CN104508586B - 可重新配置的光学处理系统 - Google Patents

Abstract

一种光学处理系统，其包括光输入；一个或多个空间光调制器阵列；以及探测器阵列；其中至少一个所述空间光调制器阵列包含多个数据元件聚焦元件；所述数据元件和/或所述聚焦元件具有多个自由度。

Description

可重新配置的光学处理系统

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。

对于导数处理，通过第二SLM 8显示的图案为方程式(3)中的复函数(i2πuv)ⁿ。这可以通过相位和振幅组合的图案表示，如EP2137590(WO2008/110779)所描述的。

这样的光学系统的物理实现存在公认的问题，即对显示于空间光调制器组件的输入和滤波器图案的高空间对准性要求，以及对其他系统组件(如透镜和偏振器等)的精确定位。光学系统的公差可能是几微米的数量级，因为现代液晶SLM的像素尺寸为9微米的量级。已经提出一些能够减小其高公差的方法，以建立这样的光学系统，其既在实际中能够实现，同时又能够抵抗机械噪音、振动和冲击，以及由诸如装置和环境温度变化这样的因素造成的 逐渐错位。这样的解决方案包括折叠光路，以减少系统的整体尺寸以及所需分立组件(如专利EP2137590(WO2008/110779)的实施方式中的联合变换相关器(JTC))的数量，并采用曲面镜和静态衍射光栅(如波带片)替代正会聚透镜。扩展空间光调制器阵列的使用，以包含多个数据输入图案，将SLM设置在与探测器阵列相同的后焦面上。

图3示出了这种折叠结构，其中概述了4f型系统。同样采用准直相干光11作为信息介质通过光学系统传输。此时，SLM 12和参考/滤波器SLM 14上的输入与探测器阵列16位于同一平面，两个SLM此时被视为反射装置(例如，安装在平面镜上的像素阵列)。此时，图2中焦距为f的透镜被两个反射组件13和15替代，要么作为衍射光学元件，要么作为正曲面镜。

然而，以上限定的光学处理函数的方法具有建立扩展处理的可能，如偏微分方程求解。这种情况在计算流体动力学(CFD)领域有实例，其由纳维-斯托克斯(NS)方程决定。其中描述了如何通过其受到的作用力来确定流体的运动。通过直接数值模拟求解这样的过程是高处理器强度的运算，在已知的高分辨率的实例中，需要世界最强大的处理器阵列和超级计算机花费数周甚至数月的时间才能完成。事实上，这是众所周知的问题，即电子处理的串行性质是执行这些处理的容量和速度的基本限制，由于形成这样的电子处理器的基础的快速傅立叶变换运算是固有的并行操作，在处理时间和分辨率方面扩展性不好。这是除了数据量以外生成运算所必须达成的。此外，这样的处理器生成海量的流数据(例如，千兆字节)，必须进行采样和删除，或经过不切实际的大量时间进行分析。

下列方程式(4)示出了一维形式的NS方程的形式。

从上述方程式中可以注意到，这样的方程的求解程序的构建块类似于上述光谱导数函数。因此，如果上述的光学系统的泛函性可以通过将多个数学函数组合进行扩展，那么在处理速度、分辨率的增加、数据管理以及电功率消耗方面就存在提供阶跃变化的改进的可能性。此外，基于光学相关的处理也能够提供分析求解系统产生的现时海量数据的方法。

然而，由于上述物理组件的对准性和公差，实际地实现这样的光学系统是不现实的。

本发明的目的在于解决至少下列问题中的一些：

·现有技术配置的旋转和平移中的绝对公差的限制；

·光学元件的对准性问题；

·系统在响应环境条件的变化时的不灵活性；

·过于复杂和超大型的现有技术配置；

·实际解决大型处理任务的乏力；

·由光学串扰引起的问题；

·高度限制性的空间对准性要求；以及

·对机械噪音、振动和冲击，以及由诸如装置和环境温度变化这样的因素造成的逐渐错位的易感性。

发明内容

在一个首要的独立方面，本发明提供了一种光学处理系统，其包括光输入；一个或多个空间光调制器阵列；以及探测器阵列；其中至少一个所述空间光调制器阵列包含多个数据元件和聚焦元件；所述数据元件和/或所述聚焦元件具有多个自由度。这是特别有利的，因为其允许有利的配置和元件的重新配置以克服上述缺陷。特别地，其允许在初次使用之前和使用过程中将元 件有利地对准，以使光学处理系统可以适应不断变化的环境条件，例如装置的温度或装置周围的温度。此外，通过对准性的改进，绝对公差也可以得到改进，因而允许对复杂、结构紧凑、低扩展性的处理系统进行配置，从而为复杂的处理问题提供切实可行的解决方案。

在一个从属方面，光学处理系统可以用于自由空间衍射光学处理，以实现高度的空间对准性。该系统可包含多个光学和电光元件，优选地，每一个元件都具有多个自由度。

在一个从属方面，所述空间光调制器阵列包括液晶阵列，并且所述聚焦元件包括通过所述液晶阵列显示的像素化的图案。这种配置的特别有利之处在于，其避免了上述现有技术中所必须使用的那类透镜。

在进一步的从属方面，空间光调制器阵列包括MEMs像素阵列，并且所述聚焦元件包括通过所述MEMs像素阵列显示的振幅图案。这种配置的特别有利之处在于，提供一种替代结构，实现了对准性的要求，从而提供一种实际的解决方案来解决复杂的处理函数，这也同样消除了与现有技术中传统透镜的布置相关的缺陷。

在进一步的从属方面，所述聚焦元件包括波带片。这种配置的特别有利之处在于，在实施方式中这些波带片与空间光调制器阵列是集成一体的，其中空间光调制器阵列包含数据元件。

在进一步的从属方面，该系统还包括光束控制装置，其用于移动聚焦元件或改变穿过空间光调制器的光束控制图案；由此探测到的光输出与位于光学系统输出端的探测器阵列采集到的强度图案的预期分布和位置相匹配。其特别有利之处在于，校正了对准误差。特别地，这将会允许光学处理系统响应其使用过程中环境条件的变化。

在进一步的从属方面，探测器阵列可以是照相机或光电探测器阵列的一部分。

在一个从属方面，光束控制和探测装置采用衍射图案。在进一步的从属 方面，所述光束控制和探测装置采用闪耀光栅。

在进一步的从属方面，该系统还包括软件算法，其用于移动或改变聚焦元件或光束控制图案，直到探测到所需的强度分布。这种配置的特别有利之处在于，提供了一个系统，该系统可在某些实施方式中自动地对准或自对准，从而为复杂的函数提供高效和准确的解答。

在进一步的从属方面，所述空间光调制器阵列为高分辨率的透射型或反射型液晶或MEMs阵列；并且其中多个元件设置在同一平面上，在优选的实施方式中，通过瓦片离散阵列的方式或通过使用一个非常高分辨率的阵列，将多个光学元件设置在同一平面上。当该系统在自由空间衍射光学系统的环境中实现时，这种配置是特别有利的。特别地，其提供了有利的紧凑而可靠的运算。

在进一步的从属方面，该系统还包括面向所述反射型或透射型像素阵列的反射器；由此光路被折叠。当在衍射光学处理系统的环境中实现时，这种配置是特别有利的。优选地，聚焦及光束控制图案和数据阵列设置在单个阵列面板上，并且通过一个或多个反射镜将光路折叠。

在进一步的从属方面，该系统可适用于实现以下衍射光学处理能力中的至少一种：单级矩阵场运算、多级矩阵场运算和傅立叶变换运算；其中数值数据通过一个或多个液晶或MEMs像素阵列上的相位或振幅阵列的方式输入。

在进一步的从属方面，数据元件和聚焦元件设置在多个相对的阵列面板层。这提供了解决复杂函数的能力。

在进一步的从属方面，聚焦元件和数据元件配置为同时定址于同一像素阵列上。这将允许有利的重新配置，从而动态地解决对准问题。

在进一步的从属方面，至少两个反射型液晶面板位于至少一个透射型液晶面板的任一侧。

在进一步的从属方面，空间光调制器包含多个层，并且所述系统还包括网格，其位于至少两层之间，用于阻止和/或吸收高阶傅立叶分量。这提供了一种机制，从而实质上减少或消除光学串扰噪声。

在进一步的从属方面，多个聚焦、控制和数据阵列图案的电子同步显示可以通过在相同的像素阵列上同时处理这些而进行优化。在进一步的从属方面，自动调节配置的方式允许校准和校正噪声像差和聚焦误差，这可能是由于例如温度变化和由机械冲击造成的位移。

在进一步的从属方面，光学系统允许通过改变所使用的衍射图案的结构、位置以及类型从而动态重新配置。

附图说明

图1至3是来源于申请人自己的现有技术的光路图。

图4示出了已知类型的波带片。

图5示出了通过采用单个高分辨率像素阵列实现的4f导数处理。

图6示出了根据本发明的另一实施方式的光学处理系统的立体图。

图7示出了本发明的另一实施方式的立体图。

图8示出了本发明的另一实施方式，其中数据和聚焦元件并排示出。

具体实施方式

图5示出了根据本发明的实施方式如何能够实现上述导数处理。高分辨率像素阵列17包含数百万个像素。阵列中排列着输入场景g(x,y)18、第一聚焦元件19、滤波器阵列r(x,y)20、第二聚焦元件21和探测器阵列22。每一个聚焦元件19和21可以是图4所示类型的波带片，优选地，像素阵列17是反射型的，并且可以安装在一个平面镜上。相对于阵列17可以提供另一个平面镜，其位于与阵列相距f/2处，使得光束在聚焦元件和阵列上所表示的数值数 据之间传播的距离能够与聚焦元件19和21的有效焦距f相匹配。这样，相干光将被来回反射，使得每个数据和聚焦阶段形成连续的光路，产生入射在探测器22上的输出分布。

通过采用这种方法，高对准公差的问题得到缓解，因为这时光学系统的组件的聚焦和定位(除了初始定位SLM阵列层以外)变为软件程序。通过设置位于相同的物理网格的数据阵列，使得旋转公差最小化。

空间/平移对准是通过使用软件管理算法实现的，该算法通过改变数值数据在像素阵列上的位置，以及通过波带片图案的修正改变焦点的组合，在探测器阵列上产生目标光学输出。此外，光束控制图案，如相位斜波或其他类似的图案可以被用来根据所要求的光路控制光束。

图6示出了如何通过采用诸如显示于液晶(或其他)SLM上的波带片23的波带片替换光学系统的静态聚焦元件，多个函数相干光学系统可通过使用相对的高分辨率的反射型液晶面板来实现，例如面板24和25，其设置用于显示多个聚焦元件、输入函数、参考/导数滤波器。多个透射型液晶面板，例如面板26，可以在相对的反射型液晶面板之间插入，以增设另外的光学函数元件。

在此实施方式中，旋转和平移公差可以通过使用相同的液晶面板显示随后的聚焦或数据函数来处理。这样的系统是动态的，并且是可再编程的，同时又是非常紧凑的，并且具有很小的尺寸和质量。通过使用非常高分辨率的液晶面板，所得的光学系统能够执行非常大的处理任务，如求解大型的偏微分方程，例如求解作为计算流体动力学的基础的纳维-斯托克斯方程。

图6示出了具有两个相对的反射型液晶面板24和25，以及一个透射型液晶面板26的布置。图中还示出了准直激光光束27以及该光束与聚焦和数据元件的前几个相互作用。照相机装置未示出，但其会设置在光学系统的末端所在之处。也可以采用多个激光光束，以产生通过系统的多个光路。

为了防止由系统中傅立叶平面的分布造成的系统的高阶光学串扰，可以 在液晶面板之间插入蜂窝式网格作为光阱，需要注意的是不要影响光束。

图7示出了4f光学系统如何通过采用多个高分辨率像素阵列来进一步增加函数到光路中从而进行扩展。为简单起见，图中只示出了光束的部分光程。也可以使用来自多个光源的多个光束，并通过该系统的要求相结合。最后一个或多个探测器阵列(未示出)位于系统的输出端。

除了所要求保护的配置的对准性和稳定性，该方法还允许光路和泛函性改变，因为数据阵列和光学元件都是动态定址的。多个光学系统因此可以使用相同的硬件组件，建立可重新配置的和动态的布置来实现的。这在PDE型解算器系统中是特别有用的，该系统中流数据可以产生并暂时存储在电子表格中，然后使用相同的硬件进行分析，重新配置为光学图案识别系统，而不需要任何物理的重新对准或调整。

另外一个考虑因素在于处理高阶傅立叶分量，其存在于系统中建立的多个傅立叶平面上。这可能产生光学串扰噪声，因为其重叠在前面和后面的光束阶段的其他部分。为了解决这个问题，可以在像素层之间设置蜂窝式网格，以阻挡和吸收这些高阶分量。

上述实施方式可能不仅涉及到PDE型方程的求解和光学图案识别，更加广泛地涉及到数学运算，特别是矩阵乘法。其他数学运算，如加法，可以通过光路使用多个光束在各种情况下进行组合来实现。

图8示出了与图6中所示相同的系统如何通过改变所处理的信息来动态地重新配置为不同的光学处理。图中所示为单级傅立叶变换，其可用作EP1546838中所描述的1/f联合变换相关器。其中，反射型SLM像素阵列层28显示输入场景29，其包括输入和用于比较的参考函数。同样地，图中未示出面向SLM阵列、与SLM阵列相距f/2的平面镜。准直激光(其可以采用与前面描述的相同的波带片和光束控制方法准直或成角度)照射输入场景29并被反射到相对的平面镜上。其被再次反射，射入波带片30(有效焦距为f)，接着将光束聚焦在探测器阵列31上。所采集的强度图案表示输入场景的傅立 叶变换的强度分布，被称为联合功率谱。对于1/f JTC运算，这将电子地设定阈值/处理，其结果进行第二傅立叶变换以产生相关平面。第二傅立叶变换可以采用与这里所描述的相同的系统布置，用经处理的联合功率谱替代输入场景。

Claims (14)

1.一种光学处理系统，其包括光输入；一个或多个空间光调制器层；探测器；其中，所述一个或多个空间光调制器层包括液晶阵列，该液晶阵列包括多个像素元件，每个像素元件能够单独定址和配置，其特征在于，所述像素元件被配置为在所述空间光调制器层同时显示至少一个输入数据图案和至少一个聚焦图案，使得来自光输入的光束在被所述探测器捕获之前，入射到所述显示的图案上并且在此进行连续的光学处理，以使得每个所述输入数据图案和聚焦图案形成连续的光路。

2.根据权利要求1所述的光学处理系统，其中所述聚焦图案为波带片聚焦图案。

3.根据上述任一项权利要求所述的光学处理系统，其中空间光调制器层的阵列元件除了所述输入数据图案和所述聚焦图案之外，还同时显示光束控制图案。

4.根据权利要求3所述的光学处理系统，其中所述光束控制图案为衍射图案。

5.根据权利要求4所述的光学处理系统，其中所述衍射图案相当于闪耀光栅。

6.根据权利要求1所述的光学处理系统，其中空间光调制器层的阵列元件除了所述输入数据图案和所述聚焦图案之外，还同时显示滤波器图案。

7.根据权利要求1所述的光学处理系统，其中构成一个或多个空间光调制器层的阵列的多个元件通过计算机软件单独定址和配置。

8.根据权利要求1所述的光学处理系统，其中构成一个或多个空间光调制器层的阵列的多个元件设置在同一平面上。

9.根据权利要求1所述的光学处理系统，还包括第一反射器，使得空间光调制器层为反射型。

10.根据权利要求9所述的光学处理系统，还包括第二反射器，其与所述第一反射器相对，由此光路在其间被折叠。

11.根据权利要求10所述的光学处理系统，其中所述第二反射器为第二反射型空间光调制器层，并且所述系统还包括位于第一和第二反射型空间光调制器层之间的透射型空间光调制器层。

12.根据权利要求1所述的光学处理系统，其适用于实现以下衍射光学处理能力中的至少一种：单级矩阵场运算、多级矩阵场运算和傅立叶变换运算。

13.根据权利要求1所述的光学处理系统，包含多个空间光调制器层，并且还包括至少一个网格，其位于两个空间光调制器层之间，用于阻止和/或吸收高阶傅立叶分量。

14.一种光学处理方法，包括如下步骤：

从根据上述任一项权利要求的光学处理系统的光输入来接收光，以及

束缚从所述光输入所接收的光至随后的经过所述系统的路径，在落入所述系统的探测器上之前，

动态地移动或改变以下至少一个的显示位置：

至少一个输入数据图案，以及

至少一个聚焦图案，

直到探测器探测到所需的光强分布。