COMPRESSIVE IMAGING AND DUAL MOIRE´ LASER INTERFEROMETER AS METROLOGY TOOLS

Metrology is the science of measurement and deals with measuring different physical aspects of objects. In this research the focus has been on two basic problems that metrologists encounter. The first problem is the trade-off between the range of measurement and the corresponding resolution; measurement of physical parameters of a large object or scene accompanies by losing detailed information about small regions of the object. Indeed, instruments and techniques that perform coarse measurements are different from those that make fine measurements. This problem persists in the field of surface metrology, which deals with accurate measurement and detailed analysis of surfaces. For example, laser interferometry is used for fine measurement (in nanometer scale) while to measure the form of in object, which lies in the field of coarse measurement, a different technique like moire technique is used. We introduced a new technique to combine measurement from instruments with better resolution and smaller measurement range with those with coarser resolution and larger measurement range. We first measure the form of the object with coarse measurement techniques and then make some fine measurement for features in regions of interest. The second problem is the measurement conditions that lead to difficulties in measurement. These conditions include low light condition, large range of intensity variation, hyperspectral measurement, etc. Under low light condition there is not enough light for detector to detect light from object, which results in poor measurements. Large range of intensity variation results in a measurement with some saturated regions on the camera as well as some dark regions. We use compressive sampling based imaging systems to address these problems. Single pixel compressive imaging uses a single detector instead of array of detectors and reconstructs a complete image after several measurements. In this research we examined compressive imaging for different applications including low light imaging, high dynamic range imaging and hyperspectral imaging

Radar Imaging in Challenging Scenarios from Smart and Flexible Platforms

undefine

Doppler Encoded Excitation Patterning (DEEP) Microscopy

Traditional optical imaging systems rely on lenses and spatially-resolved detection to probe distinct locations on the object. We develop a novel computational approach to 2D and 3D imaging that instead measures the object\u27s spatial Fourier transform using a single-element detector and without requiring precision optics. This wide-field technique can be used to image biological and synthetic structures in fluoresced or scattered light using coherent or broadband illumination. It employs dynamic structured illumination, acousto-optics, RF electronics, and tomographic algorithms to circumvent several trade-offs in conventional imaging, such as the dependence of the optical transfer function on the imaging lenses and the coupling of resolution and depth of field. We use Fourier optics concepts to derive the dynamic optical transfer function, evaluate different Fourier sampling strategies, and investigate and compare tomographic algorithms for 2D and 3D image synthesis. We also develop conceptual and analytical models to describe imaging of fluorescent as well as amplitude and phase scattering objects, the effects of broadband and spatially-incoherent illumination, and nonlinear wide-field super-resolution imaging. We consider sources of noise, analyze and simulate SNR behavior for several types of noise and Fourier sampling strategies, and compare the sensitivity of the technique to conventional imaging. We describe several experimental proof-of-concept systems and present two-dimensional high-resolution tomographic image reconstructions in both scattered and fluoresced light demonstrating a thousandfold improvement in the depth of field compared to conventional lens-based microscopy. Finally, we explore approaches for high-speed Fourier sampling and propose several related sensing techniques, including wide-field fluorescence imaging in scattering media

NASA Tech Briefs, February 1991

Topics: New Product Ideas; NASA TU Services; Electronic Components and Circuits; Electronic Systems; Physical Sciences; Materials; Computer Programs; Mechanics; Machinery; Fabrication Technology; Mathematics and Information Sciences; Life Sciences

Correction of Errors in Time of Flight Cameras

En esta tesis se aborda la corrección de errores en cámaras de profundidad basadas en tiempo de vuelo (Time of Flight - ToF). De entre las más recientes tecnologías, las cámaras ToF de modulación continua (Continuous Wave Modulation - CWM) son una alternativa prometedora para la creación de sensores compactos y rápidos. Sin embargo, existen gran variedad de errores que afectan notablemente la medida de profundidad, poniendo en compromiso posibles aplicaciones. La corrección de dichos errores propone un reto desafiante. Actualmente, se consideran dos fuentes principales de error: i) sistemático y ii) no sistemático. Mientras que el primero admite calibración, el último depende de la geometría y el movimiento relativo de la escena. Esta tesis propone métodos que abordan i) la distorsión sistemática de profundidad y dos de las fuentes de error no sistemático más relevantes: ii.a) la interferencia por multicamino (Multipath Interference - MpI) y ii.b) los artefactos de movimiento. La distorsión sistemática de profundidad en cámaras ToF surge principalmente debido al uso de señales sinusoidales no perfectas para modular. Como resultado, las medidas de profundidad aparecen distorsionadas, pudiendo ser reducidas con una etapa de calibración. Esta tesis propone un método de calibración basado en mostrar a la cámara un plano en diferentes posiciones y orientaciones. Este método no requiere de patrones de calibración y, por tanto, puede emplear los planos, que de manera natural, aparecen en la escena. El método propuesto encuentra una función que obtiene la corrección de profundidad correspondiente a cada píxel. Esta tesis mejora los métodos existentes en cuanto a precisión, eficiencia e idoneidad. La interferencia por multicamino surge debido a la superposición de la señal reflejada por diferentes caminos con la reflexión directa, produciendo distorsiones que se hacen más notables en superficies convexas. La MpI es la causa de importantes errores en la estimación de profundidad en cámaras CWM ToF. Esta tesis propone un método que elimina la MpI a partir de un solo mapa de profundidad. El enfoque propuesto no requiere más información acerca de la escena que las medidas ToF. El método se fundamenta en un modelo radio-métrico de las medidas que se emplea para estimar de manera muy precisa el mapa de profundidad sin distorsión. Una de las tecnologías líderes para la obtención de profundidad en imagen ToF está basada en Photonic Mixer Device (PMD), la cual obtiene la profundidad mediante el muestreado secuencial de la correlación entre la señal de modulación y la señal proveniente de la escena en diferentes desplazamientos de fase. Con movimiento, los píxeles PMD capturan profundidades diferentes en cada etapa de muestreo, produciendo artefactos de movimiento. El método propuesto en esta tesis para la corrección de dichos artefactos destaca por su velocidad y sencillez, pudiendo ser incluido fácilmente en el hardware de la cámara. La profundidad de cada píxel se recupera gracias a la consistencia entre las muestras de correlación en el píxel PMD y de la vecindad local. Este método obtiene correcciones precisas, reduciendo los artefactos de movimiento enormemente. Además, como resultado de este método, puede obtenerse el flujo óptico en los contornos en movimiento a partir de una sola captura. A pesar de ser una alternativa muy prometedora para la obtención de profundidad, las cámaras ToF todavía tienen que resolver problemas desafiantes en relación a la corrección de errores sistemáticos y no sistemáticos. Esta tesis propone métodos eficaces para enfrentarse con estos errores

Correction of Errors in Time of Flight Cameras

En esta tesis se aborda la corrección de errores en cámaras de profundidad basadas en tiempo de vuelo (Time of Flight - ToF). De entre las más recientes tecnologías, las cámaras ToF de modulación continua (Continuous Wave Modulation - CWM) son una alternativa prometedora para la creación de sensores compactos y rápidos. Sin embargo, existen gran variedad de errores que afectan notablemente la medida de profundidad, poniendo en compromiso posibles aplicaciones. La corrección de dichos errores propone un reto desafiante. Actualmente, se consideran dos fuentes principales de error: i) sistemático y ii) no sistemático. Mientras que el primero admite calibración, el último depende de la geometría y el movimiento relativo de la escena. Esta tesis propone métodos que abordan i) la distorsión sistemática de profundidad y dos de las fuentes de error no sistemático más relevantes: ii.a) la interferencia por multicamino (Multipath Interference - MpI) y ii.b) los artefactos de movimiento. La distorsión sistemática de profundidad en cámaras ToF surge principalmente debido al uso de señales sinusoidales no perfectas para modular. Como resultado, las medidas de profundidad aparecen distorsionadas, pudiendo ser reducidas con una etapa de calibración. Esta tesis propone un método de calibración basado en mostrar a la cámara un plano en diferentes posiciones y orientaciones. Este método no requiere de patrones de calibración y, por tanto, puede emplear los planos, que de manera natural, aparecen en la escena. El método propuesto encuentra una función que obtiene la corrección de profundidad correspondiente a cada píxel. Esta tesis mejora los métodos existentes en cuanto a precisión, eficiencia e idoneidad. La interferencia por multicamino surge debido a la superposición de la señal reflejada por diferentes caminos con la reflexión directa, produciendo distorsiones que se hacen más notables en superficies convexas. La MpI es la causa de importantes errores en la estimación de profundidad en cámaras CWM ToF. Esta tesis propone un método que elimina la MpI a partir de un solo mapa de profundidad. El enfoque propuesto no requiere más información acerca de la escena que las medidas ToF. El método se fundamenta en un modelo radio-métrico de las medidas que se emplea para estimar de manera muy precisa el mapa de profundidad sin distorsión. Una de las tecnologías líderes para la obtención de profundidad en imagen ToF está basada en Photonic Mixer Device (PMD), la cual obtiene la profundidad mediante el muestreado secuencial de la correlación entre la señal de modulación y la señal proveniente de la escena en diferentes desplazamientos de fase. Con movimiento, los píxeles PMD capturan profundidades diferentes en cada etapa de muestreo, produciendo artefactos de movimiento. El método propuesto en esta tesis para la corrección de dichos artefactos destaca por su velocidad y sencillez, pudiendo ser incluido fácilmente en el hardware de la cámara. La profundidad de cada píxel se recupera gracias a la consistencia entre las muestras de correlación en el píxel PMD y de la vecindad local. Este método obtiene correcciones precisas, reduciendo los artefactos de movimiento enormemente. Además, como resultado de este método, puede obtenerse el flujo óptico en los contornos en movimiento a partir de una sola captura. A pesar de ser una alternativa muy prometedora para la obtención de profundidad, las cámaras ToF todavía tienen que resolver problemas desafiantes en relación a la corrección de errores sistemáticos y no sistemáticos. Esta tesis propone métodos eficaces para enfrentarse con estos errores