Application of visual hyperacuity to imaging and antenna systems

Abstract

El Sistema Visual Humano es capaz de llevar a cabo múltiples tareas, tales como enfocar objetos a diferentes distancias u obtener imágenes con un amplio rango dinámico. Sin embargo, la función más impresionante está relacionada con las imágenes de alta resolución que es capaz de generar gracias a la hiperagudeza visual: la capacidad del ojo humano de resolver detalles más allá de la agudeza definida por el número, el tamaño y la distribución de los fotorreceptores. Aunque en un principio pueda parecer complicado, el sistema visual está basado en una arquitectura relativamente sencilla y obtiene imágenes de alta resolución partiendo de un número limitado de sensores. La hipótesis principal de este trabajo de investigación se basa en que la difracción introducida por el sistema óptico del ojo humano desempeña un papel fundamental en la obtención de la hiperagudeza visual. La implementación del concepto de la hiperagudeza resulta de gran interés para diversas aplicaciones tecnológicas, como los sistemas de captación de imágenes o antenas, donde la resolución es un aspecto importante. Esta idea tiene especial relevancia para los sistemas que trabajan en el rango de frecuencias de los terahercios, donde existen limitaciones tecnológicas para utilizar un elevado número de sensores. Por otro lado, la obtención de altas resoluciones angulares en los sistemas de antenas suele implicar el uso de dispositivos de grandes dimensiones que pueden generar problemas de diferente naturaleza. La aplicación de la hiperagudeza visual posibilita el uso de antenas con aperturas menores sin suponer una significante pérdida en términos de resolución angular. En esta tesis doctoral se presenta un método que pretende simular e implementar la hiperagudeza visual del ojo humano mediante la introducción de una distorsión controlada que mejora la resolución final de las imágenes o señales cuando se dispone de un limitado número de sensores. Asimismo, se desarrolla un estudio cuyo objetivo principal es mostrar su potencial y las posibilidades que este método ofrece para aplicaciones relacionadas con sistemas de imágenes y antenas.

The Human Visual System carries out multiple tasks, such as focusing objects at different distances or capturing high dynamic range images. Nevertheless, the most remarkable function is connected with the high‐resolution images it can generate thanks to visual hyperacuity: the capability of the human eye to resolve details beyond the acuity defined by the number, size and distribution of photoreceptors. Even though it may at first seem a complex scheme, the visual system shows an impressive performance based on a simple architecture and obtains high‐resolution images starting from a limited number of sensors. The main hypothesis of this research work is that the diffraction introduced by the optical system of the human eye could have a fundamental role in achieving visual hyperacuity. The implementation of the visual hyperacuity concept may be of great interest in many technological fields, such as imaging or antenna systems, where the resolution is an important matter. This idea is of particular relevance for the systems working in the terahertz frequency range, where there exist technological constraints to use a large number of sensors. Besides, the achievement of high angular resolutions in antenna systems usually involves the use of large size devices which can generate diverse problems. The application of the visual hyperacuity enables the use of smaller aperture antennas without a meaningful loss in terms of angular resolution. This doctoral thesis presents a method that aims to simulate and implement the visual hyperacuity in the human eye by introducing of a controlled distortion to improve the final resolution of images or signals when the number of available sensors is limited. Likewise, a detailed study is developed, in order to show its potential and the possibilities of the method for imaging applications and antenna systems.