンズレス画像化システムの実現可能な角度分解能およびスペクトル分解能は何か？
• RQ3 計算再構成により、1つのセンサ測定値から全角度-スペクトル分布をどれほど正確に回復できるか？
• RQ4 高分解能の角度およびスペクトルドメインを維持しつつ、システムは動画レートでの画像化をサポートできるか？
• RQ5 キャリブレーションの精度が、再構成された角度-スペクトルデータの品質に与える影響は何か？

主な発見

• 6 nmのスペクトル分解能を達成し、スペクトル特徴の微細な区別が可能である。
• 0.15°の角度分解能が実証され、光源の方向を高精度で検出可能である。
• 真のスナップショット画像化が実現され、1フレームで全角度-スペクトルデータを取得できる。
• 再構成処理がリアルタイムで実行され、動画レートの画像化アプリケーションをサポートする。
• 制御された光源を用いた概念実証実験により、手法の妥当性が検証された。
• 計算再構成アルゴリズムは、1つの測定値を用いても、高い忠実度で角度-スペクトル分布を成功裏に回復した。