反射式光電聯合變換相關器的設計

張永玲，劉海峰，陳致君

（中北大學光電儀器廠，山西太原 030051）

反射式光電聯合變換相關器的設計

張永玲，劉海峰，陳致君

（中北大學光電儀器廠，山西太原 030051）

傳統的聯合變換相關器一般為單光路反饋系統，體積大且運行速度慢.針對其缺點，根據光電聯合變換相關器探測的基本原理，設計了具有雙光路的反射式光電聯合相關器，其由計算機控制的電尋址液晶E A L C D作為空間光調制器，并用面陣C C D作為探測器記錄其聯合變換功率譜；整個光學系統是由準直系統結構和傅立葉系統構成，其特點是體積小，并且運行速度快.

聯合變換相關器 準直擴束系統 傅立葉變換

聯合變換相關器(Joint transform correlator-JTC)是光學圖像相關識別的基本結構之一,也是其他許多光學信息處理系統的基本結構,在國外最早是1966年由Weaver和Goodman以及Rau等提出來的.隨著研究的深入,1981年,Pichon和Huignard第一次用光折變晶體BSO實現了實時記錄聯合變換的功率譜,把對聯合變換相關器的研究大大推進了一步[1].在相關探測方面,光電聯合變換相關器所采用的光學相干模式匹配方法能利用圖像中的所有信息來識別探測目標,區分不同對象的能力強,精度高,特別是它能在十分復雜的圖像環境下能有效的工作.在圖像處理方面,光電聯合變換相關器具有很大的優越性,具有以光速處理的并行性,速度快,容量大等特點,可以直接對圖像進行采集、處理、存儲和顯示等,無須一些中間光電、電光轉換處理過程,因此大大提高了目標識別的準確度和速率[2].反射式液晶的結構使用不僅實現了實時探測,而且有利于減小光學系統的體積.

1 反射式光電聯合變換相關器總體設計方案

光學儀器是由光學系統、精密機械、電子系統結合成的復雜裝置,它是涉及多個領域、多方面、多層次、多功能的系統,可以看作為一個系統工程[3].因此,光學儀器設計必須運用系統工程的觀點來研究光學儀器的內部結構與外部環境,把它們看作一個整體,綜合考慮它們之間的關系.從傳遞信息的角度來看,在測量鏈中光學儀器與目標、傳遞介質及探測器等環節之間的光學儀器原理圖可以用方框圖1表示.

圖1 光學儀器原理圖

圖2 反射式光電聯合變換相關器裝置圖

圖2是能實現實時目標探測和識別的反射式聯合變換相關器的實驗原理圖.其中關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處理器.系統采用氬離子激光器作為光源,通過衰減片調制輸出光強,經顯微物鏡聚焦,針孔空間濾波,偏振片調節偏振方向,經準直物鏡后形成準直擴束的平行光.平行光經半反半透鏡后分為兩路,其中一路用于獲得聯合變換功率譜,這樣經CCD1實時攝取的目標圖像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圖,輸入到PC2的功率譜經空間光調制器的控制系統輸入到電尋址液晶EALCD2中,經傅立葉變換透鏡FTL2后,由CCD3攝取目標圖像與參考圖像的聯合變換相關點,根據相關點的位置,我們可以確定目標及其方位.CCD工作在積分模式中,在功率譜寫入和讀出的積分時間內,要求環境是暗的,亦即除相關信號外,環境光不能干擾CCD,否則會增大背景噪聲[4].

在透鏡1前10mm處放置一個反射式電尋址液晶,透鏡1與透鏡3、棱鏡1、棱鏡2、顯微物鏡及針孔組成了準直擴束系統(其中準直物鏡由透鏡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,透鏡1又與透鏡2及棱鏡1組成傅立葉變換透鏡.該結構的使用不僅能夠實現實時探測,而且有利于減小光學系統的體積.

圖3 準直擴束系統結構圖

2 準直擴束系統的設計[5]

圖3是準直擴束系統結構圖.準直擴束系統的整體結構形式采用倒開普勒式,其中準直物鏡由正負兩組透鏡組成.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:準直物鏡f′＝300mm,此組透鏡的焦距要長,有利于激光束發散角的減小[6].

由于激光束是先經過準直擴束系統擴束后,再進入傅立葉變換透鏡的,所以準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),以便取準直光束的中心光斑照射反射液晶,在這里準直物鏡的通光孔徑取D＝50mm.

確定該準直物鏡的光學特性為，焦距：f′＝300 mm；相對孔徑:Df′＝16,視場角:2ω＝0.0382°.視場角的大小由針孔的調校誤差 (一般在0.1～0.2mm的范圍內)確定,在這里我們取△＝0.2mm,則由tan2ω＝△／f′＝0.2／300，得2ω＝0.382°.棱鏡1尺寸的確定方法是:在進行初始結構計算時,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,

由軸外點計算棱鏡1的距離為:

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

綜上，棱鏡1的長度初步取D1＝45mm,同理可以確定棱鏡2最長的一邊長度為D2＝38mm.在選擇玻璃上根據透鏡組光學性能要求,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計

反射式聯合變換相關器中傅立葉變換透鏡組的光學特性為：

焦距:f′＝20mm；

視場角:2ω＝2.3°.

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

視場角的確定:我們使用的是1/2英寸的CCD,其對角線長為8mm,由tan2ω＝1f′＝8200,得2ω＝2.3°.

在此設計的是正負雙分離透鏡組,并在兩片透鏡間放入棱鏡1(由兩個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到半反半透的效果,既減小了光學系統的體積,還可以用來平衡透鏡組的像差.為了減小場曲在此選用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 結論

傅立葉變換透鏡在結構上實現了與準直物鏡共用一片正透鏡,從而有效地減小了系統體積,可使整個光學系統的長控制在230 mm以內,寬控制在150mm以內.

在反射式聯合變換相關器設計方案中,我們將反射式電尋址液晶成功的應用于光學相關探測與識別當中.該裝置的光學系統在設計上也具有突出的特點:傅立葉變換透鏡雖然也采用了正負雙分離的結構 (焦距為200mm),但與準直物鏡 (焦距為300 mm)共用同一片正透鏡.這種結構不僅保證了光學系統具有較好的準直性能 (準直物鏡的焦距越長,對光束的準直性就越強),而且減小了光學系統的體積,有利于裝置的小型化.

[1]于美文.光學全息及信息處理[M].北京:國防工業出版社,1988.

[2]韓昌元.信息光學基礎理論及應用[M].長春:長春出版社,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[M].北京:科學出版社,1999.

[5]胡家升.光學工程導論[M].大連:大連理工大學出版社,2002.

[6]王晶晶,王波,王冕.新型聯合變換相關器光學系統設計[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

〔編輯李海〕

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:光電儀器設計及數字圖像處理.

文章編號:1674-0874(2010)01-0001-04