微扫描成像技术

点扩散函数
psf x, y

探测器固有宽度展宽采样脉冲函数，和是单个探 测器单元的尺寸。
1 x y d x, y rect , ab a b

有限大小采样限制函数：，和是整个探测器阵列 的尺寸。
x y sx, y rect , X Y

AxioCam HR是蔡司公司的数字显微高分辨率摄像机
数字航空相机
和数字显微领域中使用的可控制的微扫描技术 不同，Leica公司的ADS40数字航空相机应用了非 控制的微扫描技术，采用特殊的线阵CCD器件，利 用机体的运动产生扫描动作。他所采用的线阵CCD 器件和法国SPOT卫星上所采用的器件极为相似， 每一组线阵CCD都由两列线性阵列组成，两列线性 阵列错开半个像素。
提高成像系统的分辨力的方法
增加成像系统物镜的焦距 增加探测器阵列的规模 减小探测器单元的几何尺寸并提高探测器 的占空比

混叠
光电成像系统框图

整个过程可以表示为
f r x, y f o x, y psf x, y d x, y sx, y sampx, y rx, y
微扫描技术

微扫描成像技术可在不增加探测器像素尺 寸和规模的条件下，增大成像系统的空间 采样频率，减少了图像的频率混叠效应， 明显提高了成像系统的分辨力。
什么是微扫描技术

微扫描技术是对同一场景进行多次采样， 从多幅相互之间有微小位移的时间序列低 分辨率图像重建一幅高分辨率图像。
微扫描技术应用

列性能好两倍。通过微扫描，红外焦平面阵列的
分辨率可以达到扫描系统的可分辨率限。
英国BAE系统公司FPA热像仪微扫描方案
美国BEI精密微扫描组件
图4 装有微扫描器的384×288 MWIR 最终能获得768×576 分辨率
InfraTec公司红外热成像仪
采用非制冷焦平面阵列 320×240
a：普通工作模式 b：微扫描工作模式 两种工作模式下成像的比较
二、微扫描技术
微扫描技术就是从多幅相互之间有微小位移 的时间序列低分辨率图像重构一幅高分辨率图像。 根据位移产生的途径不同，微扫描技术可分为可
控制的微扫描和非控制的微扫描。
微扫描分类

可控制的微扫描可采用分束棱镜或控制光学元件相对成像 器件微位移实现相邻图像在成像器件上的亚像素（小于1 个像素)移动。 非控制的微扫描就是利用载体(卫星、飞机等)相对于目标
ADS40内部结构图
ADS40所采用的由线阵CCD组成 的焦平面模块
ADS40所拍摄的高精度航空照片
2．微扫描在红外成像领域的应用
随着红外焦平面器件的实用化，可控微扫描 技术逐渐应用于红外成像领域。 从系统空间分辨率的角度看，因为同样遵循 采样定理，因此对于给定的探测器尺寸，原有的 单个探测器扫描系统的分辨率要比红外焦平面阵

由于非控制的微扫描就是利用载体(卫星、
飞机等)相对于目标的运动或随机振动产生相邻
图像间的位移。因此对于它的实现方法就不多
做介绍。
微扫描的工作模式
微扫描工作模式现在主要是1×1、2×2、3×3、
4×4四种。微扫描模式决定了探测器上图像的位移周期和 微扫描轨迹。每种微扫描模式都有不同的扫描轨迹以及扫 描步数，随着微扫描步数的增加，微扫描系统的空间分辨 力也会随着提高。

机械平移法


平板旋转法
光学变换法
机械平移法
平移透镜法
平板旋转法
旋转平板法
摆镜法
国内进展

目前，国内在微扫描技术方面的工作主要 体现在模型建立和算法研究上，成型的系 统很少，只有西光所做过一些试验性系统， 和国外的应用水平相比落后很多。
总结

需要指出的是，虽然微扫描技术减少了成 像系统由于欠采样所造成的频谱混叠，但 是对于其它成像过程中带来的信息损失， 微扫描技术本身是没有办法解决的。但由 于微扫描采样过程相当于过采样过程，那 么微扫描成像后的图像就相当于过采样图 像，这为我们下一步的超分辨力图像复原 打下了很好的基础。
成像技术分类

当然，我们说成像技术并不仅仅限于光电 成像技术，其它的成像技术门类也包含在 其中：超声波成像、X-ray成像、核磁共振 成像、合成孔径成像、雷达成像。

随着成像传感器技术的发展，不仅各种 CCD及CMOS固体成像器件层出不穷，而 且各种波段的成像传感器也得到迅速发展。
需求

然而，成像传感器的发展速度依然难以满 足人们日益增长的应用需求，特别是更高 分辨力、更远作用距离的应用对成像分辨 力提出了更高的要求。
数字显微相机
数字显微领域主要应用了可控制的微扫描技
术来实现高分辨率，其中成像器件为面阵CCD。通
过在光路中加入微扫描器，实现每帧图像之间的 微位移。
数字显微
德国JENOPTIK公司所研发，应用于数字显微领。提供可变的分辨率， 从1300×1030 pixels一直到3900×3090 pixels。
应用微扫描成像理论在毫米波成像中， 以获取过采样的被动毫米波（PMMW）图 像。
STAG M48 坦克图像的CLS复原
左：原始Nyquist频率采样图像；中：8×Nyquist频率采样图像；右：复原图像
MAPS测试图像的ML复原
左：4.3×Nyquist频率采样原始图像；右：500次叠代的ML复原图像
微扫描成像技术
徐超
2005/04/07
人类信息的获取方式
人类自身获取信息的途径：五种感觉 人类获取信息量的70%来自于视觉。 成像技术就是针对人类获取信息的特点而 形成的一门技术。

成像技术

相对其它的科学技术门类，成像技术是一 门年轻的学科，但仅仅经过半个世纪的发 展，就已经在军事、医疗、工业、安全等 众多领域显示出了巨大的应用价值。

将基于微扫描的亚像元成像和超分辨力图 像复原技术相结合，进一步提高成像质量， 使图像更接近理想成像，是我们下一步要 做的事情。

的运动或随机振动产生相邻图像间的位移。
可控制的微扫描方法

实现微扫描的方法很多，国内外研究机构对各种扫
Hale Waihona Puke Baidu
描机构进行了研究，例如采用压电装置驱动透镜实现微扫 描，也有的采用旋转平板法实现微扫描。从目前资料看来， 还没有人采用探测器位移方式，基本上都是采用光学微扫 描机构实现相对于成像器件的微位移。
非控制的微扫描
采样函数：
x y 1 , sampx, y comb x y xy
探测器结构图
由以上的推导我们可以看到光学系统的 成像和像素单元的积分都会使像的频谱宽度 减小，高频衰减，如果已经减少的像的频谱 仍然大于探测器采样的频率，那么在重建的 频谱内将产生混叠[1]。
微扫描四种工作模式
微扫描系统组成
微扫描系统主要分为两大部分：微扫描器和微扫描器 控制器。

由于需要精确移动的微位移很小（亚像素），微扫描 系统需要很高的精度，主要有两个方面的难点：
需要保证将图像从一个位置移到下一个位置时间上的精确

性

需要保证微位移自身的精确性
光学微扫描实现方式分类
现有的光学微扫描实现方式归结起来主要分三类：
3．微扫描在其它成像领域的应用
将微扫描成像理论应用于其它成像领域 的研究也已经展开，其中取得一定成果的 是在毫米波成像领域的 应用。
毫米波成像
在恶劣天气环境下毫米波成像的适应 性极为优秀，然而与热成像和可见波段传 感器相比，其空间分辨率过低以及由于非 理想采样所引入的混淆和模糊一直是需要 解决的问题。
由于完全基于现有探测器，成本较低，目 前国外在红外成像和可见光成像领域中都 有广泛应用。 当然，微扫描技术的不仅限于光电成像领 域的应用，国外的研究人员也在积极地研 究在其它成像领域的应用，譬如说合成孔 径成像等领域。

1．微扫描在可见光成像领域的应用
在可见光领域，微扫描技术的应用主要针对 于卫星遥感、数字航空相机、数字显微等领域， 技术也主要掌握在法国和德国公司手中。但是对 于微扫描技术在可见光领域的应用，并不只限于 这些领域，随着微扫描技术的成熟，在可见光领 域的应用将更加广泛。