Некогерентный голографический коррелятор на основе микрозеркального модулятора

Оптические корреляторы – устройства, предназначенные для распознавания объектов по ряду их характеристик, – достаточно широко применяются в различных областях науки и техники. В большинстве корреляторов используется когерентное излучение [1–3], поэтому недостатками таких устройств, как правило, являются наличие фазовых шумов, строгие требования к точности юстировки оптических элементов и др. Для устранения многих из этих недостатков было предложено использовать в корреляторах квазимонохромати-ческое пространственно-некогерентное излучение [4, 5], что позволило расширить требования к источникам излучения и осуществлять распознавание объектов в реальном масштабе времени. В качестве фильтра-памяти в корреляторах обычно используют Фурье-голограммы, в т.ч. синтезированные на компьютере. Вывод таких голограмм может осуществляться при помощи пространственно-временных модуляторов света (ПВМС) [6]. В большинстве голографических корреляторов используются жидкокристаллические (ЖК) ПВМС [7– 14]. Однако существенными недостатками ЖК ПВМС являются наличие флуктуаций фазы [15, 16] не только для фазовых, но даже для амплитудных ЖК ПВМС, относительно низкая контрастность выводимых изображений и не самое высокое быстродействие (порядка сотен герц). Все эти недостатки значительно затрудняют применение таких модуляторов в оптических корреляторах в задачах оперативного контроля в реальном масштабе времени.

В последнее время широко развилась технология создания микрозеркальных или DMD-модуляторов (Digital Micromirror Device modulators) [17], которые обладают быстродействием, значительно (на два-три порядка) превышающим быстродействие ЖК ПВМС. Данный вид модуляторов осуществляет амплитудную модуляцию с помощью отражения светового потока от матрицы микрозеркал, поэтому излучение не претер- певает паразитную фазовую модуляцию. Сейчас такие модуляторы в основном применяются в видеопроекторах, но могут быть использованы и для записи и воспроизведения голограмм [18, 19]. Первые исследования возможностей применения DMD-модулятора в когерентных оптических корреляторах опубликованы в статьях [20, 21] в то время, когда технология DMD только разрабатывалась и не была коммерчески доступной. Характеристики тех модуляторов были гораздо хуже современных: разрешение матрицы – 128×128 пикселей, максимальная частота смены бинарных изображений – 8 кГц, а размер пикселя – 51 мкм – и не позволяли им успешно конкурировать с другими типами модуляторов. Между тем большой интерес представляет применение доступных на сегодняшний день гораздо более совершенных модуляторов в оптических распознающих устройствах.

В работах [22–24] была рассмотрена возможность использования современных DMD-модуляторов в корреляторах, использующих когерентное излучение. В работе [25] сообщалось об экспериментальной реализации некогерентного коррелятора на основе современного DMD-модулятора, в ней были проведены эксперименты по оценке влияния технологических погрешностей микрозеркального модулятора на формирование корреляционных сигналов. Данная работа продолжает эти исследования по распознаванию изображений в таком корреляторе при динамическом изменении параметров распознавания.

1.    Применение технологии DMD в оптических корреляторах

Цифровое микрозеркальное устройство DMD (Digital Micromirror Device) является основным элементом в технологии DLP (Digital Light Processing), разработанной компанией Texas Instruments [17] для использования в видеопроекторах. Микрозеркала отражают падающее излучение в двух направлениях под углами около +15° и –15°, одно из направлений соответствует состоянию светлого пикселя, другое – тёмного пикселя. Основными преимуществами этой технологии являются высокое качество изображения при максимальном разрешении 1920×1080, малый размер пикселя матрицы (порядка 13 мкм), быстродействие (возможность смены бинарных изображений с частотой до 32 кГц) и др.

На качество выводимых изображений оказывают влияние технологические погрешности DMD-модуляторов: погрешность угла наклона микрозеркал, погрешность ориентации оси наклона микрозеркал, плоскостность выходного окна модулятора. Для многих областей применения такого типа модулятора важна лишь амплитудная модуляция излучения, и указанные погрешности не оказывают существенного влияния. Однако при использовании DMD-модулятора в качестве устройства вывода голограмм, как было показано в [26], происходит ощутимое ухудшение восстанавливаемого импульсного отклика, что уменьшает число отсчётов выводимых на модулятор голограмм.

В [22] предлагается схема оптического коррелятора, использующая два DMD-модулятора: один – для ввода изображений, другой – для отображения синтезированных голограмм Фурье. Были синтезированы полутоновые голограммы [23], однако восстановленные изображения с таких голограмм, выведенных с помощью DMD-модулятора, оказались достаточно низкого качества. Возможным объяснением этого эффекта может служить отсутствие возможности у DMD-модулятора «мгновенно» формировать пиксели с промежуточными значениями амплитуды световой волны. В силу описанных выше причин в настоящее время не существует коммерчески доступных оптических корреляторов на базе таких модуляторов.

С другой стороны, совокупность характеристик DMD-модуляторов и опыт исследований по их применению дают хорошие основания считать, что современные DMD-модуляторы могут быть успешно использованы в качестве устройств оперативного вывода голографических фильтров в установках некогерентных оптических корреляторов . Более того, так как принцип работы DMD-модуляторов основан на отражении света от микрозеркал, в связи с чем излучение не претерпевает паразитную фазовую модуляцию, зависящую от длины волны, есть основания считать, что они могут быть использованы для реализации дисперсионного коррелятора [27], который работает с полностью некогерентным излучением и требует полного отсутствия паразитной фазовой модуляции внутри модулятора (которая неизбежно будет происходить в ЖК ПВМС). Возможность быстрой смены голографических фильтров, выводимых на модулятор, может быть применена в задачах динамического распознавания в реальном масштабе времени.

• 2.    Экспериментальные результаты по распознаванию объектов в некогерентном корреляторе на основе DMD-модулятора

В настоящее время существует несколько возможностей реализации некогерентного коррелятора. При построении большинства как когерентных, так и некогерентных корреляторов используется традиционная «4f-схема». Она же была использована в принципиальной схеме когерентного коррелятора на основе DMD-модулятора [22]. Предложенный в работе [25] коррелятор построен по схеме, использующей только один объектив для формирования корреляционного распределения, это позволяет оперативно подстраивать масштаб распознаваемых изображений. Применение такой схемы особенно целесообразно, так как распознавание в корреляторе осуществляется в пространственнонекогерентном свете. В выходной плоскости коррелятора формируется корреляционный сигнал по интенсивности, а не по амплитуде, как в когерентном корреляторе, что позволяет устранить фазовые искажения, влияющие на качество корреляционного сигнала.

Схема экспериментальной установки, использовавшейся в [25] и в данной работе, представлена на рис. 1.

Рис. 1. Схема экспериментальной установки некогерентного голографического коррелятора на основе

DMD-модулятора: 1 – лазер; 2 – микрообъектив с диафрагмой; 3 – вращающийся матовый рассеиватель;

• 4    – коллимирующий объектив; 5 – транспарант с изображением распознаваемого объекта;

• 6    – DMD-модулятор с выведенным на нём синтезированным голографическим фильтром;

• 7    – объектив; 8 – регистрирующая камера; 9 – нулевой порядок (изображение объекта); 10 – первый порядок дифракции (область корреляционного сигнала)

Излучение от твердотельного лазера 1 (длина волны 532 нм) проходит через коллимирующую систему (микрообъектив 2, диафрагма и объектив 4 с фокусным расстоянием 210 мм), в которой установлен вращающийся матовый рассеиватель 3 для разрушения пространственной когерентности излучения. Далее излучение проходит через транспарант 5 с изображением тестового объекта для распознавания. Этот блок схемы имитирует самосветящийся объект, излучающий пространственно-некогерентное излучение. Также возможен ввод объекта и при помощи модулятора света. Далее это излучение отражается от DMD-модулятора 6 с выведенным на нем голографическим фильтром, заранее синтезированным на компьютере под необходимый опорный объект. В выходной плоскости коррелятора расположена камера 8, регистрирующая формируемую объективом 7 структуру, включающую нулевой порядок 9 (изображение объекта) и первый порядок дифракции 10 (область корреляционного сигнала).

В экспериментальной установке был использован DMD-модулятор, произведённый компанией Texas Instruments 0.7 XGA 12° DDR (серия DLP7000). В качестве управляющего устройства DMD-модулятора использовалась материнская плата DLP-проектора, сигнал на которую подавался с компьютера. Для регистрации корреляционных сигналов использовалась камера Canon EOS 400D, шумовые характеристики которой приведены в [28].

При проведении экспериментов было использовано программное обеспечение [25], с помощью которого осуществлялось формирование опорного образа объекта, последующее его преобразование в голограмму и ее бинаризация. Эта же программа позволяет осуществлять динамический вывод голографических фильтров на DMD-модулятор и переключаться на ранее синтезированные фильтры, выбирая их из списка. Скорость переключения, определяемая возможностями модулятора, составила около 10 мкс, что позволяет максимально быстро зарегистрировать выходной сигнал и определить, как на него повлияли какие-либо изменения параметров голографического фильтра или опорного объекта.

В качестве тестовых распознаваемых объектов использовались различные изображения, например, изображения, негативы которых приведены на рис. 2.

в)

а)

б)

Рис. 3. Вид сигнала автокорреляции объекта

Рис. 2. Примеры использованных изображений тестовых распознаваемых объектов (негативы) на транспаранте во входной плоскости коррелятора: контур рыбы (a);

контур квадрата (б), след (в)

На рис. 3 слева приведено зарегистрированное в первом порядке распределение при совпадении опорного и входного объектов (контуров рыбы), а справа – в случае несовпадения объектов. Из приведённых фотографий видно, что при совпадении объектов в области корреляционного сигнала наблюдается достаточно хорошо локализованный пик. При изменении входного объекта данный пик полностью деградирует.

На рис. 4 представлены результаты распознавания в случае, когда входной объект оставался неизменным, а на DMD-модулятор последовательно выводились голограммы-фильтры, синтезированные для различных объектов. При совпадении форм входного и опорного объектов (рис. 2 б ) наблюдается сигнал распознавания (рис. 4 а ). При несовпадении масштаба объектов (опорный объект больше входного); ориентации объекта (опорный объект повернут на 45°); формы объекта (опорный объект является контуром рыбы) локализованные корреляционные пики отсутствуют (рис. 4 б – г соответственно). Таким образом, подтверждается эффективность работы коррелятора при динамическом изменении параметров распознавания.

с рис. 2а (слева) в сравнении с сигналом взаимной корреляции объектов с рис. 2а и 2б (справа)

а)

б)

в)

г)

Рис. 4. Корреляционные сигналы (слева) для объекта с рис. 2б: автокорреляция (а); взаимная корреляция при несовпадении масштаба объектов (опорный объект больше входного) (б); взаимная корреляция при несовпадении ориентации объектов (опорный объект повернут на 45°) (в); взаимная корреляция при несовпадении формы объектов (опорный объект является контуром рыбы) (г)

Подобные эксперименты были проведены и для объекта с рис. 2 а , их результаты представлены в виде графиков на рис. 5 и 6.

Рис. 5. График зависимости величины корреляционного пика от угла поворота опорного объекта

Рис. 6. График зависимости величины корреляционного пика от масштаба опорного объекта (для объекта с рис. 2б)

Результаты экспериментов по распознаванию при различных углах ориентации опорного объекта представлены на рис. 5 (масштаб входного объекта при этом соответствует опорному). Из графика зависимости величины пика от угла поворота опорного объекта видно, что абсолютный максимум имеет место при угле поворота, равном 0 градусов, то есть при полном совпадении. Так как синтезируемые в проводимых тестовых экспериментах фильтры не являются инвариантными к повороту или изменению масштаба, отклонение угла приводит к уменьшению сигнала распознавания. На графике видно значительное уменьшение сигнала при изменении ориентации опорного объекта, причем даже поворот на 1 градус приводит к спаду величины пика приблизительно на 15 %.

На рис. 6 показан график зависимости величины корреляционного пика от масштаба опорного объекта (ориентация входного объекта при этом соответствует опорному). При совпадении масштабов на графике также виден абсолютный максимум, изменение масштаба на 5% приводит к уменьшению величины пика как минимум на 20%, а при ещё больших увеличениях масштаба значение максимума сигнала корреляции значительно уменьшается. При этом пьедестал корреляционного сигнала становится выше (то есть степень локализованности пика ухудшается, что также является критерием при принятии решения о распознании объекта).

Эти эксперименты проводились в режиме динамического вывода голографических фильтров на DMD-модулятор. Таким образом, подтверждается эффективность работы коррелятора при динамическом изменении параметров распознавания.

Проведём оценку производительности некогерентного коррелятора при использовании в нём DMD-модулятора. Она определяется временем переключения элементов матрицы модулятора при выводе голографических фильтров, которая составляет около 10 мкс. Таким образом, оказывается возможным формирование 105 корреляций за секунду.

Заключение

Несмотря на успешное применение микрозеркаль-ных модуляторов для различных задач, их использование в оптических корреляторах пока не получило широкого распространения. В данной работе была представлена экспериментальная установка оптического коррелятора, собранная по схеме с одним объективом. В корреляторе используется квазимонохроматическое пространственно-некогерентное излучение, синтезированные голографические фильтры выводятся на модулятор. Были проведены эксперименты по распознаванию тестовых объектов при изменении их параметров с динамическим выводом голографических фильтров. Получено, что при совпадении входного и опорного объектов наблюдался хорошо локализованный корреляционный пик, позволяющий сделать вывод об успешной идентификации объектов в корреляторе при использовании DMD-модулятора. Проведена оценка максимальной производительности такого некогерентного коррелятора, которая может достигать значения 105 корреляций за секунду. Экспериментально исследована разрешающая способность коррелятора, установлено, что поворот сложного распознаваемого объекта даже на 1° приводит к уменьшению корреляционного пика на 15%, изменение масштаба на 5% приводит к уменьшению корреляционного пика как минимум на 20%. Эти результаты будут применены при синтезе голографических фильтров, использование которых в таком корреляторе позволит добиться инвариантности к изменениям масштаба и повороту распознаваемых объектов. Также результаты работы будут использованы при экспериментальной реализации дисперсионного коррелятора, позволяющего осуществлять распознавание объектов по их пространственным и спектральным параметрам в режиме реального времени.

Автор выражает благодарность инженеру кафедры лазерной физики НИЯУ МИФИ Д.Ю. Молодцову за создание и предоставление для экспериментов программного обеспечения для оперативного вывода синтезированных голографических фильтров на DMD-модулятор.