[发明专利]可重新配置的光学处理系统

说明书

技术领域

本发明涉及光学处理。本发明的一些实施方式涉及基于光学相关的处理系统、光学图案识别系统、光学导数处理系统、光学方程求解系统和用于数学运算的光学系统。

在相干处理系统中，例如光学相关器中，通常采用激光或其他相干源，其通过一个或多个空间光调制器(SLM)装置来调制相位或振幅。这些装置通常包括液晶装置，但也可以是微镜微机电(MEMs)装置。光学相关装置通常用作光学图案识别系统，例如在EP1546838(WO2004/029746)和EP1420322(WO99/31563)中描述的系统。这两篇现有技术文献均以引用方式并入。在4f匹配滤波器或联合变换相关器(JTC)系统中，SLM装置能够处理代表输入或参考图案(可以是图像)和/或滤波器图案的函数，通常是基于“匹配”于输入函数的参考函数/图案的傅立叶变换表示。

另一种采用类似架构的相干自由空间光学系统是光学导数处理器，EP2137590(WO2008/110779)中描述了这种光学导数处理器。该现有技术文献以引用方式并入。其采用特定的滤波器，以产生在输入SLM上显示的输入函数的导数。光学系统通常包含一个或多个聚焦元件，例如透镜或曲面镜，以产生表示在SLM上的函数的光学傅立叶变换(OFT)。这是通过准直光照射在SLM上实现的，其中SLM设置在聚焦元件的前焦面上。随后，在聚焦元件的后焦面上产生光学傅立叶变换，后焦面上设有照相机或随后的SLM。其他可采用的聚焦元件包括静态衍射光学元件，通常为波带片。

通常将诸如互补金属氧化物半导体(CMOS)传感器的照相机设置在光学系统的输出平面上，以采集所得的光强度分布，这在光学相关器系统中可以包含局部相关强度，该强度表示输入函数与参考函数的相似度和相对对准性。在光学导数系统中，照相机采集所得的输入函数的导数。

这样的光学系统，特别是面临着高对准公差的4f匹配滤波器类型的相关器，输入SLM的像素必须在空间上与随后的SLM上的像素匹配一致，随后的SLM可以设置在傅立叶平面上。下面将描述三个现有技术的具体实施方式。

现有技术和本发明都涉及的相干光学系统的类型中，最常见的函数为光学傅立叶变换(OFT)，即时间或空间的分布分解成频率分量。这类似于下列方程所表示的二维傅立叶变换的纯粹形式：

其中：x,y＝空间/时间变量，u,v＝频率变量

OFT可以通过图1中所示的光学系统实现，其中波长为λ的准直相干光1(通常为激光)的相位或振幅通过空间光调制器2(通常为液晶或机电MEMs阵列)调制。然后，经调制的光束通过焦距为f的正会聚透镜3，聚焦在透镜的后焦面上，其中诸如CMOS的探测器阵列4设置用于采集所得的傅立叶变换的强度。

在光学处理系统中，可以采用OFT作为基于电子/软件的快速傅立叶变换(FFT)算法族的直接替换，并在处理时间和分辨率方面具有显著优点。这个过程可被用作各种函数的基础。在本申请中首要关心的两个函数是光学相关(用于图案识别、比较或分析)和导数的计算。

光学系统中的两个或多个函数之间的相关性可以通过两种主要方式获得，要么通过匹配滤波器处理，其由下列方程表示：

r(x，y)*g(x，y)＝FT[R(u，v)^*×G(u，v)] (2)

其中大写字母函数表示相应的小写字母函数的傅立叶变换；“*”表示相邻函数 的复共轭，“*”表示相关函数。

要么通过联合变换相关器处理，如EP1546838(WO2004/029746)中描述的1/f JTC。

在每种方式中，两个函数的乘积的逆傅立叶变换形成相关性，这两个函数自身是经过傅立叶变换的。这也形成了如何在光学上实现光谱导数运算的基础，如EP2137590(WO2008/110779)中使用以下关系式所描述的：

g′(x，y)＝FT[(i2πuv)ⁿG(u，v)] (3)

其中g′(x，y)＝函数g(x,y)的n阶导数

图2示出了可用于实现匹配滤波器或导数处理的“4f”光学系统。图中显示了波长为λ的准直相干光5，其通过SLM像素阵列6调制，然后透过透镜7聚焦在第二SLM像素阵列8上，在第二SLM 8的像素上形成了显示在第一SLM上的函数的光学傅立叶变换。所得的光学矩阵乘积即是通过透镜9的逆傅立叶变换，其结果由探测器阵列10采集。

对于匹配滤波器处理，通过第一SLM 6的像素显示的图案为“输入场景”g(x,y)，显示于第二SLM 8上的图案代表参考函数r(x,y)的傅立叶变换的逆变换。