反射式光電聯(lián)合變換相關(guān)器的設(shè)計(jì)

張永玲，劉海峰，陳致君

（中北大學(xué)光電儀器廠，山西太原 030051）

反射式光電聯(lián)合變換相關(guān)器的設(shè)計(jì)

張永玲，劉海峰，陳致君

（中北大學(xué)光電儀器廠，山西太原 030051）

傳統(tǒng)的聯(lián)合變換相關(guān)器一般為單光路反饋系統(tǒng)，體積大且運(yùn)行速度慢.針對(duì)其缺點(diǎn)，根據(jù)光電聯(lián)合變換相關(guān)器探測(cè)的基本原理，設(shè)計(jì)了具有雙光路的反射式光電聯(lián)合相關(guān)器，其由計(jì)算機(jī)控制的電尋址液晶E A L C D作為空間光調(diào)制器，并用面陣C C D作為探測(cè)器記錄其聯(lián)合變換功率譜；整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)是由準(zhǔn)直系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和傅立葉系統(tǒng)構(gòu)成，其特點(diǎn)是體積小，并且運(yùn)行速度快.

聯(lián)合變換相關(guān)器 準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng) 傅立葉變換

聯(lián)合變換相關(guān)器(Joint transform correlator-JTC)是光學(xué)圖像相關(guān)識(shí)別的基本結(jié)構(gòu)之一,也是其他許多光學(xué)信息處理系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu),在國(guó)外最早是1966年由Weaver和Goodman以及Rau等提出來(lái)的.隨著研究的深入,1981年,Pichon和Huignard第一次用光折變晶體BSO實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)記錄聯(lián)合變換的功率譜,把對(duì)聯(lián)合變換相關(guān)器的研究大大推進(jìn)了一步[1].在相關(guān)探測(cè)方面,光電聯(lián)合變換相關(guān)器所采用的光學(xué)相干模式匹配方法能利用圖像中的所有信息來(lái)識(shí)別探測(cè)目標(biāo),區(qū)分不同對(duì)象的能力強(qiáng),精度高,特別是它能在十分復(fù)雜的圖像環(huán)境下能有效的工作.在圖像處理方面,光電聯(lián)合變換相關(guān)器具有很大的優(yōu)越性,具有以光速處理的并行性,速度快,容量大等特點(diǎn),可以直接對(duì)圖像進(jìn)行采集、處理、存儲(chǔ)和顯示等,無(wú)須一些中間光電、電光轉(zhuǎn)換處理過(guò)程,因此大大提高了目標(biāo)識(shí)別的準(zhǔn)確度和速率[2].反射式液晶的結(jié)構(gòu)使用不僅實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)探測(cè),而且有利于減小光學(xué)系統(tǒng)的體積.

1 反射式光電聯(lián)合變換相關(guān)器總體設(shè)計(jì)方案

光學(xué)儀器是由光學(xué)系統(tǒng)、精密機(jī)械、電子系統(tǒng)結(jié)合成的復(fù)雜裝置,它是涉及多個(gè)領(lǐng)域、多方面、多層次、多功能的系統(tǒng),可以看作為一個(gè)系統(tǒng)工程[3].因此,光學(xué)儀器設(shè)計(jì)必須運(yùn)用系統(tǒng)工程的觀點(diǎn)來(lái)研究光學(xué)儀器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與外部環(huán)境,把它們看作一個(gè)整體,綜合考慮它們之間的關(guān)系.從傳遞信息的角度來(lái)看,在測(cè)量鏈中光學(xué)儀器與目標(biāo)、傳遞介質(zhì)及探測(cè)器等環(huán)節(jié)之間的光學(xué)儀器原理圖可以用方框圖1表示.

圖1 光學(xué)儀器原理圖

圖2 反射式光電聯(lián)合變換相關(guān)器裝置圖

圖2是能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)目標(biāo)探測(cè)和識(shí)別的反射式聯(lián)合變換相關(guān)器的實(shí)驗(yàn)原理圖.其中關(guān)鍵部件是反射式電尋址液晶、傅立葉變換透鏡、氬離子激光器、功率譜處理器和相關(guān)處理器.系統(tǒng)采用氬離子激光器作為光源,通過(guò)衰減片調(diào)制輸出光強(qiáng),經(jīng)顯微物鏡聚焦,針孔空間濾波,偏振片調(diào)節(jié)偏振方向,經(jīng)準(zhǔn)直物鏡后形成準(zhǔn)直擴(kuò)束的平行光.平行光經(jīng)半反半透鏡后分為兩路,其中一路用于獲得聯(lián)合變換功率譜,這樣經(jīng)CCD1實(shí)時(shí)攝取的目標(biāo)圖像o（x，y）與事先存貯在PC1中的參考圖像r（x，y）一起輸入到電尋址液晶EALCD1;另一路用于獲得相關(guān)圖,輸入到PC2的功率譜經(jīng)空間光調(diào)制器的控制系統(tǒng)輸入到電尋址液晶EALCD2中,經(jīng)傅立葉變換透鏡FTL2后,由CCD3攝取目標(biāo)圖像與參考圖像的聯(lián)合變換相關(guān)點(diǎn),根據(jù)相關(guān)點(diǎn)的位置,我們可以確定目標(biāo)及其方位.CCD工作在積分模式中,在功率譜寫入和讀出的積分時(shí)間內(nèi),要求環(huán)境是暗的,亦即除相關(guān)信號(hào)外,環(huán)境光不能干擾CCD,否則會(huì)增大背景噪聲[4].

在透鏡1前10mm處放置一個(gè)反射式電尋址液晶,透鏡1與透鏡3、棱鏡1、棱鏡2、顯微物鏡及針孔組成了準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)(其中準(zhǔn)直物鏡由透鏡1又與透鏡3、棱鏡1、棱鏡2組成),棱鏡2作為分光元件,分出雙光路.同時(shí),透鏡1又與透鏡2及棱鏡1組成傅立葉變換透鏡.該結(jié)構(gòu)的使用不僅能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)探測(cè),而且有利于減小光學(xué)系統(tǒng)的體積.

圖3 準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[5]

圖3是準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖.準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)形式采用倒開普勒式,其中準(zhǔn)直物鏡由正負(fù)兩組透鏡組成.第一組透鏡:顯微物鏡f′＝2mm, NA＝0.6,β＝40×,此組透鏡的焦距要短,有利于激光束腰的減小;第二組透鏡:準(zhǔn)直物鏡f′＝300mm,此組透鏡的焦距要長(zhǎng),有利于激光束發(fā)散角的減小[6].

由于激光束是先經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)擴(kuò)束后,再進(jìn)入傅立葉變換透鏡的,所以準(zhǔn)直物鏡的通光孔徑一定要大于傅立葉變換透鏡的通光孔徑(D＝30mm),以便取準(zhǔn)直光束的中心光斑照射反射液晶,在這里準(zhǔn)直物鏡的通光孔徑取D＝50mm.

確定該準(zhǔn)直物鏡的光學(xué)特性為，焦距：f′＝300 mm；相對(duì)孔徑:Df′＝16,視場(chǎng)角:2ω＝0.0382°.視場(chǎng)角的大小由針孔的調(diào)校誤差 (一般在0.1～0.2mm的范圍內(nèi))確定,在這里我們?nèi)　鳎?.2mm,則由tan2ω＝△／f′＝0.2／300，得2ω＝0.382°.棱鏡1尺寸的確定方法是:在進(jìn)行初始結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí),由于是倒追光線,我們假定透鏡1(D＝50mm)到棱鏡1的距離d＝30mm,

由軸外點(diǎn)計(jì)算棱鏡1的距離為:

D1＝44＋2d tanω＝44＋2×30×tan0.0191＝4402mm.

綜上，棱鏡1的長(zhǎng)度初步取D1＝45mm,同理可以確定棱鏡2最長(zhǎng)的一邊長(zhǎng)度為D2＝38mm.在選擇玻璃上根據(jù)透鏡組光學(xué)性能要求,透鏡1選用ZF6,透鏡3選用ZK10,棱鏡1選用K9,棱鏡2選用ZK10.

3 傅立葉變換透鏡的設(shè)計(jì)

反射式聯(lián)合變換相關(guān)器中傅立葉變換透鏡組的光學(xué)特性為：

焦距:f′＝20mm；

視場(chǎng)角:2ω＝2.3°.

其中要求輸入面直徑Dm＝30mm,頻譜面直徑Dsp＝14mm，用波長(zhǎng)λ＝532mm的半導(dǎo)體泵浦YAG激光器照射.

視場(chǎng)角的確定:我們使用的是1/2英寸的CCD,其對(duì)角線長(zhǎng)為8mm,由tan2ω＝1f′＝8200,得2ω＝2.3°.

在此設(shè)計(jì)的是正負(fù)雙分離透鏡組,并在兩片透鏡間放入棱鏡1(由兩個(gè)直角棱鏡膠合在一起,膠合面鍍半反半透膜)如圖4所示.棱鏡1的主要作用是它可以使入射光束達(dá)到半反半透的效果,既減小了光學(xué)系統(tǒng)的體積,還可以用來(lái)平衡透鏡組的像差.為了減小場(chǎng)曲在此選用ZF6-K9的玻璃反常組合(ZF6的折射率為1.755),從而棱鏡1選用常用的K9玻璃.

4 結(jié)論

傅立葉變換透鏡在結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)了與準(zhǔn)直物鏡共用一片正透鏡,從而有效地減小了系統(tǒng)體積,可使整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的長(zhǎng)控制在230 mm以內(nèi),寬控制在150mm以內(nèi).

在反射式聯(lián)合變換相關(guān)器設(shè)計(jì)方案中,我們將反射式電尋址液晶成功的應(yīng)用于光學(xué)相關(guān)探測(cè)與識(shí)別當(dāng)中.該裝置的光學(xué)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上也具有突出的特點(diǎn):傅立葉變換透鏡雖然也采用了正負(fù)雙分離的結(jié)構(gòu) (焦距為200mm),但與準(zhǔn)直物鏡 (焦距為300 mm)共用同一片正透鏡.這種結(jié)構(gòu)不僅保證了光學(xué)系統(tǒng)具有較好的準(zhǔn)直性能 (準(zhǔn)直物鏡的焦距越長(zhǎng),對(duì)光束的準(zhǔn)直性就越強(qiáng)),而且減小了光學(xué)系統(tǒng)的體積,有利于裝置的小型化.

[1]于美文.光學(xué)全息及信息處理[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,1988.

[2]韓昌元.信息光學(xué)基礎(chǔ)理論及應(yīng)用[M].長(zhǎng)春:長(zhǎng)春出版社,2008.

[3]WANGWen-sheng,CHEN Yu,LIANG Cui-ping.Hybrid optoelectronic joint transform correlator for the recognition of target in cluttered scenes[J].SPIE,2004,5642:26.

[4]蘇顯渝,李繼陶.信息光學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社,1999.

[5]胡家升.光學(xué)工程導(dǎo)論[M].大連:大連理工大學(xué)出版社,2002.

[6]王晶晶,王波,王冕.新型聯(lián)合變換相關(guān)器光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].光電工程,2006,33(4):115-118.

Joint Reflection Transform Correlator Design

ZHANG Yong-ling,LIU Hai-feng,CHEN Zhi-jun
(Optical Instrument Factory，North University of China,Taiyuan Shanxi,030051)

The optical system structure of traditional joint transform correlator has single optical path feedback,the volume is large and runs slowly.To improve its performance,we designed an optical system with two optical path feedbackswhich according to the basic principle of optical joint transform correlator.Electrically addressed liquid crystal displays (EALCD)controlled by the computer is used as spatial lightmodulator.In addition,CCD matrix camera as square law detector records joint transform power spectrum.The whole optical system is composed of a collimating and beam expanding system and Fourier transform system,the volume is smaller than before and runs fast.

joint transform correlator;collimating and beam expanding system;fourier transform

TH74

A

〔編輯李?！?/p>

1674－0874（2010）01－0033－03

2009－12－10

張永玲(1983-),女,山西大同人,碩士,助理工程師，研究方向:光電儀器設(shè)計(jì)及數(shù)字圖像處理.

文章編號(hào):1674-0874(2010)01-0001-04