用于光学图像处理的二维全光负反馈系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开一种用于光学图像处理的二维全光负反馈系统，包括图像加载设备、光信号迭加设备、振幅放大设备、振幅衰减设备以及相位调节设备；通过振幅放大设备将加载有输入图像的光学图像信号进行振幅放大，然后经振幅衰减设备将反馈光信号反馈回闭环回路，利用相位调节设备实现反馈光信号的相位调节，最终使得反馈光信号与输入光信号的相位满足负反馈条件；反馈光信号与输入光信号经光信号迭加设备实现迭加，系统通过分析输出光学图像信号，可自适应调节闭环回路光学器件的位置并实现相干光信号的迭加及其波矢对齐。能有效应用于图像增强、图像传输及微弱图像探测等众多领域，相对传统方法，它可在实现全光负反馈的同时降低系统误差。
【专利说明】用于光学图像处理的二维全光负反馈系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于负反馈原理的光学图像处理技术，具体地讲，是一种用于光学图像处理的二维全光负反馈系统。
【背景技术】
[0002]目前，基于光学的反馈系统很多，主要集中在基于波前探测与波前补偿原理的自适应光学系统，基于激光谐振器原理的相干光反馈系统，以及基于探讨光折变晶体材料性质的全光反馈系统。
[0003]在基于波前探测与波前补偿原理的自适应光学系统中，反馈的实现是控制器利用波前探测结果调节反馈进行波前补偿，控制器输入信号实质是电信号，整个反馈回路是基于光-电-光转换完成；也有采用光寻址空间光调制器实现光信息的调制，不过此类系统中，光信息的传递是基于物理媒质的固有特性来实现，实质是光-物理媒质-光的传递过程，光的传输路径并未闭合；基于激光谐振器原理的反馈系统是利用反馈对谐振腔内光波的波长及波矢进行选择，以获取具有良好方向性与相干性的输出光信号；基于探讨光折变晶体材料性质的反馈系统中，主要是根据系统输出来分析晶体对相干光振幅或相位的影响。
[0004]现有的光学反馈系统中，基于光-电-光或者光-物理媒质-光的反馈系统实质是在反馈环路中引入了隔离信号，并非全光信号的闭环，且电信号的处理速度制约了系统整体工作速度；基于探讨光折变晶体材料性质的全光反馈系统与基于激光谐振器原理的相干光反馈系统输出的光信息体现系统材料特性或光路参数，并未直接应用于光学图像处理中。
【发明内容】
[0005]针对现有光学反馈系统的应用局限与不足，本发明提供了一种基于负反馈原理的相干光学图像处理技术，针对图像增强、图像传输以及微弱图像探测等应用的需求，提出了一种用于光学图像处理的二维全光负反馈系统，在保证波矢对齐的同时，实现全光反馈。
[0006]为了达到上述目的，本发明所采用的具体的技术方案如下:
[0007]—种用于光学图像处理的二维全光负反馈系统，其关键在于:包括用于实现相干光源与输入图像相加载的图像加载设备；用于实现输入光学图像信息与反馈光学图像信息相迭加的光信号迭加设备；用于实现输出光学图像信息放大的振幅放大设备；用于实现反馈衰减的振幅衰减设备；以及用于实现反馈支路光信号相位调节的相位调节设备；其中:
[0008]所述图像加载设备输出的光学图像信息作为光信号迭加设备的原始信号输入，所述相位调节设备输出的光学图像信息作为光信号迭加设备的反馈信号输入，所述光信号迭加设备输出的光学图像信息经过振幅放大设备后作为输出图像输出，同时，振幅放大设备输出的光学图像信息还经过振幅衰减设备送入所述相位调节设备中。
[0009]基于上述系统设计，振幅放大设备可以实现光学图像信息的放大，再通过振幅衰减设备同时实现反馈光学图像信息的获取和幅度衰减，利用相位调节设备对反馈光学图像信息的波前相位进行校正，最后通过光信号迭加设备将输入光学图像信息与反馈光学图像信息相迭加，整个闭环系统中，光学图像完全经过光路实现反馈迭加，反馈支路中的相位调节设备仅仅改变反馈光信号的相位，无光-电-光转换环节，该系统为全光负反馈结构，处理速度快，可以实现高速、并行、大容量的光学图像处理。
[0010]作为进一步描述，所述相干光源由氦氖激光器产生，并依次经过针孔滤波器和准直透镜进行光线准直，在所述准直透镜的后方设置有振幅型空间光调制器，该振幅型空间光调制器作为所述图像加载设备来加载输入图像，该振幅型空间光调制器输出的光学图像信息作为原始信号输入到第二分光镜中，在第二分光镜的输出方向依次设置有第一傅里叶透镜、光折变晶体以及第二傅里叶透镜，其中，第一傅里叶透镜的后焦面与第二傅里叶透镜的前焦面对齐，且在该对齐位置处安装所述光折变晶体，该光折变晶体作为所述振幅放大设备实现输出光学图像信息放大，在所述第二傅里叶透镜的输出方向设置有第三分光镜，该第三分光镜作为所述振幅衰减设备实现反馈衰减，在所述第三分光镜的透射方向获取输出图像，在所述第三分光镜的反射方向设置有相位型空间光调制器，该相位型空间光调制器用于获取反馈光学图像信息并作为所述相位调节设备实现反馈支路光信号的相位调节，在相位型空间光调制器的输出方向依次设置有第三傅里叶透镜和第四傅里叶透镜，相位型空间光调制器通过所述第三傅里叶透镜和第四傅里叶透镜后将反馈图像信息投射到所述第二分光镜中，利用第二分光镜作为所述光信号迭加设备实现输入光学图像信息与反馈光学图像信息的迭加。
[0011]氦氖激光器主要用于产生相干光源，该相干光源经过准直后在振幅型空间光调制器上实现输入图像的加载，振幅型空间光调制器输出的光学图像信息通过第二分光镜透射进入反馈回路中，在该回路中，光学图像信息先通过光折变晶体实现振幅增强，振幅增强后的光学图像信息一方面经过第三分光镜透射实现图像输出，另一方面通过第三分光镜将光学图像信息反射到反馈支路中，同时实现反馈衰减。在反馈过程中，使用相位型空间光调制器对反馈光信号的波前相位进行校正，以使得反馈光学图像信号的相位与输入光学图像信号的相位差接近η/2的奇数倍，相位校正后的光学图像经过光路转换后最终投射到所述第二分光镜中实现反馈迭加，由于采用相干偏振光，迭加后的信号再次进入光闭环回来，通过调节闭环回路中各个光学设备的位置以及相位校正，实现反馈信号与输入信号的波前近似平行，且在整个干涉面内，两路信号的相位差接近η/2的奇数倍。当两路信号相位差接近η/2的奇数倍且误差不超过π/4的波长时，则实现了反馈信号对输入光信号的削弱。光折变晶体对反馈光信号与输入光信号的干涉迭加信号反复进行振幅放大，在保证反馈光信号与输入光信号的相位差满足条件的情况下，可稳定光折变晶体对光信号的放大系数，最终全光实现整个反馈回路。
[0012]为了实现相干光偏振，在所述振幅型空间光调制器的前后还分别设置有第一偏振片和第二偏振片。
[0013]由于光折变晶体在实现振幅放大的时候需要添加泵浦光源，为了简化系统结构，所述准直透镜的后方设置有第一分光镜，该第一分光镜的透射光射入所述振幅型空间光调制器中，该第一分光镜的反射光经过第三偏振片入射到第一反光镜中，在第一反光镜的反射光路上设置有第五傅里叶透镜，所述第五傅里叶透镜与所述第一傅里叶透镜汇聚输出的光信号按相同的入射角对称入射至所述光折变晶体中。
[0014]通过第一分光镜将氦氖激光器产生的相干光分为两束光强不同但是偏振方向相同的光束，其中较强一束光束作为光学图像信息振幅放大过程中的泵浦光信号，通过第三偏振片、第一反光镜以及第五傅里叶透镜投射到所述光折变晶体中，较弱一束光束调制为光学图像信息后，由第一分光镜的透射方向进入闭环回路。光折变晶体在泵浦光信号作用下产生二波耦合，加载有输入图像的弱光信号经耦合后振幅增大，相位不变，第一傅里叶透镜和第五傅里叶透镜在信号光与泵浦光进入光折变晶体之前进行聚焦，从而提高信号光与泵浦光的放大增益。
[0015]为了实现反馈信号相位的自动校正以及反馈信号与输入信号的波矢对齐，在所述第四傅里叶透镜的输出光路上设置有第四分光镜，通过该第四分光镜将第四傅里叶透镜输出的反馈光学图像信息反射到所述第二分光镜中，在所述第三分光镜的透射光路上设置有CCD光电耦合器，在所述第四分光镜的透射光路上设置有波前传感器，所述相位型空间光调制器安装在电控方位调节器上，所述CCD光电耦合器、波前传感器、相位型空间光调制器以及电控方位调节器均连接在控制计算机上，所述控制计算机通过所述波前传感器获取反馈光学图像信息的相位信息，从而控制所述相位型空间光调制器实现相位调节，该控制计算机还通过所述CCD光电耦合器获取输出图像的强度信息，从而控制所述电控方位调节器实现反馈光学图像信息与输入光学图像信息的波矢对齐。
[0016]在上述全光负反馈系统中，系统光路中的光信号会因反射镜及分光镜等器件的微小位移或角度偏转影响反馈光信号波矢相对输入光信号波矢未对齐，进而影响系统负反馈回路的光信号迭加。本方案利用控制计算机通过CCD光电耦合器获取并分析输出光信号，对反馈光路中的电控方位调节器实现反馈控制以实现反馈光信号与输入光信号的波矢对齐。其控制过程可分为两个步骤:首先通过人工手动调节使得各器件位移及角度偏转接近理论要求位置；然后控制计算机通过CCD光电耦合器获取输出光信号，根据光信号强度信息分析光路中反馈支路光信号相对理想角度的偏离程度，进而控制电控方位调节器，利用电控方位调节器的微米尺度调节步长来精细调节电控方位调节器的位置以调节反馈光信号波矢。同时采用波前传感器获取进入反馈支路的光信号的波前相位信息，通过控制计算机实现相位型空间光调制器的自动相位校正。作为优选，所述振幅型空间光调制器和相位型空间光调制器均为电寻址空间光调制器。
[0017]本发明的显著效果是:
[0018](1)基于全光实现的负反馈闭环回路，具有光学信息处理高速、并行和大容量的特征，与电学方法比较，可提高信息处理速度；负反馈环节可改善晶体对光信号振幅增益的不均匀性；相位型空间光调制器可用于改善反馈信号波前畸变和调整反馈支路的光信号相位与输入光信号的相位差满足闭环负反馈条件，稳定负反馈。
[0019](2)系统中的控制计算机可以根据CCD光电耦合器获取的输出光学图像信息实现对反馈光信号的分步调节及控制。利用人工手动调节的快速性，结合电控方位调节器的精细调节步长调节反馈回路中光学器件的角度及位置，实现系统反馈光信号与输入光信号的波矢对齐，可提高调节波矢对齐的效率。使用CCD光电耦合器捕获输出光信号，与电控方位调节器结合实现反馈调节，降低波矢对齐调节难度，使得反馈光信号与输入光信号的位置对准和方向对齐转换为对输出光信号的二值图像分析，提高控制反应速度。【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1是本发明的系统原理框图；
[0021]图2是本发明的光学系统拓扑结构图。
[0022]图2中的附图标记为:
[0023]1氦氖激光器、2针孔滤波器、3准直透镜、4第一分光镜、5第一偏振片、6振幅型空间光调制器、7第二偏振片、8第二分光镜、9第一傅里叶透镜、10光折变晶体、11第二傅里叶透镜、12第三分光镜、13CXD光电耦合器、14相位型空间光调制器、15电控方位调节器、16第三傅里叶透镜、17第四傅里叶透镜、18第四分光镜、19波前传感器、20控制计算机、21第一反射镜、22第五傅里叶透镜、23第三偏振片。
【具体实施方式】
[0024]下面结合附图对本发明的【具体实施方式】以及工作原理作进一步详细说明。
[0025]如图1所示，一种用于光学图像处理的二维全光负反馈系统，包括用于实现相干光源与输入图像相加载的图像加载设备；用于实现输入光学图像信息与反馈光学图像信息相迭加的光信号迭加设备；用于实现输出光学图像信息放大的振幅放大设备；用于实现反馈衰减的振幅衰减设备；以及用于实现反馈支路光信号相位调节的相位调节设备；其中:
[0026]所述图像加载设备输出的光学图像信息作为光信号迭加设备的原始信号输入，所述相位调节设备输出的光学图像信息作为光信号迭加设备的反馈信号输入，所述光信号迭加设备输出的光学图像信息经过振幅放大设备后作为输出图像输出，同时，振幅放大设备输出的光学图像信息还经过振幅衰减设备送入所述相位调节设备中。
[0027]以图2所示的光路系统为例，所述相干光源由氦氖激光器1产生，并依次经过针孔滤波器2和准直透镜3进行光线准直，其中，针孔滤波器2与氦氖激光器1相距15cm，且位于准直透镜3的前焦面上，在准直透镜3的后方10cm处安装第一分光镜4,沿第一分光镜
4透射方向10cm处安装第一偏振片5,在第一偏振片5后方2cm处设置振幅型空间光调制器6，该振幅型空间光调制器6作为所述图像加载设备来加载输入图像，在振幅型空间光调制器6后方2cm处安装第二偏振片7,在第二偏振片7后15cm处安装第二分光镜8,振幅型空间光调制器6输出的光学图像信息作为原始信号输入到第二分光镜8中，在第二分光镜8的输出方向依次设置有第一傅里叶透镜9、光折变晶体10以及第二傅里叶透镜11，其中，第一傅里叶透镜9的后焦面与第二傅里叶透镜11的前焦面对齐，且在该对齐位置处安装所述光折变晶体10，该光折变晶体10作为所述振幅放大设备实现输出光学图像信息放大，在所述第二傅里叶透镜11的输出方向5cm处设置有第三分光镜12，该第三分光镜12作为所述振幅衰减设备实现反馈衰减，在所述第三分光镜12的透射方向25cm处安装CCD光电稱合器13来获取输出图像，在所述第三分光镜12的反射方向30cm处设置相位型空间光调制器14，该相位型空间光调制器14用于获取反馈光学图像信息并作为所述相位调节设备实现相位调节，在相位型空间光调制器14的输出方向依次设置有第三傅里叶透镜16和第四傅里叶透镜17，其中第三傅里叶透镜16的后焦面与第四傅里叶透镜17的前焦面重合，在第四傅里叶透镜17光轴方向12cm处安装第四分光镜18，相位型空间光调制器14通过所述第三傅里叶透镜16、第四傅里叶透镜17以及第四分光镜18将反馈图像信息投射到所述第二分光镜8中，利用第二分光镜8作为所述光信号迭加设备实现输入光学图像信息与反馈光学图像信息相迭加。
[0028]为了向光折变晶体10中提供泵浦光源，在第一分光镜4的反射传播方向10cm处安装有第三偏振片23,在第三偏振片23后方3cm处安装第一反光镜21,在第一反光镜21的反射传播方向5cm处设置有第五傅里叶透镜22，所述第五傅里叶透镜22与所述第一傅里叶透镜9汇聚输出的光信号按相同的入射角对称入射至所述光折变晶体10中。
[0029]为了实现反馈光信号的波前相位检测，在所述第四分光镜18透射方向50cm处安装波前传感器19，所述相位型空间光调制器14安装在电控方位调节器15上，所述CCD光电耦合器13、波前传感器19、相位型空间光调制器14以及电控方位调节器15均连接在控制计算机20上，所述控制计算机20通过所述波前传感器19获取反馈光学图像信息的相位信息，从而控制所述相位型空间光调制器14实现相位调节，该控制计算机20还通过所述CCD光电耦合器13获取输出图像的强度信息，从而控制所述电控方位调节器15实现反馈光学图像信息与输入光学图像信息的波矢对齐。
[0030]在具体实施过程中:
[0031]氦氖激光器1的型号为北大激光-HN250，是连续输出的单模激光器，功率为2-100mw，偏振比为500:1，发散角为兰0.2mrad。
[0032]针孔滤波器2的型号为SZ-52，针孔直径10 μ m。
[0033]准直透镜3的型号为GC0-0203M，焦距为400mm，孔径直径为100mm。
[0034]各个分光镜的分光角度为90°。
[0035]各个傅里叶透镜的焦距为300mm，孔径直径为100mm。
[0036]振幅型空间光调制器6为电寻址空间光调制器，其型号为LCX038，分辨率为1024X768，液晶尺寸为14.4mmX10.8_，像元尺寸为14 μ mX 14 μ m，刷新频率为60Hz，对比度为400:1，最高透射率为21%。
[0037]相位型空间光调制器14也为电寻址空间光调制器，其型号为PLUT0-VIS，分辨率为1920X1080，相位调节范围为2JI弧度@420-700nm，像元大小为8 μ m，图像帧频率为60Hz。
[0038]波前传感器19的型号为HAS03-32，重复测量精度小于λ /200，倾斜测量灵敏度为Krtr1，空间分辨率为160 μ m。
[0039]光折变晶体10采用掺铁铌酸锂晶体，尺寸为12mm*10mm，厚2mm，有效孔径>90%，光洁度60/40，铁的掺杂浓度为0.07wt%，不镀膜。
[0040]电控方位调节器15由普通型电动旋转台、电控角度位移台、转接板和运动控制器组成，为二维旋转系统，可实现二维角度调整的自动调节设备。普通型电动旋转台型号为LY110DXZ100J，分辨率为0.01°，绝对定位精度为0.01°，角度范围为360°，中心承载45kg ;电控角度平移台的型号为LY110DJW10M，分辨率为0.005° (无细分)，绝对定位精度为±9"，角度范围为±10°，中心承载5kg;转接板为连接普通型电动旋转台和电控角度位移台的装置；运动控制器型号为LY-MPC07，通过电脑控制，为闭环控制系统。
[0041]C⑶光电耦合器13采用尺寸为22.3*14.9mm的CMOS传感器。
[0042]本发明的工作原理是:
[0043]通过第二分光镜8对输入光学图像信息与反馈光学图像信息进行迭加，控制计算机20通过分析CCD光电耦合器13获取的输出图像信息来调节反馈光信号的波矢方向，使两路光信号迭加后波矢保持一致。为保证波矢一致，调试过程中将输入图像信号设为不具有方向性的圆斑，控制计算机20通过比对引入反馈与隔离反馈两种不同情况下的输出光图像信号，通过波矢对齐算法调整电控方位调节器15的位置与角度实现两路光信号的波矢对齐。
[0044]此外，应用光折变晶体10对迭加后的光学图像信息进行二波耦合放大，图像放大后一部分通过分光镜进入反馈支路，另一部分输出至CCD光电耦合器13作为系统输出信号。在闭环反馈过程中，利用第三分光镜12和第四分光镜18可以实现反馈信号的衰减，使得反馈光信号振幅相对振幅放大后的信号振幅有明显减弱，以实现负反馈回路闭合后系统具有稳定的负反馈放大倍数。
[0045]通过相位型空间光调制器14和波前传感器19实现相位调节，使得反馈光学图像信号波前相位与输入光学图像信号波前相位满足负反馈条件并减小反馈光图像信号波前相差，与传统光学反馈系统相比，相位调节模块具有引入负反馈以提高放大环节的抗干扰功能。
[0046]最后需要说明的是，尽管这里参照本发明的实施例进行了描述，但是应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，比如说，在本申请文件公开范围内，可以选择不同的设备型号并调整安装位置，可以调各条光路的转换方式，可以改变输入图像的来源来适应不同的应用场景等等，这些修改和实施方式均落在本申请公开的原则范围和精神之内。
【权利要求】
1.一种用于光学图像处理的二维全光负反馈系统，其特征在于:包括用于实现相干光源与输入图像相加载的图像加载设备；用于实现输入光学图像信息与反馈光学图像信息相迭加的光信号迭加设备；用于实现输出光学图像信息放大的振幅放大设备；用于实现反馈衰减的振幅衰减设备；以及用于实现反馈支路光信号相位调节的相位调节设备；其中:所述图像加载设备输出的光学图像信息作为光信号迭加设备的原始信号输入，所述相位调节设备输出的光学图像信息作为光信号迭加设备的反馈信号输入，所述光信号迭加设备输出的光学图像信息经过振幅放大设备后作为输出图像输出，同时，振幅放大设备输出的光学图像信息还经过振幅衰减设备送入所述相位调节设备中。
2.根据权利要求1所述的用于光学图像处理的二维全光负反馈系统，其特征在于:所述相干光源由氦氖激光器(1)产生，并依次经过针孔滤波器(2)和准直透镜(3)进行光线准直，在所述准直透镜(3)的后方设置有振幅型空间光调制器(6)，该振幅型空间光调制器(6)作为所述图像加载设备来加载输入图像，该振幅型空间光调制器(6)输出的光学图像信息作为原始信号输入到第二分光镜(8)中，在第二分光镜(8)的输出方向依次设置有第一傅里叶透镜(9)、光折变晶体(10)以及第二傅里叶透镜(11)，其中，第一傅里叶透镜(9)的后焦面与第二傅里叶透镜(11)的前焦面对齐，且在该对齐位置处安装所述光折变晶体(10)，该光折变晶体(10)作为所述振幅放大设备实现输出光学图像信息放大，在所述第二傅里叶透镜(11)的输出方向设置有第三分光镜(12)，该第三分光镜(12)作为所述振幅衰减设备实现反馈衰减，在所述第三分光镜(12)的透射方向获取输出图像，在所述第三分光镜(12)的反射方向设置有相位型空间光调制器(14)，该相位型空间光调制器(14)用于获取反馈光学图像信息并作为所述相位调节设备实现反馈支路光信号的相位调节，在相位型空间光调制器(14)的输出方向依次设置有第三傅里叶透镜(16)和第四傅里叶透镜(17)，相位型空间光调制器(14)通过所述第三傅里叶透镜(16)和第四傅里叶透镜(17)后将反馈图像信息投射到所述第二分光镜(8)中，利用第二分光镜(8)作为所述光信号迭加设备实现输入光学图像信息与反馈光学图像信息的迭加。
3.根据权利要求2所述的用于光学图像处理的二维全光负反馈系统，其特征在于:在所述振幅型空间光调制器(6)的前后分别设置有第一偏振片(5)和第二偏振片(7)。
4.根据权利要求3所述的用于光学图像处理的二维全光负反馈系统，其特征在于:所述准直透镜(3)的后方设置有第一分光镜(4)，该第一分光镜(4)的透射光射入所述振幅型空间光调制器(6)中，该第一分光镜(4)的反射光经过第三偏振片(23)入射到第一反光镜(21)中，在第一反光镜(21)的反射光路上设置有第五傅里叶透镜(22)，所述第五傅里叶透镜(22)与所述第一傅里叶透镜(9)汇聚输出的光信号按相同的入射角对称入射至所述光折变晶体(10)中。
5.根据权利要求2-4任意一项所述的用于光学图像处理的二维全光负反馈系统，其特征在于:在所述第四傅里叶透镜(17)的输出光路上设置有第四分光镜(18)，通过该第四分光镜(18)将第四傅里叶透镜(17)输出的反馈光学图像信息反射到所述第二分光镜(8)中，在所述第三分光镜(12)的透射光路上设置有C⑶光电耦合器(13)，在所述第四分光镜(18)的透射光路上设置有波前传感器(19)，所述相位型空间光调制器(14)安装在电控方位调节器(15)上，所述C⑶光电耦合器(13)、波前传感器(19)、相位型空间光调制器(14)以及电控方位调节器(15)均连接在控制计算机(20 )上，所述控制计算机(20 )通过所述波前传感器(19)获取反馈光学图像信息的相位信息，从而控制所述相位型空间光调制器(14)实现相位调节，该控制计算机(20)还通过所述C⑶光电耦合器(13)获取输出图像的强度信息，从而控制所述电控方位调节器(15)实现反馈光学图像信息与输入光学图像信息的波矢对齐。
6.根据权利要求5所述的用于光学图像处理的二维全光负反馈系统，其特征在于:所述振幅型空间光调制器(6 )和相位型空间光调制器(14)均为电寻址空间光调制器。
【文档编号】G02B27/10GK103645564SQ201310698950
【公开日】2014年3月19日 申请日期:2013年12月18日 优先权日:2013年12月18日
【发明者】田逢春, 胡又文, 刘颖, 陈丹昱, 韩亮, 张文理, 上官晓配 申请人:重庆大学