基于LCOS空間光調(diào)制器的無透鏡光學(xué)相關(guān)器的理論與技術(shù)研究.pdf

1、空間光調(diào)制器是實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)光學(xué)信息處理的關(guān)鍵器件，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各種光電混合系統(tǒng)中。近年來，隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，出現(xiàn)了一種硅基液晶空間光調(diào)制器技術(shù)，稱為L(zhǎng)COS空間光調(diào)制器技術(shù)，其具有高衍射效率、高精度、純相位調(diào)制、高填充率、高刷新率等諸多優(yōu)點(diǎn)，自誕生伊始就吸引了眾多的關(guān)注?；诳臻g光調(diào)制器的光學(xué)相關(guān)器能夠被應(yīng)用于自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別技術(shù)中，具有高速、并行處理、大帶寬等諸多優(yōu)點(diǎn)。然而傳統(tǒng)的光學(xué)相關(guān)器往往系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，信噪比低，光路調(diào)整復(fù)

2、雜，通道均勻性較差。為了解決傳統(tǒng)光學(xué)相關(guān)器存在的不足，本文提出了無透鏡光學(xué)相關(guān)器的概念。
　　 無透鏡光學(xué)相關(guān)器系統(tǒng)由兩個(gè)平行排列的LCOS空間光調(diào)制器組成，通過引入相位型菲涅耳透鏡圖構(gòu)造輸入物和濾波器全息圖，能夠?qū)崿F(xiàn)Vander Lugt相關(guān)器的功能。通過在濾波器全息圖上疊加中間區(qū)域相位為0的相位光柵，可以提高系統(tǒng)的信噪比。
　　 其次，本文提出了一種基于一個(gè)LCOS空間光調(diào)制器的無透鏡光學(xué)相關(guān)器。該系統(tǒng)通過一個(gè)反射鏡

3、，將光路折疊，通過將輸入物全息圖和濾波器全息圖并排顯示在LCOS空間光調(diào)制器的液晶面上，實(shí)現(xiàn)光學(xué)相關(guān)運(yùn)算。
　　 接下來，本文提出了多通道無透鏡光學(xué)相關(guān)器的概念。這種光學(xué)相關(guān)器同樣基于兩個(gè)LCOS空間光調(diào)制器，通過構(gòu)造全息圖實(shí)現(xiàn)多通道光學(xué)信息處理。本文一共介紹了兩類全息圖的構(gòu)造方法，空域復(fù)用和頻域復(fù)用方法。空域復(fù)用方法將輸入面劃分成獨(dú)立的子通道，并在每個(gè)子輸入物上分別疊加相位型菲涅耳透鏡實(shí)現(xiàn)多通道運(yùn)算。頻域復(fù)用方法在每個(gè)子輸入物

4、上疊加上不同衍射角的相位光柵，實(shí)現(xiàn)將不同子輸入物的頻譜以不同的角度衍射到濾波器的相應(yīng)通道中。
　　 無透鏡光學(xué)相關(guān)器的優(yōu)點(diǎn)在于，用菲涅耳透鏡圖取代了傳統(tǒng)的透鏡后，由原來的4f系統(tǒng)簡(jiǎn)化成f系統(tǒng)，更為緊湊。此外，另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于不需要對(duì)實(shí)驗(yàn)硬件調(diào)整，僅通過軟件對(duì)菲涅耳透鏡的調(diào)整來實(shí)現(xiàn)光路調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)精度高。基于單個(gè)LCOS空間光調(diào)制器的優(yōu)點(diǎn)在于系統(tǒng)的尺寸更為緊湊（f/2系統(tǒng)）。此外由于僅采用一個(gè)LCOS空間光調(diào)制器，成本更低。多通道無透

5、鏡光學(xué)相關(guān)器能夠同時(shí)實(shí)驗(yàn)對(duì)多個(gè)子輸入物進(jìn)行平行處理，并能夠通過調(diào)整菲涅耳透鏡陣列，分別實(shí)現(xiàn)對(duì)子通道的光路調(diào)整，從而達(dá)到很高的通道均勻性。
　　 文中通過文字識(shí)別和指紋識(shí)別實(shí)驗(yàn)，分別驗(yàn)證了無透鏡光學(xué)相關(guān)器系統(tǒng)在低頻相位和高頻相位信息處理方面的能力，以及系統(tǒng)的光路調(diào)整精度為±10μm。此外，本文還構(gòu)造了提高了系統(tǒng)信噪比的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過此方法，系統(tǒng)的信噪比從0.77提升到了0.84。接下來，文中給出了通過文字識(shí)別實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證多通

6、道無透鏡光學(xué)相關(guān)器系統(tǒng)的結(jié)果，并通過實(shí)驗(yàn)對(duì)四通道、十六通道和六十四通道空域復(fù)用無透鏡光學(xué)相關(guān)器的均勻性進(jìn)行了驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，四通道無透鏡光學(xué)相關(guān)器，通道之間的差異小于6％;十六通道無透鏡光學(xué)相關(guān)器相關(guān)峰的均值為148.63，均方根值為23.07;六十四通道無透鏡光學(xué)相關(guān)器相關(guān)峰的均值為191.56，均方根值31.38。
　　 最后，本文將LCOS空間光調(diào)制器應(yīng)用于光鑷方面，提出了一種人機(jī)交互式全息光學(xué)操縱系統(tǒng)，并完成了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)