Оптический коррелятор

 

ОПТИЧЕСКИЙ КОРРЕЛЯТОР, содержащий последовательно расположенные на оптической оси источник монохроматического света, коллиматор, входной транспарант, линзу, голографический фильтр и выходной регистратор , при этом линза размещена на фокусном расстоянии от входного транспаранта , отличающийся тем, что, с целью повышения точности в условиях перегрузок и вибраций, в него введен светорассеивающий элемент, установленный между колли-, матором и входным транспарантом, а голографический фильтр выполнен в виде голограммы Френеля.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (19) (1}) 3(5D G 06 G 9 00

5 б

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЬП ИЙ (21) 3514177/18-24 (22) 25.11.82 (46) 15.07.84. Бюл. 9 26 (72) M.Н.Кочетков, Т.А.Кацитадзе, Г.Н.Менагарашвили и С.Г.Сысоев (71) Институт кибернетики AH ГССР, (53) 681(088.8) (56) 1. Сороко Л.М. Основы голографии и когерентной оптики. М., "Мир", 1971, с. 558.

2. Там же, с. 508 (прототип). (54 ) (57 ) ОПТИЧЕСКИЙ КОРРЕЛЯТОР, содержащий последовательно расположенные на оптической оси источник монохроматического света, коллиматор, входной транспарант, линзу, голографический фильтр и выходной регистратор, при этом линза размещена на фокусном расстоянии от входного транспаранта, о тлич а ющий с ÿ тем, что, с целью повышения точности в условиях перегрузок и вибраций, в него введен светорассеивающий элемент, установленный между колли-. матором и входным транспарантом, а голографический фильтр выполнен в виде голограммы Френеля.

1103261

Изобретение относится к оптическим методам обработки информации и может быть использовано при распознавании и улучшении качества изображений.

Известны устройства, выполняющие интегральные операции свертки и корреляции как в когерентном, так и в некогерентном свете, содержащие источник света, коллиматор, транспаран.ты, линзы и выходной регистратор Ц

Наиболее близким к изобретению является устройство, содержащее последовательно расположенные на оптической оси источник монохроматического света, коллиматор, входной тран-15 спарант, линзу, голографический фильтр и выходной регистратор. На голографическом фильтре записан

Фурье-образ одной из функций преобразования, другая функция записана 70 на входном транспаранте, и эа голографическим фильтром установлена линза, выполняицая обратное преобразование Фурье 2) .

Недостатком этих устройств являет ся то, что в зависимости от угловой апертуры оптической системы устройства допустимые сдвиги фильтра не должны превышать нескольких микромет.ров вдоль одной из координатных осей.З0

Это очень осложняет юстировку устройства и ухудшает его работу. В реальных устройствах возможны смещения одновременно по трем координатам, что еще более ухудшает работу устройства и снижает ее точность, особенно в условиях перегрузок и вибраций.

Цель изобретения — повышение точности устройства в условиях перегрузок и вибраций.

Поставленная цель достигается темь что в оптический коррелятор, содержащий последовательно расположенные на оптической оси источник монохроматического света, коллиматор, входной 45 транспарант, линзу, голографический фильтр и выходной регистратор, при этом линза размещена на фокусном расстоянии от входного транспаранта, введен светорассеивающий элемент, 50 установленный между коллиматором и входным транспарантом, а голографический фильтр выполнен в виде голограммы Френеля.

ГЖ81

exp ji — x) x U (x,q), 55 где jxj p — координаты плоскости транспаранта 4; фокусное расстояние линзы;

exp(H(< P03- распределение случайной фазы в точке Х,p.

Поле в плоскости голограммы имеет вид

f<,(x,у)=Ч(х,g) (,(х,у

На чертеже представлена схема предлагаемого устройства.

Оптический коррелятор содержит источник 1 монохроматического света, коллиматор 2, светорассеивающий элемент 3, входной транспарант 4, линзу 5, голографический фильтр б и выходной регистратор 7.

Коррелятор работает следующим образом.

Пучок монохроматического света от источника 1, проходя через коллиматор 2, преобразуется светорассеивающим элементом 3 во множество вторичных точечных источников, свет от которых падает на входной транспарант

4, расположенный в передней фокальной плоскости линзы 5, модулируется записанной на 4 первой функцией преобразования и, пройдя через (восстанавливающую) линзу 5, падает на голографический фильтр б, выполненный в виде голограммы Френеля второй функции преобразования. Восстановленное такой промодулированной монохроматической волной изображение с голограммы представляет собой свертку или корреляцию двух функций и регистрируется выходным регистратором 7, расположенным в задней фокальной плоскости линзы. Чтобы осуществить корреляцию или свертку двух функций и и 1 предварительно, с использованием обычной двухлучевой схемы, снимается голограмма Френеля функции

Поле в плоскости голограммы представляет собой свертку функции с функцией Френеля И

Амплитудное пропускание проявленной голограммы при коэффициенте контрастности =-2 будет

1(х,q) = + 0(х,уЙ exp/- х ) U (x,i(+ где х, Ч вЂ” координаты плоскости голограммы; — мнимая единица; — длина волны света;

8 — угол падения опорного пучка на голограмму.

Эта голограмма применяется в устройстве в качестве оптического фильт ра. Фильтр-голограмма освещается полем, которое образуется справа от линзы и имеет вид

1103261

15

ВНИИПИ Заказ 5031/39 Тираж 699 Подписное

Филиал ППП "Патент", r.Óæãîðîä, ул. Проектная, 4

Поле за голограммой на расстоянии в плоскости выходного регистратора выражается сверткой функции

Френеля с полем в плоскости голограммы

4 (x 3) 4(х у) ®4(х,у)=(Ч(х,q) t(x. )j 9)(„,ц)..

= (х у) Ж) Н(х у) ) Я э 4(х,у) (Ч(х,g). U (x q) х

Г 2" 8 1

„,„Г 1

Г. 2<<8

Мху)0 (ху)еахр(- > хg eh(x ) (g) Выходной регистратор зафиксирует усредненную интенсивность

3(x,ô= с f (х,q) f (х,у) (27 20

Последнее слагаемое иэ выражения (1) после незначительных преобразований при учете выражения (2) можно записать в виде

Л(х,у)=Цс)осдр 4(М .)f (x 8 х,q pl= JJd < d p ), (с Я - 3 (x i f 0+ с4, ) + Я. (3)

Выражение (3) представляет собой кросс-корреляцию двух функций. Чтобы получить операцию свертки, необходимо один из транспарантов развер- нуть на 180 . В этом случае будем иметь

3(х,у)=Цдкd P 3, (к, фЭ (х 19- х.,q- р).

Таким образом, предлагаемый корре-40 лятор выполняет как операцию корреляции, необходимую для оптического распознавания, так и операцию свертки, необходимую для восстановления изображения и улучшения его качества.

Оценим допустимые поперечные сдвиги фильтра. Для простоты предположим, что система имеет квадратную апертуру такого же размера А, что и фильтрголограмма. Если сдвинуть голограмму в двух поперечных направлениях соответственно на й, и ь, то при восстановлении ее полем V будет освещаться лишь (A- b,)(А - b ) /А1-я часть голограммы. так как Фильтр-голограм- 55 ма снималась в диффузионном свете,это приводит только к уменьшению интенсйв- ности восстановленного иэображения вО столько же раз. В функциональном отношении система будет выполнять ту же самую операцию. Таким образом, допустимые поперечные сдвиги фильтра ограничиваются лишь минимальными размерами участка голограммы, с которого еще может произойти восстановление сигнала в плоскости выходного регистратора, т.е. они порядка раз-, меров самого фильтра-голограммы. Например, сдвиг фильтра только вдоль одной оси на и, =0,5 А(ь,=О)приведет к уменьшению интенсивности выходного сигнала на 50%, что вполне допустимо. Если апертура системы А=30 мм, тогда b =15 мм.

Если Фильтр-голограмма сдвигается вдоль оптической оси, то в этом случае, как следует из законов геометрической оптики, периферийные участ.ки модулирующей функции (первой функции преобразования), записанной

;на входной транспаранте„ не освещают определенную часть голограммы и, следовательно, интенсивность восстановленного с голограммы иэображения этими участками модулирующей функции будет меньше интенсивности иэображений, восстановленных участками модулирующей функции, находящимися вблизи or оптической оси. В результате, для восстановленного изображения будет наблюдаться уменьшение интенсивности от центра к краю или так называемое геометрическое виньетирование.

В этом случае

b =2а f/A, где а — линейный размер части голограммы-фильтра, которая не освещается периферийными участками модулирующей Функции; — линейный размер апертуры голограммы-фильтра; — фокусное расстояние линзы.

Практически допустимым считается изменение интенсивности от центра к краю до 50%. Этому соответствует

0=0,3 А, тогда b =0,6 1 . если

А=30 мм и f =300 мм, тогда

=180 мм.

Таким образом, введение светорассеивающего элемента и выполнение голографического фильтра в.виде голограммы Френеля позволяет значительно снизить требования к стабильности положения голограммы и, тем самым, повысить точность работы устройства. Кроме того, применение в качестве источника света газораэрядной лампы вместо лазера позволяет снизить стоимость устройства.