PS$^2$F: Polarized Spiral Point Spread Function for Single-Shot 3D Sensing

要約

我々は、工学的な点広がり関数（PSF）に依存するコンパクトなスナップショット単眼深度推定技術を提案する。従来の超解像イメージングで用いられているダブルヘリックスPSF（DHPSF）は、点光源がまばらなシーンには不向きであった。我々は、Cram’er-Rao下界を用いて、DHPSFの2つのローブを分離し、それによって2つの別々の画像をキャプチャすることで、深さ精度が劇的に向上することを示す。DHPSFの生成に用いる位相マスクの特殊な性質として、位相マスクを2つに分離すると、2つのローブが空間的に分離することが挙げられる。この性質を利用して、DHPSF位相マスクの各半分に直交する2つの直線偏光板を配置し、偏光に敏感なカメラでその結果を撮影する、コンパクトな偏光ベースの光学系を構築しました。シミュレーションと実験室のプロトタイプの結果から、本技術はDHPSFやTetrapod PSFなどの最新の設計と比較して、空間分解能をほとんど損なうことなく、深度誤差を最大で50%$低減できることが実証されました。

要約(オリジナル)

We propose a compact snapshot monocular depth estimation technique that relies on an engineered point spread function (PSF). Traditional approaches used in microscopic super-resolution imaging such as the Double-Helix PSF (DHPSF) are ill-suited for scenes that are more complex than a sparse set of point light sources. We show, using the Cram\’er-Rao lower bound, that separating the two lobes of the DHPSF and thereby capturing two separate images leads to a dramatic increase in depth accuracy. A special property of the phase mask used for generating the DHPSF is that a separation of the phase mask into two halves leads to a spatial separation of the two lobes. We leverage this property to build a compact polarization-based optical setup, where we place two orthogonal linear polarizers on each half of the DHPSF phase mask and then capture the resulting image with a polarization-sensitive camera. Results from simulations and a lab prototype demonstrate that our technique achieves up to $50\%$ lower depth error compared to state-of-the-art designs including the DHPSF and the Tetrapod PSF, with little to no loss in spatial resolution.

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