【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及一种平面集成相关器的装置的设计与改进，尤其是对其
傅立叶变换透镜和系统结构进行改进。【背景技术】
[0002] 在
模式识别领域中，光学相关器因为其处理速度快、识别
精度高及可并行处理的特点而备受关注，然而受制于自身的技术难题没有得到解决而很少被实际应用。直到上世纪80年代，由于实时光电转换器件的发展和应用，使得相关模式识别摆脱了纯电识别方法中处理速度慢和纯光识别方法中
滤波器制作困难的缺点，以光电混合系统为发展方向的相关模式识别由此成为新的研究热点，光学和数字
电路各自的处理优势得到了越来越好的结合，在识别速度高和识别图像信息量大的
图像识别场合有很大的应用价值。目前的光学相关器主要有两大类：范德鲁特相关器(VanderLugt Correlator，VLC)和联合变换相关器(Joint Transform Correlator，JTC)。
[0003] JTC主要特征是参考图像与目标图像同时输入光学运算系统，在第一个傅立叶变换平面上记录联合变换
功率谱，联合变换功率经过第二次傅立叶后获得一对相关输出。JTC调节简单，但其光能利用率低。
[0004] VLC主要特征是采用了4f系统，在第一个傅立叶
频谱面放置参考图像的傅立叶变换共轭谱函数，自相关时会在探测面上产生一个很亮的相关峰。VLC在光能利用率、多目标识别等方面有巨大优势。
[0005] 光学识别在军民用方面如指纹识别、掌纹识别、
人脸识别、
飞行器识别等 必然会有很大的需求和发展，微型化、高速率、低成本相关器成为光学识别的发展迫切需求。
[0006] 1990年，Perkin Elmer公司和美国陆军导弹司令部(Army Missile Command，MICOM)制造的MICOM Correlator是第一台被实际应用的光学相关器(Don A.Gregory et al，SPIE 1296，2-19，1990)，它的输入面LCVC为光直写透射式SLM。滤波器用全息胶片制作。该系统
光源是
波长780mm的
半导体激光器，采用望远透镜组实现光学傅立叶变换。该系统采用棱镜结构压缩体积，但该系统结构复杂，不易于安装和固定；全息胶片制作成的滤波器需要预先制作，无法对不同目标进行实时切换识别。
[0007] 1997年，以色列S.Reinhorn等人使用平面光学系统原理设计光学相关器，在他的模型中，用全息法制作离轴衍射光学元件替代了传统的傅立叶变换透镜，缩短了系统长度且使得系统各元件易于安装和固定。但是由于使用了多个全息元件，使得系统的光能利用率变得很低，而且系统的体积仍然较大，各器件仍然分离，没有实现集成化。
[0008] 美国Litton Data System公司分别在1994，1997，1998年先后推出了三代MROCTM系列产品，这三代光学相关器均采用了折反式光路设计，其中第三代在输入和滤波面都采用反射型
铁电
液晶空间光
调制器(FLC-SLM)(David T.Carrott，SPIE 3386，38-44，1998)。MROCIII系统由于采用折反式光路设计，结构简单，容易集成。但其傅立叶透镜采用了传统普通的凹凸透镜，不能很好地消除斜入射带来的像差问题。
[0009] 目前国内对光学相关器的研究主要集中在JTC方面，与本实用新型结构相差较大，在此就不多说。
[0010] 平面光学系统是采用衍射光学元件组成的平面型系统，将元件集成在平面 片基上，能满足现代光电混合处理系统小型、集成结构的需求。本实用新型提出的平面集成VLC的设计方法和装置与之前所出现的VLC相比，能很好地解决VLC的小型化、集成化、实用化问题，满足光学相关器的发展需求。【实用新型内容】
[0011] 本实用新型提出了一种平面集成相关器的装置，将二元光学设计与制作技术引入光学相关器研究领域制作傅立叶变换元件，具有可大规模复制生产等优点；采用平面光学系统结构的折反式光路设计，大大缩小了系统的体积，实现了VLC的小型化；将相关器中组成4f系统的输入面、两个傅立叶变换元件、滤波面、输出面全部集成到一个基底平面上，与另一个偏振基底平面构成一个集成相关器装置。克服了传统光学相关器中多个元件安装与调整困难的缺点，提高了系统的
稳定性，实现了元件的高度集成、光学VLC的小型化以及实用化。
[0012] 本实用新型的技术方案如下：
[0013] 一种平面集成相关器的装置，其结构包括两
块平行基底组成的中空构架、输入面、滤波面、探测面、偏振反射面和两个傅立叶变换元件；其特征在于，所述结构为两块平行的基底的一个相对面简称变换面上集成输入面、两个傅立叶变换元件、滤波面、探测面，另一个相对面为偏振基底平面简称偏振反射面，变换面和偏振反射面构成一个斜入射折反式4f光学滤波系统。
[0014] 所述的平面集成相关器的装置，其中，所述的装置的光线入射
角、反射角为2°到30°。
[0015] 所述的平面集成相关器的装置，其中，所述的输入面和滤波面均为计算机实时控制的能实时智能计算的光电信息转换器件。
[0016] 所述的平面集成相关器的装置，其中，所述的输入面和滤波面均选自空间光调制器(Spatial Light Modulator，SLM)。
[0017] 所述的平面集成相关器的装置，其中，所述的探测面为光强探测器。
[0018] 所述的平面集成相关器的装置，其中，所述的光强探测器选自CCD、CMOS、数码
照相机、摄像机。
[0019] 所述的平面集成相关器的装置，其中，所述的偏振反射面(Polarizing Reflective Mirror，PRM)选自偏振反射镜、偏振反射膜层、微纳结构偏振
反射器。
[0020] 所述的平面集成相关器的装置，其中，所述的两个傅立叶变换元件均为衍射光学元件(Diffractive Optical Element，DOE)。
[0021] 所述的平面集成相关器的装置，其中，所述的DOE选自菲涅尔透镜、全息透镜。
[0022] 所述的平面集成相关器的装置，其中，所述的DOE为反射式结构。
[0023] 所述的平面集成相关器的装置，其中，所述的DOE的光学表面微结构形状采用椭圆环带结构，中心环带疏且宽、边缘环带密且细，采用多台阶二元光学结构；根据结构确定其焦距，焦距为5cm～30cm。
[0024] 所述的平面集成相关器的装置，其中，所述的基底的材质为金属材料或非金属材料。
[0025] 所述的平面集成相关器的装置，其中，所述的金属材料选自
铝、
钢，非金属材料选自光学玻璃、光学有机物。
[0026] 本实用新型所提供的一种平面集成相关器，由于采用了折反式集成化的4f结构，实现了VLC的小型化、集成化、稳定化；利用衍射光学技术制作成的透镜可以较好地消除斜入射带来的像差问题，提高了系统的识别能
力；DOE可以采用大规模集成电路技术进行复制制作，降低了加工成本，简化了生产工艺。
附图说明
[0027] 图1为本实用新型系统的各元件的两种放置方式。
[0028] 图2(a)和图2(b)所示分别为本实用新型的具体产品结构的系统平面图和立体示意图。
[0029] 图3(a)和图3(b)分别为本实用新型的DOE透镜的俯视示意图和横截面示意图。
[0030] 图4为本实用新型的DOE透镜的光线传播示意图。【具体实施方式】
[0031] 以下对本实用新型的较佳
实施例加以详细说明。
[0032] 光学相关器实用化的关键在于如何实现其集成化、小型化以及低成本化。平面光学系统是采用衍射光学元件组成的平面集成型系统，旨在克服通常光学系统中多个光学元件安装调整困难的缺点，能满足现代光电混合处理系统小型化、集成化的需求。以下对本实用新型的较佳实施例加以详细说明。
[0033] 本实用新型采用了离轴折反式平面光学结构，系统由两个平面组成。离轴角度的大小影响着系统的性能和体积，光线入射角度可以在2°～30°设计。本实用新型变换面上的各个元件可以采用密排方式也可以在相互间留有一定的空隙方式，如图1所示。两种方式的上表面
镀有偏振反射膜，下表面放置系统元件。
[0034] 在本实例中，系统设计的光线入射角度为10°，输入面和滤波面上的计算机实时控制光电信息转换元件皆为SLM，在探测面上选择动态范围较大的CCD作为
数据采集器，在反射面上镀上偏振反射膜，片基选择光传播性良好的PMMA。
[0035] 因为SLM是非连续周期性元件，因此对输入图像抽样、傅立叶变换后，形成多级成像给系统带来除了零级衍射外的高级衍射杂散光，预留空隙可以过滤 掉一些杂散光，减少对零级光串扰现象，提升系统的抗噪声能力。
[0036] 本实例选择的SLM的面积为25mm*25mm，制作而成的DOE元件面积也为25mm*25mm，因此在系统变换面的固定
位置预留四个面积为25mm*25mm的位置以安装SLM、DOE元件；本实例中的CCD面积也可选择为25mm*25mm，根据4f系统结构计算得到各元件之间的空隙距离为10mm，系统的设计体积为长16.5cm*宽2.5cm*高9.8cm。
[0037] 本实例平面集成相关器的实施方法有多种，现列举两种。一种实施方法，将各个元件按照本实例的立体结构图2(a)和图2(b)示的位置，分别固定在同一基底的上下平面。另一种实施方法，是采用
光刻等微纳光学制作工艺，在同一块
石英等基底上制作出图2(b)中所示的各个单元器件。
[0038] 由于本系统采用离轴斜入射方式，产生离轴像差问题。传统凹凸透镜不能很好地消除此像差，而DOE可以在理论上实现任意
相位变换，在本实例中的DOE采用菲涅尔透镜设计。经过理论分析，在菲涅尔透镜函数中增加一个倾斜因子可以消除离轴相差，而
光学透镜形状由正圆环带状变为椭圆环带状。
[0039] 根据系统设计，该菲涅尔透镜面积为25mm*25mm，焦距设置为20cm。本实用新型引入二元光学技术，对菲涅尔透镜进行八个台阶量化制作(衍射效率可达94.9％)，如图3所示；折反式的光学相关器需要在菲涅尔透镜背面镀上反射膜，其光线传播方式如图4所示。
刻蚀制作出的DOE可作为母版，在大规模生产时采用压印等方式进行快速生产。
[0040] 本实用新型所述DOE透镜可以采用二元光学制作工艺，即利用微
电子技术中的光刻、蚀刻单元工艺等进行多次掩膜套刻，来实现多台阶微浮雕的微单元阵列结构；用该多台阶微浮雕结构来逼近本实用新型所述DOE表面微结构的连续相位轮廓。也可用微光学制作工艺，如灰度掩膜、激光直写等技术，来实现 上述连续浮雕的微单元阵列结构。
[0041] 本实用新型的DOE透镜采用微光学、二元光学加工方法制作，亦可采用高精度微
机械加工技术及相关的技术制作。制作出来的微光学单元结构体现出微光学中特有的衍射现象，可以降低或消除明暗条纹，提高出射光均匀性。与传统的精密机械加工方式相比，上述加工方式具有加工精度高，在保证相同加工精度的情况下制造成本相对低的优势。这些加工工艺为
现有技术所知可实现，在此不再赘述。
[0042] 应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本实用新型所附
权利要求的保护范围。
