(代写光学研究生毕业论文）无透镜折反式平面微光学相关器设计研究
摘 要
光学相关器具有高速度、高精度、并行处理数据和抗电磁干扰的优点，在模式识别、
机器视觉、海量信息检索、信息安全和人工智能等领域有着广泛的应用。典型平面结构
和范德卢格特结构光学相关器有系统器件多、体积大、不易集成、畸变识别容限小的缺
点。本文基于实验室在微光学及光信息处理领域多年研究基础之上，将光信息处理及微
光学技术应用于光学相关器的设计，提出一种无透镜折反式平面微光学相关器设计方
案。设计方案将典型的平面结构光学相关器，改进为无透镜折反式平面相关器，使用空
间光调制器(Spatial Light Modulator, SLM)将数字微透镜与目标物和滤波器结合，实现了
无物理透镜的光学相关器，有效压缩了系统的光程与体积，提高了器件的集成度。与此
同时设计相应的 Optimal Trade-off SDF (OTSDF)滤波器，在一定范围内实现了畸变不变
识别。本论文的主要研究工作有：
（1）研究分析典型光学相关器的基本原理，深入探讨传统同轴式 4f 光学相关器、
典型平面式光学相关器及现有无透镜光学相关器的工作原理，分析了不同类型光学相关
器的特点。
（2）针对传统相关器体积大、器件分离无法集成以及识别性能低等问题，研究出一
种无透镜折反式平面微光学相关器的结构，分析并设计了无透镜折反式平面结构微光学
相关器模型和系统结构参数，研究了该系统中主要器件的实现方式，并设计符合该系统
结构要求的数字反射式纯相位微透镜。该系统无需物理透镜，压缩系统体积，所设计的
光学相关器系统体积为V ? 63.17cm3 。
（3）建立无透镜折反式平面微光学相关器的仿真模型，分析待识别目标的比例缩放
和角度旋转对识别的影响，基于该系统设计适应于不同待识别目标畸变情况下的
Optimal Trade-off SDF（OTSDF）匹配滤波器。
（4）搭建无透镜折反式平面微光学相关器的系统光路，在实验平台上通过 SLM1 加
载待识别目标和微光学透镜，SLM2 加载匹配滤波器和微光学透镜，实现了本文无透镜
折反式平面微光学相关器的物理验证，实验结果表明该系统能够实现缩放(52%，150%)
The Design of Lensless Folding Reflective Planar Micro-Optical Correlator
II
和旋转(-50°，+42°)以及同时存在缩放(72%，130%)、旋转（-36°，+38°）的畸变不变
识别。
（5）针对匹配滤波相关识别器，结合实验结果对真伪相关峰判定进行探讨，总结出
相关峰强度、相关峰形态和输入角度旋转对相关峰进行判定的方法。
综上，无透镜折反式平面微光学相关器是一种优选的设计方案，对光学模式识别领
域器件及光学相关器的发展有一定的指导意义。本文设计的无透镜折反式平面微光学相
关器无需物理透镜，光路折叠，体积压缩，平面结构易于集成化，在使用中更容易实现
装配与调整，待识别目标在目标的获取过程中发生畸变不可避免，有畸变不变识别能力
的相关器在实际使用中能更好的实现目标的识别，具有更高的应用价值。
关键词： 光信息处理；无透镜光学相关器；结构设计；微光学；畸变不变识别
目 录
摘 要 .......................................................... I
Abstract ...................................................... III
第一章 绪 论 ................................................... 1
1.1 引言 .................................................... 1
1.2 光学相关器的发展历程与趋势 .............................. 3
1.2.1 光学相关器的起源 ................................... 3
1.2.2 光学相关器的发展历程与趋势 ......................... 3
1.2.2 光学相关器需要解决的关键问题 ....................... 7
1.3 论文选题来源与工作基础 .................................. 7
1.4 主要研究内容、创新点及研究意义 .......................... 8
1.4.1 论文的主要研究内容 ................................. 8
1.4.2 论文的创新点 ....................................... 9
1.4.3 论文的研究意义 ..................................... 9
第二章 无透镜折反式平面微光学相关器的理论基础 ................. 11
2.1 光学相关器的基本原理 ................................... 11
2.1.1 同轴范德卢格特光学相关器系统 ...................... 11
2.1.2 联合变换光学相关器系统 ............................ 13
2.2 平面集成化光学相关器 ................................... 14
2.2.1 平面光学与二元光学 ................................ 14
2.2.2 平面折反式光学相关器 .............................. 16
2.3 无透镜光学相关器 ....................................... 17
2.3.1 液晶空间光调制器 .................................. 17
2.3.2 无物理透镜光学相关器模型 .......................... 18
2.4 光学相关器的畸变不变识别 ............................... 19
2.5 小结 ................................................... 20
第三章 无透镜折反式平面微光学相关器结构设计 ................... 21
3.1 无透镜折反式平面相关器结构模型 ......................... 21
3.2 无透镜折反式平面相关器的理论分析 ....................... 22
3.3 无透镜折反式平面微光学相关器的结构参数设计 ............. 25
3.3.1 折反式平面结构的傅里叶变换透镜的焦距 .............. 25
3.3.2 光学系统的入射角度 ................................ 27
3.3.3 光学相关器的结构参数与体积 ........................ 28
3.4 数字微透镜的设计与实现 ................................. 29
3.4.1 数字微透镜的设计 .................................. 29
3.4.2 数字反射式纯相位微透镜的实现 ...................... 30
3.5 小结 ................................................... 31
第四章 无透镜折反式平面微光学相关器的仿真与畸变不变识别 ....... 32
4.1 无透镜折反式相关器的仿真模型 ........................... 32
4.2 目标畸变对识别结果的影响 ............................... 33
4.2.1 系统仿真识别结果的评价指标 ........................ 34
4.2.2 待识别目标比例缩放对识别的影响 .................... 35
4.2.3 待识别目标角度旋转对识别的影响 .................... 37
4.3 无透镜折反式相关器的畸变不变识别滤波器的设计 ........... 39
4.4 OTSDF匹配滤波器模拟识别的研究 ........................ 40
4.4.1 目标比例缩放 OTSDF滤波器分析 ...................... 40
4.4.2 目标角度旋转 OTSDF滤波器分析 ...................... 43
4.4.3 同时存在比例缩放与角度旋转的 OTSDF滤波器分析 ...... 46
4.5 小结 ................................................... 49
第五章 无透镜折反式平面微光学相关器的实验研究 ................. 50
5.1 无透镜折反式平面微光学相关器的实验系统搭建 ............. 50
5.1.1 相关器系统的光路结构 .............................. 50
5.1.2 待识别目标、滤波器和透镜在SLM 上的加载 ............ 51
5.1.3 相关器系统的实验验证 .............................. 52
5.2 相关器的畸变不变识别实验 ............................... 53
5.2.1 目标比例缩放的识别实验 ............................ 54
5.2.2 目标角度旋转的识别实验 ............................ 54
5.2.3 目标比例缩放与角度旋转同时存在的识别实验 .......... 55
5.3 匹配滤波识别相关峰的实验判定 ........................... 57
5.3.1 相关峰强度判别 .................................... 57
5.3.2 相关峰形态判别 .................................... 57
5.3.3 输入角度旋转判别 .................................. 58
5.4 小结 ................................................... 58
第六章 总结与展望 ............................................. 60
参考文献 ...................................................... 62
致 谢 ......................................................... 66
攻读硕士学位期间的研究成果 .................................... 67
无透镜折反式平面微光学相关器设计研究
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第一章 绪 论
1.1 引言
光学相关模式识别（Optical Correlation Pattern Recognition，OCPR）技术起源于 1964
年 4 月Vander Lugt 提出的基于匹配滤波的光学相关模式识别方法[1]，光学相关识别使用
空间滤波的方法对光信息进行处理，实现了并行光速处理光学信息。光学相关器具有高
速度、高精度、并行数据处理和抗电磁干扰的优点，在模式识别、机器视觉、海量信息
检索、信息安全和人工智能等广泛领域有着非常重要的应用及研究[2]。
光学相关器自诞生以来已经过五十余年的长期发展，光学相关器也经历了飞跃性的
技术革命。初期的光学相关器使用全息胶片的技术制作图像和空间滤波器，采用全息拍
照的形式记录信息既复杂又不易操作，当系统改变待识别目标时需重新制作全息器件，
导致相关器系统不具有较好的灵活性和实际应用性。空间光调制器件（Spatial Light
Modulator，SLM）和电荷耦合元件(Charge-Couple Device，CCD)等光电器件的诞生推
动了光学相关器的进步与发展，现代光学相关器通过空间光调制器加载滤波器对光信息
进行处理，利用空间光调制器实现灵活的相位调制，将待识别目标与空间滤波器加载于
空间光调制器中，可以实现实时且灵活的目标识别。在相关器系统中使用 CCD 器件进
行相关信号的探测，可以准确、灵敏、高精度的获取待识别目标经过识别系统后的相关
峰强度及形态，电耦合器件也更加容易集成于相关器系统，使观测相关结果更加稳定。
将光学相关器系统与计算机组成完整的系统，通过计算机即可控制空间光调制器的信息
加载和观测 CCD 上的光场。光学器件与光电器件的结合使用，使现代光学相关器系统
发展为光电混合的相关处理器（Hybrid-optoelectronic Correlator，HOC）系统，光学相
关器具有的高速处理速度、并行计算、不受电磁干扰的优异特点，在与计算机结合后得
到充分的发展，计算机强大的编程设计能力与灵活的控制加载能力使相关器系统具有更
强的实际应用价值与前景[3~6]。
光学相关器依据系统原理，可分为两种类型：一种为 4f 匹配识别相关器[7~8]，即范
德卢格特相关器(Vander Lugt Correlator, VLC)；另一种是联合变换相关器[9](Joint
Transform Correlator, JTC)。匹配识别相关器是一种经典的光学识别系统模型，该系统将
待识别目标经过傅立叶变换后在其频谱面进行空间滤波，经过逆傅立叶变换在接收面得
到自相关信号。VLC 相关器并行处理光信号、具有较大的空间带宽积、输出面的相关信
无透镜折反式平面微光学相关器设计研究
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号信噪比很高，使相关结果判定的准确性大幅提高。但 VLC 相关器的系统结构要求极
高的对准精度，非集成同轴结构的光学相关系统稳定性较差，当系统受到震动时识别性
能会受到较大的影响；VLC 相关器系统的结构会导致其系统体积较大，体积过大的相关
器在具体应用中会出现不适用于使用环境的情况，小型化的系统结构一直是光学相关器
的发展趋势与应用需求。联合识别相关器是另一种典型的光学识别系统模型，该系统将
待识别目标与目标同时经过傅立叶变换后，在其频谱面得到联合变换功率谱密度，再通
过逆傅立叶变换后在输出面上得到它们的互相关信号。JTC 相关器系统对对准精度的要
求较低，且不需要制作识别目标的匹配滤波器，系统受外界影响较小，可以容易的实现
光学识别。但JTC 系统识别目标的过程在联合频谱面需要光电转换的时间，系统输出相
关结果会出现延迟性；JTC 相关器系统会在输出面上得到较强的直流项，系统输出相关
信号的信噪比较低。
实用化一直是光学相关器多年来发展的主题与目标，但由于技术及条件等因素的限
制，光学相关器真正的应用型产品并不多，有诸多相关器系统都处于科研与实验的阶段。
近代与现代光学相关器发展的主要困难和未来的发展趋势就是小型集成化和稳定优异
的识别能力，这也是光学相关器设计的宗旨，同时这也是多年来光学相关器发展中的主
要困难。小型轻量化的相关器能够满足在特殊环境下工作的需求，如航空航天图像探测、
导弹精确打击、空间站对接、飞行器导航、机器视觉和战斗机智能化等领域，还有民用
领域，如指纹识别、字符识别、工业检测等领域[10~12]。集成化的相关器可以使其生产、
安装、调试降低难度，容易实现量产和规模化，集成度高的相关器器件也会在使用中具
有对抗恶劣使用环境的能力，使其免受外界影响而降低相关器的识别性能。稳定优异的
识别能力能够保证光学识别结果的可信度与准确度，待识别目标在目标的获取过程中发
生畸变不可避免，面对一定畸变目标也能实现准确无误的识别是相关器非常重要的性
能。
世界许多国家都对光学相关器的研究做出了自己的贡献，多年来一直致力于让光学
相关器向高性能实用化的方向进步，有目共睹，VLC 光学相关器由最初的 4f 系统发展
到 2f 系统[13]，由同轴系统改进为平面系统，光学相关器的滤波算法也得到了普遍的研
究，研究人员们提出了 ECPSDF、MVSDF、MACE、MACH、OTSDF 等[14~19]一系列滤
波算法。由于平面光学和微光学及二元光学的问世，结合新型的光电器件 SLM，无透
镜折反式平面集成微光学相关器也将成为光学相关器发展的新方向。
