Оптичний корелятор

1 Оптичний корелятор, який складається з лазера та послідовно за ходом пучка лазера розміщених коліматора, першого СВІТЛОПОДІЛЬНОГО кубика, еталонного і досліджуваного зображень, дзеркала, об'єктива для формування спектра Фур'є еталонного і/або досліджуваного зображень, об'єктива для формування кореляційної функції еталонного і досліджуваного зображень, фоточутливого середовища, розміщеного в другій фокальній площині об'єктива для формування спектра Фур'є еталонного і/або досліджуваного зображень, фотоприймача, розміщеного в другій фокальній площині об'єктива, для формування кореляційної функції еталонного і досліджуваного зображень, який відрізняється тим, що додатково містить перший поляризатор, другий СВІТЛОПОДІЛЬНИЙ ку Винахід відноситься до засобів оптичної обробки інформації, обчислювальної та електронної техніки і може бути використаний при створенні оптоелектронних систем розпізнавання зображень, в тому числі для ідентифікації захищених від підробки особливо важливих документів, цінних паперів та інших об'єктів ВІДОМІ ОПТИЧНІ корелятори сумісного фур'єперетворення [1, 2] для розпізнавання зображень, в тому числі для ідентифікації об'єктів, захищених випадковими фазовими масками, шляхом пошуку кореляційної функції цих зображень Проте корелятори сумісного фур'є-перетворення мають низьку швидкодію через те, що при кожному порівнянні бик, оптичний елемент для повертання пучка лазера на 90°, оптичний елемент для повертання площини поляризації на 90°, поляризаційний кубик, які послідовно розміщені після коліматора за ходом пучка лазера, а також додатково містить другий поляризатор, розміщений між фоточутливим середовищем і об'єктивом для формування кореляційної функції еталонного і досліджуваного зображень, еталонне та досліджуване зображення розміщені на суміжних гранях поляризаційного кубика, при цьому еталонне - після СВІТЛОПОДІЛЬНОГО кубика, а досліджуване - після оптичного елемента для обертання площини поляризації на 90°, як фоточутливе середовище для запису фур'єголограми використовують реверсивні матеріали фотохромне скло, бактерюрадопсин, просторовочасові модулятори світла з оптичним входом 2 Оптичний корелятор за п 1, який відрізняється тим, що площини поляризації поляризаторів взаємно ортогональні 3 Оптичний корелятор за п 1, який відрізняється тим, що СВІТЛОПОДІЛЬНИЙ кубик і оптичний елемент для повертання пучка лазера на 90° виконані як одне ціле 4 Оптичний корелятор за п 1, який відрізняється тим, що СВІТЛОПОДІЛЬНИЙ і поляризаційний кубики розміщені на відстані, яка відповідає товщині еталонного зображення, причому кубики жорстко зв'язані між собою двох образів (еталонного і досліджуваного) необхідно записувати голограму на фоточутливому середовищі Відомий І вибраний за прототип оптичний корелятор структури Вандер Люгта [3], який складається з лазера (генератора когерентного оптичного випромінювання), коліматора для розширення лазерного пучка, СВІТЛОПОДІЛЬНОГО кубика, еталонного зображення, дзеркала, об'єктива для формування спектру Фур'є еталонного або досліджуваного зображення, фоточутливого середовища для запису фур'є-голограми еталонного зображення, об'єктива для формування кореляційної функції двох зображень (еталонного і досліджуваного) і О со (О сч ю 52643 оптичним входом Поставлене завдання досягається ще й тим, що площини поляризації поляризаторів в ньому взаємно ортогональні, СВІТЛОПОДІЛЬНИЙ кубик і оптичний елемент для повертання пучка лазера на 90° виконані як одне ціле, причому СВІТЛОПОДІЛЬНИЙ І поляризаційний кубики розміщені на відстані, яка відповідає товщині еталонного зображення, і кубики жорстко зв'язані між собою Введення додаткових оптичних елементів у відомий корелятор структури Вандер Люгта з використанням реверсивного фоточутливого середовища дозволяє виконати поставлене завдання винаходу Введення ще одного СВІТЛОПОДІЛЬНОГО кубика, поляризаційного кубика, оптичного елемента для повертання пучка лазера на 90°, оптичного елемента для повертання площини поляризації пучка лазера на 90° і поляризаторів дозволяє створити канал запису голограми Фур'є еталонного зображення і паралельний канал для введення досліджуваного зображення, причому ці зображення в кореляторі можуть знаходитися одночасно і вони є оптично суміщені Завдяки тому, що поляризація пучка лазера каналу досліджуваного зображення ортогональна до поляризації пучків В основу винаходу поставлено завдання залазера, при інтерференції якихзаписується фур'єбезпечити стабільну роботу оптичного корелятора голограма еталонного зображення, і додатково шляхом створення можливості автоматичного повведений поляризатор після другого фур'єстійного перезапису фур'є-голограми на фоточутобєктива, появляється можливість проведення ливому середовищі і оптичного суміщення еталонкореляційного аналізу, коли обидва штерферуючі ного і досліджуваного зображень у ВХІДНІЙ ЙОГО пучки лазера відкриті і проходить процес формуПЛОЩИНІ, завдяки введенню додаткових елементів вання фур'є-голограми Застосування реверсивнота використанню реверсивного фоточутливого го фоточутливого середовища, наприклад фотосередовища хромне скло, голограма на жому записується і Поставлене завдання досягається тим, що оппідтримується на певній дифракційній ефективнотичний корелятор, який складається з лазера» та сті під впливом штерферуючих пучків відповідної послідовно за ходом пучка лазера розміщених інтенсивності, дозволяє автоматично перезаписуколіматора, першого СВІТЛОПОДІЛЬНОГО кубика, етавати фур'є-голограму еталонного зображення при лонного і досліджуваного зображень, дзеркала, випадкових зміщеннях оптичних елементів кореоб'єктива для формування спектру Фур'є еталонлятора В момент введення досліджуваного зоного і/або досліджуваного зображень, об'єктива браження на фоточутливому середовищі голоградля формування кореляційної функції еталонного і ма еталонного зображення формується або вже досліджуваного зображень, фоточутливого сересформована після останнього зміщення оптичних довища, розміщеного в другій фокальній площині елементів під впливом температури чи інших приоб'єктива для формування спектру Фур'є еталончин Жорстке з'єднання СВІТЛОПОДІЛЬНОГО кубика і ного і/або досліджуваного зображень, фотоприйоптичного елемента для повертання пучка на 90°, мача, розміщеного в другій фокальній площині а також жорстке з'єднання другого СВІТЛОПОДІЛЬНОоб'єктива, для формування кореляційної функції ГО кубика і поляризаційного кубика забезпечують еталонного і досліджуваного зображень, згідно з синхронні повороти лазерних пучків, що проходять винаходом додатково містить перший поляризачерез еталонне і досліджуване зображення при тор, другий СВІТЛОПОДІЛЬНИЙ кубик, оптичний елезміщенні оптичних елементів мент для повертання пучка лазера на 90°, оптичний елемент для повертання площини поляризації На фігурі показаний оптичний корелятор на 90°, поляризаційний кубик, які послідовно розОптичний корелятор складається з лазера 1, міщені після коліматора за ходом пучка лазера, а коліматора 2, який розширює і формує паралельтакож додатково містить другий поляризатор, розний лазерний пучок 3, і який містить дві лінзи 4 і 5, міщений між фоточутливим середовищем і об'єкполяризатора 6, який розміщений за ходом пучка З тивом для формування кореляційної функції етаі забезпечує високу ступінь поляризації пучка З, лонного і досліджуваного зображень, еталонне та СВІТЛОПОДІЛЬНОГО кубика 7, розміщеного за ходом досліджуване зображення розміщені на суміжних пучка 3 після поляризатора 6 і який ділить пучок З гранях поляризаційного кубика, при цьому еталонна два пучки 8 і 9, оптичного елемента 10 для поне - після СВІТЛОПОДІЛЬНОГО кубика, а досліджуване вертання пучка 9 на 90°, розміщеного впритул до - після оптичного елемента для повертання плоСВІТЛОПОДІЛЬНОГО кубика 7 і жорстко з ним зв'язанощини поляризації на 90°, як фоточутливе середого, завдяки чому забезпечується паралельність вище для запису фур'є-голограми використовують поширення пучків 8 і 9, оптичного елемента 11 для реверсивні матеріали - фотохромне скло, бактеріповертання площини поляризації пучка 9 на 90°, орадопсін, просторово-часові модулятори світла з чим усувається небажана інтерференція між пучфотоприймача для реєстрації кореляційної функції Однак цей корелятор нестабільний в роботі через зміщення оптичних елементів під впливом термічного ЛІНІЙНОГО розширення і під впливом випадкових механічних ударів чи великих прискорень В цьому кореляторі спочатку записують фур'є-голограму еталонного зображення, яке вводять у його вхідну площину, а потім вводять на місце еталонного зображення досліджуване зображення, або розміщують поряд з еталонним зображенням Якщо в інтервалі часу між записом фур'єголограми і введенням в оптичний корелятор досліджуваного зображення відбувається зміщення оптичних елементів, то кореляційна функція двох зображень буде неправильно сформована В цьому випадку необхідно записувати нову голограму еталонного зображення, що призводить до зниження швидкодії корелятора Введення досліджуваного зображення поряд з еталонним також, як показують експериментальні дослідження, зменшує точність знаходження кореляційної функції еталонного і досліджуваного зображень через неточність виготовлення деталей корелятора 52643 пропускає пучків 12 і 13, але пропускає пучок 9, що послідовно проходить через досліджуване зображення 18, поляризаційний кубик 16, фур'є-обектив 20, фоточутливе середовище 14, поляризатор 21, фур'є-обєктив 22, і попадає на фотоприймач 23 реєстрації кореляційної функції еталонного зображення 17 і досліджуваного зображення 16 СВІТЛОПОДІЛЬНИЙ кубик 15 і поляризаційний кубик 16 жорстко зв'язані між собою За рахунок цього пучки 13 і 9 після поляризаційного кубика 16 поширюються паралельно між собою, навіть якщо кубики 15 і 16 синхронно переміщуються СВІТЛОПОДІЛЬНИЙ кубик 15 розділяє пучок 8 на два пучки 12, який є опорним для запису фур'є-голограми, і 13, що проходить через еталонне зображення 17, же розміщене між СВІТЛОПОДІЛЬНИМ кубиком 15 і поляризаційним кубиком 16 Поляризаційний кубик 16 повертає пучок 9, що пройшов досліджуване зображення 18 на кут 90°, тобто зображення 17 і 18 оптично суміщені, незважаючи на те, що вони розміщені у площинах, ортогональних між собою, причому досліджуване зображення 18 розміщене впритул до поляризаційного кубика 16 Одночасно поляризаційний кубик 16 не впливає на напрям поширення пучка 13, оскільки поляризації пучків 9 і 13 взаємно ортогональні Запропонований оптичний корелятор працює наступним чином Пучок світла лазера 1 розширюється коліматором 2 до діаметра, який визначається більшою апертурою еталонного зображення 17 або досліджуваного зображення 18 В цьому оптичному кореляторі можна використати напівпровідниковий лазер Зколімований пучок 3 лазера 1, падає на поляризатор 6 У випадку поляризованого випромінювання лазера площину поляризації Як фоточутливе середовище 14 використовуполяризатора 6 орієнтують паралельно поляризають реверсивні матеріали, на яких запис голограції пучка 3 і завдяки цьому отримують високу стуми проходить при експонуванні без додаткових пінь поляризації пучка 3 Поляризований пучок З засобів фіксування, а стирання голограми прохопадає на перший СВІТЛОПОДІЛЬНИЙ кубик 7, який дить самостійно при відсутності експонуючих пучрозщеплюються на два пучки 8 і 9, Пучок 9 за доків, причому при зміщенні фоточутливого середопомогою оптичного елемента 10 повертається на вища стара голограма також самостійно кут 90° Оптичний елемент 10 так скріплюють з стирається при одночасному записі нової голограСВІТЛОПОДІЛЬНИМ кубиком 7, щоб напрямки пучків 8 ми До таких реверсивних матеріалів відносяться і 9 були паралельними Пучок 9 проходить також фотохромне скло, бактерюрадопсін, просторовочерез оптичний елемент 11 для повертання плочасові модулятори світла з оптичним входом щини поляризації на 90° Після проходження пучка Як оптичний елемент 10 для повертання пучка 9 оптичного елемента 11, його площина поляриза9 на 90° використовують трикутну призму з оптичції стає ортогональною до площини поляризації но прозорого матеріалу, в основі якої лежить пряпучка 8 Пучок 8 падає на СВІТЛОПОДІЛЬНИЙ кубик мокутний рівнобедрений трикутник СВІТЛОПОДІЛЬ15, який розщеплюється на два пучки 12 і 13, і які ний кубик 7 і оптичний елемент 10 жорстко зв'язані починають поширюватися у взаємноперендикуляміж собою і можуть бути виконані як одне ціле За рних напрямках Пучок 12 відбивається від дзеррахунок цього пучки 8 і 9 поширюються паралелькала 19, проходить поряд з фур'є-обєктивом 20, і но між собою, навіть коли сукупність елементів 7 і падає на фоточутливе середовище 14 як опорний 10 зміщуються як одне ціле пучок для запису фур'є-голограми еталонного зоОптичний елемент 11 для повертання площибраження 17 Пучок 13 проходить через еталонне ни поляризації пучка 9 на 90°, розміщений за хозображення 17, поляризаційний кубик 16, фур'єдом пучка 9 після оптичного елемента 10, може об'єктив 20 і падає на фоточутливе середовище представляти півхвильову пластинку для випромінювання лазера 1 Завдяки наявності оптичного 14, яке розміщене в фокальній площині фур'єелемента 11 пучок 9 отримує поляризацію, яка обєктива 20 Пучок 13, завдяки його поляризації, ортогональна до поляризації пучка 8 Тому пучок 9 проходить поляризаційний кубик 16 без втрат В не штерферує з пучками 13 і 12, при реєстрації площині фоточутливого середовища 14 пучки 12 і інтерференції яких записується фур'є-голограма 13 штерферують між собою і на фоточутливому еталонного зображення 17 на фоточутливому сесередовищі 14 записується фур'є-голограма етаредовищі 14, і таким чином суттєво не впливає на лонного зображення 17 Пучок 9, оскільки його параметри фур'є-голограми Поляризатор 21 не поляризація ортогональна поляризації пучка 13, ком 9 і пучками 12 та 13 в площині розміщення фоточутливого середовища 14, СВІТЛОПОДІЛЬНОГО кубика 15 для розділення пучка 8 на два пучки 12 та 13, поляризаційного кубика 16, жорстко зв'язаного з СВІТЛОПОДІЛЬНИМ кубиком 15, для повертання пучка 9 на 90°, чим забезпечується паралельність поширення пучків 9 і 13, еталонного зображення 17, яке розміщене між СВІТЛОПОДІЛЬНИМ кубиком 15 і поляризаційним кубиком 16 за ходом пучка 13, досліджуваного зображення 18, яке розміщене впритул до поляризаційного кубика 16 після оптичного елемента 11 за ходом пучка 9 і площина розміщення якого ортогональна до площини розміщення еталонного зображення 17, дзеркала 19 для повертання пучка 12, фур'є-обєктива 20 для формування фур'є-спектру еталонного 17 і досліджуваного 18 зображень в площині розміщення фоточутливого середовища 14, яке необхідне для запису фур'є-голограми еталонного зображення 17 в результаті реєстрації інтерференції пучків 12 і 13, другого поляризатора 21 розміщеного після фоточутливого середовища 14 за ходом пучка 12 після фоточутливого середовища 14 і призначеного для гасіння пучка 12, що пройшов фоточутливе середовище 14, фур'є-обєктива 22, який необхідний для формування кореляційної функції зображень 17 і 18, і розміщеного після другого поляризатора 21 за ходом пучка 12, фотоприймача 23 призначеного для реєстрації кореляційної функції зображень 17 і 18 і розміщеного в фокальній площині об'єктива 22, де оптично формується кореляційна функція зображень 17 і 18, що відповідає просторовому розподілу амплітуди пучка 24 в площині реєстрації проходячи через поляризаційний кубик 16, повертається на кут 90° без втрат СВІТЛОПОДІЛЬНИЙ кубик 15 і поляризаційний кубик 16 скріплені так, щоб пучки 17 і 9 після поляризаційного кубика 16 поширювалися паралельно, і відстань між їх осями повинна бути мінімальною Еталонне зображення 17 розміщене між світлоподільним кубиком 15 і поляризаційним кубиком 16 У випадку відсутності досліджуваного зображення 18, пучок 9, пройшовши фур'є-об'єктив 20, фокусується в яскраву круглу пляму на фоточутливому середовищі 14 Діаметр цієї плями визначається апертурою пучка 9 і фокусною віддалю фур'єобєктива 20, і цей діаметр набагато менший за діаметр фур'є-голограми В точці фокусування пучка 9 на фоточутливому середовищі 14 досягається велика інтенсивність, і запис голограми не проходить, тобто на голограмі не реєструються просторові частоти еталонного зображення, які близькі до нуля, і тому покращується ефективність кореляційного аналізу Завдяки жорсткому з'єднанню СВІТЛОПОДІЛЬНОГО кубика 7 і оптичного елемента 10, вони можуть переміщуватися як одне ціле Внаслідок малих переміщень пучки 9, 12 і 13 переміщуються на однакові кути, тобто геометричні співвідношення між цими пучками не міняються, хоча центр фур'є-голограми зміщується на фоточутливому середовищі 14 Завдяки тому, що фоточутливе середовище 14 виготовлене на основі реверсивного матеріалу з самостиранням, стара голограма стирається, і записується фур'єголограма на новому МІСЦІ, причому цей перезапис проходить постійно при випадкових переміщеннях оптичних елементів Пучок 12 повністю гаситься поляризатором 21, оскільки площини поляризації поляризаторів 6 і 21 взаємноортогональні При відсутності досліджуваного зображення 18 пучок 9 фокусується у пляму невеликого діаметру d=Af/D, де А - довжина хвилі світла, яке генерується лазером 1, f - фокусна віддаль фур'є-обєктива 20, може приймати значення 100 - 500мм, D - діаметр пучка 9, може бути декілька десятків мм і визначається апертурою досліджуваного зображення 18 Пучок 9 фокусується в тому МІСЦІ фоточутливого середовища 14, де голограма відсутня, а, отже, кореляційний сигнал також відсутній Таким чином при відсутності досліджуваного зображення 18 на вході фотоприймача 23 будь-який оптичний сигнал відсутній Завдяки тому, що СВІТЛОПОДІЛЬНИЙ кубик 15 і поляризаційний кубик 16 жорстко зв'язані між собою, то вони при випадкових ударах переміщуються як одне ціле, і пучки 13 і 9 після поляризаційного кубика поширюються паралельно один до одного При проведенні кореляційного аналізу досліджуване зображення 18 вводять в оптичний корелятор Пучок 9 дифрагує на досліджуваному зображенні 18 і на фоточутливому середовищі 14, в МІСЦІ запису фур'є-голограми еталонного зображення 17, формується розподіл амплітуд оптичної хвилі, що відповідає фур'є-образу амплітудного пропускання досліджуваного зображення 18 Дифрагований пучок 24 на голограмі проходить поля 52643 8 ризатор 21 і після проходження фур'є-обєктива 22 на фотоприймачі 23 формується кореляційна функція двох зображень еталонного 17 і досліджуваного 18, Дифрагований пучок 24 проходить через поляризатор 21 без втрат, оскільки його поляризація співпадає з площиною поляризації поляризатора 21 Дифрагований пучок 9 на досліджуваному зображенні 18 не руйнує фур'є-голограму, яка записана на фоточутливому середовищі 14, оскільки поляризація пучка 9 ортогональна до поляризації пучків 12 та 13, і ВІДПОВІДНІ пучки 9 та 13, 9 та 12 не штерферують між собою, крім цього час знаходження досліджуваного зображення 18 в кореляторі набагато менший ніж час запису або стирання голограми Як фотоприймач 23 може бути телекамера, підключена до телемонітора, або комп'ютера Експериментально запропонований оптичний корелятор був реалізований з використанням напівпровідникового лазера 1, який генерує випромінювання на довжині хвилі 635нм і довжина когерентності якого рівна 40мм Потужність генерації такого лазера складає 15мВт Коліматор 2 розширював пучок 3 лазера 1 до діаметра 15 мм СвітЛОПОДІЛЬНІ кубики 7, 15 та поляризаційний кубик 13 були однаковими за розмірами і їх ребро складало 25 х 25мм2 Обидва фур'є-обєктиви 20 та 22 мали фокусну відстань 250мм Як поляризатори 6 та 21 використовувалися призми Ніколя При записі фур'є-голограми кут між пучками 12 та 13 складав 5°, що відповідає середній просторовій частоті запису 137мм 1 Голограми записувалися на фотохромному склі товщиною 0,5мм Час запису для отримання голограми з максимальною дифракційною ефективністю складав 120с, проте корелятор ефективно працював навіть при часі запису 40с Як фотоприймач для реєстрації кореляційної функції використовували ПЗЗ-камеру При знаходженні досліджуваного зображення 18 в кореляторі до 10с практично не спостерігалось зменшення кореляційної функції Як еталонне зображення 17 в експериментах використовувалася випадкова бі2 нарна фазова маска розміром 5,12 х 5,12мм з 2 розміром піксела 20 х 20мкм (ВІДПОВІДНО КІЛЬКІСТЬ пікселів в масці складала 256 х 256) Амплітудне пропускання кожного піксела з ймовірністю 1/2 складало 1 або -1 Для виготовлення досліджуваного зображення еталонне зображення 17 розділялося на 9 фрагментів різної площі та конфігурації 3 цих фрагментів була складена нова фазова маска, яка також мала розміри 5,12 х 5,12мм2 Таким чином еталонне та досліджуване зображення складалися з 9 по парно однакових фрагментів, але розміщених на масках по різному Математичний аналіз показує, що кореляційна функція від двох таких масок має вигляд 9 вузьких кореляційних ПІКІВ, висота і взаємне розміщення яких відповідає площі фрагментів та їх переміщенню при формуванні досліджуваного зображення При експериментальних дослідженнях по кореляційному аналізу двох таких випадкових масок за допомогою запропонованого оптичного корелятора отримали 9 кореляційних ПІКІВ, висота та розміщення яких відповідали розрахованим Такі випадкові фазові маски використовують для захисту від підробки та ідентифікації особливо важливих докуме 52643 нтів цінних паперів та інших об'єктів Отже запропонований оптичний корелятор можна ефективно використовувати для перевірки різних об'єктів захищених випадковими фазовими масками Джерела інформації 1 Пат США № 5606457 кл G02B27/46 публ 10 1997 р 2 Пат США № 5485312 кл G02B27/46 публ 1996 р 3 Колфилд Г Оптическая голография Пер с анг - М Мир 1982 -735 с ТОВ Міжнародний науковий комітет вул Артема 77 м Київ 04050 Україна (044)236-47-24