-
Sachgebiet der Erfindung
-
Die
Erfindung bezieht sich auf optische Bildprozessoren oder Korrelatorsysteme,
die kohärentes Licht
verwenden, räumliche
Lichtmodulatoren und Fourier-Transformationsoptiken,
um Informationen zu verarbeiten oder Muster zu erkennen.
-
Beschreibung des in Bezug
stehenden Stands der Technik
-
Es
ist seit langem bekannt gewesen, dass zweidimensionale, räumliche
Fourier-Transformationstechniken
dazu verwendet werden können,
Bilder zu verarbeiten. Eine Mustererkennung wird zum Beispiel oftmals
durch Arbeiten mit der Fourier-Transformation eines räumlich variierenden
Bilds, im Gegensatz zu dem Originalbild, erleichtert. Insbesondere erzeugen
optische Korrelatoren die zweidimensionale Korrelation eines Eingangsbilds
zu einem Referenzbild. Ein hohes Niveau einer Korrelation an einem
lokalisierten Bereich innerhalb des Bild-Frames zeigt eine Erkennung
des Referenzbilds in diesem Bereich an. Die Korrelationsfunktion
wird am einfachsten durch Multiplizieren der Fourier-Transformation
eines Bilds in der Frequenz-Domäne
mit einem „Filter" durchgeführt, was
eine Frequenz-Domäne-Darstellung
eines Referenz-Bilds oder von Bildern ist. Die sich ergebende (zweidimensionale)
Frequenzfunktion wird dann zurück
zu der räumlichen Domäne transformiert.
Obwohl eine solche Verarbeitung digital vorgenommen werden kann,
kann sie viel schneller durch eine optische Fourier-Transformation des
Bilds durchgeführt
werden. Eine solche Hochgeschwindigkeits-Bildverarbeitung findet
zahlreiche Anwendungen auf verschiedenen Gebieten, wie beispielsweise
Sicherheit, Flugwesen, biomedizinische Diagnostiken und künstliche
Intelligenz.
-
Optische
Korrelatoren, die zweidimensionale Fourier-Transformationsoptiken
und aktive, elektronische, räumliche
Lichtmodulatoren (SLMs) verwenden, sind dazu verwen det worden, eine
zweidimensionale Hochgeschwindigkeits-Mustererkennung durchzuführen. Zum
Beispiel beschreibt das US-Patent Nr. 5,311,359 für Lucas
et al., ein optisches Korrelatorsystem, das eine Quelle kohärenten Lichts
und eine Mehrzahl von aktiven und passiven optischen Bauteilen,
angeordnet entlang eines gefalteten, optischen Zickzack-Wegs, besitzt. Die
aktiven, optischen Bauteile sind ein Eingangs-SLM, ein Filter-SLM
und ein pixelartiger Fotodetektor (gewöhnlich eine CCD-Vorrichtung);
jedes dieser aktiven Elemente ist typischerweise ein Feld aus elektronisch
adressierbaren, aktiven Pixeln, die in einer zweidimensionalen Matrix
angeordnet sind. Die passiven Komponenten umfassen reflektive Fokussierspiegel
und Polarisierer. In der patentierten Vorrichtung ist der optische Weg
ein Tunnel, der innerhalb eines Blocks einer transparenten Keramik
mit einem extrem niedrigen Temperatur-Expansionskoeffizienten (7 × 10–H/°C) enthalten
ist.
-
1 stellt
den optischen Korrelator nach dem Stand der Technik des Patents
von Lucas dar, in dem eine kohärente,
elektromagnetische Strahlungsquelle (typischerweise ein Laser) 10,
die innerhalb eines festen, optischen Tragekörpers 12 angeordnet ist,
einen kollimierten und polarisierten, kohärenten Strahlungsstrahl 14 erzeugt.
Der Strahler 14 trifft auf einen pixelartigen, reflektiven
Eingangs-SLM 16 und wird, durch welches Muster auch immer,
elektronisch auf dem Eingangs-SLM 16 übergelegt, moduliert. Die Modulation
ist räumlich
verteilt. Wie in dem Patent diskutiert ist, werden, wenn ein magneto-optischer SLM
verwendet wird, die Pixel des SLM jeweils einzeln elektronisch moduliert,
um eine Drehung der Polarisation des reflektierten Lichts, als eine
Funktion des Eingangssignals, das zu diesem Pixel adressiert ist,
zu bewirken. Ein solcher SLM erfordert auch einen Eingangs-Polarisierer
und einen Ausgangs-Polarisierer, die als ein Analysierer arbeiten
(nicht in 1 dargestellt). Das Ergebnis
ist dasjenige, dass einige Pixel des Felds effektiv mehr absorbieren, während andere
mehr reflektieren, und zwar als eine Funktion des elektronischen,
modulierenden Musters, das angewandt ist. Der modulierte Strahl 14 wird reflektiert
und propagiert zu einem ersten, fokussierenden Spiegel 18.
Der Strahl 14 wird von dem ersten, fokussierenden Spiegel 18 reflektiert
und wird an einem Filter-SLM 20 fokussiert.
-
Vorausgesetzt,
dass der erste Fokussierspiegel 18 die korrekte Brennweite
besitzt, um den Eingangs-SLM 16 auf den Filter-SLM 20 abzubilden, ist
es eine ausreichend bekannte Folge der Wellenoptiken, dass das Bild,
das an der Ebene des Filter-SLM 20 gebildet ist, optisch
durch eine räumliche Fourier-Transformation
in eine Frequenz-Domäne- Darstellung F(u,
v) des Eingangsbilds f(x, y) (wobei x und y die räumlichen
Koordinaten des Eingangs-SLM 16 sind und u und v die räumlichen
Koordinaten des Filter-SLM 20 sind) transformiert wird.
Es muss verständlich
sein, dass die Fourier-Transformation, auf die durchweg Bezug genommen
ist, eine Fourier-Transformation einer Funktion (Intensität einer
Modulation) ist, die mit der Position (in diesem Fall die Position
auf der Fläche
des Eingangs-SLM 16) variiert. Diese Fourier-Transformation
einer räumlich
variierenden Funktion sollte nicht mit der Fourier-Transformation
einer zeitvariierenden Funktion verwechselt werden, die für Ingenieure
geläufiger ist.
Die ebenen Flächen
der SLMs werden tatsächlich Funktionen
präsentieren,
die in zwei Dimensionen variieren; demzufolge wird das transformierte
Bild eine zweidimensionale Fourier-Transformation sein, die die
Frequenzkomponenten eines zweidimensionalen Bilds in zwei Dimensionen
darstellt.
-
Das
fourier-transformierte Bild, das an dem Filter-SLM 20 gebildet
ist, wird weiter an dieser Fokusebene durch ein zweidimensionales
Muster oder „Filter" moduliert. Das Filter
ist typischerweise die zuvor erhaltene Fourier-Transformation einer
bestimmten Referenz und besteht deshalb aus einem Muster aus Frequenzkomponenten,
die auf einer zweidimensionalen Oberfläche aufgelistet sind. Die Korrelation eines
Eingangsbilds zu einem Referenzbild kann, wie in dem Patent nach
dem Stand der Technik beschrieben ist, durch Heranziehen des Produkts
des fourier-transformierten Eingangsbilds und des fourier-transformierten Referenzbilds
erhalten werden. Das Produkt F(u, v)·H(u, v) (wobei H(u, v) das
Filter ist) wird dann durch einen zweiten Fokussierspiegel 22 auf
einen Fotodetektor 24 fokussiert. Das sich ergebende Bild
an dem Fotodetektor 24 ist die Fourier-Transformation des Produktbilds, was
die Korrelation des Eingangsbilds zu dem Referenzbild ergibt (mit
einer Umkehrung der Koordinaten x und y an dem Detektor). Die Korrelation
der Eingangsfunktion und der Filterfunktion erscheint demzufolge
an dem Fotodetektor 24 als eine zweidimensionale, korrelierte,
optische Intensitätsfunktion.
-
Der
vorstehend beschriebene, frühere
Korrelator muss präzise
optisch für
den besten Betrieb ausgerichtet werden. Die optischen Bauteile,
umfassend den Eingangs-SLM 16, den Filter-SLM 20,
den Fotodetektor 24 und die Spiegel 18 und 22,
müssen in
einer optischen Ausrichtung zu dem Strahl 14 justiert werden.
Die notwendigen Einstellungen erfordern eine große Präzision und Genauigkeit, um
die Anordnung in eine optimale, optische Ausrichtung zu bringen.
Die Ausrichtung ist, wenn einmal ausgerichtet ist, oft schwierig
beizubehalten, da sie durch thermisch bedingte Spannungen, die auf
die optische An ordnung und die kohärente Lichtquelle aufgebracht werden,
beeinflusst wird. Eine durch mechanische Befestigung und Vibration
induzierte Spannung kann auch unerwünschte Fehlausrichtungseffekte
bewirken.
-
Die
kritischste Ausrichtung in den früheren Korrelatoren ist, wie
durch Lucas erkannt ist, die Einstellung der Position des Filter-SLM 20 relativ
zu dem Eingangs-SLM 16. Diese Einstellung ist in der Geometrie
des Patents von Lucas kritisch. Der patentierte Korrelator listet
eine spezifische, räumliche
Frequenzkomponente des Eingangsbilds zu einem spezifischen Punkt
in der Fokusebene des ersten, fokussierenden Spiegels 18 auf.
Für einen
geeigneten Betrieb muss jede spezifische Eingangsbild-Frequenzkomponente
weiter durch die spezifische, entsprechende Filterfrequenzkomponente
moduliert (multipliziert) werden. Dies erfordert, dass die spezifischen Frequenzkomponenten
des Eingangsbilds zu spezifischen Pixeln des Filter-SLM 20 aufgelistet
werden. Für
den besten Betrieb muss sogar noch eine zwingendere Bedingung erfüllt werden:
die spezifische Frequenzkomponente des Eingangsbilds muss zu der
Mitte des entsprechenden Filter-Pixels aufgelistet werden. Dies
erfordert, dass die Position des Filter-SLM 20 in x-, y-
und z-Richtungen
relativ zu dem Eingangs-SLM 16 eingestellt werden muss,
wobei die Genauigkeit typischerweise in der Größenordnung von nur ein paar
Mikron liegt.
-
In
den früheren,
optischen Korrelatoren ist es schwierig, die Eingangs- und Filter-SLMs präzise zu positionieren.
Deren Position ist, wenn sie einmal positioniert sind, schwierig
im Hinblick auf unvermeidbare mechanische und thermische Spannungen
und Änderungen
in den Umgebungsbedingungen beizubehalten.
-
Zusammenfassung der Erfindung
-
Die
Erfindung ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum adaptiven Ausrichten
eines optischen Korrelators.
-
Im
Gegensatz dazu, den kohärenten
Strahl in die optische Anordnung unter einem festgelegten Winkel,
wie bei früheren
Korrelatoren, einzuführen, verwendet
die Erfindung eine Strahlablenkungseinrichtung, die dynamisch die
Strahlablenkung in Abhängsgkeit
eines Korrektursignals variiert. Ein Rückführsystem erfasst eine Fehlausrichtung
und liefert ein Korrektursignal, das bewirkt, dass die Strahlablenkungseinrichtung
den optischen Korrelator zurück in
eine geeignete Ausrichtung bringt.
-
Um
dynamisch einen optischen Korrelator (der einen Eingangs-SLM, einen
Filter-SL und einen Fotodetektor
umfasst) auszurichten, verwendet die Erfindung ein Testmu ster, um
den Eingangs-SLM zu modulieren, da gleichzeitig ein unabhängig fourier-transformiertes Frequenz-Domäne-Referenzmuster
auf den Filter-SLM aufgebracht wird. Wenn der optische Weg korrekt
ausgerichtet ist, einschließlich
der kritischen Ausrichtung der Eingangs- und Filter-SLMs, wird ein
zweidimensional fourier-transformiertes Bild des Eingangs-SLM-Testmusters
auf den Filter-SLM fokussiert werden, wobei Frequenzkomponenten
zu den entsprechenden Frequenzkomponenten in dem unabhängig transformierten
Frequenz-Domäne-Referenzmuster
ausgerichtet sind. Das sich ergebende Bild an dem Fotodetektor wird
in diesem Fall eine scharte Intensitätsspitze an einer vorgebbaren
Stelle sein. Wenn andererseits die optische Ausrichtung einen leichten
Fehler aufweist oder von der Ausrichtung weg driftet, wird sich
das transformierte Testmuster nicht geeignet zu den entsprechenden
Frequenzkomponenten des Frequenz-Domäne-Referenzmusters an dem Filter-SLM ausrichten.
In diesem Fall wird das sich ergebende Bild an dem Fotodetektor
leicht diffus und/oder von einer relativ niedrigeren Intensität werden.
-
Das
Signal von dem Fotodetektor-Ausgang wird dazu verwendet, ein Rückführsignal
abzuleiten, das für
den Fehler in der Ausrichtung kennzeichnend ist. Das Rückführsignal
wird dann verarbeitet und ein geeignetes Korrektursignal wird dann
an ein elektromechanisches Aktuatorfeld angelegt, das leicht die Richtung
des kohärenten
Strahls ändert.
Diese leichte Änderung
in dem Strahlwinkel stellt leicht die Ausrichtung des transformierten
Testmusterbilds auf den Filter-SLM ein, um dadurch dynamisch den
optischen Korrelator zurück
in Ausrichtung zu bringen.
-
Unabhängige Rückführschleifen
sind vorzugsweise für
eine zweidimensionale Einstellung in den bevorzugt orthogonalen
Richtungen einer Strahlablenkung vorgesehen. Während eines Betriebs des optischen
Korrelators wird die Ausrichtung gelegentlich getestet, um eine
geeignete Ausrichtung beizubehalten. Eine Rückführschleife mit gelegentlichen Abtastfunktionen
als ein Hill-Climbing-Servo sucht den höchsten Korrelations-Peak mit
Testmustern und behält
eine Betrachtung des Korrelations-Peaks ungeachtet einer Variation
in der thermischen oder mechanischen Umgebung bei.
-
Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
-
1 zeigt
eine perspektivische Ansicht eines optischen Korrelators nach dem
Stand der Technik;
-
2 zeigt
ein Blockdiagramm der Erfindung;
-
3 zeigt
eine geschnittene Draufsicht eines optischen Korrelators, der die
Erfindung einsetzt;
-
4 zeigt
eine Schnittansicht, die entlang einer Schnittlinie 4-4 der 3 vorgenommen
ist;
-
5a, 5b und 5c zeigen vergrößerte Bilder eines Beispiels
eines räumlichen
Testmusters, einer Frequenz-Domäne-Darstellung
des räumlichen Testmusters
und des Ausgangs-(Autokorrelations)-Musters, das an dem Fotodetektor
erhalten ist, jeweils;
-
6a, 6b, 6c und 6d zeigen Zeitdiagramme,
die jeweils in (a) ein Zittersignal, angelegt an die Strahlablenkungseinrichtung,
in (b) den Peak-Fotodetektor-Ausgang an einem Arbeitspunkt unterhalb
der optimalen Ablenkung, in (c) den Peak-Fotodetektor-Ausgang an einem
Arbeitspunkt oberhalb der optimalen Ablenkung, und in (d) den Peak-Fotodetektor-Ausgang
an der optimalen Ablenkung darstellen;
-
7 zeigt
eine grafische Darstellung eines Peak-Fotodetektor-Ausgangs gegenüber einer Strahlablenkung,
die verschiedenen Betriebspunkte angebend;
-
8 zeigt
ein Blockdiagramm eines adaptiven Ausrichtungssystems, das in der
Erfindung verwendet werden kann, einschließlich einer Strahlablenkungseinrichtung,
die in einer Draufsicht dargestellt ist; und
-
9 zeigt
eine Schnittansicht eines piezoelektrischen Aktuator-Felds, das
zur Verwendung als eine Strahlablenkungseinrichtung geeignet ist.
-
Detaillierte
Beschreibung
-
Die
Erfindung richtet dynamisch einen optischen Korrelator durch Einführen eines
kohärenten Strahls
in die optische Anordnung unter einem Winkel, der dynamisch durch
ein Rückführsystem
eingestellt wird, aus. Das Rückführsystem
erfasst eine Abweichung des Korrelators von einer vorgegebenen Ausrichtungscharakteristik – typischerweise
optimale Ausrichtung – und
liefert ein geeignetes Korrektursignal zu einer Strahlablenkungseinrichtung,
um den Korrelator zurück
in eine optimale Ausrichtung zu bringen.
-
2 stellt
eine Übersicht
auf einem Systemniveau der Erfindung dar. Ein kohärenter Strahlungsstrahl,
typischerweise bereitgestellt durch einen Laser 30, wird
in einen optischen Korrelator 32 durch eine Strahlablenkungseinrichtung 34 eingeführt. Ein digitaler
Computer 36 oder äquivalente,
digitale, logische Schaltungen liefern ein Testmuster 38 und
ein Frequenz-Domäne-Referenzmuster 40 zu
dem optischen Korrelator 32. Der optische Korrelator 32 moduliert,
wie bei optischen Korrelatoren nach dem Stand der Technik, die vorstehend
diskutiert sind, den kohärenten
Strahl mit dem Testmuster, transformiert optisch den modulierten
Strahl in eine Frequenz-Domäne-Transformation
des Testmusters 38 und vergleicht optisch die Frequenz-Domäne-Transformation
des Testmusters 38 mit dem Frequenz-Domäne-Referenzmuster 40,
das unabhängig
durch den digitalen Computer 36 zugeführt wird. Der Vergleich der
zwei Muster wird in der Frequenz-Domäne-Darstellung durchgeführt und führt zu einem Strahl, der durch
die Übereinstimmung
oder Korrelation des Testmusters 38 mit dem Frequenz-Domäne-Referenzmuster 40 moduliert
ist. Die Bilddarstellung der Korrelation, die die Genauigkeit der
Ausrichtung des Korrelators anzeigt, wird dann optisch zurück in eine räumliche
Domäne-Darstellung
transformiert und durch einen Fotodetektor erfasst, um einen Ausgang zu
erhalten.
-
Der
Ausgang des optischen Korrelators 32 wird durch Schnittstellen-Elektroniken 42 in
eine digitale Form umgewandelt und durch den digitalen Computer 36 gespeichert.
Der digitale Computer 36 verarbeitet diese Ausgangsinformationen
und führt ein
Hill-Climbing-Servosystem
aus, das Abweichungen von einer vorgegebenen Ausrichtungscharakteristik
erfasst und ein geeignetes, digitales Korrektursignal (oder Signale) 44 ableitet.
Das Korrektursignal (oder Signale) 44 wird in geeignete,
analoge Pegel durch die Schnittstellen-Elektroniken 42 umgewandelt
und ein daraus resultierendes Rückführsignal 46 steuert
die Strahlablenkungseinrichtung 34 an, um den Winkel des
kohärenten
Strahls einzustellen, was den optischen Korrelator 32 zurück in eine
Ausrichtung bringt.
-
3 stellt
einen optischen Korrelator 32 dar, der eine Strahlablenkungseinrichtung 34 zum Korrigieren
von Systemfehlausrichtungen einsetzt. Elemente, die analog zu Elementen
sind, die in 1 zum Stand der Technik dargestellt
sind, sind mit gestrichenen (')
Zahlen entsprechend zu den Zahlen der analogen Elemente nach dem
Stand der Technik bezeichnet. In der Ausführungsform, die dargestellt ist,
ist die Strahlablenkungseinrichtung 34 ein elektromechanisches
Aktuatorfeld, das auf einem optischen Tragekörper 12' montiert ist. Das Aktuatorfeld trägt wiederum
eine Laseranordnung 30, die Kollimationsoptiken und ein
Apodizing-Filter verwendet. Die Kollimationsoptiken und das Apodizing-Filter
(beide nicht dargestellt) werden herkömmlich dazu verwendet, einen
gut kollimierten Strahl 14' mit
einer ungefähr
konstanten Intensität über ein
bestimmtes, radiales Strahlprofil (das vorzugsweise größer als
die optisch aktive Oberfläche
des Eingangs-SLM 16' ist)
zu erhalten. Der optische Tragekörper 12' trägt die aktiven
und passiven, optischen Elemente, die einen gefalteten, optischen
Zickzack-Weg für
den Strahl 14' definieren.
In der Ausführungsform,
die dargestellt ist, umfasst der optische Tragekörper 12' Tunnel 50, 52, 54, 56 und 58 für den optischen
Weg des Strahls 14'.
Obwohl ein fester, transparenter, optischer Tragekörper 12' altemativ verwendet
werden kann, verringern Tunnel die Störungen, die durch Inhomogenitäten in dem
festen Material des Körpers
verursacht werden.
-
Der
Strahl 14',
der von der Laseranordnung 30 ausgeht, wird unter einem
Winkel durch den Eingangs-SLM 16' an dem Ende des Tunnels 50 reflektiert;
der Strahl 14' propagiert
dann zurück
zu einem ersten, fokussierenden Spiegel 18' an dem Ende des Tunnels 52.
Der Strahl 14 wird erneut unter einem Winkel von dem fokussierenden
Spiegel 18' reflektiert
und propagiert durch einen ersten Polarisierer 60 in dem
Tunnel 54 zu einem Filter-SLM 20' an dem Ende des Tunnels 54,
wo er ein transformiertes Bild der Informationen, die auf den Strahl 14 durch
den Eingangs-SLM 16' aufmoduliert
sind, bildet. Der Strahl 14' wird
weiter moduliert und von dem Filter-SLM 20' reflektiert. Als nächstes propagiert
der zweimal modulierte Strahl zu einem zweiten, fokussierenden Spiegel 22' an dem Ende
des Tunnels 56 und wird ein viertes Mal reflektiert, bevor
er durch einen zweiten Polarisierer 61 in dem Tunnel 58 propagiert,
um an einem Fotodetektor 24',
an dem Ende des Tunnels 58, anzukommen, der das Ausgangs-(korrelierte)-Signal
erfasst. Der optische Zickzack-Weg, dem der Strahl 14 folgt,
der sich aus der vorstehend beschriebenen, optischen Anordnung ergibt,
ist eine passende Geometrie, ist allerdings nur eine von vielen
möglichen
Geometrien, die in Verbindung mit der Erfindung verwendet werden
können. Verschiedene
gefaltete, polygonale oder gradlinige Geometrien könnten zum
Beispiel auch verwendet werden.
-
Die
Strahlablenkungseinrichtung 34 ist typischerweise ein elektromechanisches
Aktuatorfeld, das zwischen der Laseranordnung 30 und dem
optischen Tragekörper 12' zwischengefügt ist.
Wenn ein Rückführsignal
an die Strahlablenkungseinrichtung 34 angelegt ist, kippt
sie den Laser und bewirkt dadurch, dass sich der Winkel des optischen
Wegs des Strahls 14' leicht
verschiebt. Dies ist durch den verschobenen, optischen Weg 62 dargestellt,
wobei der Winkel davon durch einen Winkel α relativ zu dem ursprünglichen,
optischen Weg des Strahls 14' verschoben
ist, wie dies dargestellt ist. Eine leichte Änderung in dem Eintrittswinkel
wird vergrößert, wenn der
Strahl durch den verschobenen, optischen Weg 62 propagiert,
was bewirkt, dass sich das Bild, gebildet an dem Filter-SLM 20', um Δx verschiebt.
Wie in 4 dargestellt ist, kann der Strahl auch durch
die Strahlablenkungseinrichtung 34 in der y-Richtung abgelenkt
werden, was zu einer Ver schiebung in der Bildposition von Δy relativ
zu dem Filter-SLM 20' führt. Eine
Verschiebung in der Bildposition an dem Filter-SLM 20' beeinflusst
wiederum die Ausrichtung des transformierten Bilds zu dem Filter-SLM 20' und gibt Anlass
zu einer entsprechenden Änderung
in dem Ausgangsbild an dem Fotodetektor 24'.
-
Um
leichte Verschiebungen in dem Strahleinfallswinkel zuzulassen, sollte
der Durchmesser des kollimierten Strahls vorzugsweise ausreichend größer als
der Eingangs-SLM 16' sein, so dass
der Eingangs-SLM 16' vollständig beleuchtet,
ungeachtet irgendwelcher Strahlverschiebungen, verbleibt, am bevorzugtesten
mit einer ungefähr
konstanten Beleuchtungsintensität.
-
Um
Abweichungen des vorstehend beschriebenen, optischen Korrelators
von der optimalen Ausrichtung zu erfassen, müssen ein Testmuster und ein entsprechendes
Frequenz-Domäne-Referenzmuster
(oder „Filter") gleichzeitig verwendet
werden, um den Eingangs-SLM 16' und den Filter-SLM 20' jeweils zu
modulieren. Diese SLMs sind typischerweise, wie im Stand der Technik
beschrieben ist, pixelmäßig aufgebaute,
adressierbare Felder aus aktiven, elektro-optischen, modulierenden
Elementen, gewöhnlich
in einer zweidimensionalen Matrix angeordnet. Die einzelnen Pixel
des Eingangs-SLM 16' werden
elektronisch so moduliert, dass sie, durch deren Reflexionen, zusammen
den Strahl mit einem Muster, wie beispielsweise einem ringförmigen Muster 63,
dargestellt in 5a (als ein Beispiel), modulieren.
Das ringförmige
Muster 63 bezeichnet den Teil des Eingangs-SLM 16', der moduliert
werden soll, um Einfallslicht zu reflektieren. Der fokussierende Spiegel 18' besitzt eine
Brennweite, die den Strahl von dem Eingangs-SLM 16' auf den Filter-SLM 20' abbildet, was
die zweidimensionale Fourier-Transformation des Eingangsbilds (wie
es durch den Eingangs-SLM 16' moduliert
ist) an dem Filter-SLM 20' erzeugt.
-
Während das
Testmuster den Strahl an dem Eingangs-SLM 16' moduliert, wird ein Frequenz-Domäne-Referenzmuster
verwendet, um den Filter-SLM 20' zu modulieren. Das Licht, das
von dem Filter-SLM 20' reflektiert,
stellt demzufolge einen Vergleich des transformierten Eingangsbilds
mit dem Frequenz-Domäne-Referenzmuster
dar. Das Frequenz-Domäne-Referenzmuster
sollte vorzugsweise die unabhängig
erhaltene Fourier-Transformation, vorgenommen
in zwei Dimensionen, des Eingangs-Testmusters sein, was zu einer
Frequenz-Domäne-Darstellung
des räumlichen
Testmusters führt. Die
Fourier-Transformation
des Testmusters sollte vorzugsweise unabhängig vor einem Anwenden des Testmusters
auf den Eingangs-SLM 16',
durch eine digitale Berechnung, eine opti sche Transformation oder
andere, herkömmliche
Transformationsverfahren, erhalten werden. 5b stellt
eine geeignete Wiedergabe des Musters, das durch eine Fourier-Transformation der 5a in
zwei Dimensionen erhalten ist, dar; 5b würde demzufolge
ein geeignetes Frequenz-Domäne-Referenzmuster
sein, um es (an dem Filter-SLM 20') zusammen mit der 5a (an
dem Eingangs-SLM 16')
zu verwenden.
-
Der
Ausgang an dem Fotodetektor 24' wird, wenn ein räumliches
Testmuster und das entsprechende Frequenz-Domäne-Referenzmuster vorhanden
sind und geeignet an den SLMs 16' und 20', jeweils, ausgerichtet sind, ein
heller Peak sein, der durch einen Lichtfleck, zentriert an einer
bestimmten Stelle auf dessen pixelmäßig aufgebauter Matrix, sein
wird. Die Anzeige einer hohen Autokorrelation wird ein sehr stark
fokussiertes und lokalisiertes Ausgangs-Peak-Signal mit hoher Intensität sein.
Diese Situation ist durch 5c dargestellt,
in der der Fleck 65 das Peak-Signal an der exakten Mitte
der Matrix des Fotodetektors 24' anzeigt. Irgendeine Abweichung
von einer perfekten, optischen Ausrichtung der SLMs, verursacht
zum Beispiel durch eine Ablenkung des Strahls, wird bewirken, dass
der Ausgang seine Fokussierung und Intensität verliert und diffuser wird,
was eine Abnahme in der Korrelation anzeigt. Die Position des Peaks
wird sich auch leicht auf der Matrix des Ausgangs-Fotodetektors 24' bewegen. Demzufolge
wird, durch Anlegen eines räumlichen
Testmusters und eines Testmusters einer entsprechenden Frequenz-Domäne-Darstellung
(oder „Filter"), ein Vergleichssignal
durch den Fotodetektor 24' erzeugt,
das die Genauigkeit der optischen Ausrichtung anzeigt. Das Vergleichssignal
wird dann verwendet, um ein geeignetes Rückführ- oder Korrektursignal abzuleiten,
das, wenn es angewandt wird, um die Strahlablenkungseinrichtung 34 zu
betätigen,
den optischen Korrelator zurück
in eine optimale Ausrichtung bringt. Das Rückführsignal, das dazu verwendet ist,
eine optimale Ausrichtung beizubehalten, wird vorzugsweise als ein „Hill-Climbing" Servosystem ausgeführt. In
einem solchen System wird mindestens ein oszillierendes „Zitter" Signal 66 mit
niedrigem Pegel, aufgetragen gegenüber der Zeit in 6, an die Strahlablenkungseinrichtung 34 angelegt,
um eine oszillierende Ablenkung des kohärenten Strahls 14' zu erzeugen.
Vorzugsweise würden
zwei separate, orthogonale Zittersignale aufeinanderfolgend angelegt
werden, um unabhängige
Ablenkungen des Strahls in x- und y-Richtungen zu erzeugen. Die Rückführ-Einstellungen
würden
dann unabhängig
in jeder der unabhängigen
Richtungen durchgeführt werden.
Zur Vereinfachung ist eine Dimension der Einstellung in 2 dargestellt,
allerdings ist die Erfindung nicht hierauf beschränkt.
-
In 7 stellt
die Ausgangskurve 68 den Ausgang des Fotodetektors 24' (auf der vertikalen Achse)
als eine Funktion der Ablenkung des kohärenten Strahls 14' (zum Beispiel
als eine Funktion des Ablenkungswinkels α in 3) mit einem
Testmuster, das den Eingangs-SLM 16' moduliert, und einer entsprechenden
Frequenz-Domäne-Referenz, die
den Filter-SLM 20' moduliert,
dar. Ein Maximum existiert an einem Punkt 70, der Winkel
einer optimalen Ausrichtung.
-
Ein
Hill-Climbing-Servoverfahren wird vorzugsweise dazu verwendet, den
optimalen Punkt einer Ausrichtung (Punkt 70) zu suchen.
Dessen Betriebsweise kann allgemein verstanden werden, indem zunächst zwei
spezielle Fälle
betrachtet werden.
-
Für den ersten
speziellen Fall wird angenommen, dass zu Anfang der Ablenkungswinkel
von dem Optimum leicht so abweicht, dass der Ausgang derjenige an
dem Punkt auf der Linie 71, leicht nach links von der Mitte
in 7, ist. Eine kleine Störung oder ein „Zittersignal" 66, das
zwischen Phasen 72 und 74 in 6 oszilliert,
wird an die Strahlablenkungseinrichtung 34 angelegt, was
bewirkt, dass die Intensität des
Korrelations-Peaks auf dem Fotodetektor 24' durch Oszillieren zwischen den
zwei Niveaus, markiert mit 76 und 78 (dargestellt
in sowohl 6b als auch 7),
anspricht. Es sollte verständlich
werden, dass sich die Position des Korrelations-Peaks leicht während der
Ablenkung bewegen kann; die Intensität des Korrelations-Peaks wird
durch Auffinden der maximalen Intensität auf der Matrix des Fotodetektors 24' ausgewählt (zum
Beispiel durch Verarbeiten des Ausgangs des Fotodetektors mit dem
digitalen Computer 36, wie dies nachfolgend diskutiert
ist). Das erste, abgetastete Intensitätsniveau 76 stellt
die Intensität
des Korrelations-Peaks, abgetastet während der Zitterphase 72,
das andere des entsprechenden Peaks, abgetastet während der
Zitterphase 74, dar.
-
Eine
Störung
oder ein Zittern der Ablenkung auf diese Art und Weise wird eine
Zeitvariation in der Intensität
eines Korrelations-Peaks 80, gemessen an dem Fotodetektor 24', erzeugen.
Die Intensität
ist gegenüber
der Zeit in 6b ausgedruckt (mit der Zeit auf
der horizontalen Achse). Die Korrelation-Peak-Intensität 80 oszilliert
in der Phase mit dem Zittersignal 66. Ein Subtrahieren
der Intensität 80,
abgetastet während
der negativen Zitterphase, von der Intensität 80, abgetastet während der
positiven Zitterphase, ergibt ein positives Korrelationssignal,
das anzeigt, dass der Ausrichtungswinkel (α oder β) zu niedrig ist (zum Beispiel
ist α links
von der Mitte).
-
Für den zweiten
speziellen Fall wird die Anfangsannahme hier geändert, unter der Maßgabe, dass
der Strahlwinkel leicht zu der anderen Seite des Optimums abweicht,
so dass die Korrektur-Peak-Intensität auf der Linie 81 in 7 zentriert
ist. Ein Anlegen des Zittersignals 66 wird dann bewirken,
dass die Intensität
des Korrektur-Peaks zwischen Niveaus 82 und 84 auf
der Seite mit negativer Schleife der Kurve 68 oszilliert.
Die erhaltene Zitter-Intensität 87 des
Korrelations-Peaks ist in 6c dargestellt.
Die Intensität 87 oszilliert
zwischen Pegeln 82 und 84, wie dies dargestellt
ist, wobei die Phase in Bezug auf die Zitterreferenz 66 umgekehrt
ist, was durch Überlegen
der 6c und der 6a gesehen
werden kann. In diesem Fall ergibt ein Subtrahieren der Intensität 87,
abgetastet während
der negativen Zitterphase von der Intensität 87, abgetastet während der positiven
Zitterphase, ein negatives Korrektursignal, was anzeigt, dass der
Ablenkungswinkel (α oder β) zu hoch
ist.
-
Nur
dann, wenn die Ausrichtung des Korrelator-Systems so ist, dass die
Intensität
des Korrektur-Peaks präzise
an dem Peak 70 der Ausgangskurve (Optimum) ist, ist die
Korrelation-Peak-Intensität dieselbe
bei beiden Auslenkungen des Zittersignals 66, da es sich
von dem Optimum um denselben Betrag auf beiden Seiten des Peaks 70 unterscheiden wird
(unter der Annahme einer symmetrischen Kurve 68). Diese
Situation führt
zu einem flachen Peak-Intensitätssignal 88 (6d),
das eine optimale Ausrichtung anzeigt.
-
Das
Störungs-
oder Zittersignal führt
demzufolge zu einer Art und Weise, die Schräge oder Abweichung des Ausgangssignals
in Bezug auf einen Winkel des kohärenten Strahls (zum Beispiel α oder β) zu erfassen.
Unter Suchen der Abweichung von Null kann ein Maximum des Ausgangssignals
gefunden werden. Irgendeine Abweichung der optimalen Ausrichtung
der Anordnung von dem Optimum wird einen ungleichen Fotodetektor-Ausgang
bei der positiven und negativen Auswanderung des Zittersignals verursachen.
Ein Subtrahieren des Peak-Detektorausgangs, abgetastet bei der negativen
Auswanderung, von dem Peak-Detektorausgang, abgetastet bei der positiven
Auswanderung, ergibt ein geeignetes Korrektursignal für eine Rückführung zu
der Strahlablenkungseinrichtung 34, um den optischen Korrelator 32 zurück in eine
Ausrichtung zu bringen.
-
In
der bevorzugten Ausführungsform
setzt die Erfindung unabhängige
Strahlablenkungs- und Rückführsysteme
auf mehreren Achsen, vorzugsweise senkrecht zueinander, ein, was
eine Korrektur des Korrelators zum Beispiel in sowohl der x- als
auch der y-Richtung,
angezeigt in den 3 und 4, ermöglicht.
Die unabhängigen
Ausrichtungen sollten vorzugsweise einzeln und aufeinander folgend durchgeführt werden,
zum Beispiel zuerst ein x-Zittern und dann ein y-Zittern, und zwar
unter Steuerung des digitalen Computers 36.
-
8 stellt
in größerem Detail
eine Ausführungsform
eines vollständigen
Korrelatorsystems der Erfindung dar, umfassend funktionale Blöcke 100 des Computers,
Schnittstellen-Elektroniken 102 und eine optische Korrelatoranordnung 104.
Die funktionalen Computerblöcke 100 können in
einer Software durch den digitalen Computer 36 oder äquivalente,
logische Schaltungen ausgeführt
werden.
-
Eine
Datenübertragungs-Sequencing-Logik 106 steuert
den gesamten Zeitablauf, unter Nichtbeachtung gelegentlicher Frames
für die
adaptive Ausrichtung, während
der gesamte Durchsatz des optischen Korrelators für einen
normalen Betrieb beibehalten wird. Die Datenübertragungs-Sequencing-Logik 106 erzeugt
auch mindestens ein digitales Zittersignal. Vorzugsweise werden
zwei getrennte, digitale Zittersignale an zwei reversible Zähler angelegt:
Zähler 108 für das Zittern
in x-Richtung und Zähler 110 für das Zittern
in der y-Richtung. Die Ausgänge
der Zähler 108 und 110 werden
in eine analoge Spannung durch Digital-Analog-Wandler (DACs) 112 und 114 umgewandelt
und zu Schnittstellen-Elektroniken 102 zugeführt, die
einen Invertierer und Summierverstärkerschaltungen (beschrieben
nachfolgend) umfassen, die wiederum die Strahlablenkungseinrichtung 34 ansteuern.
-
Gleichzeitig
wird dieses Zittersignal an die Strahlablenkungseinrichtung 34 angelegt,
das Eingangs-Testmuster und das Frequenz-Domäne-Referenzmuster werden an
den Eingangs-SLM 16' und den
Filter-SLM 20',
jeweils, durch einen SLM- und CCD-Steuer-Logik-Block 115 (vorzugsweise
ausgeführt
durch den digitalen Computer 36) angelegt. Der sich ergebende
Ausgang von dem Fotodetektor 24' wird durch einen Analog-Digital-Wandler (ADC) 116 für eine einfachere
Verarbeitung durch den digitalen Computer 36 (oder die äquivalente,
digitale Logik) umgewandelt. Die gesamte Matrix der Ausgangspegel
wird umgewandelt und wird zu dem digitalen Computer 36 eingegeben.
-
Die
Maximum-Amplitude-Erfassungslogik 118 (die vorzugsweise
durch den digitalen Computer 36 ausgeführt ist) vergleicht die digitalisierten
Fotodetektor-Ausgangswerte, die jedem einzelnen Pixel auf der Matrix
des Fotodetektors 24' zugeordnet
sind, und findet den höchsten
Wert auf der Matrix des Fotodetektors. Dieser Wert wird dem Peak-Korrelationspunkt
zugeordnet. Die Position des Ausgangs-Peaks, und demzufolge die
Pixeladresse des Peaks, kann leicht während der Einstellung variieren. Die
zwei Peak-Werte,
einer entsprechend zu jeder Phase des Zitterns, werden erfasst und
gespeichert. Dual-Werte (für
jede Dimension) werden dann durch funktionale Komparator-Blöcke 120 (für die x-Korrektur)
und 122 (für
die y-Korrektur) verglichen. Wenn die Ausrichtung der optischen
Vorrichtung von dem Optimum abweicht, werden die doppelt gespeicherten
Werte für
diese Dimension ungleich sein und der geeignete, funktionale Komparator-Block 120 oder 122 wird
ein Korrektursignal erzeugen, das entweder positiv oder negativ
ist.
-
Das
Korrektursignal, das durch die funktionalen Komparator-Blöcke 120 und 122 ausgegeben ist,
wird die Richtung einer Zählung
für reversible Zähler 108 (x-Kanal)
und 110 (y-Kanal) bestimmen. Die reversiblen Zähler zählen Impulse,
die durch die Datenübertragungs-Sequencing-Logik 106 für diesen
Zweck erzeugt sind. Die Ausgänge
der reversiblen Zähler 108 und 110,
die die momentanen Positionsinformationen für das Aktuatorfeld 32 halten,
werden durch DACs 112 und 114 (einer für jeden
Kanal) umgewandelt, was doppelte, analoge Korrekturspannungen erzeugt:
eine für
die x-Richtung, eine für
die y-Richtung.
-
Die
Art und Weise eines Anlegens der Korrekturspannungen wird von der
spezifischen Geometrie und den Charakteristika der Strahlablenkungseinrichtung 34 abhängen, und
eine breite Vielfalt von Anordnungen ist möglich. Die 8 und 9 stellen
nur eine solche Möglichkeit
dar. In der Ausführungsform,
die dargestellt ist, setzt die Strahlablenkungseinrichtung 34 elektromechanische
Aktuatoren 140, 142, 146 und 148 ein,
die auf Diagonalen relativ zu dem x, y-Koordinatensystem positioniert
sind und zusammen ein Aktuatorfeld bilden. Invertierende Verstärker 124 und 126 erzeugen
komplementäre
Signale durch Invertieren der analogen Korrekturspannungen. Die
analogen Korrekturspannungen und die komplementären Signale werden dann in
einem kreuzverbundenen Netzwerk von Summierverstärkern 130, 132, 134 und 138 aufsummiert,
um Rückführsteuerspannungen 158, 160, 162 und 164 zu
erzeugen. Diese Rückführsteuerspannungen
erzeugen wiederum geeignete x- und y-Korrekturbewegungen der elektromechanischen
Aktuatoren.
-
In
der Ausführungsform,
die in 8 dargestellt ist, werden die Rückführansteuerspannungen
in einer Bewegung in dem Aktuatorfeld durch Verlängern oder Verkleinern von
gegenüberliegend
positionierten, piezoelektrischen Segmenten umgewandelt. Zum Beispiel
würden,
um die Ablenkungseinrichtung in der negativen x-Richtung zu bewegen,
die Segmente 140 und 142 zusammengezogen werden, während die
Segmente 146 und 148 verlängert werden würden.
-
9 stellt
detaillierter ein Aktuatorfeld dar, das in der Strahlablenkungseinrichtung 34 der
Erfindung verwendet werden kann. Das gesamte Feld (Strahlablenkungseinrichtung 34)
ist aus vier Aktuatoren, angeordnet in Quadranten, jeder ähnlich einem
bogenförmigen
Viertelabschnitt geformt, und alle vier zusammen einen unterbrochenen
Ring bildend, aufgebaut. Jeder bogenförmige Viertelabschnitt umfasst
vorzugsweise mehrere piezoelektrische Schichten 154, die
in einer laminaren Art und Weise gestapelt sind, die zusammen einen
Aktuator bilden. Jede piezoelektrische Schicht 154 ist
vorzugsweise aus einem piezoelektrischen, keramischen Material gebildet.
In dem Seitenquerschnitt, der in 9 dargestellt
ist, können
zwei Aktuatorsegmente 142 und 146 gesehen werden.
Elektrodenschichten 156, vorzugsweise metallisiert, sind
zwischen jedem Paar der piezoelektrischen Schichten 154 zwischengefügt. Alternierende
Elektrodenschichten 156 des Aktuators 146 sind
mit der Rückführsteuerspannung 158 verbunden; ähnlich sind
alternierende Elektrodenschichten des Aktuators 142 mit
der Rückführsteuerspannung 160 verbunden.
Aktuatoren 148 und 140, die nicht in 9 dargestellt sind,
sind analog verbunden. Das Stapeln des piezoelektrischen Materials
in mehreren Schichten ermöglicht
eine größere Verlängerung
und Verkürzung
in Abhängigkeit
einer angelegten Spannung.
-
Die
Verwendung von piezoelektrischen Keramik-Aktuatoren ist ausreichend
bekannt und in zahlreichen Quellen beschrieben. Siehe zum Beispiel
Piezoelectric Ceramics, J. van Randeraat (Publications Dept., Ferroxcube
Corporation, Saugerties, N.Y. 1974). Piezoelektrische, keramische
Materialien oder Aktuatoren sind umfangreich kommerziell erhältlich,
zum Beispiel von Aura Ceramics (Minneapolis, MN), Polytec PI, Piezosystem
Jena (Deutschland), oder Philips Electronic Components (erhältlich in
USA über
Signetics Corp., Sunnyvale, CA).
-
In
der Ausführungsform,
dargestellt in 3, arbeitet das Aktuatorfeld
der 9 als eine Strahlablenkungseinrichtung, indem
die Laseranordnung 30 relativ zu dem optischen Tragekörper 12' bewegt wird.
In dieser Ausführungsform
ist die Laseranordnung 30 fest auf der Strahlablenkungseinrichtung 32 montiert,
die wiederum bewegbar auf dem optischen Tragekörper 12' befestigt ist. Unter Anlegen einer Spannung
an die Aktuatoren der Strahlablenkungseinrichtung 34 verlängern sich
die Aktuatoren oder ziehen sich zusammen, so wie dies erforderlich
ist, um dadurch den Laser 30 zu bewegen und den Strahl 14' abzulenken.
-
Es
wird leicht gesehen werden, dass andere Anordnungen möglich sind,
die eine Strahlablenkung ermöglichen,
entweder durch elektromechanische Aktuatoren oder durch andere Vorrichtungen.
Eine Strahlablenkung kann leicht durch Bewegen eines Spiegels, einer
Linse, einer faseroptischen Kopplung oder eines Prismas, als Beispiel,
im Gegensatz zu einem Bewegen der Lichtquelle, wie dies vorstehend beschrieben
ist, vorgenommen werden. Eine Ablenkung könnte leicht durch Bewegen eines
fokussierenden Spiegels 18',
zum Beispiel, vorgenommen werden. Diese und andere Verfahren eines
Ablenkens des Strahls liegen auch innerhalb des Schutzumfangs der
Erfindung. Es ist nur notwendig, dass die Strahlablenkungseinrichtung
eine ausreichend feine Steuerung ergibt, vorzugsweise so, um eine Ausrichtung
des Transformationsbilds zu dem Filter-SLM 20' innerhalb weniger
als einen Pixeldurchmesser eines Filter-SLM zu ermöglichen.
-
In
einigen Anwendungen können
die vorstehend beschriebene Vorrichtung und das Verfahren dazu verwendet
werden, dynamisch einen arbeitenden, optischen Korrelator in der
folgenden Art und Weise auszurichten: während eines normalen Betriebs
eines optischen Korrelators muss die Ausrichtung gelegentlich getestet
werden. Die Ausrichtung kann mit nur einer sehr kleinen Unterbrechung
der normalen Betriebsvorgänge
des Korrelators durchgeführt
werden. Während
eines Durchführens
sequenzieller, optischer Multi-Frame-Korrelationen (Korrelieren
von Eingangsdaten zu Referenzdaten in der Frequenz-Domäne, um Ausgangsinformationen basierend
auf der Korrelation zu erzeugen) kann der Betrieb des Korrelators
gelegentlich unterbrochen werden, vorzugsweise unter der Steuerung
des digitalen Computers 36, und zwar für ein paar Frames einer adaptiven
Ausrichtung. Die Intervalle zwischen solchen adaptiven Ausrichtungs-Frames
sollten durch die thermische und mechanische Umgebung der Vorrichtung
bestimmt sein. Die Ausrichtung kann typischerweise schnell durchgeführt werden,
was nur einen niedrigen Taktzyklus erfordert und zu dem Verlust
von nur ein paar Frames der Aktivität des Korrelators führt. Nachdem
der Ausrichtungsvorgang ausgeführt
ist, wird der Korrelator zurück
zu seinen normalen, optischen Verarbeitungsaufgaben bis zu dem nächsten Ausrichtungsintervall
geschaltet.
-
Während bestimmte
Ausführungsformen
der Erfindung dargestellt und beschrieben worden sind, werden zahlreiche
Variationen und alternative Ausführungsformen
Fachleuten auf dem betreffenden Fachgebiet ersichtlich werden. Dementsprechend
ist vorgesehen, dass die Erfindung nicht nur durch die Angaben der
beigefügten
Ansprüche
beschränkt
ist.