Некогерентный оптический коррелятор

 

1. НЁКОГЕРЕНТНЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ КОРРЕШТОР, содержащий первый источник света и последовательно расположенные на одной оптической оси первый транспарант, отображающий объектив, второй транспарант, интегрирующий объектив и фотоприемник, расположенный в фокальной плоскости интегрирующего объектива, отличающийся тем, что,- с целью повышения точности определения координат корреляционной функции изменяющихся во времени объектов, в него введены второй и третий источники света, поляризационный и амплитудный светоделители, поляризатор, светофильтр, блок регистрами сигнала фотоприемника и генератор токов, причем первый и второй источники света выполнены в виде матриц светодиодов , центральные светодиоды которых располохсены на оптической оси коррелятора, поляризационный светоделитель расположен между отображаюрщм объектом и вторым транспарантом и через амплитудный светоделитель оптически связан с первым и вторым источниками света, размещен-i ными в передней фокальной плоскости отображающего объектива, третий источник света оптически связан с вторым транспарантом, поляризатЙр и светофильтр размещены последовательно между вторым транспарантом и интегрирующим объективом, выход фотоприемника соединен с входом блока регистрации сигнала фотоприемника, первый и второй выходы которого соединены с входом третьего источника света иГ с первым входом генератора токов соответственно, первый и второй выходы генератора токов соединены соответственно с входами первого и второго источников света, третий и четвертый выходы генератора токов являются вьйсодами коррелятора , а второй вход генератора токов является управляющим входом коррелятора при этом второй транспарант вьшолнен из материала, сенсибилизированного только к спектру излучения второго и третьего источников света, а светофильтр прозрачен только в спектральной области 00 1чЭ О1 излучения первого источника света. 2. Коррелятор по п. 1, отличающийся тем, что, с целью расширения области применения за О1 счет формирования аналогового сигнала на выходе коррелятора, в него введены последовательно расположенные на оптической оси за a mлитyдным светоделителем дополнительный светофильтр , проекционный объектив и дополнительный фотоприемник, при этом дополнительный светофильтр прозрачен только в спектральной области излуч ия второго источника света, поверхность дополнительного фотоприемника проекционно оптически связана с поверхностью BTot)oro источника

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (5 )4 0 OG G 9 00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3731059/24-24 (22) 18.04.84 (4b) 30 09 85 Вол Р 36 (72) В.В,Молебный и В.Г.Протасов (53) 681.333(088.8) (58) Монахан М. и др, Некогерентные оптические корреляторы. — ТИИЭР, т. 65, 1977, Р 1, с. 148, рис. 1. (54)(57) 1. НЕКОГЕРЕНТНЬЙ ОПТИЧЕСКИЙ

КОРРЕЛЯТОР, содержащий первый источник света и последовательно расположенные на одной оптической оси первый транспарант, отображающий объектив, второй транспарант, интегрирующий объектив и фотоприемник, расположенный в фокальной плоскости интегрирующего объектива, о т л и— ч а ю шийся тем, что, с целью повышения точности определения координат корреляционной функции из. меняющихся во времени объектов, в него введены второй и третий источники света,поляризационный и амплитудный светоделители, поляризатор, светофильтр, блок регистрации сигнала фотоприемника и генератор токов, причем первый и второй источники света выполнены в виде матриц светодиодов, центральные светодиоды которых расположены на оптической оси коррелятора, поляризационный светоделитель расположен между отображаюним объектом и вторым транспарантом и через амплитудный светоделитель оптически связан с первым и вторым источниками света, размещен- ными в передней фокальной плоскости отображающего объектива, третий источник света оптически связан с вто„„ЯЦ„„1182550 рым транспарантом, поляризатор и светофильтр размещены последовательно между вторым транспарантом и интегрирующим объективом, выход фотоприемника соединен с входом блока регистрации сигнала фотоприемника, первый и второй выходы которого соединены с входом третьего источника света и с первым входом генератора токов соответственно„ первый и второй выходы генератора токов соединены соответственно с входами первого и второго источников света, тре" тий и четвертый выходы генератора токов являются выходами коррелятора, а второй вход генератора токов является управляющим входом коррелятора, при этом второй транспарант выполнен из материала, сенсибилизированного только к спектру

I излучения второго и третьего источников света, а светофильтр прозрачен только в спектральной области излучения первого источника света.

2. Коррелятор по п. 1, о т л и— ч а ю шийся тем, что, с целью расширения области применения за счет формирования аналогового сигнала на выходе коррелятора, в него введены последовательно расположенные на оптической оси за амплитудным светоделителем дополнительный светофильтр, проекционный объектив и дополнительный фотоприемник, при этом дополнительный светофильтр прозрачен только в спектральной области излучения второго источника света, поверхность дополнительного фотоприемника проекционно оптически связана с поверхностью второго источника

1182550

t0 света, а первый и второй выходы дополнительного фотоприемника образуют выход коррелятора..

3. Коррелятор по пп. 1 и 2, о т л и ч а ю шийся тем, что блок регистрации сигнала фотоприемника содержит усилитель, пиковый детектор, триггер шмидта, ждущий мультивибратор, элемент дифференцирования и geременные резисторы записи и стирания, оси которых кинематически связаны, причем вход усилителя является входом. блока, выход усилителя подключен к входу пикового детектора и второму входу триггера.Шмидта первый вход которого подключен к выходу пикового детектора, а выход через ждущий мультивибратор подключен к входу элемента дифференцирования, выход которого соединен с первыми выводами переменных резисторов записи и стирания, вторые выводы которых являются соответственно первым и вторым выходами блока.

4, Коррелятор по пп. 1-3, о т л нч а ю шийся тем, что генератор

Изобретение относится к оптической обработке информации и может быть использовано в следящих системах робототехники, оптической локации, машиностроении и медицины при определении координат объектов.

Цель изобретения †. повышение точности определения координат корреляционной функции изменяющихся во времени объектов.

На фиг. 1 изображена общая струк" турная схема коррелятора; на фиг.2функциональные схемы фотоприемника, блока регистрации сигнала фотоприемника, генератора токов и источников света.

Некогерентный оптический коррелятор содержит расположенные на оптической оси первый транспарант 1, отображающий объектив 2, поляриза.ционный светоделитель 3, второй транспарант 4, поляризатор 5, светофильтр 6, интегрирующий объектив токов содержит четыре коммутатора, два переключателя н блок питания, причем информационный вход первого коммутатора через первый переключатель подключен к положительному полюсу блока питания,, информационные входы второго и третьего коммутаторов подключены к отрицательному полюсу блока питания, информационный вход четвертого коммутатора является первым входом генератора, управляющие входы коммутаторов образуют второй вход генератора, центральные выходы третьего и четвертого коммутаторов через второй переключатель подключены соответственно к отрицательному и положительному полюсам блока питания, выходы первого и второго коммутаторов образуют первый выход, а выходы третьего и четвертого коммутаторов второй выход генератора токов, при этом выходы третьего и четвертого коммутаторов являются соответственно третьим и четвер— тым выходами генератора токов.

7 и фотоприемник 8. Амплитудный светоделитель 9, размещенный на оптической оси, связывает оптически с первым транспарантом 1 первьщ 10 и вто5 рой 11источники света. Выход фотоприемника 8 соединен с входом блока регистрации сигнала фотоприемника

12, выходы которого связаны с входа- ми генератора 13 токов и третьего источника 14 света. Дополнительно коррелятор содержит также последовательно расположенные на оптической оси за амплитудным светоделителем

9 дополнительный светофильтр 15, 15 проекционный объектив 16 и дополнительный фотоприемник 17, обеспечивающий аналоговый выход коррелятора.

Первый и второй источники света, своими входами связанные с соответ20,ствующими выходами генератора токов, представляют собой матрицы светодиодов, центральные светодиоды которых расположены на оптической

1182550 оси коррелятора. Третий источник света оптически связан с вторым транспарантом 4, который выполнен из материала, чувствительного только к спектру излучения второго 11 и 5 третьего 14 источников света.

Блок регистрации сигнала фотоприемника содержит усилитель 18, выход которого подключен к входу пикового детектора 19 и второму входу триг-, гера 20 Шмидта, первый вход которого подключен к выходу пикового детектора 19. Выход триггера подключен к входу ждущего мультивибратора 2 1, выход которого подключен к входу элемента 22 дифференцирования, Выход элемента 22 соединен с первыми выводами переменных резисторов 23 записи и стирания 24, оси которых кинематически связаны, а вторые

20 выводы подключены к третьему источнику 14 света и к первому входу генератора 13 токов.

Генератор 13 токов содержит комму1 таторы 25.1-25.4, переключатели 26 и 27 и блок 28 питания. При этом управляющие входы коммутаторов образуют второй вход генератора токов, первый вход которого явпяется информационным входом коммутатора 25,4. ЗО

Информационные входы второго 25.2 и третьего 25.3 коммутаторов подключены к отрицательному полюсу блока 28 питания, а информационный вход коммутатора 25. 1 подключен к положительно- 35 му полюсу блока питания через переключатель 26. Переключатель 27 одновременно подключает к блоку питания центральные светодиоды второго источника 11 света. Выходы первого 40

25.1 и второго 25.2 коммутаторов подключены к входам матрицы светодиодов первого источника 10 света, а выходы коммутаторов 25.3 и 25.4 к входам светодиодов матрицы второго 45 источника 11 света и одновременно являются третьим и четвертым выходами генератора токов.

Некогерентный оптический коррелятор работает следующим образом. 50

Перед началом работы на входную поверхность первого транспаранта 1 проецируется текущее изображение объекта А (X,Y), которое регистрируется в виде распределения потенциаль- 55 ного рельефа по поверхности транспаранта. Затем при замыкании контактов переключателя 27 инициируется светодиод источника 11. света, находящийся на оптической оси. Световой поток, излученный этим светодиодом, после прохождения светоделителей

9 и 3 коллимируется объективом 2 и освещает выходную поверхность транс" паранта 1, Отраженный от поверхности световой поток, пространственно модулированный первым изображением объекта, проецируется объективом 2 на поверхность транспаранта 4, например, типа ПРОИ, и регистрируется на нем в виде потенциального рельефа. Так как центральный светодиод

У 11-00 расположен на оптической оси, первое текущее изображение объекта A„(X,Y) проецируется объективом 2 на транспарант 4 без смещения. Светофильтр 6 блокируешь свето- вой поток от светодиода У 11-00, не пропуская его на вход фотоприемника 8.

После записи первого изображения объекта на транспарант 4, играющего роль первичного эталонного для последующего регистрируемого .изображения, работа устройства состоит в последовательном повторении циклов, каждый из которых состоит из трех подциклов Первый подцикл заключается в регистрации второго текущего изображения объекта А,(Х,У). Второй подцикл состоит в поиске максимального значения сигнала корреляции между А,(X,Y) и А (Х,Y) зарегистрированных транспарантами 1 и 4 соответственно. При наличии смещения

С, С изображение объкта в текущем изображении относительно осей Х и

У, изображение, зарегистрированное транспарантом 1, имеет вид

А,(Х,Y) = А,(Х + С,У + С ).

Для нахождения максимального значения сигнала корреляции на источ ник 10 света с помощью коммутаторов

25.1 и 25.2, а также переключателя

26 подается напряжение, инициирующее светодиоды источника 10. Излученный светодиодом У10-kl световой поток имеет угловое смещение относительно оптической оси коррелятора на выходе объектива 2

Ьхk ду1

Х4 р где F " -фокусное расстояние объектива 2, 1182550

4х,dy - расстояние между еоседними светодиодами источников

10 и 11 света вдоль осей

Х и Y лежащих в плоскости каждого от источников света и проходящих через оптическую ось коррелятора, Ь вЂ” целые числа, принимаю.дие значение от - тп до +и, 10 (2m +

+ 1)г — число светодиодов источни-. ков 10 и 11 света.

Сколлимированный объективом 2 световой ноток, излученный светодио" дом У10-kl, отражается от выходной поверхности транспаранта 1 с угловым смещением - (г;(М, — Hy(относительно оптической оси устройства, Ф с при этом пространственное смещение иэображения на поверхности транспаранта 4 составит

20

/ i(,= e (d + dò,), "уЕ = — e e« 1г) °

Б,„k,(А (х,y) ° А, (х + îzy) у

+ у()dxdÓ = I)A1(x Ó) A (< + .

+ C + d x<,y + " у + d"У ) dxdy.

Максимальное значение выходного сигнала фотоприемника, представляющего собой сигнал корреляции, имеет место при пространственном совпадении проецируемого изображения объекта и записанного на транспаранте 4 эталонного изображения. Для функционирования транспаранта 4, например, типа

ПРОМ, работающего в поляризованном свете, световой поток, освещающий транспарант, поляризуется с помощью поляризационного светоделителя 3.

Поляризатор 5 служит для выделения светового потока, модулированного транспарантом 4. Кроме того, длина волны источника 10 света находится вне области чувствительности транспаранта 4 и совпадает с областью про45

55 где <. .„, d, — расстояния от транспарантов 1 и 4, соответственно до объектива 2, 1 1 1 причем — +— г

Световой поток, прошедший транспарант 4, поляризатор 5 и светофильтр

6, фокусируется объективом 7 на поверхности фотоприемника 8, последовательно во времени вырабатывающего сиг зрачности светофильтра 6 а длина волны источника 11 (.вета совпадает с областью чувствительности транспаранта 4 и поглощается светофильтром 6.

Вырабатываемые фотоприемником сигналы Б „1с,1., полученные при последовательной инициации светодиодов, составляющих источник 10 света, поступают с выхода фотоприемника 8 на вход блока регистрации сигнала фотоприемника, где проходят . усилитель

18 и поступают на вход пикового детектора 19. Пиковый детектор регистрирует максимальное значение сигнала фотоприемника, которое подается на первый вход триггера 20 ° Регулировкой пикового детектора устанавливают порог срабатывания триггера 20.

Третий подцикл работы коррелятора заключается в определении координат смещения С,(, С регистрируемого изображения, например Аг(Х,Y) относительно эталонного изображения А (Х,Y), сдвиге регистрируемого изображения

f на величину -C> -С и формировании нового эталонного изображения объекта А (Х,Y) в виде рекуррентной суммы первичного эталонного изображения и текущего регистрируемого изображения объекта

А (х, у) = (1 — r).А „(х, У) +

ГАг (х СХУ У С д где r — константа, 0 6 r 1.

Для нахождения координат смещения С,(, С (производится повторное инициирование светодиодов yiO-Ы .

Сигнал с фотоприемника после усиления поступает на второй вход триггера 20, где сравнивается с опорным сигналом, постоянно присутствующем на первом входе триггера 20. Как только сигнал с выхода фотоприемника достигает своего максимального значения, зарегистрированного пиковым детектором в предшествующем подцикле, триггер вырабатывает импульс, который поступает на вход ждущего мультивибратора 21. Н(дуций мультивибратор вырабатывает импульс, который поступает на вход элемента, 22 дифференцирования. Передний фронт отдифференцированного импульса поступает на источник 14 света.

Инициируемый импульсом источник 14 света освещает поверхность второго

1182550 транспаранта 4. Поскольку длина волны света источника 14 совпадает со спектральной областью чувствительности транспаранта 4, воздействие светового потока источника

14 света приводит к частичному стира" нию первичного эталонного изображения А„(Х,Y). Уровень стирания устанавливается переменным резистором

24. К моменту окончания импульса стирания на поверхности второго транспаранта остаетея зарегистрированным изображение (1 — г) A„(X,Y).

Задний фронт отдифференцированно го импульса через резистор 23 пос тупает на информационный вход четвертого коммутатора 25.4 генератора 13 токов. Так как по управляющим входам коммутаторы переключаются 2р синхронно, то под действием импульса, поступающего на информационный вход .коммутатора 25.4, инициируется светодиод У11-ij источника 11, пространственное смещение которого 25 относительно оси коррелятора совпа— дает с пространственным положением

ij-ro светодиода источника 10 света, инициирование которого обеспечивает максимальный сигнал корреляции Зп на вьглоде фотоприемника и соответственно пространственное совмещение проецируемого изображения объекта с первичным эталонным. длина волны . света светодиодов источника 11 света совпадает с областью спектральной чувствительности транспаранта 4, поэтому проецируемое светодиодом

У11-ij изображение объекта записывается на транспаранте 4. Уровень за- 4О писи устанавливается переменным резистором 23 блока регистрации сигнала фотоприемника. Регистрируемое на транспаранте 4 изображение А (Х,Y)

9Т является эталонным для второго цикла 45 работы коррелятора. Кинематическая связь осей резисторов 23 и 24 обеспечивает постоянство суммы накопленных изображений во времени при различных значениях константы r, выбор которой позволяет регулировать скорость накопления эталонного изображения на транспаранте 4.

Таким образом, к моменту окончания третьего подцикла на транспаранте 4 окажется записанным обновленное эталонное изображение объекта, представляющее собой рекуррентную сумму первоначально записанного эталонного изображения и текущего зарегистрированного изображения объекта, причем изображения объекта будут совмещены на транспаранте 4, хранящем эталонное изображение объекта даже в случае перемещения изображения объекта на входном транспаранте 1. Обновление эталонного изображения объекта во время работы коррелятора позволяет точно и однозначно определять координаты объекта, изображение которого изменяется во времени. Значения координат объекта выдаются на третий и четвертый выходы генератора токов, электрически связанные с выходами коммутаторов 25.3 и 25.4.

Для получения координат объекта в аналоговой форме изображение источника 11 света, а, следовательно, и изображение инициированного светодиода У11-ij проекционно переносится объективом 16 на поверхность позиционно-чувствительного -фотоприемника

17, выходной сигнал которого, снимаемый с первого и второго вь|ходов, пропорционален величине пространственного смещения инициируемого светодиода относительно оптической оси и, соответственно, координатам объекта

С, С в текущем изображении.

1!82550 фиг t

Фиг 2 Составитель Г.Зелинский

Редактор Е.Копча Техред С.Мигунова Корректор < Обручар . .>а ха з () 109/- 9 Тираж 709 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва„ 6-35, Раушскан наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектнан, 4