反射式光电联合变换相关器的设计

张永玲，刘海峰，陈致君

（中北大学光电仪器厂，山西太原 030051）

反射式光电联合变换相关器的设计

张永玲，刘海峰，陈致君

（中北大学光电仪器厂，山西太原 030051）

传统的联合变换相关器一般为单光路反馈系统，体积大且运行速度慢.针对其缺点，根据光电联合变换相关器探测的基本原理，设计了具有双光路的反射式光电联合相关器，其由计算机控制的电寻址液晶E A L C D作为空间光调制器，并用面阵C C D作为探测器记录其联合变换功率谱；整个光学系统是由准直系统结构和傅立叶系统构成，其特点是体积小，并且运行速度快.

联合变换相关器 准直扩束系统 傅立叶变换

联合变换相关器(Joint transform correlator-JTC)是光学图像相关识别的基本结构之一,也是其他许多光学信息处理系统的基本结构,在国外最早是1966年由Weaver和Goodman以及Rau等提出来的.随着研究的深入,1981年,Pichon和Huignard第一次用光折变晶体BSO实现了实时记录联合变换的功率谱,把对联合变换相关器的研究大大推进了一步[1].在相关探测方面,光电联合变换相关器所采用的光学相干模式匹配方法能利用图像中的所有信息来识别探测目标,区分不同对象的能力强,精度高,特别是它能在十分复杂的图像环境下能有效的工作.在图像处理方面,光电联合变换相关器具有很大的优越性,具有以光速处理的并行性,速度快,容量大等特点,可以直接对图像进行采集、处理、存储和显示等,无须一些中间光电、电光转换处理过程,因此大大提高了目标识别的准确度和速率[2].反射式液晶的结构使用不仅实现了实时探测,而且有利于减小光学系统的体积.

1 反射式光电联合变换相关器总体设计方案

光学仪器是由光学系统、精密机械、电子系统结合成的复杂装置,它是涉及多个领域、多方面、多层次、多功能的系统,可以看作为一个系统工程[3].因此,光学仪器设计必须运用系统工程的观点来研究光学仪器的内部结构与外部环境,把它们看作一个整体,综合考虑它们之间的关系.从传递信息的角度来看,在测量链中光学仪器与目标、传递介质及探测器等环节之间的光学仪器原理图可以用方框图1表示.

图1 光学仪器原理图

图2 反射式光电联合变换相关器装置图

图2是能实现实时目标探测和识别的反射式联合变换相关器的实验原理图.其中关键部件是反射式电寻址液晶、傅立叶变换透镜、氩离子激光器、功率谱处理器和相关处理器.系统采用氩离子激光器作为光源,通过衰减片调制输出光强,经显微物镜聚焦,针孔空间滤波,偏振片调节偏振方向,经准直物镜后形成准直扩束的平行光.平行光经半反半透镜后分为两路,其中一路用于获得联合变换功率谱,这样经CCD1实时摄取的目标图像o（x，y）与事先存贮在PC1中的参考图像r（x，y）一起输入到电寻址液晶EALCD1;另一路用于获得相关图,输入到PC2的功率谱经空间光调制器的控制系统输入到电寻址液晶EALCD2中,经傅立叶变换透镜FTL2后,由CCD3摄取目标图像与参考图像的联合变换相关点,根据相关点的位置,我们可以确定目标及其方位.CCD工作在积分模式中,在功率谱写入和读出的积分时间内,要求环境是暗的,亦即除相关信号外,环境光不能干扰CCD,否则会增大背景噪声[4].

在透镜1前10mm处放置一个反射式电寻址液晶,透镜1与透镜3、棱镜1、棱镜2、显微物镜及针孔组成了准直扩束系统(其中准直物镜由透镜1又与透镜3、棱镜1、棱镜2组成),棱镜2作为分光元件,分出双光路.同时,透镜1又与透镜2及棱镜1组成傅立叶变换透镜.该结构的使用不仅能够实现实时探测,而且有利于减小光学系统的体积.

图3 准直扩束系统结构图

2 准直扩束系统的设计[5]

图3是准直扩束系统结构图.准直扩束系统的整体结构形式采用倒开普勒式,其中准直物镜由正负两组透镜组成.第一组透镜:显微物镜f′＝2mm, NA＝0.6,β＝40×,此组透镜的焦距要短,有利于激光束腰的减小;第二组透镜:准直物镜f′＝300mm,此组透镜的焦距要长,有利于激光束发散角的减小[6].

由于激光束是先经过准直扩束系统扩束后,再进入傅立叶变换透镜的,所以准直物镜的通光孔径一定要大于傅立叶变换透镜的通光孔径(D＝30mm),以便取准直光束的中心光斑照射反射液晶,在这里准直物镜的通光孔径取D＝50mm.

确定该准直物镜的光学特性为，焦距：f′＝300 mm；相对孔径:Df′＝16,视场角:2ω＝0.0382°.视场角的大小由针孔的调校误差 (一般在0.1～0.2mm的范围内)确定,在这里我们取△＝0.2mm,则由tan2ω＝△／f′＝0.2／300，得2ω＝0.382°.棱镜1尺寸的确定方法是:在进行初始结构计算时,由于是倒追光线,我们假定透镜1(D＝50mm)到棱镜1的距离d＝30mm,

由轴外点计算棱镜1的距离为:

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

综上，棱镜1的长度初步取D1＝45mm,同理可以确定棱镜2最长的一边长度为D2＝38mm.在选择玻璃上根据透镜组光学性能要求,透镜1选用ZF6,透镜3选用ZK10,棱镜1选用K9,棱镜2选用ZK10.

3 傅立叶变换透镜的设计

反射式联合变换相关器中傅立叶变换透镜组的光学特性为：

焦距:f′＝20mm；

视场角:2ω＝2.3°.

其中要求输入面直径Dm＝30mm,频谱面直径Dsp＝14mm，用波长λ＝532mm的半导体泵浦YAG激光器照射.

视场角的确定:我们使用的是1/2英寸的CCD,其对角线长为8mm,由tan2ω＝1f′＝8200,得2ω＝2.3°.

在此设计的是正负双分离透镜组,并在两片透镜间放入棱镜1(由两个直角棱镜胶合在一起,胶合面镀半反半透膜)如图4所示.棱镜1的主要作用是它可以使入射光束达到半反半透的效果,既减小了光学系统的体积,还可以用来平衡透镜组的像差.为了减小场曲在此选用ZF6-K9的玻璃反常组合(ZF6的折射率为1.755),从而棱镜1选用常用的K9玻璃.

4 结论

傅立叶变换透镜在结构上实现了与准直物镜共用一片正透镜,从而有效地减小了系统体积,可使整个光学系统的长控制在230 mm以内,宽控制在150mm以内.

在反射式联合变换相关器设计方案中,我们将反射式电寻址液晶成功的应用于光学相关探测与识别当中.该装置的光学系统在设计上也具有突出的特点:傅立叶变换透镜虽然也采用了正负双分离的结构 (焦距为200mm),但与准直物镜 (焦距为300 mm)共用同一片正透镜.这种结构不仅保证了光学系统具有较好的准直性能 (准直物镜的焦距越长,对光束的准直性就越强),而且减小了光学系统的体积,有利于装置的小型化.

[1]于美文.光学全息及信息处理[M].北京:国防工业出版社,1988.

[2]韩昌元.信息光学基础理论及应用[M].长春:长春出版社,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]苏显渝,李继陶.信息光学[M].北京:科学出版社,1999.

[5]胡家升.光学工程导论[M].大连:大连理工大学出版社,2002.

[6]王晶晶,王波,王冕.新型联合变换相关器光学系统设计[J].光电工程,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

〔编辑李海〕

1674－0874（2010）01－0033－03

2009－12－10

张永玲(1983-),女,山西大同人,硕士,助理工程师，研究方向:光电仪器设计及数字图像处理.

文章编号:1674-0874(2010)01-0001-04