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基于LCOS空间光调制器的无透镜光学相关器的理论与技术研究

曾旭  
【摘要】:空间光调制器是实现实时光学信息处理的关键器件,已经被广泛应用于各种光电混合系统中。近年来,随着大规模集成电路的发展,出现了一种硅基液晶空间光调制器技术,称为LCOS空间光调制器技术,其具有高衍射效率、高精度、纯相位调制、高填充率、高刷新率等诸多优点,自诞生伊始就吸引了众多的关注。基于空间光调制器的光学相关器能够被应用于自动目标识别技术中,具有高速、并行处理、大带宽等诸多优点。然而传统的光学相关器往往系统结构比较复杂,信噪比低,光路调整复杂,通道均匀性较差。为了解决传统光学相关器存在的不足,本文提出了无透镜光学相关器的概念。 无透镜光学相关器系统由两个平行排列的LCOS空间光调制器组成,通过引入相位型菲涅耳透镜图构造输入物和滤波器全息图,能够实现Vander Lugt相关器的功能。通过在滤波器全息图上叠加中间区域相位为0的相位光栅,可以提高系统的信噪比。 其次,本文提出了一种基于一个LCOS空间光调制器的无透镜光学相关器。该系统通过一个反射镜,将光路折叠,通过将输入物全息图和滤波器全息图并排显示在LCOS空间光调制器的液晶面上,实现光学相关运算。 接下来,本文提出了多通道无透镜光学相关器的概念。这种光学相关器同样基于两个LCOS空间光调制器,通过构造全息图实现多通道光学信息处理。本文一共介绍了两类全息图的构造方法,空域复用和频域复用方法。空域复用方法将输入面划分成独立的子通道,并在每个子输入物上分别叠加相位型菲涅耳透镜实现多通道运算。频域复用方法在每个子输入物上叠加上不同衍射角的相位光栅,实现将不同子输入物的频谱以不同的角度衍射到滤波器的相应通道中。 无透镜光学相关器的优点在于,用菲涅耳透镜图取代了传统的透镜后,由原来的4f系统简化成f系统,更为紧凑。此外,另一个优点在于不需要对实验硬件调整,仅通过软件对菲涅耳透镜的调整来实现光路调节,调节精度高。基于单个LCOS空间光调制器的优点在于系统的尺寸更为紧凑(f/2系统)。此外由于仅采用一个LCOS空间光调制器,成本更低。多通道无透镜光学相关器能够同时实验对多个子输入物进行平行处理,并能够通过调整菲涅耳透镜阵列,分别实现对子通道的光路调整,从而达到很高的通道均匀性。 文中通过文字识别和指纹识别实验,分别验证了无透镜光学相关器系统在低频相位和高频相位信息处理方面的能力,以及系统的光路调整精度为士1Oμm。此外,本文还构造了提高了系统信噪比的实验。实验结果表明,通过此方法,系统的信噪比从0.77提升到了0.84。接下来,文中给出了通过文字识别实验验证多通道无透镜光学相关器系统的结果,并通过实验对四通道、十六通道和六十四通道空域复用无透镜光学相关器的均匀性进行了验证。实验结果表明,四通道无透镜光学相关器,通道之间的差异小于6%;十六通道无透镜光学相关器相关峰的均值为148.63,均方根值为23.07;六十四通道无透镜光学相关器相关峰的均值为191.56,均方根值31.38。 最后,本文将LCOS空间光调制器应用于光镊方面,提出了一种人机交互式全息光学操纵系统,并完成了实验验证。该系统具有良好的操纵性和友好的用户界面,可通过鼠标的移动来便捷的操纵微粒。 本文的一部分工作是在日本滨松公司中央研究所第四研究室完成的。


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