專利名稱：成倒像投影關(guān)系的非相干光相關(guān)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光學(xué)投影相關(guān)器，特別是一種用于光學(xué)信息處理的非相干 光相關(guān)器。技術(shù)背景非相干光相關(guān)器是不同于4f系統(tǒng)的匹配濾波和聯(lián)合變換相關(guān)的另一種光學(xué) 相關(guān)方案，非相干光相關(guān)器利用非相干光的漫散射特性，通過透鏡變換，對(duì)各 個(gè)方面的平移圖像進(jìn)行疊加，直接得到兩幅圖像的相關(guān)結(jié)果，在光學(xué)信息處理 方面具有廣泛的應(yīng)用前景。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，由于安裝過程中的誤差，需要對(duì)器件位置進(jìn)行調(diào)節(jié)，而透鏡兩個(gè)主面位置難以通過測(cè)量確定，尤其是像平 面的位置最難確定，確定像平面的最好的辦法就是在物平面放置一物體，調(diào)節(jié) 像平面位置，使物體清晰的成像。而成正像投影關(guān)系的非相干光相關(guān)器是將輸 入圖像以正像投影到參考圖像平面，成像類型取決于輸入圖像和參考圖像兩者 大小的比例，在圖3所示的成正像投影關(guān)系的非相干光相關(guān)器中，物平面3的位 置在三條虛線段的交點(diǎn)處，兩圖中的虛線矩形就是物平面所在的位置，可以看 出，物平面的位置總是在輸入圖像、參考圖像兩者中較小的一個(gè)圖像的外側(cè)， 圖3 (a)中的物平面在輸入圖像的外側(cè)，背光源實(shí)際遮擋了物平面，要觀察成 像質(zhì)量，就必須拆除背光源和輸入圖像以避免遮擋，待調(diào)節(jié)好像平面后再安裝， 或者將背光源作為最后安裝的器件。而背光源l是相關(guān)器光路中最笨重的器件， 拆裝不易，安裝過程中的震動(dòng)、碰撞都可能使已安裝完畢的器件的位置產(chǎn)生偏移，另外，如果輸入圖像和參考圖像大小相近，物平面的位置就會(huì)離透鏡很遠(yuǎn)，難以找到這樣長(zhǎng)的光學(xué)平臺(tái)既放置相關(guān)器，又放置物平面上的物體；圖3 (b) 中的物平面在參考圖像的外側(cè)，它是一個(gè)虛物面，只是像平面的共軛面，不是 實(shí)際存在的，也就不可能利用物平面上的物體成像調(diào)節(jié)像平面位置。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的旨在提供一種能夠克服上述缺陷，物像的成像類型不依賴 于輸入圖像和輸出圖像的尺度比例關(guān)系，便于成像面位置調(diào)節(jié)的成倒像投影的 非相干光相關(guān)器。本發(fā)明的技術(shù)解決方案一種成倒像投影關(guān)系的非相干光相關(guān)器，其技術(shù)實(shí)質(zhì)如下沿著漫散射背 光源1發(fā)出的漫反射平面波傳播的方向依次有輸入圖像2、物平面3、參考圖像 4、成像透鏡5及像平面6;物平面3位于輸入圖像平面2和參考圖像平面4之 間兩者對(duì)角連線的交點(diǎn)上。所述輸入圖像平面2緊貼在漫散射背光源平面1的后面，輸入圖像2的邊 長(zhǎng)a小于或等于背光源1的邊長(zhǎng)A;所述輸入圖像2和參考圖像4是繪制或打印 或曝光在膠片上的，或是用液晶顯示器LCD顯示的圖像，所述輸入圖像2是倒 置的；所述置于物平面3的膠片上印有圖像，最好印有刻度精確細(xì)致的刻度線，其有效部分的邊長(zhǎng)c滿足關(guān)系式^ —^ ，式中"為輸入圖像2的邊長(zhǎng)，"為 參考圖像4的邊長(zhǎng)；所述輸入圖像平面2到物平面3的距離-Z。和參考圖像平面4到物平面3的距離Z;之間滿足關(guān)系式z。 ^ ;所述成像透鏡5緊貼在參考 圖像膠片4的后面，成像透鏡5的尺寸和參考圖像4的尺寸大小一致；在所述的輸入圖像(2)平面的邊長(zhǎng)"不等于背光源(1)的邊長(zhǎng)A時(shí)，輸入圖像(2) 平面的四周覆有不透光遮擋材料；在所述的成像透鏡(5)的尺寸不等于參考圖 像(4)平面的尺寸時(shí)，成像透鏡(5)的四周覆有不透光遮擋材料；所述參考 圖像平面4到物平面3的距離《小于物平面6到成像透鏡5物方主點(diǎn)的距離， 簡(jiǎn)稱物距-Z;所述成像透鏡6為成像質(zhì)量好、焦距短的單個(gè)薄透鏡或透鏡組， 若為透鏡組，選用物方主面偏后的透鏡組；所述物平面3到成像透鏡5物方主點(diǎn)的距離-Z與像平面6到成像透鏡5像方主點(diǎn)的距離Z'滿足關(guān)系式7 = 7 式中c'為像平面(6)有效部分的邊長(zhǎng)。 本發(fā)明的突出優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)是1、 物平面在輸入圖像平面和參考圖像平面之間，沒有背光源遮擋， 一方面 避免了由于背光源遮擋帶來(lái)的諸如拆裝不易，安裝過程中的震動(dòng)、碰撞等可能 使已安裝完畢的器件的位置產(chǎn)生偏移的麻煩；另一方面較之于物平面位于背光源外側(cè)的情況，大大縮小了相關(guān)器所占空間，有助于實(shí)現(xiàn)裝置小型化，從而節(jié)約成本，且易于安裝調(diào)試；2、 本發(fā)明的非相干光相關(guān)器的成像類型不依賴于輸入圖像和輸出圖像的尺 度比例，總是對(duì)實(shí)物面成像，通過在真實(shí)存在的確定物平面上放置物體能夠很 容易的確定像平面的位置，大大縮短了安裝調(diào)試相關(guān)器所需時(shí)間，極大的節(jié)約 了人力和物力。


附圖1為成倒像投影關(guān)系的非相干光相關(guān)器光學(xué)結(jié)構(gòu)示意圖； 附圖2為成倒像投影關(guān)系的非相干光相關(guān)器原理示意圖； 附圖3為成正像投影關(guān)系的非相干光相關(guān)器；附圖4 (a)、 (b)分別為相關(guān)運(yùn)算中的輸入圖像和參考圖像；附圖5為附圖4 (a)與附圖4 (b)圖像的相關(guān)圖樣:附圖5 (a)為理想圖樣; 附圖5 (b)為有展寬的實(shí)際圖樣。圖中1、漫散射背光源2、輸入圖像3、物平面4、參考圖像5、成 像透鏡6、像平面。
具體實(shí)施方式
按照附圖1所示的成倒像投影關(guān)系的非相干光相關(guān)器，沿著漫散射背光源1 發(fā)出的漫反射平面波傳播的方向依次有輸入圖像2、物平面3、參考圖像4、成 像透鏡5及像平面6;物平面3位于輸入圖像平面2和參考圖像平面4之間兩者 對(duì)角連線的交點(diǎn)上。所述輸入圖像平面2緊貼在漫散射背光源平面1的后面；輸入圖像2的邊 長(zhǎng)a等于背光源1的邊長(zhǎng)A;所述的輸入圖像2是倒置的，從而保證其在參考圖 像平面的投影為正像。所述物平面3位于輸入圖像平面2和參考圖像平面4之間兩者對(duì)角連線的交點(diǎn)上；物平面3有效部分的邊長(zhǎng)c滿足關(guān)系式""《^ ，式中"為輸入圖像2的邊長(zhǎng)，"為參考圖像4的邊長(zhǎng)；所述輸入圖像2平面到物平面3的距離-Z。和-Z0 = a參考圖像4平面到物平面3的距離Z;之間滿足關(guān)系式Z。"。所述成像透鏡5緊貼在參考圖像4膠片的后面；成像透鏡5的尺寸和參考 圖像4平面的尺寸大小一致；為了縮短整個(gè)光路的長(zhǎng)度，所述的成像透鏡5選擇成像質(zhì)量較好、焦距短的透鏡。所述參考圖像4平面到物平面3的距離z;小于物平面6到成像透鏡5物方主點(diǎn)的距離，簡(jiǎn)稱物距-Z;所述物距-Z和像平面6到成像透鏡5像方主點(diǎn)的距—丄+丄=丄2 =丄 離簡(jiǎn)稱像距Z'之間滿足關(guān)系式Z Z' —/'和7 = 7，式中/'為成像透鏡5的焦距；c'為像平面6有效部分的邊長(zhǎng)。所述輸入圖像2以倒像的形式投影在參考圖像4平面上，其中參考圖像4 和輸入圖像2是相對(duì)而言的，可以任意指定其中任意一個(gè)為參考圖像，另一個(gè) 就是輸入圖像，兩者沒有本質(zhì)的區(qū)別。所述的輸入圖像2和參考圖像4采用像素尺寸較小即分辨率高的液晶顯示 器(LCD)顯示，其衍射項(xiàng)出現(xiàn)在像場(chǎng)之外，從而保證良好的成像質(zhì)量。所述的選用薄的普通黑白攝影膠片作為位于物平面3上的膠片，該膠片上 印有圖像，為了調(diào)節(jié)成像方便，膠片上還印有刻度精確的刻度線，且刻度線足 足夠細(xì)、顏色足夠黑，與膠片上的透明區(qū)域有較高的對(duì)比度，刻度是十字型的 (橫向和縱向)。所述的像平面用于相關(guān)計(jì)算輸出，選用科研專用的科學(xué)級(jí)CCD作為圖像采 集設(shè)備，用于定量記錄結(jié)果；在使用時(shí)，圖像采集設(shè)備的成像面安置在像平面6 上，卸下儀器的鏡頭，直接使用相關(guān)器中的透鏡5成像。若所述漫散射背光源1的尺寸A大于輸入圖像2平面，應(yīng)采取遮擋的方法 使透光部分和輸入圖像2大小一致，即在輸入圖像2平面的四周覆有不透光遮 擋材料；若所述成像透鏡5的尺寸小于參考圖像4平面；則在成像透鏡(5)的 四周包覆不透光遮擋材料，確保除了參考圖像4范圍之內(nèi)的光線之外，不會(huì)有 其他光線由物方一側(cè)經(jīng)透鏡5折射入像方一側(cè)。所述的輸入圖像2和參考圖像4也可以繪制或打印或曝光在膠片上。所述的用于物平面3的膠片上的刻度也可以是網(wǎng)格狀的，膠片的選材越薄越好。所述的像平面用于相關(guān)計(jì)算輸出，如果用戶只需目視觀測(cè)相關(guān)計(jì)算結(jié)果， 則只要在像平面6放置一個(gè)白色屏幕即可；圖像采集設(shè)備也可以是普通照相機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、攝像機(jī)等，由于成像儀器的成像面大小是固定的，而成像面的大小 又和此相關(guān)器的其他參數(shù)滿足一定的函數(shù)關(guān)系，因此成像儀器的選擇決定了相 關(guān)器多個(gè)參數(shù)的取值范圍。本發(fā)明的基本原理是從漫散射光源1發(fā)出的光束經(jīng)倒置的輸入圖像2，如圖2所示，將穿過輸入圖像2的光線分組，匯聚在物平面上某一特定點(diǎn)的光線分為一組，每一組在物 平面3匯聚的光線，又會(huì)因繼續(xù)傳播而發(fā)散，根據(jù)小孔成像原理，到參考圖像 平面4時(shí)，每一組光線就會(huì)在成像平面4上呈現(xiàn)出輸入圖像2的倒像，每一組 光線經(jīng)過參考圖像膠片4 (或LCD)之后，相當(dāng)于輸入圖像2和參考圖像4的 對(duì)應(yīng)點(diǎn)作了一次相乘運(yùn)算，之后這一組光線再經(jīng)過透鏡5折射匯聚于像平面6 上，相當(dāng)于各點(diǎn)相乘的結(jié)果又作了一次相加運(yùn)算。由圖2同樣可以看出，不同 組的光線不僅對(duì)應(yīng)物平面上的不同匯聚位置(小孔)，也對(duì)應(yīng)輸入圖像投影的不 同偏移量，也就代表兩個(gè)圖像作相乘運(yùn)算時(shí)相對(duì)偏移不同。根據(jù)二維函數(shù)(圖 像)的相關(guān)運(yùn)算定義，輸入圖像(的投影)r'(m和參考圖像A《'，。的相關(guān)函 數(shù)為j]n《'-C7'-w)尸(《',"')《勿' (1)式中的偏移量w，w)是相關(guān)函數(shù)/的變量，正好和輸入圖像投影的偏移量對(duì) 應(yīng)，而式中的求積分式又正好和透鏡匯聚一組光線于像平面6作求和運(yùn)算對(duì)應(yīng)，因此像平面6的光強(qiáng)分布就對(duì)應(yīng)的是求積分后的相關(guān)函數(shù)。本發(fā)明的相關(guān)器的具體安裝調(diào)試步驟如下將所有器件按照?qǐng)D1所示的位置關(guān)系安裝，由于漫散射背光源1 一般比較 笨重， 一旦安裝好就不再移動(dòng)，因此先安置此光源，嚴(yán)格地按照前述相關(guān)器之間的距離參量應(yīng)滿足的參量關(guān)系確定輸入圖像2和參考圖像4到物平面3的距 離-z。與《，并確保所有器件的中心在同一條直線——即在透鏡(或透鏡組)5 的光軸上，所有膠片(或LCD的基片)的平面、透鏡(或透鏡組)5的主面、 成像面6都應(yīng)垂直于光軸，安裝并固定完輸入圖像2、物平面3和參考圖像4三 個(gè)器件之后，再調(diào)節(jié)透鏡或透鏡組5的位置，使物平面3到透鏡物方主面的距 離參量為-Z (無(wú)特殊要求，這個(gè)參量不必十分嚴(yán)格)，如果輸入圖像和參考圖像 是印制在膠片上的，則應(yīng)再準(zhǔn)備兩張膠片，其中一張是安裝于物平面3的膠片， 另一張是和參考圖像同樣規(guī)格的透明膠片，在調(diào)試時(shí)用透明膠片替換顯示參考 圖像的膠片；如果輸入圖像和參考圖像是使用LCD顯示的，則只需準(zhǔn)備一張安 裝于物平面的膠片即可，在調(diào)試時(shí)，用于顯示參考圖像的LCD上所有像素都應(yīng) 處于全透明狀態(tài)，然后調(diào)節(jié)像平面6的位置，使物平面膠片3上的刻度在像平 面6上成像質(zhì)量達(dá)到最好，如果像平面6上裝的是CCD這樣的圖像采集設(shè)備的 光敏面，則可以方便地通過圖像采集設(shè)備所連接的監(jiān)視器觀察成像質(zhì)量協(xié)助調(diào) 節(jié)。調(diào)試安裝完畢之后，撤去物平面3上的膠片，如果是用膠片顯示圖像，還 要撤去調(diào)試時(shí)安裝的透明膠片，更換為顯示參考圖像的膠片；如果使用LCD， 則在兩個(gè)LCD顯示屏上分別顯示輸入圖像和參考圖像，遮蔽雜散光，開啟光源， 就可以使用此非相干光相關(guān)器了。將圖4 (a)、 (b)中所示的兩個(gè)邊緣增強(qiáng)的"E"和"F"分別作為輸入圖像2、參考圖像4，則理想狀況下它們的相關(guān)圖樣應(yīng)如圖5 (a)所示，而利用非 相干光相關(guān)器進(jìn)行計(jì)算的實(shí)際結(jié)果則如圖5 (b)。通過比較可以看出，兩者大體 是相同的，這說(shuō)明本文提出的相關(guān)器是一個(gè)有效的相關(guān)運(yùn)算系統(tǒng)。但是，也可 以看出，圖5 (a)與圖5 (b)相比，后者與前者相比在兩個(gè)方向都有明顯的展 寬。這是由于衍射引起的現(xiàn)象，在所有類型的非相干光相關(guān)器中都是存在的。
權(quán)利要求
1、一種成倒像投影關(guān)系的非相干光相關(guān)器，其特征在于沿著漫散射背光源(1)發(fā)出的漫反射光波傳播的方向，依次有輸入圖像(2)、物平面(3)、參考圖像(4)、成像透鏡(5)及像平面(6)；物平面(3)位于輸入圖像(2)平面和參考圖像(4)平面之間，兩者對(duì)角連線的交點(diǎn)上。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的成倒像投影關(guān)系的非相干光相關(guān)器，其特征在于: 所述的輸入圖像(2)平面緊貼在漫散射背光源(1)平面的后面；所述的輸入 圖像(2)的邊長(zhǎng)a小于或等于背光源(1)的邊長(zhǎng)A。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的成倒像投影關(guān)系的非相干光相關(guān)器，其特征在于 所述的輸入圖像(2)和參考圖像(4)是繪制或打印或曝光在膠片上的，或是 用液晶顯示器(LCD)顯示的圖像，所述輸入圖像(2)是倒置的，所述輸出圖 像(4)是正置的。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的成倒像投影關(guān)系的非相干光相關(guān)器，其特征在于所述物平面(3)上放置的膠片上印有圖像。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的成倒像投影關(guān)系的非相干光相關(guān)器，其特征在于所述物平面(3)上放置的印有圖像的膠片上印有清晰、精確的刻度線。
6、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的成倒像投影關(guān)系的非相干光相關(guān)器，其特征在于-所述物平面(3)上放置的印有圖像的膠片的有效部分的邊長(zhǎng)c滿足關(guān)系式<formula>formula see original document page 2</formula>式中"為輸入圖像(2)的邊長(zhǎng)，"為參考圖像(4)的邊長(zhǎng)。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的成倒像投影關(guān)系的非相干光相關(guān)器，其特征在于所述輸入圖像(2)平面到物平面(3)的距離-Z。和參考圖像(4)平面到物平 面(3)的距離Z;之間滿足關(guān)系式<formula>formula see original document page 3</formula>
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的成倒像投影關(guān)系的非相干光相關(guān)器，其特征在于: 所述的成像透鏡(5)緊貼在參考圖像膠片(4)的后面；所述的成像透鏡(5) 的尺寸和參考圖像(4)的尺寸大小一致。
9、 根據(jù)權(quán)利要求2或8所述的成倒像投影關(guān)系的非相干光相關(guān)器，其特征 在于在所述的輸入圖像(2)平面的邊長(zhǎng)"不等于背光源(1)的邊長(zhǎng)A時(shí)， 輸入圖像(2)平面的四周覆有不透光遮擋材料；在所述的成像透鏡(5)的尺 寸不等于參考圖像(4)平面的尺寸時(shí)，成像透鏡(5)的四周覆有不透光遮擋 材料。
10、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的成倒像投影關(guān)系的非相干光相關(guān)器，其特征在 于所述的參考圖像平面(4)到物平面(3)的距離z;小于物平面(3)到成像 透鏡(5)物方主點(diǎn)的距離-Z，所述的成像透鏡(5)為單個(gè)薄透鏡或透鏡組， 透鏡組的物方主面偏后。
11、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的成倒像投影關(guān)系的非相干光相關(guān)器，其特征在于所述物平面(3)到成像透鏡(5)物方主點(diǎn)的距離-Z與像平面(6)到成像透鏡(5)像方主點(diǎn)的距離Z'滿足關(guān)系式<formula>formula see original document page 3</formula>式中c'為像平面(6)有效部分的邊長(zhǎng)。
全文摘要
一種成倒像投影關(guān)系的非相干光相關(guān)器，其特征在于沿著漫散射背光源發(fā)出的漫反射平面波傳播的方向依次有輸入圖像、物平面、參考圖像、成像透鏡及像平面；輸入圖像是倒置的；輸入圖像依據(jù)小孔成像原理以倒像的形式投影在參考圖像平面上；物平面位于輸入圖像平面和參考圖像平面之間兩者對(duì)角連線的交點(diǎn)上，是一個(gè)沒有背光源遮擋的實(shí)物面，物像的成像類型不依賴于輸入圖像和輸出圖像的尺度比例，通過在這個(gè)真實(shí)存在的確定位置上放置物體可以方便的調(diào)節(jié)像平面位置。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝調(diào)試簡(jiǎn)便，在光學(xué)信息處理領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)G02B27/42GK101216609SQ200810032370
公開日2008年7月9日 申請(qǐng)日期2008年1月8日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月8日
發(fā)明者戍 陳 申請(qǐng)人:上海工程技術(shù)大學(xué)