成倒像投影关系的非相干光相关器.pdf

一种成倒像投影关系的非相干光相关器，其特征在于：沿着漫散射背光源发出的漫反射平面波传播的方向依次有输入图像、物平面、参考图像、成像透镜及像平面；输入图像是倒置的；输入图像依据小孔成像原理以倒像的形式投影在参考图像平面上；物平面位于输入图像平面和参考图像平面之间两者对角连线的交点上，是一个没有背光源遮挡的实物面，物像的成像类型不依赖于输入图像和输出图像的尺度比例，通过在这个真实存在的确定位置上放置物体可以方便的调节像平面位置。本发明结构简单、安装调试简便，在光学信息处理领域具有广泛的应用前景。

1.  一种成倒像投影关系的非相干光相关器，其特征在于：
沿着漫散射背光源(1)发出的漫反射光波传播的方向，依次有输入图像(2)、物平面(3)、参考图像(4)、成像透镜(5)及像平面(6)；
物平面(3)位于输入图像(2)平面和参考图像(4)平面之间，两者对角连线的交点上。

2.  根据权利要求1所述的成倒像投影关系的非相干光相关器，其特征在于：所述的输入图像(2)平面紧贴在漫散射背光源(1)平面的后面；所述的输入图像(2)的边长a小于或等于背光源(1)的边长A。

3.  根据权利要求1所述的成倒像投影关系的非相干光相关器，其特征在于：所述的输入图像(2)和参考图像(4)是绘制或打印或曝光在胶片上的，或是用液晶显示器(LCD)显示的图像，所述输入图像(2)是倒置的，所述输出图像(4)是正置的。

4.  根据权利要求1所述的成倒像投影关系的非相干光相关器，其特征在于：所述物平面(3)上放置的胶片上印有图像。

5.  根据权利要求4所述的成倒像投影关系的非相干光相关器，其特征在于：所述物平面(3)上放置的印有图像的胶片上印有清晰、精确的刻度线。

6.  根据权利要求4所述的成倒像投影关系的非相干光相关器，其特征在于：所述物平面(3)上放置的印有图像的胶片的有效部分的边长c满足关系式：
c≤2ada+d]]>
式中a为输入图像(2)的边长，d为参考图像(4)的边长。

7.  根据权利要求1所述的成倒像投影关系的非相干光相关器，其特征在于：所述输入图像(2)平面到物平面(3)的距离-Z₀和参考图像(4)平面到物平面(3)的距离Z₀′之间满足关系式：
-Z0Z0′=ad]]>

8.  根据权利要求1所述的成倒像投影关系的非相干光相关器，其特征在于：所述的成像透镜(5)紧贴在参考图像胶片(4)的后面；所述的成像透镜(5)的尺寸和参考图像(4)的尺寸大小一致。

9.  根据权利要求2或8所述的成倒像投影关系的非相干光相关器，其特征在于：在所述的输入图像(2)平面的边长a不等于背光源(1)的边长A时，输入图像(2)平面的四周覆有不透光遮挡材料；在所述的成像透镜(5)的尺寸不等于参考图像(4)平面的尺寸时，成像透镜(5)的四周覆有不透光遮挡材料。

10.  根据权利要求1所述的成倒像投影关系的非相干光相关器，其特征在于：所述的参考图像平面(4)到物平面(3)的距离z₀′小于物平面(3)到成像透镜(5)物方主点的距离-Z，所述的成像透镜(5)为单个薄透镜或透镜组，透镜组的物方主面偏后。

11.  根据权利要求1所述的成倒像投影关系的非相干光相关器，其特征在于：所述物平面(3)到成像透镜(5)物方主点的距离-Z与像平面(6)到成像透镜(5)像方主点的距离Z′满足关系式：
-ZZ′=cc′]]>
式中c′为像平面(6)有效部分的边长。

成倒像投影关系的非相干光相关器
技术领域
本发明涉及一种光学投影相关器，特别是一种用于光学信息处理的非相干光相关器。
技术背景
非相干光相关器是不同于4f系统的匹配滤波和联合变换相关的另一种光学相关方案，非相干光相关器利用非相干光的漫散射特性，通过透镜变换，对各个方面的平移图像进行叠加，直接得到两幅图像的相关结果，在光学信息处理方面具有广泛的应用前景。然而，在实际应用中，由于安装过程中的误差，需要对器件位置进行调节，而透镜两个主面位置难以通过测量确定，尤其是像平面的位置最难确定，确定像平面的最好的办法就是在物平面放置一物体，调节像平面位置，使物体清晰的成像。而成正像投影关系的非相干光相关器是将输入图像以正像投影到参考图像平面，成像类型取决于输入图像和参考图像两者大小的比例，在图3所示的成正像投影关系的非相干光相关器中，物平面3的位置在三条虚线段的交点处，两图中的虚线矩形就是物平面所在的位置，可以看出，物平面的位置总是在输入图像、参考图像两者中较小的一个图像的外侧，图3(a)中的物平面在输入图像的外侧，背光源实际遮挡了物平面，要观察成像质量，就必须拆除背光源和输入图像以避免遮挡，待调节好像平面后再安装，或者将背光源作为最后安装的器件。而背光源1是相关器光路中最笨重的器件，拆装不易，安装过程中的震动、碰撞都可能使已安装完毕的器件的位置产生偏移，另外，如果输入图像和参考图像大小相近，物平面的位置就会离透镜很远，难以找到这样长的光学平台既放置相关器，又放置物平面上的物体；图3(b)中的物平面在参考图像的外侧，它是一个虚物面，只是像平面的共轭面，不是实际存在的，也就不可能利用物平面上的物体成像调节像平面位置。
发明内容
本发明的目的：旨在提供一种能够克服上述缺陷，物像的成像类型不依赖于输入图像和输出图像的尺度比例关系，便于成像面位置调节的成倒像投影的非相干光相关器。
本发明的技术解决方案：
一种成倒像投影关系的非相干光相关器，其技术实质如下：沿着漫散射背光源1发出的漫反射平面波传播的方向依次有输入图像2、物平面3、参考图像4、成像透镜5及像平面6；物平面3位于输入图像平面2和参考图像平面4之间两者对角连线的交点上。
所述输入图像平面2紧贴在漫散射背光源平面1的后面，输入图像2的边长a小于或等于背光源1的边长A；所述输入图像2和参考图像4是绘制或打印或曝光在胶片上的，或是用液晶显示器LCD显示的图像，所述输入图像2是倒置的；所述置于物平面3的胶片上印有图像，最好印有刻度精确细致的刻度线，其有效部分的边长c满足关系式：c≤2ada+d,]]>式中a为输入图像2的边长，d为参考图像4的边长；所述输入图像平面2到物平面3的距离-Z₀和参考图像平面4到物平面3的距离Z₀′之间满足关系式：-Z0Z0′=ad;]]>所述成像透镜5紧贴在参考图像胶片4的后面，成像透镜5的尺寸和参考图像4的尺寸大小一致；在所述的输入图像(2)平面的边长a不等于背光源(1)的边长A时，输入图像(2)平面的四周覆有不透光遮挡材料；在所述的成像透镜(5)的尺寸不等于参考图像(4)平面的尺寸时，成像透镜(5)的四周覆有不透光遮挡材料；所述参考图像平面4到物平面3的距离z₀′小于物平面6到成像透镜5物方主点的距离，简称物距-Z；所述成像透镜6为成像质量好、焦距短的单个薄透镜或透镜组，若为透镜组，选用物方主面偏后的透镜组；所述物平面3到成像透镜5物方主点的距离-Z与像平面6到成像透镜5像方主点的距离Z′满足关系式：-ZZ'=cc']]>式中c′为像平面(6)有效部分的边长。
本发明的突出优点和特点是：
1、物平面在输入图像平面和参考图像平面之间，没有背光源遮挡，一方面避免了由于背光源遮挡带来的诸如拆装不易，安装过程中的震动、碰撞等可能使已安装完毕的器件的位置产生偏移的麻烦；另一方面较之于物平面位于背光源外侧的情况，大大缩小了相关器所占空间，有助于实现装置小型化，从而节约成本，且易于安装调试；
2、本发明的非相干光相关器的成像类型不依赖于输入图像和输出图像的尺度比例，总是对实物面成像，通过在真实存在的确定物平面上放置物体能够很容易的确定像平面的位置，大大缩短了安装调试相关器所需时间，极大的节约了人力和物力。
附图说明
附图1为成倒像投影关系的非相干光相关器光学结构示意图；
附图2为成倒像投影关系的非相干光相关器原理示意图；
附图3为成正像投影关系的非相干光相关器；
附图4(a)、(b)分别为相关运算中的输入图像和参考图像；
附图5为附图4(a)与附图4(b)图像的相关图样：附图5(a)为理想图样；附图5(b)为有展宽的实际图样。
图中：1、漫散射背光源  2、输入图像  3、物平面  4、参考图像  5、成像透镜  6、像平面。
具体实施方式
按照附图1所示的成倒像投影关系的非相干光相关器，沿着漫散射背光源1发出的漫反射平面波传播的方向依次有输入图像2、物平面3、参考图像4、成像透镜5及像平面6；物平面3位于输入图像平面2和参考图像平面4之间两者对角连线的交点上。
所述输入图像平面2紧贴在漫散射背光源平面1的后面；输入图像2的边长a等于背光源1的边长A；所述的输入图像2是倒置的，从而保证其在参考图像平面的投影为正像。
所述物平面3位于输入图像平面2和参考图像平面4之间两者对角连线的交点上；物平面3有效部分的边长c满足关系式：c≤2ada+d,]]>式中a为输入图像2的边长，d为参考图像4的边长；所述输入图像2平面到物平面3的距离-Z₀和参考图像4平面到物平面3的距离Z₀′之间满足关系式：-Z0Z0′=ad.]]>
所述成像透镜5紧贴在参考图像4胶片的后面；成像透镜5的尺寸和参考图像4平面的尺寸大小一致；为了缩短整个光路的长度，所述的成像透镜5选择成像质量较好、焦距短的透镜。
所述参考图像4平面到物平面3的距离z₀′小于物平面6到成像透镜5物方主点的距离，简称物距-Z；所述物距-Z和像平面6到成像透镜5像方主点的距离简称像距Z′之间满足关系式：-1Z+1Z′=1f′]]>和-ZZ′=cc′,]]>式中f为成像透镜5的焦距；c′为像平面6有效部分的边长。
所述输入图像2以倒像的形式投影在参考图像4平面上，其中参考图像4和输入图像2是相对而言的，可以任意指定其中任意一个为参考图像，另一个就是输入图像，两者没有本质的区别。
所述的输入图像2和参考图像4采用像素尺寸较小即分辨率高的液晶显示器(LCD)显示，其衍射项出现在像场之外，从而保证良好的成像质量。
所述的选用薄的普通黑白摄影胶片作为位于物平面3上的胶片，该胶片上印有图像，为了调节成像方便，胶片上还印有刻度精确的刻度线，且刻度线足足够细、颜色足够黑，与胶片上的透明区域有较高的对比度，刻度是十字型的(横向和纵向)。
所述的像平面用于相关计算输出，选用科研专用的科学级CCD作为图像采集设备，用于定量记录结果；在使用时，图像采集设备的成像面安置在像平面6上，卸下仪器的镜头，直接使用相关器中的透镜5成像。
若所述漫散射背光源1的尺寸A大于输入图像2平面，应采取遮挡的方法使透光部分和输入图像2大小一致，即在输入图像2平面的四周覆有不透光遮挡材料；若所述成像透镜5的尺寸小于参考图像4平面；则在成像透镜(5)的四周包覆不透光遮挡材料，确保除了参考图像4范围之内的光线之外，不会有其他光线由物方一侧经透镜5折射入像方一侧。
所述的输入图像2和参考图像4也可以绘制或打印或曝光在胶片上。
所述的用于物平面3的胶片上的刻度也可以是网格状的，胶片的选材越薄越好。
所述的像平面用于相关计算输出，如果用户只需目视观测相关计算结果，则只要在像平面6放置一个白色屏幕即可；图像采集设备也可以是普通照相机、数码相机、摄像机等，由于成像仪器的成像面大小是固定的，而成像面的大小又和此相关器的其他参数满足一定的函数关系，因此成像仪器的选择决定了相关器多个参数的取值范围。
本发明的基本原理是：
从漫散射光源1发出的光束经倒置的输入图像2，如图2所示，将穿过输入图像2的光线分组，汇聚在物平面上某一特定点的光线分为一组，每一组在物平面3汇聚的光线，又会因继续传播而发散，根据小孔成像原理，到参考图像平面4时，每一组光线就会在成像平面4上呈现出输入图像2的倒像，每一组光线经过参考图像胶片4(或LCD)之后，相当于输入图像2和参考图像4的对应点作了一次相乘运算，之后这一组光线再经过透镜5折射汇聚于像平面6上，相当于各点相乘的结果又作了一次相加运算。由图2同样可以看出，不同组的光线不仅对应物平面上的不同汇聚位置(小孔)，也对应输入图像投影的不同偏移量，也就代表两个图像作相乘运算时相对偏移不同。根据二维函数(图像)的相关运算定义，输入图像(的投影)T′(ξ′，η′)和参考图像P(ξ′，η′)的相关函数为：
I(ξ₀′，η₀′)＝∫∫T′(ξ′-ξ₀′，η′-η₀′)P(ξ′，η′)dξ′dη′  (1)
式中的偏移量(ξ₀′，η₀′)是相关函数I的变量，正好和输入图像投影的偏移量对应，而式中的求积分式又正好和透镜汇聚一组光线于像平面6作求和运算对应，因此像平面6的光强分布就对应的是求积分后的相关函数。
本发明的相关器的具体安装调试步骤如下：
将所有器件按照图1所示的位置关系安装，由于漫散射背光源1一般比较笨重，一旦安装好就不再移动，因此先安置此光源，严格地按照前述相关器之间的距离参量应满足的参量关系确定输入图像2和参考图像4到物平面3的距离-z₀与Z₀′，并确保所有器件的中心在同一条直线——即在透镜(或透镜组)5的光轴上，所有胶片(或LCD的基片)的平面、透镜(或透镜组)5的主面、成像面6都应垂直于光轴，安装并固定完输入图像2、物平面3和参考图像4三个器件之后，再调节透镜或透镜组5的位置，使物平面3到透镜物方主面的距离参量为-Z(无特殊要求，这个参量不必十分严格)，如果输入图像和参考图像是印制在胶片上的，则应再准备两张胶片，其中一张是安装于物平面3的胶片，另一张是和参考图像同样规格的透明胶片，在调试时用透明胶片替换显示参考图像的胶片；如果输入图像和参考图像是使用LCD显示的，则只需准备一张安装于物平面的胶片即可，在调试时，用于显示参考图像的LCD上所有像素都应处于全透明状态，然后调节像平面6的位置，使物平面胶片3上的刻度在像平面6上成像质量达到最好，如果像平面6上装的是CCD这样的图像采集设备的光敏面，则可以方便地通过图像采集设备所连接的监视器观察成像质量协助调节。
调试安装完毕之后，撤去物平面3上的胶片，如果是用胶片显示图像，还要撤去调试时安装的透明胶片，更换为显示参考图像的胶片；如果使用LCD，则在两个LCD显示屏上分别显示输入图像和参考图像，遮蔽杂散光，开启光源，就可以使用此非相干光相关器了。
将图4(a)、(b)中所示的两个边缘增强的“E”和“F”分别作为输入图像2、参考图像4，则理想状况下它们的相关图样应如图5(a)所示，而利用非相干光相关器进行计算的实际结果则如图5(b)。通过比较可以看出，两者大体是相同的，这说明本文提出的相关器是一个有效的相关运算系统。但是，也可以看出，图5(a)与图5(b)相比，后者与前者相比在两个方向都有明显的展宽。这是由于衍射引起的现象，在所有类型的非相干光相关器中都是存在的。