KR20080021040A - 코드화된 개구 이미징 시스템 - Google Patents

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KR20080021040A
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크리스토퍼 윌리암 스린저
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키네티큐 리미티드
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Abstract

본 발명은 코드화된 개구 이미징 장치 및 방법에 관한 것이다. 일 양태에서, 코드화된 개구 이미저는 적어도 하나의 검출기 어레이와 재구성가능한 코드화된 개구 마스크 수단을 갖는다. 재구성가능한 코드화된 개구 마스크 수단은 어떠한 가동부나 대형 광학 구성요소도 필요로 하지 않고, 다른 시계에 걸친 및/또는 다른 해상도를 갖는 이미징을 제공하도록 다양한 코드화된 개구 마스크를 디스플레이할 수 있다. 하나 이상의 검출기 어레이가 사용되어 무단식 타일 배치를 필요로 하지 않고 대형 면적 이미징을 제공할 수 있으며, 이는 본 발명의 다른 양태를 대표한다. 또한, 본 발명은 가시광, 적외선 또는 자외선 파장 대역에서의 코드화된 개구 이미징에 관한 것이다. 이미지 디코딩이 굴곡된 요소에 의해 도입되는 임의의 수차를 자동적으로 제거하기 때문에, 굴곡된 광학 요소를 통한 이미징을 위한 코드화된 개구 이미징의 사용이 고려된다.
가동부, 재구성가능한 코드화된 개구 마스크, 시계, 이미징, 수차, 굴곡된 광학 요소

Description

코드화된 개구 이미징 시스템 {Coded Aperture Imaging System}
본 발명은 재구성가능한 코드화된 개구 마크를 가지는 코드화된 개구 이미징 시스템에 관한 것으로, 특히, 가동부를 필요로 하지 않고 조절가능한 이미징 성능을 가지는 이미징 시스템 및 자외선, 가시광 및 적외선 파장에서의 동작을 위한 코드화된 개구 이미징 장치에 관한 것이다.
장면을 관찰하기 위한 광학 시스템은 CCTV 보안 시스템으로부터 감시/정찰 시스템까지 넓은 범위에 사용된다. 종종, 이들 시스템은 예로서, 해상도 또는 이미지 갱신율에 관하여 시스템의 이미징 성능이 조절될 수 있도록 구성될 필요가 있다. 다른 예는 이미저(imager)가 넓은 관련 영역(large field-of-regard, FOR)에 걸쳐 스캐닝될 필요가 있는 경우이며, FOR은 순간 관찰 영역(instantaneous field-of-view, FOV) 보다 몇배 크다.
광학 시스템의 기계적 스캐닝은 잘 알려져 있으며, 예로서, 렌즈 또는 거울 배열체의 이동이 FOR 내에서 FOV를 변화시키거나, 전체 이미징 시스템이 이동될 수 있다. 그러나, 광학 부품의 이동은 일반적으로 크고 무거운 기계적 이동 수단을 필요로 하며, 소정 용례에서는 크기 및 중량의 최소화가 중요하다. 다른 기계적으로 스캐닝되는 시스템은 불필요한 진동을 발생시킬 수 있으며, 이는 취득된 이미지 를 왜곡시킨다. 또한, 큰 관성 모멘트를 가질 수 있는, 크고 무거운 광학 부품 또는 전체 시스템의 급속한 이동은 문제가 될 수 있다.
또한, 스캐닝 이미징 시스템을 달성하기 위해 검출기 어레이로 회절 패턴을 디스플레이하도록 공간 광 변조기(SLM)를 사용하는 것도 알려져 있으며, 예로서, 공개된 PCT 출원 WO2000/17810을 참조하라. 장면의 다른 부분으로부터의 방사선을 검출기로 안내하는 다른 회절 패턴이 디스플레이될 수 있다. 따라서, 어떠한 가동부도 없이 스캐닝이 달성되며, 이는 광학 시스템의 중량 및 부피를 감소시킬 수 있다. 이런 회절 광학장치는 이들이 고 분산성이기 때문에, 좁은 대역(단색성)에 걸쳐서 사용가능한 것이 일반적이다. 이들은 종종 너무 비효율적이다.
본 발명의 목적은 상술한 단점 중 적어도 일부를 완화시키고, 보다 일반적인 이미저 적응성 정도를 제공하는 이미징 시스템을 제공하는 것이다.
따라서, 본 발명에 따라, 검출기 어레이와 코드화된 개구 마스크 수단을 구비하고, 코드화된 개구 마스크 수단이 재구성가능한 코드화된 개구 이미징 시스템이 제공된다.
코드화된 개구 이미징은 일반적으로 적절한 렌즈 재료가 존재하지 않는 X-레이 또는 γ-레이 이미징 같은 고 에너지 이미징에 주로 사용되는 공지된 이미징 기술이며, 예로서, 이. 페니모어(E. Fenimore) 및 티.엠. 캐논(T.M. Canon)의 "균일 러던던트 어레이를 사용한 코드화된 개구 이미징(Coded aperture imaging with uniformly redundant arrays, Applied Optics, 17권, 3호, 337-347쪽 1978년 2월 1일)"을 참조하라. 또한, 이는 3차원 이미징을 위해서도 제안되어 있으며, 예로서, "균일 러던던트 어레이를 사용한 토모그래피컬 이미징(Tomographical imaging using uniformly redundant arrays, Cannon TM, Fenimore EE, Applied Optics 18, 7호 1052-1057쪽, 1979년)"을 참조하라.
코드화된 개구 이미징은 핀홀 카메라와 동일한 원리를 활용하지만, 단일 소형 개구를 갖는 대신, 개구의 어레이를 갖는 코드화된 개구 마스크를 사용한다. 작은 크기의 개구는 높은 각도 해상도를 도출하지만, 개구수의 증가는 검출기에 도달하는 방사선을 증가시켜 신호대 잡음비를 증가시킨다. 각 개구는 장면의 이미지를 검출기 어레이로 전달하고, 그래서, 검출기 어레이에서의 패턴은 중첩된 일련의 이미지이며, 장면으로서 인식될 수 없다. 기록된 데이터로부터 원래의 장면 이미지를 재구성하기 위해 처리가 필요하다. 재구성 프로세스는 사용되는 개구 어레이에 대한 지식을 필요로 하며, 개구 어레이는 후속하는 양호한 품질의 이미지 재구성을 가능하게 하도록 코드화된다. 따라서, 코드화된 개구 이미징은 종래의 이미징 기술과는 매우 다르다. 종래의 이미징에서, 검출기 어레이에 형성된 공간적 강도 패턴은 시스템 광학장치에 의해 취득된 초점내 이미지이다. 코드화된 개구 이미저에서, 검출기 어레이에 형성된 강도 패턴은 이미지 및 코드화된 개구 어레이에 관련된 코드화된 이미지 패턴이다.
재구성가능한 코드화된 개구 마스크 수단의 사용은 다른 코드화된 개구 마스크가 다른 시간에 디스플레이될 수 있게 한다. 예로서, 이는 임의의 대형 가동부를 필요로 하지 않고, 이미징 시스템의 방향 및 FOV가 변경될 수 있게 한다. 또한, 이미징 시스템의 해상도는 코드화된 개구 마스크 수단상에 디스플레이되는 코드화된 개구 마스크를 변경시킴으로써 변화될 수도 있다. 또한, 복수의 다른 코드화된 개구 어레이를 사용하여 동일 장면을 이미지화하는 것, 즉, 다른 마스크를 사용하여 각각 취득되는 다수의 장면 프레임을 취득하는 것도 가능하다. 다중 프레임 이미징은 이미지 품질을 개선시킬 수 있으며, 본 발명은 각각 다른 마스크를 사용한, 다수의 다른 프레임의 신속한 취득을 가능하게 하며, 다른 마스크 각각은 필요에 따라 자유롭게 적응될 수 있다. 공지된 코드화된 개구 이미징 시스템은 재구성가능한 마스크 수단이 아니라 고정된 마스크를 사용한다. 본 명세서에서 사용될 때, 마스크 수단에 관련하여 용어 재구성가능한은 마스크 수단이 재구성가능한 영역을 갖고 재구성가능한 영역내에 마스크 패턴이 제공되며, 재구성가능한 영역내의 마스크 패턴의 임의의 부분은 필요에 따라 불투명하게(즉, 검출기 어레이에 도달하는 장면으로부터의 방사선을 정지시킴) 또는 투과성으로(장면으로부터의 방사선이 검출기에 도달할 수 있게 함) 설정될 수 있다는 것을 의미하기 위해 사용된다. 예로서, 재구성가능한 마스크 수단은 복수의 다른 가능한 마스크를 제공하도록 개별적으로 투과성 또는 불투명으로 설정될 수 있는 각 활성 화소로 화소화될 수 있다.
에일 시스템즈 인크(Ail Sytems Inc)에 허여된 국제 특허 출원 WO97/26557호는 정사각 비대칭 균일 리던던트 어레이(redundant array)를 나타내는 마스크를 구비한 코드화된 개구 이미징 시스템을 설명한다. 마스크 패턴은 코드화된 개구 어레이가 제1 위치의 제1 패턴과, 제2 회전된 위치의 제2 상보적 패턴을 나타내도록 배열된다. 따라서, 마스크의 축 둘레에서 마스크를 회전시킴으로써, 두 개의 다른, 그러나, 상보적인 마스크 패턴이 제공될 수 있다. 두 개의 상보적 패턴의 사용은 배경 노이즈의 제거에 유용하다. WO 97/26557호의 코드화된 개구 마스크 수단은 새로운 어레이 패턴을 제공하도록 고정된 마스크가 재배치될 수 있게 하지만, 마스크 수단은 개구성가능한 마스크 수단은 아니며, 결과적인 이미지의 해상도 또는 시계(field of view)의 방향이나 크기에 걸친 제어를 제공하지 않는다. 또한, 시스템은 최대 두 개의 다른 마스크에 한정되며, 사용되는 코드화된 개구 어레이에 대한 어떠한 유연성도 갖지 않는다.
코드화된 개구 마스크 수단상에, 즉, 마스크 수단의 전체 영역에 걸쳐 디스플레이되는 패턴은 본 명세서에서 코드화된 개구 마스크라 지칭된다. 코드화된 개구 마스크의 적어도 일부는 코드화된 개구 어레이이다. 코드화된 개구 어레이는 비록, 장면 이미지로서 직접적으로 인식될 수는 없지만, 검출기 어레이에 형성된 방사선 패턴이 장면 이미지를 드러내도록 처리될 수 있도록하는 방식으로 장면으로부터 검출기 어레이에 방사선이 도달할 수 있게 하는 패턴화된 개구의 어레이이다. 코드화된 개구 어레이를 형성하는 코드화된 개구 마스크의 영역은 코드화된 개구 마스크 수단 모두 또는 단지 그 일부일 수 있다. 즉, 마스크 수단상에 디스플레이되는 전체 패턴이 코드화된 개구 어레이이거나, 보다 상세히 후술된 바와 같이, 패턴의 단지 일부가 코드화된 개구 어레이이고, 마스크의 잔여부는 방사선이 검출기에 도달하는 것을 차단할 수 있다. 본 기술의 숙련자는 디스플레이될 수 있는 코드화된 개구 어레이를 잘 알 수 있을 것이다. 의문의 여지를 피하기 위해, 본 명세서에서 사용되는 용어 개구는 마스크 수단내의 물리적 구멍을 의미하는 것이 아니며, 단지, 검출기에 방사선이 도달할 수 있게 하는 패턴의 영역을 의미하고, 코드화된 개구 어레이는 투과성이거나 반사성일 수 있다. 코드화된 개구 어레이는 그 내부에 의도된 개구 패턴이 배치되는 영역이다.
따라서, 코드화된 개구 마스크 수단은 시스템을 위한 다른 시계를 제공하는 코드화된 개구 마스크를 제공하도록 재구성가능한 것이 바람직하다. 이 방식으로, 이미징 시스템 성능은 임의의 대형 구동부를 필요로 하지 않고, 다수배 보다 커질 수 있는 관련 시계내에서 변경될 수 있다. 다른 코드화된 개구 마스크는 코드화된 개구 마스크의 단지 일부만이 코드화된 개구 어레이를 포함하고, 마스크내의 코드화된 개구 어레이의 위치는 시계를 규정하도록 배열될 수 있다. 달리 말해서, 마스크 수단의 일부는 코드화된 개구 어레이를 형성하기 위해 사용되고, 마스크의 잔여부는 방사선이 검출기 어레이에 도달하는 것을 차단한다. 따라서, 검출기 어레이에 도달할 수 있는 장면으로부터의 방사선만이 코드화된 개구 어레이를 통과하며, 따라서, 검출기 어레이에 대한 코드화된 개구 어레이의 위치 및 코드화된 개구 어레이의 크기는 시스템의 시계를 규정한다. 마스크 수단상에 디스플레이된 마스크내에서 코드화된 개구 어레이의 위치를 이동시키는 것은 방사선이 그로부터 검출기 어레이에 도달할 수 있는 방향을 변경하고, 그래서, 시계의 방향 및 크기를 변경한다. 따라서, 마스크 수단의 총 크기는 시스템의 관련 시계를 규정하고, 재구성가능한 마스크 수단에 기록된 코드화된 개구 어레이의 크기 보다 매우 클 수 있지만, 시계는 예로서, 스캐닝을 제공하기 위해 또는 장면내의 대상물을 추적하기 위해 제어될 수 있다.
코드화된 개구 마스크 수단은 다른 해상도를 갖는 코드화된 개구 마스크를 제공하도록 재구성가능한 것이 바람직하다. 예로서, 다른 유효 개구 크기 및 간격을 갖는 코드화된 개구 어레이를 갖는 다른 코드화된 개구 마스크가 디스플레이될 수 있다. 또한, 코드화된 개구 마스크 수단은 다른 코드화된 개구 어레이를 갖는 코드화된 개구 마스크를 제공하도록 재구성가능할 수 있다.
또한, 마스크 패턴을 변경하는 기능은 고정된 마스크 시스템에 비해 이미징 성능 증가에 유리할 수 있으며, 예로서, 다수의 마스크 패턴으로부터의 검출된 강도를 조합함으로써, 증가된 이미지 해상도 및/또는 품질이 달성될 수 있다. 이미지 처리를 개선하기 위해 동일 장면의 이미지화를 위해 다수의 마스크 패턴이 사용될 수 있으며, 예로서, 둘 이상의 마스크 패턴이 사용될 수 있고-필요에 따라, 5개 이상 또는 10개 이상의 다른 마스크 패턴이 사용될 수 있다.
사용되는 마스크 패턴 또는 사용되는 마스크 패턴의 조합은 예로서, 장면 전개에 응답하여 자유롭게 적응 및 변화될 수 있다.
본 발명은 특히, 감시에 사용할 수 있는 것 같은 가시광, 근적외선, 열 적외선 또는 자외선 파장대역에서의 다기능 고해상도 이미징에 적용할 수 있다. 이 종류의 거의 모든 이미징 시스템은 굴절, 반사 또는 회절 광학 구성요소를 사용하며, 본 기술의 숙련자는 코드화된 개구 이미징이 여기에 적용하다는 것을 인지하지 못해왔다. 코드화된 개구 이미징은 그 본질상, 검출기에 도달하는 시계로부터의 방사선 중 현저한 양을 차단하며, 따라서, 검출된 방사선의 신호대 잡음비를 감소시킬 수 있다. 또한, 이미지화된 장면을 디코딩 및 회복하기 위해, 검출된 출력상에 신호 처리 기술이 수행되어야만 한다. 또한, 가시광, UV 및 IR 파장에서 고해상도 코드화 개구 이미징을 고려할 때, 회절의 효과는 현저할 수 있다. 코드화된 개구 이미징은 일반적으로 고 에너지 방사선 이미징 또는 입자 이미징을 위해 사용되어 왔다. 이런 용례를 위해, 개구 크기 및 검출기 간격에 대한 마스크는 회절 효과가 현저하지 않도록 이루어진다. 고해상도 이미징을 위해 가시광 파장 대역 방사선을 사용할 때, 회절 효과는 검출기 어레이에 형성된 패턴을 흐려지게 하기 시작하고, 재구성을 보다 곤란하게 한다. 따라서, 본 기술의 숙련자는 기존에, 코드화된 개구 이미징을 가시광 또는 그 부근 파장대역 이미징 시스템에 사용하는 것을 무시하여왔다. 그럼에도 불구하고, 본 발명은 코드화된 개구 이미징이 가시광, UV 및 IR 파장을 포함하는 다기능 이미징에 적용가능할 뿐만 아니라, 이에 적용될 때 다수의 장점을 갖는다는 것을 알아내었다.
상술한 바와 같이, 비교적 큰 코드화된 개구 마스크 수단을 사용할 때, 다양한 다른 크기의 코드화된 개구 어레이가 마스크의 다른 부분에 제공되어 어떠한 가동부도 필요로 하지 않고, 가변적 해상도의 다양한 다른 시계를 제공할 수 있다. 또한, 일련의 장면 이미지가 검출기 어레이상의 다른 위치에 중첩할 때, 마스크 및/또는 검출기 어레이에 임의의 데드 화소가 존재하는 경우, 여전히 완전한 이미지가 얻어지고, 전체 이미지에 걸쳐 데드 화소의 영향이 평균화되어 제거된다. 이는 감시형 용례에 유용한 어떠한 정보도 누락되지 않는다는 것을 의미한다. 또한, 언급한 바와 같이, 검출기 어레이에 의해 기록된 이미지는 시계내의 장면을 복제하지 않는다. 기록된 이미지가 처리된 직후 원래의 장면 이미지가 복원될 수 있다. 이는 이전에 단점으로서 인식되어 왔다. 그러나, 이미징 시스템이 원격지에서 사용되고, 기록된 이미지를 다시 기지국 또는 이미지가 추후 분석을 위해 기록되는 위치로 통신되는 경우, 기록된 정보가 효과적으로 암호화될 수 있다는 것을 알게 되었다. 가로챔 또는 간섭에 대한 보안을 제공할 수 있는 자연적으로 암호화된 검출기 외부 데이터스트림이 생성된다. 또한, 암호화 키(효과적으로, 마스크 패턴)는 마스크가 재구성가능할 때 의도적으로 변경될 수 있다. 또한, 코드화된 개구 이미징 시스템에서, 장면내의 임의의 신호 위치로부터의 광은 검출기 어레이의 단일 부분상에 집속되지 않으며, 그래서, 시스템은 또한 예로서, 레이저 소스 같은 밝은 소스로부터의 손상에 대한 보호를 제공한다.
코드화된 개구 마스크 수단은 코드화된 개구 마스크가 마스크의 다른 위치들에서 복수의 별개의 코드화된 개구 어레이를 갖도록 재구성될 수 있다. 달리 말하면, 둘 이상의 별개의 코드화된 개구 어레이가 동시에 마스크상의 다른 위치에서 사용된다. 각 코드화된 개구 어레이는 따라서, 장면의 다른 부분으로부터의 방사선을 검출기에 전달한다. 명백히, 검출기에서의 강도 패턴은 각 코드화된 개구 어레이로부터의 요소를 포함한다. 그러나, 결과적인 강도 신호는 각 코드화된 개구 어레이와 연계된 장면 이미지를 재구성하도록 처리될 수 있다. 달리 말하면, 이미저는 복수의 다른 방향에서 각각 검출기의 완전한 해상도를 사용하여 동시에 이미징할 수 있다. 따라서, 본 발명은 이미저가 다수의 포빌 패치(foveal patch)를 가질 수 있게 한다.
다른 코드화된 개구 어레이는 다른 해상도 및/또는 크기를 가질 수 있다. 예로서, 코드화된 개구 마스크의 하나의 코드화된 개구 어레이는 매우 높은 해상도를 가질 수 있으며, 따라서, 장면의 하나의 부분의 상세한 모습을 제공하는 반면, 다른 코드화된 개구 어레이는 장면의 다른 부분을 위해 보다 낮은 해상도를 가진다.
각 코드화된 개구 어레이는 다른 코드화된 개구 어레이와 무관한 것, 즉, 개별 마스크 패턴 사이의 교차 상관성에 어떠한 현저한 피크도 존재하지 않는 것이 바람직하다.
코드화된 개구 마스크 수단은 평면형 또는 비평면형일 수 있다. 예로서, 마스크 수단은 장치내의 개구와 정합할 수 있다. 굴곡형 코드화된 개구 마스크 수단은 이미징 시스템의 관련 시계를 최적화할 수 있다. 예로서, 굴곡형 코드화된 개구 마스크 수단은 평면형 코드화된 개구 수단에 비해, 주어진 시스템 개구를 위한 FOV를 증가시킬 수 있다. 부가적으로, 사용시, 코드화된 개구 마스크 수단이 플랫폼의 형상과 정합하도록 비평면형 코드화된 개구 마스크 수단은 사전결정된 형상을 가질 수 있다. 예로서, 본 발명의 이미징 시스템은 항공기 또는 다른 공중수송 플랫폼에서, 예로서, 날개 또는 항공기 노우즈부(nose)에 매설될 수 있다.
종래의 이미징 시스템은 일반적으로 항공기 외부의 윈도우 뒤의 하우징에 배치되어왔다. 이미지에 수차를 유발하는 윈도우의 영향을 피하기 위해, 윈도우는 일반적으로 반구형 또는 평탄하며, 그래서, 윈도우의 광학적 영향이 허용불가한 이미지 수차 또는 왜곡을 도입하지 않는다. 이는 항력을 증가시킬 수 있는 최적화되지 않은 윈도우 형상의 사용을 수반할 수 있으며, 보다 강인한 고정 등을 필요로 한다.
본 발명은 장착되는 플랫폼의 형상과 정합하는 굴곡형 또는 면상(faceted) 코드화된 개구 마스크 수단의 사용을 가능하게 한다. 항공기의 예에서, 코드화된 개구 마스크 수단은 윈도우와 정합될 수 있으며, 그에 인접하게 배치될 수 있다. 이는 시스템의 입력 개구가 최대화되고, 플랫폼의 형상으로부터의 이탈을 필요로 하지 않는 최적의 시계를 제공하는 것을 보증한다. 코드화된 개구 마스크 수단이 작동 환경에 대하여 충분히 강인한 소정의 경우에, 코드화된 개구 마스크 수단은 윈도우를 형성할 수 있다. 재구성가능하든 그렇지 않든 비평면형 코드화된 개구 마스크를 갖는 코드화된 개구 이미저의 사용은 본 발명의 다른 양태를 나타낸다.
본 발명의 다른 장점은 평면형이든 굴곡형이든 코드화된 개구 마스크 수단이 반구형을 필요로 하지 않는 굴곡형 또는 면상 표면을 통해 이미지화하디 위해 사용될 수 있다는 것이다. 특정 코드화된 개구 어레이 및 임의의 시계에서 사용되는 처리 알고리즘은 다른 시계에서 굴곡된 표면의 광학적 영향의 임의의 편차를 보상할 수 있다. 굴곡된 표면을 통한 이미지화를 위해 배열된 코드화된 개구 이미저의 사용은 본 발명의 다른 양태를 나타내며, 본 발명은 또한 비평면형 요소를 통한 이미지화를 위해 배열된 코드화된 개구 이미저를 갖는 이미징 시스템을 제공한다. 비평면형 요소는 명백히 동작의 파장에서 방사선에 대해 적어도 부분적으로 투과성이어야만 하며, 예로서, 표면에 윈도우를 포함할 수 있다. 상술한 바와 같이, 비평면형 요소는 반구형일 필요는 없으며, 사실, 불규칙적일 수 있지만, 본 발명의 이 양태의 이미징 시스템은 여전히 수차가 없는 이미지를 생성한다. 본 발명의 이 양태의 코드화된 개구 이미저는 적어도 하나의 검출기 및 코드화된 개구 마스크 수단을 포함하고, 편리하게는 본 발명의 제1 양태에 따른 코드화된 개구 이미저일 수 있다. 비평면형 요소는 공중 탈것 같은 플랫폼의 외부면의 일부를 형성할 수 있으며, 형상이 공기역학적일 수 있다. 즉, 비평면형 요소의 형상은 주로 공기역학적 고려사항에 의해 지정될 수 있다.
본 발명의 제1 양태의 재구성가능한 코드화된 개구 마스크 수단은 그 표면의 적어도 일부에 걸쳐 코드화된 개구 어레이를 디스플레이할 수 있는 임의의 재구성가능한 장치일 수 있다. 마스크 수단은 화소화될 수 있으며, 각 화소는 투과부와 불투명부 사이에 개재되어야 한다. 본 명세서에서 사용될 때, 용어 투과부는 그 화소에서의 적어도 일부 입사 방사선을 마스크로부터 검출기 어레이를 향해 전달할 수 있게 하는 의미로서 사용되며, 불투명부는 그 화소에서의 적어도 일부 입사 방사선이 검출기를 향해 전달되는 것을 차단하는 것으로서 이해되어야하고, 투과형 화소는 불투명 화소 보다 현저히 많은 방사선이 검출기에 도달할 수 있게 한다. 재구성가능한 마스크 수단은 디지털 마이크로-미러 장치 같은 반사형 장치일 수 있으며, 여기서, 화소의 반사성은 장면으로부터의 방사선을 검출기 어레이로 반사(투과부)하거나 그렇지 않은(불투명부) 것으로 변경된다.
재구성가능한 코드화된 개구 마스크 수단은 제어기를 가질 수 있으며, 제어기는 적어도 하나의 코드화된 개구 마스크를 코드화된 개구 마스크 수단에 기록하도록 구성된다. 제어기는 복수의 다른 코드화된 개구 마스크로 사전프로그램될 수 있으며, 특정 시간에 재구성가능한 마스크 수단에 특정 마스크를 기록하도록 구성된다. 예로서, 제어기는 타겟이 검출될 때까지 저해상도 감시 모드에 대응하는 마스크를 기록하고, 그후, 검출된 타겟과 일치하는 고해상도 좁은 FOV에 대응하는 마스크를 기록할 수 있다.
코드화된 개구 마스크 수단은 바람직하게는 비교적 짧은 시간스케일로 재구성가능한 것이 바람직하다. 마스크 수단은 15ms 미만 또는 10ms 미만 또는 5ms 미만으로 재구성가능한 것이 바람직할 수 있다. 코드화된 개구 마스크 수단의 해상도는 예로서, 가시광 대역의 5㎛ 내지 장파 열 적외선 대역의 25㎛의 영역에 존재할 수 있는 시스템에 사용되기에 적합한 검출기 어레이의 것에 일치하는 해상도를 가지는 것이 바람직하다. 코드화된 개구 어레이내의 화소는 코드화된 개구 마스크 수단의 다수의 개별 화소의 그룹으로부터 형성될 수 있다. 따라서, 보다 큰 유효 화소를 갖는 마스크 수단은 화소의 그룹들을 조합함으로써 시뮬레이팅될 수 있다.
언급한 바와 같이, 본 발명의 이미징 시스템은 자외선 대역의 이미징에 적용될 수 있으며, 그래서, 약 380nm 이하 및/또는 약 10nm 이상의 파장 또는 파장 범위에서 동작할 수 있다. 또한, 본 발명은 가시광 대역 이미징에 적용될 수 있으며, 그래서, 약 780nm 이하 및/또는 약 380nm 이상의 파장 또는 파장 범위에서 동작할 수 있다. 또한, 본 발명은 자외선 대역 이미징에 적용될 수도 있으며, 그래서, 약 780nm 이상 및/또는 약 1mm 이하의 파장 또는 파장 범위에서 동작할 수 있다. 예로서, 이미징 시스템은 중간 IR 대역, 즉, 3㎛ 이상 및/또는 5㎛ 이하 또는 장파 IR 대역, 즉, 8미크론 이상 및/또는 14㎛ 이하의 파장에서 사용될 수 있다. 그러나, 본 기술의 숙련자는 필요에 따라, 다른 파장 범위가 사용될 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다.
양호하게는, 코드화된 개구 마스크 수단은 쌍안정성, 즉, 화소는 파워의 인가 없이 두 개의 안정한 투과 상태 중 하나로 존재할 수 있다. 이는 코드화된 개구 마스크 수단이 특정 마스크로 구성되고 나면, 그 마스크를 유지하기 위해 어떠한 파워도 필요없는 장점이 있다.
코드화된 개구 마스크 수단은 적어도 하나의 공간적 광 변조기를 포함할 수 있다. 공간적 광 변조기는 액정 장치일 수 있다. 액정 장치는 가시광 및 적외선 대역에서 동작할 수 있으며, 신속히 절환가능하다. 쌍안정 액정 장치는 알려져 있으며, 예로서, 강유전성 액정 장치가 있다. 다른 적절한 재구성가능한 마스크 수단은 MEMS 또는 MOEMS 변조기, 전자발색 장치, 전기이동성 장치 및 전자광학 변조기를 포함한다. 예로서, 적외선 용례에 대하여, 바나듐 디옥사이드 변조기(vanadium dioxide modulator)가 사용될 수 있다.
검출기 어레이는 고감도 및 동적 범위와, 양호한 신호 대 잡음 특성과, 높은 화소 카운트 및 작은 화소 간격을 갖는 것이 바람직하다. 사용되는 검출기 어레이는 명백히 동작 파장에 의존한다. 가시광 및 근적외선 파장대역에 대하여, CMOS 검출기 어레이 또는 CCD 어레이가 사용될 수 있다. 열적 적외선 대역에 대하여, 카드뮴 수은 텔루리드(telluride)(CMT) 및 인듐 안티몬(InSb) 검출기 어레이를 포함하는 다수의 냉각식 또는 비냉각식 검출기 어레이가 사용가능하다. 대형 검출기 어레이를 필요로 하는 용례에서, 서로 인접 배열된 하나 이상의 검출기 어레이가 존재할 수 있다. 따라서, 본 발명은 복수의 보다 작은 검출기 어레이를 사용하여 대형 면적 검출기가 실현될 수 있게 한다. 사실, 코드화된 개구 이미징의 사용은 대형 면적 이미징에 대하여 장점을 갖는다. 상술한 바와 같이, 일련의 이미지가 검출기 어레이상의 다른 위치에 중첩할 때, 임의의 데드 화소가 존재하는 경우, 여전히 완전한 이미지가 얻어질 수 있으며, 데드 화소의 영향은 전체 이미지에 걸쳐 평균화 제거된다. 인접 검출기 어레이 사이의 임의의 간격에 대해서도 이는 사실이다. 검출기 어레이 사이의 간격이 이미지에 간격을 초래하는 종래의 이미징과는 달리, CAI 시스템내의 검출기 어레이 사이의 임의의 간격의 영향은 평균화 제거되고, 여전히 완전한 이미지가 얻어질 수 있다. 이는 표준 검출기 어레이가 어레이 주변에 배열된 유선/어드레싱 회로를 갖는 경향이 있을 때 유리하다. 따라서, 활성 검출기 영역 및 비활성 주변 영역을 갖는 복수의 표준 검출기 어레이는 활성 영역이 동일 영역(coterminous)에 존재하도록, 즉, 일 활성 영역의 단부가 이웃 검출기 영역의 시작부와 조우하도록 보다 큰 검출기를 형성하도록 단절부 없이 함께 타일식으로 배설될 수 없다. 따라서, 대형 면적 이미징은 전통적 검출기를 필요로 하며, 생성될 수 있는 검출기 어레이의 크기에 대한 한계가 존재한다. 그러나, 코드화된 개구 이미징 시스템을 사용하면, 표준 검출기 어레이가 사용될 수 있으며, 평균화 효과는 대형 면적 무단(seamless) 이미징 또는 비표준 형상비 이미징이 비교적 간단히, 저가로 달성될 수 있다는 것을 의미한다. 이는 고정 시계를 갖는 이미징 시스템, 즉, 고정식 코드화된 개구 마스크 또는 재구성가능한 코드화된 개구 마스크 수단을 사용하는 가변 시계를 갖는 이미징 시스템에 적용가능하다.
따라서, 본 발명의 다른 양태에서, 코드화된 개구 마스크를 통해 장면으로부터 방사선을 수신하도록 배열된 복수의 검출기 어레이를 갖는 코드화된 개구 이미징 시스템이 제공된다. 상술한 바와 같이, 각 검출기 어레이는 방사선을 수용하기 위한 활성 검출기 영역과, 비활성 주변 영역을 가지며, 적어도 하나의 검출기 어레이의 활성 영역은 이웃 검출기 어레이의 활성 영역과 동일 영역에 존재하지 않는다. 본 발명의 다른 양태에 관하여 본 명세서에 설명한 모든 실시예 및 장점은 다수의 검출기 어레이를 사용하는 양태에도 적용가능하다.
비록, 제조의 용이성 및 이에 따른 가용성과 비용으로 인해 평면형 검출기 어레이가 본 발명의 모든 양태에 적합하지만, 필요시, 검출기 어레이는 굴곡되거나 면상으로 이루어질 수 있다.
상술한 바와 같이, 검출기 어레이에 도달하는 방사선 패턴은 각 개구로부터 하나씩, 일련의 중첩하는 장면의 이미지로서 고려될 수 있지만, 검출된 패턴을 디코딩하기 위해 신호 처리가 필요하다. 따라서, 시스템은 이미지를 생성하기 위해 검출기 어레이의 출력을 디코딩하기 위한 프로세서를 포함한다. 프로세서는 이미지를 디코딩하기 위해 다양한 디코딩 알고리즘을 적용하도록 구성되는 것이 바람직하다. 시스템이 굴곡된 표면을 통해 이미지화하도록 배열되는 경우, 디코딩 알고리즘은 굴곡된 표면을 통과하는 방사선에 의해 유발되는 임의의 수차 효과를 보상한다.
다수의 다른 디코딩 알고리즘이 사용될 수 있다. 사용되는 알고리즘은 이미징 시스템이 사용되는 특정 용례에 의존하며, 또한, 필요한 프레임 레이트, 이미지 품질 및 가용 신호 처리 자원에 의해 영향을 받을 수 있다. 특정 상황에서 사용되도록 다양한 알고리즘들이 저장될 수 있다.
디코딩 알고리즘은 디콘볼루션 알고리즘(deconvolution algorithm)을 포함하는 것이 편리하다. 대안적으로, 디코딩 알고리즘은 교차 상관 알고리즘을 포함할 수 있다. 디코딩은 이미지를 복원하기 위해 해(solution) 공간의 반복 검색, 예로서, 최대 엔트로피 방법 및 소스의 반복 제거를 포함할 수 있다. 처리는 상술한 디코딩 알고리즘 중 하나 이상을 수행하도록 구성될 수 있다.
본 기술의 숙련자는 회절이 없는 경우, 코드화된 개구 이미징 시스템의 검출기 어레이에서 기록된 신호는 소정 노이즈와 코드화된 개구 어레이의 개구 함수의 합과 장면 강도의 콘볼루션(convolution)으로서 설명될 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 따라서, 디코딩 알고리즘의 목적은 마스크 패턴의 지식을 사용하여, 예로서, 디콘볼루션 또는 교차 상관을 수행함으로써, 장면을 복원하는 것이다.
그러나, 회절 영향이 현저한 경우, 검출기 어레이에서의 강도 패턴은 더 이상 개구 함수에 직접적으로 대응하지 않는다. 대신, 검출기 어레이에 형성된 회절 패턴은 사실상 마스크 패턴의 흐려진 형태이다. 따라서, 코드화된 개구 어레이의 개구 함수에 기초한 디코딩 알고리즘은 흐려진 이미지를 초래한다.
따라서, 이미지의 처리는 다단계 프로세스를 수반한다. 제1 단계에서, 장면의 제1 이미지가 형성된다. 이 제1 이미지는 임의의 회절 영향으로 인해 흐려질 것이다. 그후, 적어도 하나의 이미지 개선 단계가 적용되어 이미지 품질을 개선한다.
제1 이미지 형성 단계는 종래의 코드화된 개구 어레이를 위해 공지된 프로세스 기술 중 임의의 기술을 사용할 수 있다. 그러나, 이미지 디콘볼루션이 잘못 설정된 역변환 문제(ill posed inverse problem)일 때, 이 잘못 설정된 역변환 문제의 해에 적용가능한 다양한 기술이 적용될 수 있다. 일 양호한 실시예에서, 티코노브(Tikhonov) 정규화 기술이 제1 이미지 처리에 적용될 수 있다. 티코노브 정규화는 역변환 문제의 해법의 공지된 기술이며, 예로서, "이미징의 역변환 문제에 대한 소개(Introduction to Inverse Problems in Imaging, M. Bertero & P. Boccacci, Institute of Physics Publishing, 1998, ISBN 0750304359)"를 참조하라(이하, 베르테로 & 포카치라 지칭됨). 대안적으로, 웨이너(Weiner) 필터 기술이 적용될 수 있다. 랜드웨버 반복(Landweber Iteration) 같은 반복 기술도 사용될 수 있으며, 페르테로 & 보카치의 291페이지를 참조하라.
이미지 품질을 추가로 향상시키기 위하여, 적어도 하나의 이미지 개선 단계는 제 1 블러드 이미지(blurred image;열화 현상이 발생한 이미지) 상에 실행될 수 있다. 블러드 이미지는 지점 분산 함수로 감긴 실제 이미지로 보여질 수 있다. 이미지 개선 단계는 그때 실제 이미지를 회복한다.
양호하게는, 이미지 개선 단계는 지점 분산 함수가 상대적으로 불변인 일련의 이미지 영역으로 제1 이미지를 분할하고, 이들 서브이미지를 품질 개선을 위해 처리하는 것을 수반한다. 이미지를 복수의 작은 이미지 영역으로 분할하는 것은 지점 분산 함수가 그 영역에 대하여 공간적으로 불변인 것을 보증할 뿐만 아니라, 또한, 전체 이미지를 처리하기 위한 시도에 비해 연산을 용이하게 한다. 역변환 문제는 각 작은 이미지 영역에 걸쳐 해결되고, 영역의 중심에서의 해의 값이 해로서 유지되는 것이 바람직하다. 그후, 이 영역은 다수의 화소 만큼 이동되고, 처리가 반복된다.
양호하게는, 각 이미지 영역을 위한 역변환 문제를 푸는 것은 푸리에 방법(Fourier method)을 사용하여 달성될 수 있는 티코노브 정규화(Tikhonov regularisation)이다. 대안적으로, "공간 변동 흐려짐을 갖는 이미지의 복원을 위한 스캐닝 특이값 분해 방법(Scanning singular-value decomposition method for restoration of images with space-variant biur, D A Fish, J Grachmalicki 및 E R Pike, J.Opt.Soc.Am A, 13, 3호, 1996, 464-469쪽)"에 제안된 바와 같이, 절단 특이 함수 확장(truncated singular function expansion)이 사용될 수 있다. 이는 티코노브 정규화 보다 연산적으로 강도가 높은 방법이다. 이 방법은 지점 분산 함수와 연계된 특이값 분해(SVD)의 계산을 필요로 한다. 그러나, 지점 분산 함수가 공간적으로 불변인 경우, 이때, SVD는 전체 이미지 처리에 대해 한번만 계산되면 된다.
코드화된 개구 이미징이 흐트러진(incoherent) 이미징을 수반하기 때문에, 진정한 이미지는 음이 아니어야한다. 이 선험 정보는 역변환 문제의 해(solution)에 포함될 수 있다(예로서, G D de Villiers, E R Pike 및 B McNally의 선형 역변환 문제에 대한 양의 해(Positive solutions to linear inverse problems, Inverse Problems 15, 1999 615-635 쪽 참조).
양의 값 특성(positivity)은 또한 랜드웨버 반복의 변형을 사용하여 이 해법에 통합될 수도 있으며, 이는 잠재적으로 이행이 보다 용이하다(베스트로 & 보카치, 291쪽 참조). 리차드슨-루시 방법(기대값 최대화 방법이라고도 알려짐)은 비록 연산적으로 보다 강도가 높지만, 투영된 랜드웨버 방법과 유사한 성능을 가진다(베스트로 & 보카지, 179쪽).
이미지가 작은 수의 지점 타겟을 갖는다는 선험 정보를 갖고 있는 경우, 이미지 개선 단계는 부가적일 수 있거나, 대안적으로, 곡선 정합을 수반하는 슈퍼 해상도(super resolution)를 사용할 수 있다.
코드화된 개구 이미저가 추적을 위해 사용되는 경우, 고해상도 패치는 추적이 수행되는 경우에만 필요할 수 있다. 이는 연산적 부하를 현저히 절감한다. 따라서, 이 방법은 이미지의 관련 부분, 즉, 가능한 또는 확인된 타겟의 영역 또는 장면의 이동부에서만 이미지 개선을 수행하는 단계를 수반할 수 있다.
또한, 이미지 개선 단계는 복수의 장면의 이미지로부터의 데이터 조합을 수반할 수도 있다. 다른 코드화된 개구 마스크를 사용하여 장면의 다수의 이미지를 취함으로써, 장면에 대한 부가적인 정보를 생성하는 것이 가능하다. 사실, 데이터상에 일부 통계학적 구조를 부여할 수 있다.
특히, 코드화된 개구 이미저가 타겟 추적에 사용되는 경우, 하나 이상의 이미지로부터의 정보가 조합될 수 있다. 추적-이전-검출 체계가 사용된다. 추적 이전 검출 알고리즘은 기존에 레이더 및 수중 음파 탐지기 분야에 사용되어왔으며, 타겟 식별을 개선하기 위해, 센서로부터의 데이터의 다수의 취득값으로부터의 데이터를 함께 사용한다. 코드화된 개구 이미징 시스템으로부터의 다른 이미지에 유사한 접근법이 사용될 수 있다.
따라서, 이미지 처리는 3단계 프로세스를 사용할 수 있다. 제1 단계에서, 장면의 제1 이미지가 생성된다. 이는 회절 효과로 인해 장면의 흐려진 이미지일 것이다. 제2 단계에서, 이 이미지가 이미지 영역으로 분할되고, 각각 이미지 품질 개선을 위해 처리된다. 마지막으로, 제3 단계에서, 이미지의 적어도 일부의 이미지 품질의 추가 개선을 위해 다른 이미지로부터의 데이터가 조합될 수 있다.
전술한 바와 같이, 디코딩된 이미지의 품질은 다른 코드화된 개구 어레이를 사용하여 포착된 장면의 다수의 프레임들을 취함으로써 증가될 수 있다. 본 발명은 재구성가능한 마스크 수단을 사용하여, 코드화된 개구 마스크 수단을 매우 쉽게 변경하고, 복수의 장면의 프레임을 취득할 수 있다. 다른 프레임들은 적절한 파장으로 함께 조합될 수 있다(다른 코드화된 개구 어레이를 위한 마스크 개구 함수일 수 있다).
프로세서 자체는 이미지를 디코딩하기 위해 다양한 알고리즘을 이행하는 디지털 신호 프로세서일 수 있다. 이는 재구성가능한 코드화 개구 마스크와 조합하여 사용될 때, 이미징 시스템에 추가된 유연성 정도를 제공한다. 적절한 신호 처리 하드웨어는 온-디텍터-칩(on-detector-chip) 프로세싱, 마이크로프로세서, CPU 또는 그래픽 프로세서(GPU) 또는 그 집단들, 현장 프로그램가능한 게이트 어레이 및 용도 특정 집적 회로나 이들의 임의의 조합을 포함한다.
그러나, 상술한 바와 같이, 검출기 출력은 본질적으로 암호화된 이미지이며, 그래서, 소정 용례에서, 시스템은 후속 디코딩을 위해 검출기 출력을 송신/기록하기 위해 송신기 또는 리코더를 포함할 수 있다. 사용되는 코드화된 개구 어레이는 암호화 "키"를 변화시키기 위해, 주기적으로 또는 소정의 외부적 지시에 응답하여 시간에 따라 변할 수 있다.
따라서, 본 발명은 가시광 및 자외선을 포함하는 파장 대역의 범위에서 동작할 수 있는 적응형 이미징 시스템을 제공한다. 상술한 바와 같이, 기존의 코드화된 개구 이미징 시스템은 가시광 또는 자외선 파장대역에서의 이미징에 적합한 것으로 고려되지 않았다. 따라서, 본 발명의 다른 양태에서, 검출기 어레이 및 가시광 대역 코드화된 개구 마스크 수단을 포함하는 가시광 대역 이미징 시스템이 제공된다. 따라서, 본 발명은 가시광 대역 시스템과 함께 사용될 수 있는 마스크 수단 및 디코딩 알고리즘에도 적용될 수 있다. 유사하게, 본 발명의 다른 양태에서, 검출기 어레이 및 자외선 대역 코드화된 개구 마스크 수단을 포함하는 자외선 대역 이미징 시스템이 제공된다. 본 발명의 제1 양태의 모든 실시예 및 장점은 본 발명의 이들 양태에 적용가능하다-특히, 가시광 대역 코드화된 개구 마스크 및 자외선 대역 코드화된 개구 마스크 수단은 재구성가능할 수 있다.
FOV 변경에 부가하여, 본 발명에 의해 제공되는 재구성가능한 이미징 성능의 다른 예는 조립질 구조(coarse structure; 즉, 큰 화소 및 화소 간격)의 코드화된 개구 어레이를 형성함으로써, 이미지 해상도 및 디지털 신호 프로세서의 처리 부하가 감소되어 주어진 양의 신호 처리 자원 또는 시스템 에너지 소비에 대하여 보다 신속한 이미지 디코딩을 가능하게 한다는 것이다.
본 발명의 다른 양태에서, 재구성가능한 코드화된 개구 어레이 수단을 통해 장면을 관찰하도록 검출기 어레이를 배열하는 단계와, 코드화된 개구 마스크를 코드화된 개구 마스크 수단에 기록하는 단계를 포함하는 이미징 방법이 제공된다. 본 발명의 방법은 본 발명의 제1 양태와 관련하여 상술한 바와 동일한 장점 모두를 갖는다.
이 방법은 코드화된 개구 마스크 수단에 제1 코드화된 개구 마스크를 기록하고, 후속하여, 코드화된 개구 마스크 수단에 제2 코드화된 개구 마스크를 기록하는 것을 수반하며, 제1 및 제2 코드화된 개구 마스크는 다른 시계 및/또는 해상도를 갖는다. 또한, 다른 코드화된 개구 마스크가 필요에 따라 기록될 수 있다. 상술한 바와 같이, 코드화된 개구 마스크의 FOV는 마스크내의 코드화된 개구 어레이의 위치, 즉, 코드화된 개구 마스크 수단상에 나타나는 위치를 변경함으로써 변화될 수 있다. 해상도는 어레이내의 개구의 간격 및 크기를 변화시킴으로써 변경될 수 있다. 별개의 고품질 이미지를 제공하기 위해 코드화된 개구 마스크 수단상에 멀티포빌(multifoveal) 패치가 제공될 수 있다.
이 방법은 이미지를 제공하기 위해 검출기 어레이의 출력을 디코딩하는 단계를 포함하는 것이 바람직할 수 있다. 이는 로컬 프로세서에 의해 검출기 어레이의 출력상에 직접적으로 수행되거나, 출력이 원격 디코딩 및 기록을 위해 전송되고, 추후 처리될 수 있다. 디코딩 단계는 디콘볼루션 알고리즘, 교차 상관 알고리즘 및 반복적 해 검색 중 하나 이상을 적용하는 단계를 포함한다.
이제, 첨부 도면을 참조로 단지 예시로서, 본 발명을 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 코드화된 개구 이미징 시스템의 개략도.
도 2는 두 개의 모드, 즉, a) 전체 FOR 저 해상도 이미징 모드 및 b) 고해상도 협폭 FOV 이미징 모드에서 동작가능한 간단한 평면형 코드화된 개구 마스크 수단을 도시하는 도면.
도 3은 다른 시간에 사용될 수 있는 몇몇 마스크 패턴을 예시하는 도면.
도 4는 굴곡된 코드화된 개구 마스크 수단을 도시하는 도면.
도 5는 장면의 시뮬레이션, 전형적 마스크 패턴, 검출기 어레이에서의 강도 패턴 및 디코딩된 이미지를 도시하는 도면.
도 6은 코드화된 개구 이미징 시스템을 사용하는 3D 이미징의 원리를 도시하는 도면.
도 7은 디콘볼루션 알고리즘을 사용하여 이미지 품질에 대한 회절의 영향을 시뮬레이팅하는 수치적 연산의 결과를 도시하는 도면.
도 8은 굴곡된 표면을 통한 이미지화를 위해 코드화된 개구 이미징 시스템을 도시하는 도면.
종래의 카메라 시스템은 카메라의 깊이를 효과적으로 고정하는 그 렌즈 시스템의 초점 평면에 초점형성된 이미지를 생성한다. 이런 시스템에서, 초점 렌즈는 반경방향으로 변하는 위상 이동을 도입함으로써, 검출기 전 처리의 필요한 요소를 제공하며, 이는 개별 광선 다발이 렌즈의 초점 평면으로 전파되는 시간에 의해 이미지가 생성될 수 있게 한다. 프레넬, 회절 렌즈 시스템 및 구역 판은 보다 얇은 구조체를 사용하여 필요한 위상 이동을 발생시키지만, 여전히, 동일한 거리 만큼의 개별 광선 다발의 전파를 필요로 한다. 종래의 반사 및 굴절 렌즈 시스템은 현용의 카메라 디자인을 포함하며, 고성능 시스템은 비교적 대형이고, 제조 비용이 고가이다. 또한, 이런 카메라 시스템의 응용성은 제한되어 있으며, 예로서, 시계의 조정은 큰 관성 모멘트를 갖는 대형 광학 구성요소의 이동을 수반할 수 있다.
본 발명은 경량의, 적응가능한 이미징 시스템의 코드화된 개구 이미징(CAI)을 사용한다. CAI는 핀홀 카메라와 같은 원리에 기초한다. 핀홀 카메라에서, 핀홀로부터 떨어진 모든 거리에 색수차가 없는 이미지가 형성되어 매우 보다 큰 시계 깊이를 갖는 보다 축약적인 이미징 시스템의 전망을 가능하게 한다. 그러나, 주된 단점은 핀홀의 작은 광 수집 특성으로부터 초래되는 열악한 강도 처리량이다. 그럼에도 불구하고, 비록, 회절 효과가 고려되어야 하지만, 카메라는 여전히 핀홀의 직경에 의해 결정된 해상도를 갖는 이미지를 생성할 수 있다. 핀홀의 어레이를 사용함으로써, 각도 해상도를 보전하면서, 시스템의 광 처리량은 크기의 수배만큼 증가될 수 있다. 각 검출기 요소는 장면의 각 시점에 대응하는, 다수의 핀홀로부터의 기여도의 합의 결과를 보게 된다.
CAI의 동작 원리에 대한 다른 이해 방법은 이것이 순수 형상 이미징 기술이라는 것을 고찰하는 것이다. 시스템의 관련 시계(FOR) 내의 장면의 모든 지점으로부터의 광은 검출기 어레이상으로 코드화된 개구의 그림자를 투사한다. 검출기는 이들 그림자의 강도 합을 측정한다. 코드화된 개구는 그 자동 상관 함수가 매우 낮은 측부 로브를 갖는 상태로 선명하도록 특수 설계된다. 통상적으로, 의사랜덤 또는 균일 리던던트 어레이(URA)(E. Fenimore 및 TJM. Cannon의 "균일 리던던트 어레이를 갖는 코드화된 개구 이미징(Coded aperture imaging with uniformly redundant arrays", Applied Optics, 17권, 3호, 337-347 쪽, 1978년 2월 1일)에 설명된 바와 같은)가 사용되며, 여기서, 검출기 강도 패턴의 디콘볼루션은 장면내의 지점 분포에 대한 양호한 근사치를 산출할 수 있다.
도 1은 포괄적으로 부호 2로 표시된 코드화된 개구 이미징 시스템의 예를 개략적으로 도시한다. 장면(4)내의 지점으로부터의 광선은 마스크를 디스플레이하는 재구성가능한 마스크 수단(6)상에 떨어진다. 본 예에서, 전체 마스크는 특정 코드화된 개구 어레이를 형성한다. 코드화된 개구 어레이는 샤도우 마스크로서 작용하며, 따라서, 일련의 중첩하는 코드화된 이미지가 검출기 어레이(8)상에 형성된다. 검출기 어레이상의 각 화소에서, 중첩하는 코드화된 이미지로부터의 강도가 합산된다. 검출기 어레이(8)로부터의 출력은 프로세서(10)에 전달되고, 여기서, 그후, 장면의 이미지는 다양한 디지털 신호 처리 기술을 사용하여 검출기 신호로부터 디코딩된다. 코딩된 개구 마스크 수단은 제어기(12)에 의해 제어되며, 제어기는 다른 코드화된 개구 마스크를 디스플레이하도록 재구성가능한 마스크 수단을 제어한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 검출기 어레이(8)에 대한 재구성가능한 마스크 수단(6)의 관계 및 크기는 이미징 시스템의 관련 시계를 한정한다. 도 2a는 그 전체 영역에 걸쳐 조립질 코드화된 개구 어레이를 가지는 마스크를 디스플레이하는 재구성가능한 마스크 수단을 도시한다. 도 2a의 이미징 시스템은 전체 관련 시계(FOR) 이미징 모드에서 동작하며, 전체 FOR의 비교적 저 해상도 이미지를 생성한다. 그후, 재구성가능한 마스크 수단은 도 2b에 도시된 고해상도 모드로 재구성될 수 있으며, 여기서, 단지 마스크의 작은 영역만이 보다 섬세한 해상도의 코드화된 개구 어레이를 디스플레이하며, 마스크의 잔여부는 불투명하다. 방사선은 코드화된 개구 어레이를 보유하는 마스크의 부분을 통해서만 검출기 어레이(8)에 도달할 수 있으며, 그래서, 단지 협폭 시계(FOV)만이 관찰되지만, 전체 검출기 어레이가 방사선을 수신하기 때문에, 이미지의 해상도는 개선된다. 따라서, 시스템의 FOV와 해상도는 특정 요구조건에 따라 쉽게 변할 수 있다. 예로서, 이미징 시스템이 보안 감시 시스템에 사용되는 경우, 이는 일반적으로 소정 영역을 감시하기 위해 전체 FOR 저 해상도 모드로 동작할 수 있다. 그러나, 필요시, 특정 FOV가 고 해상도 이미징을 위해 선택된다. 예로서, 조작자에 의해 또는 이미지 처리를 사용하여 자동으로, 이미지내의 움직임이 검출되는 경우, 마스크 수단은 움직임이 발생한 영역의 고해상도 이미지를 제공하도록 재구성될 수 있다.
시스템의 시계는 재구성가능한 마스크 수단상에 디스플레이되는 코드화된 개구 어레이의 위치 및 크기에 의해 결정되는 것이 명백하다. 마스크상의 작은 어레이의 위치를 변화시키는 것은 시계를 변화시킨다. 따라서, 이미징 시스템의 시계는 코드화된 개구 어레이의 위치를 변경하도록 마스크 수단을 간단히 재구성함으로써 쉽게 조종될 수 있다. 도 3은 사용될 수 있는 일련의 마스크패턴을 예시한다.
시간 t=0에서, 전체 마스크 수단은 전체 FOR 감시 모드에 있고, 전체 크기의 코딩된 개구 어레이가 디스플레이된다. 시간 t=1에서, 시스템은 고해상도 추적 및 식별 모드로 전환하고, 여기서, 단지 마스크의 일부만이 코드화된 개구 어레이를 디스플레이하며, 위치는 장면내의 대상물을 추적하도록 이동된다(t=2, 3 등).
따라서, 본 발명은 대형 FOR로부터의 방사선이 검출기 어레이상에 선택적으로 떨어질 수 있게 하기에 충분한 범위의 신속히 재구성가능한 코드화된 마스크를 갖는 시스템을 제공한다. 평면형 마스크 수단 또는 굴곡된 또는 면상의 마스크 수단이 사용될 수 있다. 도 4는 굴곡된 마스크 수단(40)의 예를 도시한다. 평면형 마스크 수단에서와 같이, 굴곡된 마스크 수단은 다른 해상도를 제공하도록 다른 코딩된 개구 어레이를 디스플레이하며, FOV를 변경하기 위해 마스크 수단상의 코드화된 개구 어레이의 위치를 변화시킬 수 있다. 그러나, 굴곡된 마스크 수단은 비록, 보다 제조가 곤란하지만, 주어진 시스템 개구를 위한 FOR을 추가로 증가시키는 장점을 갖는다. 상술한 바와 같이, 코드화된 개구 마스크 수단은 사용시 그 주변과 일치하도록 설계된 형상을 가질 수 있다. 예로서, 이미징 시스템이 항공기 날개에 사용되는 경우, 굴곡된 마스크 수단이 사용되고, 굴곡부는 날개 형상의 것과 정합한다. 이는 사용시, 이미징 시스템은 공기역학을 훼손시키지 않고, 최적의 FOV를 갖는 윙의 적절한 부분에 배치될 수 있다는 것을 의미한다. 대안적으로, 평면형 또는 굴곡된 또는 면상 마스크가 사용될 수 있으며, 허용불가한 광학적 수차를 발생시키지 않고, 날개부 또는 항공기 노우즈부의 윈도우 같은 굴곡된 표면을 통해 이미지화하도록 배열된다. 도 8은 굴곡된 표면(82)을 통한 이미지화를 위해 배열된 코딩된 개구 마스크(6)와 검출기 어레이(8)를 갖는 코드화된 개구 이미징 시스템을 도시한다.
모든 경우에, CAI 접근법에 의해 요구되는 비교적 넓은 시스템 개구는 재구성가능한 코드화된 마스크의 두께가 순수히 기계적 강도 고려사항에 의해서만 결정되기 때문에, 시스템 질량 및 관성에 비교적 작은 영향을 갖는다. 보다 종래의 이미징 접근법은 시스템 개구의 소정 형태의 광학적 파워를 필요로 하며, 이는 여기에 제안된 CAI 기술에 비교할 때 관성 모멘트 및 질량을 현저히 증가시키기 쉽다.
이 접근법의 특징(feature)은 조종가능한 FOV를 갖는 대부분의 다른 시스템과는 달리, CAI 시스템에는 어떠한 매크로스코픽 가동부도 존재하지 않는다는 것이다. 이는 시스템 응답 시간, 동력 요구조건 및 진동 감소에 현저한 장점을 제공한다. 선택된 적응성 마스크 기술에 따라, 기민한 이미징 시스템의 임시 성능은 검출기 어레이 통합 및 독출 시간에 의해 제한되기 쉽다.
적응성 마스크 수단의 핵심 요구조건은 개구성가능할 수 있는 것과, 관련 파장대역에 걸쳐 신속히(이상적으로는 소정 용례에서 5ms 미만) 각 투명 또는 불투명 중 어느 하나로 절환될 수 있는 화소를 가지는 것과, 시스템(가시광 대역에서의 ~5㎛으로부터 장파 열 대역(LWIR)의 25㎛까지)과 함께 사용될 수 있는 검출기의 것과 정합하는 해상도 기능을 갖는 것이다. 요구조건은 굴곡된 기판상에 형성되며, 쌍안정 전송이 가능한 기능을 포함하는 것이 바람직하다. 후자는 시스템의 저 동력 동작에 기여하며, 구성되지 않을 때, 마스크를 위해 어떠한 에너지도 필요하지 않다.
가시광 대역에서, 다양한 액정 디스플레이 기술이 사용될 수 있다. 예로서, 신속하고, 본질적으로 이중적이며, 간단한 매트릭스 어드레싱 수요를 갖는 강유전 성 액정 장치가 가시광 및 근적외선 대역 마스크에 사용될 수 있다(원론적으로, 열적 대역 동작도 역시 가능하다). 이들은 또한 쌍안정 거동을 나타낼 수 있다. 10㎲ 미만의 절환 속도, 2㎛ 이하의 화소 크기 및 106 화소를 초과하는 화소 수를 갖는 장치가 예시되어 있다. 대안적으로, 쌍안정 네마틱 액정 기술, 예로서, 미국 특허 6,242,332호에 설명된 것 같은 표면 격자 정렬된 제니셜 쌍안정 액정이 사용될 수 있다. 이는 완전 쌍안정 기술의 예이며, 이는 플라스틱 기판을 사용하여 제조될 수 있고, 강인하며, 기계적 충격에 내성적이다.
본 기술의 숙련자는 적응성 마스크 수단으로서 다른 액정 기술이 사용될 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 또한, 비록, 소정의 네마틱 액정의 절환 속도가 액정 셀 간극의 자승에 따라 감소할 수 있으며, 필수적으로 동작 파장을 증가시켜야 하지만, 이들 중 일부는 열 적외선에까지 사용될 수도 있다. 네마틱 액정 절환 속도는 이완 효과에 의해 결정되며, 결과적으로, 10.6㎛에서, ~1s로 매우 느리다. 역시, 강유전체가 매우 적합하며, 그 절환은 완전히 전기적으로 구동된다. 부가적인 고려사항은 대부분의 관련 LC 모드가 필연적으로 소정의 편광 의존성을 가져서 그 동작을 위해 편광기 및/또는 파장판을 필요로 한다는 것이다. 추가되는 복잡성 및 감소되는 광학적 전송은 단점으로 나타날 수 있지만, 그 특성은 또한 이미저에 추가된 기능성, 예로서, 편광 식별 또는 분석을 제공하기 위해 사용될 수 있다.
대안적 비편광 의존성 기술은 전자발색(현재, 전자 도서 용례를 위해 연구중임) 및 다양한 유형의 현탁 입자 장치이다.
적외선 용례에 대하여, 바나듐 디옥사이드 변조기가 적응성 마스크를 위해 사용될 수 있다. 박막 바나듐 디옥사이드(VO2)는 340K에서, 전단 위상 변환을 받는다. 이 재료의 전기적 및 적외선 광학적 특성은 이 위상 변환에 의해 극적인 영향을 받는다. 위상 전이 온도 아래에서, VO2는 "열악한" 전기 절연체이며, 적외선 스펙트럼 영역에서 미소한 흡수를 갖는다. 위상 전이 온도 위에서, VO2는 열악한 전도체이며, 적외선에 대해 불투명하다. 절연 및 전도 위상 사이의 신속한 전기적 절환(20ns)이 증명되었다. 이것 및 관련 재료는 적외선에서의 다양한 용례에 대하여 다수의 연구자들에 의해 탐구되어 왔으며, 재구성가능한 CAI 마스크 용도를 위해 적용될 수 있다.
재구성가능한 마스크 수단을 위한 다른 유용한 후보 기술은 마이크로 광학-전자-기계 시스템(MOMES) 공간적 광 변조기이다. MOMES 광학적 변조기는 알려져 있으며, 그 일부는 광의 빔의 위상 및/또는 강도를 제어하기 위해 광학적 간섭 효과를 사용한다. 예로서, GB 0521251에 설명된 변조기는 광의 비임(또는 비임들)의 위상 및/또는 강도의 제어를 위해 광학적 간섭 효과를 사용하며, 기판 위에 하나 이상의 가동성 마이크로-거울이 현수되어 있는 MEMOS 광학적 변조기의 어레이 또는 단일 MOMES 광학적 변조기에 기초한다. 이 배열은 기판(예로서, 실리콘)이 광학적으로 투과성인 파장에 대해 전송에 사용되고, 현저히 큰 파장 범위에 대해 반사에 사용될 수 있다. 이 유형의 기술에 기초한 변조기는 특히 본 발명에 유용하다. 이런 변조기는 복수의 파장 및/또는 입사각을 갖는 전자기 방사선을 변조할 수 있거 나, 단일 파장을 갖는 전자기 방사선을 변조하도록 배열될 수 있다.
광학적 변조기는 적외선 방사선의 전송을 변조하도록 구성될 수 있으며, 보다 구체적으로는 단파 적외선(SWIR) 방사선(0.8 내지 2.5㎛), 중파 적외선(MWIR) 방사선(3-5㎛) 및 장파 적외선(LWIR) 방사선(8-14㎛) 대기 윈도우 중 적어도 하나의 전송을 변조하도록 구성될 수 있다. 편리하게, 광학적 변조기 기판은 실질적으로 SWIR, NWIR 및 LWIR 방사선에 투과성이다. 이 특성은 광학적 공진기의 제조 이전의 광학적 변조기내의 기판 층의 전송 특성을 지칭한다.
본 발명의 적응성 CAI 접근법의 중요한 장점은 시스템내에 광범위하게 다양한 검출기 기술을 사용할 수 있게 되는 기능이다. 검출기 선택을 위한 다수의 고려사항들은 종래의 이미징 시스템을 위한 것들과 동일하다. 시스템 성능을 최대화하기 위해, 이상적인 검출기 어레이 특성은 높은 감도 및 동적 범위, 양호한 신호대 잡음 성능, 높은 화소 수 및 작은 화소 간격을 포함한다. 다수의 이유로 비냉각식 동작이 바람직하다. 칩상에서의 검출기전 처리를 수행하기 위한 소정의 기능이 유리할 수 있다.
가시광 및 근적외선 대역에서, 사용될 수 있는 검출기 어레이 기술은 상보적 금속 산화물 반도체(CMOS) 및 전하 결합 장치(CCD)이다. 양자 모두는 5메가픽셀 보다 많은 화소수에서 가용하다. CCD는 완성된 기술이며, 보다 높은 감도(CMOS 보다 양호한 ~1 배 크기), 보다 높은 이미지 품질(낮은 고정 패턴 노이즈), 보다 작은 화소 간격(CMOS의 7-8㎛에 비해 2.5㎛ 이하)의 장점을 갖는다. 그러나, CMOS 기술은 여전히 개발중이며, 보조 회로가 검출기 칩상에 통합되게 하는 기능을 제공한 다(타이밍 로직, 노출 제어, 아날로그 대 디지털 변환, 신호 처리 등). 이는 낮은 시스템 체적 및 낮은 전력 소비(~3 내지 10의 인자 만큼)를 갖는 단일 칩 이미징 해법을 가능하게 한다. 적응가능한 CAI 이미징 시스템을 위한 CMOS 기술의 주된 장점은 독출된 이미지의 유연성이다. 화소 바이닝(화소 그룹으로부터의 출력의 조합) 및 선택적 윈도우 형성(높은 프레임 레이트에서 어레이의 일부를 독출)은 이 예이다. 적절한 디지털 처리 아키텍쳐 및 알고리즘과 조합시, 이런 동작 모드는 다양한 적응가능한 동작 모드를 가능하게 한다.
열적 대역에서, 다양한 냉각식 및 비냉각식 열적 적외선 검출기 기술이 사용가능하다. 이들 중에서, 카드뮴 수은 텔루리드(CMT) 및 인듐 안티몬(InSb) 기술은 열적 대역 적응성 CAI를 위한 유력한 후보이다. CAI 성능에 대한 한가지 중요한 인자는 검출기 노이즈의 영향이다. 이는 열적 대역 시스템에서 보다 문제가 되기 쉽다. 수치적 시뮬레이션은 검출기 강도 패턴의 열악한 신호대 잡음비는 디코딩된 이미지의 대비를 감소시키는 영향을 갖는다는 것을 나타낸다.
본 발명의 적응성 CAI 접근법의 장점은 그 유연성이다. 다양한 디코딩 알고리즘이 사용될 수 있다. 그 시기의 용례 요구조건에 따라, 가장 적절한 알고리즘 및 파라미터가 이에 따라 선택될 수 있다. 선험적으로 알려진 정보는 가용화되었을 때 갱신될 수 있으며, 성능을 추가로 향상시킬 수 있다. 디코딩되지 않은 또는 부분적으로 디코딩된 상이 또한 CAI 시스템으로부터 원격 위치로 그 본질적으로 암호화된 형태로 전송되어 필요시 보다 정교한 분석을 가능하게 할 수도 있다.
종래 기술에서 이미 사용할 수 있는 다양한 CAI 디코딩 알고리즘이 존재하 며, 그 대부분은 X-레이, g-레이 및 방사선 이미징과 연계된 비교적 낮은 화소수의 검출기를 수반하는 오프라인 디코딩을 위해 개발되어 왔다. 실시간 디코딩 용례를 위해, 적절한 알고리즘의 선택시 고려되는 인자는 사용되는 검출기의 신호대 잡음 특성과의 최적화, 마스크 유형, 다양한 성능 선택사항을 지원하기 위한 효과적 디코딩 컴퓨터 아키텍쳐 및 적응성과의 시너지를 포함한다.
가장 일반적인 경우에, 검출기 어레이에 남겨진 신호(D)는 아래와 같이 기술된다.
Figure 112007091869239-PCT00001
여기서, x, y는 2차원 신호 분포의 측방향 좌표이고, S는 장면으로부터의 신호이며, A는 시스템의 마스크 개구 함수이며, N은 검출기에서 유도된 노이즈이고, ⓧ는 콘볼루션 연산자이다. 모든 이런 알고리즘의 목적은 가능한 작은 아티팩트(artifactor)로 S(x,y)의 일부 또는 전부를 복원하는 것이다. 이들 아티팩트는 CAI가 사용되는 용례에 의존하여 다양한 척도에 의해 정량화될 수 있다. 예로서, 이미지의 육안 관찰은 자동(기계 기반) 해석과는 다른 척도가 사용될 필요가 있으며, 검출, 식별 및/또는 추적은 유사하게 적절한 최적화를 필요로 한다.
디콘볼루션 방법
디코딩은 디콘볼루션을 사용하여 이루어진다.
Figure 112007091869239-PCT00002
여기서, F는 푸리에 변환 연산자이다, 연산적으로 효율적이지만, F(A(x,y))는 작은 항(예로서, 대형 이진 어레이의 일반적 특성)을 가져서 노이즈가 많은 재구성을 초래할 수 있다. 적절한 마스크 디자인은 이 영향을 최소화한다. 정확한 디콘볼루션은 노이즈에 민감하다는 것이 잘 알려져 있으며, 그래서, 검출기 노이즈는 다른 방법 보다 많이 이 알고리즘에 영향을 줄 수 있다. 다수의 푸리에 기반 접근법에서, 신속 푸리에 변환(FFT)의 속도는 이 알고리즘의 효율적 연산적 이행을 초래할 수 있다. 도 5는 이 알고리즘을 사용한 결과를 도시한다. 원래의 3-5㎛ 대역 장면(50)은 랜덤 이진 마스크(52)를 사용하여 이미지화되었다. 검출기 어레이에서 기록된 화소 강도(54)는 인코딩된 패턴이라는 것을 알 수 있다. 이는 본 발명의 알고리즘을 사용하여 원래의 이미지의 고품질 버전(56)을 산출하도록 디코딩된다.
교차 상관 방법
이 기술에서, S(x,y)는 D(x,y)를 어레이 G(x,y)와 상관시킴으로써 디코딩된다.
Figure 112007091869239-PCT00003
G=A이며, 마스크 디자인 A가 그 자동 상관이 델타 함수를 양호하게 근사화하는 단순한 경우에, 작은 측부로브(side lobe)를 갖는다. 작은 어레이 치수로 이를 달성하기 위해, 균일 리던던트 어레이가 형성된다. 이러한 경우에, 이때, 적절한 품질 재구성이 달성될 수 있다. 그러나, 마스크 함수의 실수 양의값 특성은 이상적인 경우에도 자동상관의 피크값의 0.5배의 페데스탈(pedestal)을 초래하며, 이상적인 경우의 디콘볼루션 알고리즘에 비해 연계된 재구성 품질의 감소를 갖는다. 보다 일반적으로, G가 G≠A로 선택된다. 이 경우, 이 방법은 "균형화된 교차 상관"이라 알려져 있으며, G의 적절한 선택은 양호한 품질의 재구성을 초래한다.
다시, 푸리에 기반 구현은 연산적으로 효율적이다. 밀접하게 관련된 접근법은 와이너 필터링이며, 여기서는 가중 교차 상관이 사용된다. 이 접근법은 열악한 자동상관 함수를 갖는 마스크에 유용하다.
최초 지시는 이상적으로 노이즈가 없는 환경(N=0)에서, 교차 상관 방법은 디콘볼루션 알고리즘에 비해 열등한 재구성을 생성한다. 그러나, N>0에 대하여, 교차 상관은 보다 강인하다.
동시적 다른 시계를 제공하도록, 마스크 수단이 하나 이상의 별개의 코딩된 개구 어레이를 다른 위치에 제공하는 경우, 검출기 어레이는 실제로, 코드화된 개구 어레이 각각에 의해 기여되는 모든 강도 패턴의 합일 수 있다. 그러나, 임의의 하나의 어레이를 위한 개구 패턴에 기초하여 신호를 처리하는 것은 그 어레이에 의해 관찰될 때의 이미지만을 드러낸다. 따라서, 각각의 별개의 시계와 연계된 이미지가 복원될 수 있다.
반복 복원 방법
해 공간의 반복 검색이 고품질 이미지 복원을 위해 사용될 수 있다. 이들 기술의 예는 최대 엔트로피 방법 및 랜드웨버 알고리즘을 포함한다. 이들은 보다 유연하며, 선험적 정보의 통합을 가능하게 하고, 우선순위 디코딩 및 노이즈로 인한 영향의 최소화를 가능하게 한다. 매우 높은 품질의 재구성이 달성될 수 있지만, 이들 알고리즘의 반복적 특성은 특히, 큰 어레이 크기에 대하여, 이들이 비교적 느려지게 한다.
포톤 태깅(photon tagging)
장면내의 특정 각도 위치를 향해 마스크를 통해 검출된 광자를 후방 투사함으로써, 선택된 영역에 걸쳐 이미지를 재구성하는 것이 가능하다. 이 방식에서, 가용 연산 자원은 관련 장면의 부분들로 지향된다. 따라서, 이 접근법은 CAI 기술을 사용하는 장면의 포비티드 및 유연한 이미징을 위한 다른 유가치한 기술이다.
3D 이미지 검색(image retrieval)
CAI는 핵의학 같은 용례에서 3D 이미지 검색을 위해 사용되어 왔다. 이런 용례에서, CAI는 종종 "흐트러진 홀로그래피"라고 지칭된다. 그 이유는 CAI 이미지가 2차원 강도 분포(다수의 홀로그램처럼)이며, 디코딩 커널의 적절한 선택에 의해(홀로그래피에서 정확한 "기준파"의 사용과 유사), 장면의 3D 정보가 검색될 수 있어서이다. 깊이 해상도는 통상적으로 x-y 해상도 보다 1배 정도 작다. 도 6은 단순한 원리를 예시한다: 시스템(60)으로부터 더 먼 소스는 62의 근접한 소스들 보다 작은 코드화된 개구의 그림자를 투사한다.
명백히, 이런 동작 모드는 다수의 용례에 유용하다. 강력한 비선형 최적화에 기초한 마스크 디자인은 고품질 3-차원 시스템 지점 분산 함수의 실현을 약속한다.
검출된 강도의 상의 비디오 레이트 후처리 및 디코딩을 가능하게 하는 다양한 디지털 처리 기술들이 가용하다. 검출기상 칩 처리(예로서, CMOS 검출기 어레이에 의해 가능할 수 있는 것 같이)에 부가하여, 이들은 CPU, 그래픽 프로세서(CPU) 및 그 집단들과, 디지털 신호 처리(DSP) 칩, 현장 프로그램가능한 어레이(FPGA) 및 용도 특정 집적 회로(ASIC)를 포함한다. FPGA는 그들이 유연하고, 경제적으로 구현될 수 있으며, 그래서, 유연성을 필요로 하는 시스템에 포괄적으로 사용되도록 재구성될 수 있기 때문에 매력적이다. 제조 시스템에 대하여, ASIC가 사용되기 쉽다. 이들은 보다 높은 성능, 보다 낮은 질량 및 전력 소비와 보다 낮은 양적 단위 비용을 갖는다.
주문형 알고리즘 구현에 부가하여, FPGA 및 ASIC는 범용 목적 중앙 처리 유닛(CPU)에 비해 우수한 성능을 제공한다. 예로서, CPU/FPGA/ASIC의 현 성능은 -1.2Gflop/20Gflop/200Gflop(Gflop = 초당 기가 플로팅 포인트 연산)이다. FPGA 및ASIC 장치 양자 모두에서 초당 기가바이트 데이터 전송율이 가능하다. DSP, FPGA 및 ASIC의 전력 소비도 CPU에 비해 유리하다. 현 기술 상태의 예로서, 공지된 고 처리량 신속 푸리에 변환(FFT) 코어는 8.4초에 1024 x 1024 8 비트를 프로그램하고, ~17ms에 예비연산된 커널(kernel)(CAI 디코딩 알고리즘의 소정 부류에서 사용되는 바와 같은)과의 스칼라 승산 및 2FFT를 수반하는 디콘볼루션 또는 상관 연산을 수행한다.
상술한 바로부터 수신된 강도 패턴을 디코딩하는 것은 사용된 특정 코드화된 개구 어레이의 마스크 개구 함수의 지식을 필요로 하는 것이 명백하다. 일반적으 로, 마스크 개구 함수는 이론적으로, 검출기 어레이에 대한 그 위치와 마스크의 지식을 사용하여 계산된다. 그러나, 이는 마스크의 정밀한 정렬을 필요로 한다. 배향의 임의의 오정렬은 특히 중요하며, 그 이유는 마스크의 회전이 검출기에 의해 다른 패턴이 인지되게 할 수 있기 때문이다.
정밀한 정렬에 대한 필요성을 감소시키고, 처리의 정확성을 향상시키기 위해, 캘리브레이션 형 단계는 디코딩 패턴을 형성하기 위해 기준 대상물로 인한 검출기 어레이상의 강도 패턴을 사용하고, 코드화된 개구 이미징 장치를 사용하여 기준 대상물을 이미징하는 것을 수반할 수 있다. 특정 코드화된 개구를 갖는 코드화된 개구 이미징(CAI) 시스템이 사용되어 지점 소스를 이미지화하는 경우에, 검출기상의 강도 패턴은 실질적으로 코드화된 개구에 의해 투사된 그림자가 된다. 따라서, 이 강도 패턴은 검출기 어레이에 대한 그 특정 위치 및 배향에서 그 특정 코드화된 개구를 위해 필요한 디코딩 패턴을 제공한다.
따라서, 이 강도 패턴은 기록되어, 디코딩 알고리즘내에 마스크 패턴으로서 직접적으로 사용될 수 있다. 마스크 패턴을 사용하는 것은 마스크의 임의의 회절 효과가 기록된 강도 패턴에 표시되는 장점을 직접적으로 가질 수 있다. 이전에 언급한 바와 같이, CAI는 순수 형상적 이미징 기술이다. 결과적으로, 코드화된 개구 마스크에 의해 유발되는 임의의 회절은 이미징 성능에 부정적인 영향을 미치는 것으로 예상될 수 있다. 주어진 파장에 대하여, 검출기에 대한 마스크의 거리가 증가할 때, 그리고, 마스크 개구가 감소할 때, 회절은 보다 현저해진다.
본질적으로 회절 효과를 포함하는 코드화된 개구 마스크의 이미지를 포착하 는 것은 처리시 이미지 품질에 장점을 제공한다.
포착된 패턴은 예로서, 대비를 향상시키기 위해 저장 이전에 처리될 수 있다.
대안적으로, 이론적 마스크 패턴이 사용될 수 있지만, 기준 대상물 이미징시 기록된 데이터는 실제 코드화된 개구 어레이의 오정렬 정도를 결정하기 위해 사용될 수 있다. 포착된 강도 패턴은 이론적 패턴과 상관될 수 있으며, 이 상관에 기초하여, 예로서, 배향에 대한 임의의 조절이 이론적 패턴에 적용된다. 이를 수행하기 위한 실질적 방법은 포착된 강도 패턴과 이론적 패턴의 스케일링된 회전 버전 사이의 상관을 검사하는 것이다. 최고 상관 피크를 산출하는 것은 포착된 패턴의 스케일 및 배향을 나타낸다.
코드화된 개구 마스크 수단이 재구성가능할 때, 각각 다른 코드화된 개구 어레이를 가지는 다수의 다른 마스크 및/또는 마스크 수단상의 다른 위치에 배치된 코드화된 개구 어레이 중 임의의 하나로 재구성할 수 있다. 따라서, 각각의 다른 마스크 구성으로 적절히 배치된 기준 대상물을 이미지화하는 편리하고, 각각의 다른 구조를 위한 디코딩 패턴을 결정하기 위해 검출기에서 강도 패턴을 사용하는 것이 편리하다.
전술한 바와 같이, 본 발명은 굴곡된 코드화된 개구 어레이의 사용을 가능하게 한다. 이런 굴곡된 코드화된 개구 어레이를 위한 이론적 디코딩 패턴은 현저한 연산을 필요로 한다. 검출기 어레이를 갖는 굴곡된 코드화된 개구 어레이를 사용하는 것은 어떠한 처리도 필요로 하지 않고 직접적으로 디코딩 패턴이 결정될 수 있게 한다.
점 소스(point source)는 현미경 대물렌즈로 지점에 집속된 레이저 비임일 수 있다. 원거리 이미징 용례에 대하여, 점 소스는 장면내의 플레어(flare) 이거나, 레이저에 의해 조명되는 재귀반사기(retroreflector)일 수 있다. 명백히, 점 소스로부터 강도 패턴을 기록할 때, 장면의 잔여부의 강도 레벨은 점 소스의 강도에 비해 낮아야 한다. 점 소스의 강도를 보증하기 위해 파장 특정 점 소스가 사용되거나, 점 소스는 변조된 출력을 가질 수 있고, 검출기 어레이상의 강도 패턴의 처리가 정합 변조를 갖는, 따라서, 점 소스에 대응하는 신호를 추출하기 위해 사용될 수 있다.
사용시, 시계내의 점 소스를 사용하는 것은 또한 대기 수차 교정을 가능하게 하기 때문에, 장거리에 걸친 이미징시 유리하다. 레이저 같은 강한 조명 수단에 의해 조명되는 재귀반사기 같은 점 소스가 장면내에 배치될 수 있다. 임의의 대기 수차, 즉, 대기를 통한 방사선의 전파에 의해 유발되는 광학적 신호의 왜곡은 코드화된 개구 이미저에서 인지될 때 왜곡된 형상을 갖는 점 소스를 초래할 수 있다. 이때, 검출기 어레이에서 수신된 강도 패턴은 이런 왜곡된 소스에 의해 조명되는 마스크에 의해 유발되는 강도 패턴이다. 이때, 이 강도 패턴은 임의의 이미지의 디코딩을 위해 디코딩 패턴으로서 사용될 수 있다. 이런 패턴을 사용하여 디코딩된 왜곡된 점 소스의 이미지는 실제로 왜곡되지 않은 점 소스의 이미지를 제공한다. 따라서, 점 소스가 이미지화될 장면내에 배치되고, 그 점 소스에 의해 생성된 강도 패턴이 디코딩 패턴으로서 사용되는 경우, 장면으로부터 이미저로의 방사선의 전파시의 임의의 왜곡이 보상된다.
언급한 바와 같이, CAI는 순수 형상적 이미징 기술이다. 결과적으로, 코드화된 개구 마스크에 의해 유발되는 임의의 회절은 이미징 성능에 부정적인 영향을 줄 것으로 예상될 수 있다. 주어진 파장에 대하여, 회절은 마스크 대 검출기 거리가 증가할 때, 그리고, 마스크 개구가 감소할 때 보다 현저해진다. CAI 기반 이미저의 최대 각도 해상도의 경우에, 마스크 개구 간격은 검출기 화소 간격과 크기가 유사하며, 통상적으로, 이미지화되는 광의 파장의 크기의 ~10배 이다. 계산은 현저한 회절이 이런 상황에서 발생한다는 것을 보여준다.
다행히, 디코딩된 이미지 품질에 대한 회절의 영향은 예상 만큼 가혹하지 않다는 것이 판명되었다. 단순 디콘볼루션 커널의 경우에도 양호한 이미지가 복원될 수 있다. 다른 양의 회절을 갖는 3개 투사된 마스크 패턴, 즉, 회절된 마스크 투영(70), 약간의 회절(72) 및 극심한 회절(74)을 도시하는 도 7에 예가 도시되어 있다. 하단의 열은 재구성된 이미지를 나타내며, 회절은 이미지 품질에 약간의 영향을 갖는다는 것을 볼 수 있다. 기본적 디콘볼루션이 비회절된 커널을 갖는 이 시뮬레이션에 사용되었다.
회절의 영향은 보다 정교한 알고리즘에 의해, 예로서, 다수의 데이터 프레임의 사용 및/또는 소프트 개구 함수 같은 특수 설계된 개구의 사용에 의해 추가로 최소화될 수 있다. 이들은 그레이스케일 전송 함수에 의해 형성될 수 있거나, 개구의 에지가 서브 파장 구조를 갖는 이중 전송 유형으로 이루어질 수 있다. 또한, 관련 파장대역의 입사 방사선의 회절을 고의로 유발하고 잘 조정된 코드화된 패턴 인 검출기 어레이상의 회절 패턴을 생성하는, 즉, 시스템이 장면으로부터 단일 지점을 이미징할 때, 검출기 어레이에 형성된 회절 패턴이 작은 측부로브를 갖는 예리한 자동교정 함수를 갖는, 패턴을 갖는 마스크를 사용하는 것도 가능하다. 달리 말하면, 마스크는 회절을 고려하여 설계되고, 회절에 의존하여 코드화된 패턴을 생성할 수 있다.
회절을 유발하도록 설계된 마스크의 사용은 장면 이미지를 재구성하도록 디코딩될 수 있는 코드화된 패턴을 생성하는 점에서 종래의 코드화된 개구 이미징과 유사하다. 그러나, 마스크 패턴이 잘 조정되도록 설계되고 최소의 회절이 존재하며, 마스크로부터의 임의의 회절의 영향이 처리를 위해 보정되어야하는 종래의 코드화된 개구 이미징과는 달리, 이는 회절을 유발하는, 그러나, 회절된 패턴이 자체적으로 잘 조정되는 마스크 패턴을 고의로 사용할 수 있다.
이는 각도 해상도를 결정하는 것은 검출기 어레이상에 투영된 패턴의 형상부 크기라는 것을 의미한다. 이는 코드화된 회절 마스크의 형상부 크기에 직접적으로 관련될 필요가 없으며(표준 코드화된 개구 이미징을 위한 경우에서와 같이), 이는 특정양의 보다 큰 디자인 자유도를 가능하게 한다.
회절을 고려하여 설계된 코드화된 개구 마스크의 사용은 WO2000/17810에 설명된 것 같은 회절 렌즈를 사용하는 접근법과 매우 다르다는 것을 주의하여야 한다. 회절 렌즈를 사용하는 이미징은 종래의 렌즈를 동일 기능을 갖는 회절 요소로 대체한다. 따라서, 이 시스템은 검출기 평면에서 이미지를 형성하기 위해 방사선을 집속하는 회절 렌즈를 교시하며, 여기서는, 종래의 이미징에서와 같이, 검출기 어레이에서의 공간적 강도가 이미지의 공간적 강도이다. 본 발명의 마스크는 방사선을 집속하지 않으며, 검출기 평면에 이미지를 형성하지 않는다. 회절 렌즈를 갖는 이미저에 의해 이미지화된 점 소스는 검출기 어레이상에 지점을 형성한다. 동일 지점을 이미지하도록 코드화된 개구 어레이가 배열된다면, 결과는 검출기 어레이(또는, 그 현저한 부분)상의 코드화된 강도 패턴, 즉, 이미지를 재구성하기 위해 디코딩될 필요가 있는 이미지와는 다른 강도 패턴이다. 회절을 고려하여 설계된 마스크의 사용은 단순히 관련 파장에서, 검출기 어레이상의 강도 패턴이 잘 조정되는 것을 의미한다.
회절 마스크가 검출기 어레이에서 잘 조정된 패턴을 생성하는 것으로 가정하면, 종래의 코드화된 개구 이미징과 유사한 방식인 회절 패턴에 기초한 단순한 디코딩 알고리즘이 사용될 수 있다. 보다 진보된 디코딩 기술이 사용되어 해상도를 개선시킬 수 있다.
검출기 노이즈는 열 대역 시스템에서 보다 많은 문제가 될 수 있다. 이중 CAI 마스크 자체에 의해 도입 장면 에너지의 적어도 절반이 흡수됨으로써 이 상황은 심화된다. 본 발명자들에 의한 수치적 시뮬레이션은 검출된 강도 패턴의 열악한 신호대 잡음비는 디코딩된 이미지의 대비를 감소시키는 영향을 갖는다는 것을 보여주었다. 보다 정교한 알고리즘이 이 영향을 감소시킬 수 있다.
상술한 바와 같이, 다중 프레임 이미징의 사용은 특히 이미지 품질 및/또는 해상도 개선에 유리하다. 조합된 다수의 프레임으로부터의 데이터 및 장면을 이미지화하기 위해 복수의 다른 코딩된 개구 마스크가 사용된다. 다수의 다른 마스크 의 사용은 신호내의 노이즈를 감소시키며, 또한, 최종 이미지의 해상도를 증가시킬 수 있다. 사용되는 다른 마스크의 수는 장면 전개 및 용례에 따라 변할 수 있다. 예로서, 느리게 변하는 장면에서 또는 고품질 이미지가 필요한 경우, 다수의 다른 프레임, 예로서, 10 또는 20 또는 50 또는 100개의 프레임이 취득될 수 있다. 신속히 변하는 장면에서 또는 이동하는 타겟의 추적시, 보다 소수의 프레임이 조합될 수 있다. 그러나, 본 발명은 필요에 따라 사용되는 마스크 패턴 및 조합되는 프레임의 수를 변경하는 기능을 제공한다.

Claims (34)

  1. 검출기 어레이와, 코드화된 개구 마스크 수단을 포함하고, 코드화된 개구 마스크 수단은 재구성가능한 코드화된 개구 이미징 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    코드화된 개구 마스크 수단은 다른 시계(field of view)를 갖는 코드화된 개구 마스크를 제공하도록 재구성가능한 코드화된 개구 이미징 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    코드화된 개구 마스크 수단의 단지 일부만이 코드화된 개구 어레이를 포함하고, 마스크내의 코드화된 개구 어레이의 위치는 시계를 한정하는 코드화된 개구 이미징 시스템.
  4. 제 1 항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    코드화된 개구 마스크 수단은 다른 해상도를 갖는 코드화된 개구 마스크를 제공하도록 재구성가능한 코드화된 개구 이미징 시스템.
  5. 제 1 항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    코드화된 개구 마스크 수단은 다른 코드화된 개구 어레이를 갖는 코드화된 개구 마스크를 제공하도록 재구성가능한 코드화된 개구 이미징 시스템.
  6. 제 1 항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    재구성가능한 코드화된 개구 마스크 수단은 코드화된 개구 마스크 수단에 적어도 하나의 코드화된 개구 마스크를 기록하도록 구성된 제어기를 포함하는 코드화된 개구 이미징 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    제어기는 복수의 다른 코드화된 개구 마스크로 사전프로그램되는 코드화된 개구 이미징 시스템.
  8. 제 1 항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    코드화된 개구 마스크 수단은 비평면형인 코드화된 개구 이미징 시스템.
  9. 제 1 항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    코드화된 개구 마스크 수단은 150ms 미만 또는 100ms 미만 또는 50ms 미만 또는 15ms 미만 또는 10ms 미만 또는 5ms 미만으로 재구성가능한 코드화된 개구 이미징 시스템.
  10. 제 1 항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    코드화된 개구 마스크 수단은 공간적 광 변조기를 포함하는 코드화된 개구 이미징 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서, 공간적 광 변조기는 쌍안정성인 코드화된 개구 이미징 시스템.
  12. 제 10 항 또는 제11항에 있어서,
    공간적 광 변조기는 액정 장치인 코드화된 개구 이미징 시스템.
  13. 제 1 항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    이미지를 제공할 수 있게 검출기 어레이의 출력을 디코딩하도록 구성되는 프로세서를 포함하는 코드화된 개구 이미징 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    프로세서는 검출기 어레이의 출력을 디코딩하기 위해 다양한 디코딩 알고리즘을 적용하도록 구성되는 코드화된 개구 이미징 시스템.
  15. 제 13 항 또는 제14항에 있어서,
    프로세서는 검출기 어레이로부터의 다수의 데이터 프레임을 조합하고, 각 프레임은 다른 코드화된 개구 마스크로 취득되는 코드화된 개구 이미징 시스템.
  16. 제 1 항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    검출기 어레이의 디코딩되지 않은 출력을 송신/기록하기 위한 송신기/리코더를 포함하는 코드화된 개구 이미징 시스템.
  17. 제 16 항에 있어서,
    재구성가능한 코드화된 개구 어레이 수단은 이미지 암호화를 변화시키게 디스플레이된 코드화된 개구 마스크를 변경하도록 구성되는 코드화된 개구 이미징 시스템.
  18. 검출기 어레이와 가시광 대역 코드화된 개구 마스크 수단을 포함하는 가시광 대역 이미징 시스템.
  19. 검출기 어레이와 자외선 대역 코드화된 개구 마스크 수단을 포함하는 자외선 대역 이미징 시스템.
  20. 검출기 어레이와 적외선 대역 코드화된 개구 마스크 수단을 포함하는 적외선 대역 이미징 시스템.
  21. 재구성가능한 코드화된 개구 어레이 수단을 통해 장면을 관찰하도록 검출기 어레이를 배열하는 단계와, 코드화된 개구 마스크 수단에 코드화된 개구 마스크를 기록하는 단계를 포함하는 이미징 방법.
  22. 제 21 항에 있어서,
    제1 코드화된 개구 마스크를 코드화된 개구 마스크 수단에 기록하고, 후속하여, 제2 코드화된 개구 마스크를 코드화된 개구 마스크 수단에 기록하는 이미징 방법.
  23. 제 22 항에 있어서,
    제1 및 제2 코드화된 개구 마스크는 다른 시계 및/또는 해상도를 가지는 이미징 방법.
  24. 제 21 항 내지 제 23 항 중 어느 한 항에 있어서,
    이미지를 제공하기 위해 검출기 어레이의 출력을 디코딩하는 단계를 포함하는 이미징 방법.
  25. 제 24 항에 있어서,
    디코딩 단계는 디콘볼루션 알고리즘, 교차 상관 알고리즘 및 반복해 검색 중 하나 이상을 적용하는 것을 포함하는 이미징 방법.
  26. 제 22 항에 있어서,
    이미지의 디코딩시 복수의 다른 코드화된 개구 마스크를 사용하여 취득된 데이터를 조합하는 것을 포함하는 이미징 방법.
  27. 비평면형 요소를 통해 이미지화하도록 배열된 코드화된 개구 이미저를 포함하는 이미징 시스템.
  28. 제 27 항에 있어서,
    코드화된 개구 이미저는 적어도 하나의 검출기와 코드화된 개구 마스크 수단을 포함하는 이미징 시스템.
  29. 제 28 항에 있어서,
    코드화된 개구 마스크 수단은 재구성가능한 이미징 시스템.
  30. 제 27 항 내지 제 29 항 중 어느 한 항에 있어서,
    비평면형 요소는 플랫폼의 외부면의 일부를 형성하는 이미징 시스템.
  31. 제 27 항 내지 제 30 항 중 어느 한 항에 있어서,
    비평면형 요소는 공기역학적 형상을 갖는 이미징 시스템.
  32. 코드화된 개구 마스크를 통해 장면으로부터 방사선을 수신하도록 배열된 복수의 검출기 어레이를 갖는 코드화된 개구 이미징 시스템.
  33. 제 32 항에 있어서,
    각 검출기 어레이는 방사선을 수용하기 위한 활성 검출기 영역과 비활성 주변 영역을 갖는 코드화된 개구 이미징 시스템.
  34. 제 29 항 또는 제 30 항에 있어서,
    적어도 하나의 검출기 어레이의 활성 영역은 이웃 검출기 어레이의 활성 영역과 동일 영역(coterminous)에 존재하지 않는 코드화된 개구 이미징 시스템.
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