將光尋址空間光調制器應用于光學相關器

趙融生，陳向寧，薛俊詩，郭連朋

(裝備學院，北京 101400)

光學相關器是基于匹配空間濾波原理［1］的光學相關技術，在實時目標識別［2-3］、自動導航［4］、指紋識別［5］等模式識別領域得到廣泛的研究和應用。2000年左右，加州理工大學的小車導航［4］和日本Holoplex 公司的指紋識別系統［5］都已見諸報道。斯坦福大學、IBM、清華大學等多家研究機構對光學相關器進行了深入研究。通常，光學相關器由CCD 獲取目標圖像，將其通過計算機加載到電尋址空間光調制器(Spatial Light Modulator，SLM)［6］，激光通過電尋址空間光調制器，讀取目標圖像，完成后續的相關識別。這種獲取目標圖像的方式，參與工作的器件過多，各器件性能的不同，會嚴重影響激光獲取的目標圖像的質量和速度。

本研究提出采用光尋址空間光調制器(Optically Addressed Liquid Crystal Light Valve，OALCLV)［7-8］直接獲取目標圖像。它將目標圖像加載到液晶層上，激光經過光尋址空間光調制器，讀取目標圖像。該器件省略了CCD 和計算機等器件，提高了獲取目標圖像的速度和目標圖像的質量。使用光尋址空間光調制器，設計并構建了一臺全息存儲［9］與相關識別系統［10］。該系統可以將模板圖像的全息圖存儲于晶體上，實現目標圖像與模板圖像的實時相關識別。

1 光學相關器的工作原理及設計

1.1 光學相關識別理論

光學相關器是基于匹配空間濾波原理［1］的光學相關技術。它是通過輸入函數與參考函數傅里葉變換的乘積實現的。參考圖形以參考函數傅里葉變換的共軛形式存儲起來，作為空間濾波器。由于是復函數，因此可以用全息圖來實現。該濾波器的作用是要與輸入函數進行互相關運算，判斷是否與參考函數匹配。

首先，將模板圖像O(x，y)作為物光輸入，經過傅里葉變換，與對應的參考光R(x，y)發生干涉，形成匹配濾波器β'O*R，并記錄在全息材料里。如式(1)、式(2)、式(3)所示［11］。

物光與參考光發生干涉

其強度分布

記錄在全息材料上，得到的全息圖的分振幅透過率

然后，將目標圖像S(x，y)經過傅里葉透鏡變換的頻譜S(fx，fy)，與匹配濾波器β'O*R 進行相關運算。若目標圖像與模板圖像相同，可有CCD 得到一個明亮的相關峰。若不相同，則不能得到相關峰

1.2 器件的工作原理

光尋址空間光調制器作為本系統的核心器件，它的作用是獲取目標圖像，其結構如圖1 所示。該器件由玻璃襯底、透明電極、液晶分子取向膜層、墊片、光阻擋層、液晶層、光電導層、和介質反射層組成。工作原理:通電工作時，加在兩透明電極上的外電壓，作用在液晶層、反射膜光阻擋層和光電導層上。光電導層上光照的情況決定液晶電光效應。將目標圖像成像在器件的光電導層上，作為寫入光。光電導層上光照大，電阻小，外電壓主要分布到液晶層上，使液晶層產生電光效應，由此在相應區域對激光產生調制作用，使激光的偏振方向相應的發生改變，輸出的光束也有較大的輸出。反之，光電導層上光照小，則不會對激光產生調制作用，輸出的光束有較小輸出。對于寫入圖像上其他照度區域，輸出光束的相應像素的輸出光強將介于最大值和最小值之間。所以激光經過器件的透明電板、液晶層和介質反射膜反射后返回，再次透過液晶層，經檢偏器后只有某特定偏振方向的光出射，顯示出目標圖像信息。不通電工作時，器件不會改變入射光的偏振態，即反射光與入射光的偏振態相同。

圖1 光尋址空間光調制器的結構

電尋址空間光調制器是本系統的重要器件，它的作用是獲取模板圖像。其工作原理如圖2 所示。計算機將CCD 探測到的模板圖像轉化為視頻圖像信號加載到器件的電極上，使電極對應的液晶分子產生電光效應。從而改變透射光的偏振態，使經過檢偏器的光束，在接受屏上可以顯示出模板圖像。不工作時，不會改變透射光的偏振態。本系統使用透射式空間光調制器，分辨率1 204 ×768、像素大小26 μm。

圖2 電尋址空間光調制器的工作原理

透鏡的焦距均為100 mm。CCD1 用于觀察通過參考光照射存儲于晶體中模板圖像的全息圖的再現模板圖像;CCD2 用于探測目標圖像頻譜與模板圖像的全息圖進行相關識別的相關峰。

1.3 光學相關器的設計

如圖3 所示，該系統主要由激光器、電尋址空間光調制器(Spatial Light Modulator，SLM)、光尋址空間光調制器(Optically Addressed Liquid Crystal Light Valve，OALCLV)、存儲材料［12-13］(Fe:LiNbO3 晶體)、探測器、傅里葉透鏡組成。

該系統分為制作濾波器和進行相關識別兩部分。

1)將模板圖像的全息圖記錄在晶體上，制作成匹配濾波器。激光器發出的激光，經準直擴束裝置后，擴束成平行光束。該光束經過偏振分光棱鏡，反射一束振動方向垂直于桌面的參考光光束②和透射一束振動方向平行于桌面的物光光束③。物光光束③透射過SLM，獲取模板圖像。經過未加電的OALCLV 反射和透射過偏振方向垂直于桌面的檢偏器，與參考光光束②在晶體處發生干涉，將模板圖像的全息圖記錄在晶體上，制作成匹配濾波器。

2)進行光學相關識別。光束③透射過未工作的SLM，獲取OALCLV 上加載的目標圖像，將其經過傅里葉透鏡變換的頻譜與存儲在晶體中的全息圖進行相關識別。最后由CCD2 獲得相關識別的結果。

圖3 系統結構

2 實驗結果分析

2.1 相關識別結果分析

選擇字母‘A’、‘ABCDA’、‘BCD’作為模板圖像，將其全息圖記錄在晶體中，它們經過參考光再現的圖像如圖4、5、6所示。選擇字母’A’作為目標圖像，分別與存儲在晶體中的全息圖進行相關識別，相關識別結果及其相應的數值處理如圖7、圖8、圖9 所示。

圖4 模板圖像A

圖5 模板圖像ABCDA

圖6 模板圖像BCD

圖7 ‘A’與‘A’進行相關識別及相應的數值處理

圖8 ‘A’與‘ABCDA’進行相關識別及相應的數值處理

圖9 ‘A’與‘BCD’進行相關識別及相應的數值處理

由圖可知，由光尋址空間光調制器獲取的目標圖像可以與存儲于晶體中的模板圖像進行相關識別，得到相關峰值，如圖7(a)、7(b)所示。由圖可知相關峰能量相對集中，但是存在很多噪聲，這是由于晶體散射造成的。當使用’A’與’ABCDA’進行相關識別時，由于模板圖像中兩個’A’的距離較近，因此得到兩個明顯的、峰值近似相等的相關峰，如圖8(a)、8(b)所示。由圖9 可知，由于模板圖像’BCD’沒有目標圖像’A’，所以沒有相關峰產生。

2.2 兩種調制器性能分析

由表1 可知，光尋址空間光調制器獲取目標圖像的速度［8］和圖像分辨率，均高于電尋址空間光調制器。而且電尋址空間光調制器需要配合CCD 進行使用，其獲取圖像的速度又會被延長，圖像的分辨率也會受到約束。光尋址空間光調制器的靶面可以做到6inch，具有更大的視場。

表1 獲取目標圖像的比較

3 結論

本研究構建的光學相關器是一套實驗驗證光路系統，它將光尋址空間光調制器應用在光學相關識別系統中，實現了模板圖像存儲、獲取目標圖像及與模板圖像相關識別，得到了相關識別結果并進行了相應的數值處理與分析，通過實驗，驗證了本系統可以提高獲取目標圖像的速度，及實現光學相關識別的可行性。

光學相關識別具有處理識別速度快，信息容量大，抗干擾能力強，結構緊湊等優點，用于成像制導，可以大大提高導彈攻擊的機動性，抗干擾能力和命中率，實現導彈末制導的智能化。該光學相關器有望應用于導彈末制導［14-15］、遙感影像匹配［16］中。

［1］Vander Lught A B. SIGNAL DETECTION BY COMPLEX SPATIAL FILTERING［J］. AMERICAN JOURNAL OF PHYSICS，1963.

［2］Miller P C，Royce M，Virgo P，et al.Evaluation of an optical correlator automatic target recognition system for acquisition and tracking in densely cluttered natural scenes［J］.Optical Engineering，1999，38(11):1814-1825.

［3］Hu Maohai.Algorithm of object recognition based on similarity measurement of correlation output［J］.Chinese Laser，2012，39(4):0409002.

［4］Pu A. Real time vehicle navigation using a holographic memory［J］.Opt.Eng.，1997，36(10):2737-2746.

［5］Psaltis D，Mok F. Holographic memories［J］. Scientific American，1995，273:70.

［6］朱成禹.電尋址空間光調制技術的研究［D］.長春:中國科學院研究生院(長春光學精密機械與物理研究所)，2002.

［7］劉永軍，宣麗，胡立發，等.高精度純相位液晶空間光調制器的研究［J］.光學學報，2005，25(12):1682-1686.

［8］楊忠，陳正國，張秉華.鐵電液晶光尋址空間光調制器特性測試與分析［J］.光電工程，1994，21(1):47-52.

［9］李建華，曹良才，譚小地，等.基于LiNbO_3 晶體的透射式共光軸體全息存儲技術［J］.光學學報，2012(4):76-82.

［10］曹良才，何慶聲，尉昊赟，等.10Gb/cm ～3 小型化體全息數據存儲及相關識別系統［J］. 科學通報，2004(23):2495-2500.

［11］Goodman J W.傅里葉光學導論［Z］.2006.

［12］陸猗，劉思敏.Fe:LiNbO3 光折變晶體實時光學相關存貯研究［J］.物理學報，1994 (11):1770-1775.

［13］石宏新.雙摻Hf:Fe:LiNbO_3 晶體光折變性能及其光學相關識別應用研究［D］.哈爾濱哈爾濱工業大學，2010.

［14］張常國. 光學相關識別制導技術［J］. 飛航導彈，1990(12):43-48.

［15］魏建中，陳先兵. 應用光學相關識別的成像制導系統［J］.紅外與激光工程，1995(1):60-64.

［16］趙瑱，何慶聲，曹良才，等.一種用于遙感圖像景象匹配的快速光電混合系統［J］. 紅外與激光工程，2012，41(6):1659-1663.