DE2123833A1

DE2123833A1 - Kohärent optischer Vielkanalkorrelator

Info

Publication number: DE2123833A1
Application number: DE19712123833
Authority: DE
Inventors: Nikolaos Dipl.-Phys.; Winzer Gerhard Dipl.-Ing.; Wolff Ulrich Dipl.-Phys.; 8000 München. P Douklias
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1971-05-13
Filing date: 1971-05-13
Publication date: 1972-11-23
Also published as: IT955353B; FR2137780B1; US3773401A; BE783395A; FR2137780A1; LU65347A1; NL7206119A

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT München 2, den 1 3. MA1197 1 Berlin und München Witteisbacherplatz 2

Kohärent optischer Vielkanalkorrelator

Die vorliegende Erfindung betrifft einen kohärent optischen Vielkanalkorrelator, "bestehend aus einer kohärentes Licht erzeugenden Quelle zur Beleuchtung eines zu untersuchenden Objektes, einer Fouriertransiormationslinse, mehreren Filterhologrammen und einem Fotodetektor.

Bei der automatischen Erkennung zweidimensionaler, beispielsweise alphanumerischer Zeichen, wird in der Signaleingabeebene ein gewisser Toleranzbereich für die Lage-Koordinaten des Zeichens gefordert. Bei ,Verwendung holografischer angepaßter Filter ist die Ausbildung des Erkennungssignals, des Autokorrelationsintegrals, durch Fouriertransformation des Zeicheng in der Ebene der Filterhologramme in weiten Grenzen translationsinvariant. Rotationsinvarianz dagegen kann nur durch Ausbildung des Erkennungssystems als Vielkanalkorrelator erzeugt v/erden.

Es wurde bereits ein kohärent optischer Vielkanalkorrelator mit schneller Parallelverarbeitung der Informationen aller sweidiniensionalen Kanäle vorgeschlagen (siehe unsere ältere Anmeldung P20 36 630.7), der jedoch noch den Nachteil aufweist, daß bei großer Kanalzahl das Signal/Störverhältnis und die Gesamtlichtausbeute ungünstige Werte annehmen. Eine große Kanalzahl liegt bereits dann vor, wenn 26 Zeichen, z.B. die Buchstaben a bit; ζ, in Je 10 verschiedenen Winkellage!! erkannt v/erden sollen. Außerdem iibyrla^ern aich die bei paralleler Vielkanalkorreln.bi.on in der Holograiimebene zu verschiedenen Orientierungen des Zeichens gehörenden Fouriertransformierten derart, daß alle 0. Beugungsordnungen örtlich zusammen-

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fallen. Dadurch entsteht insbesondere bei niedrigen Ortsfrequenzen die Gefahr einer Übersteuerung der Kennlinie des holografischen Aufnahmematerials.

Der vorliegenden Erfindung lag nun die Aufgabe zugrunde, einen kohärent optischen Viellcanallcorrelator zu schaffen, bestehend aus einer kohärentes Licht erzeugenden Quelle zur Beleuchtung eines zu untersuchenden Objektes, einer Fouriertransformationslinse, mehreren Filterholograminen und einem Fotodetektor, der eine möglichst gleichmäßige Inteiisitätsverteilung über die gesamte Fotoplatte ermöglicht, sowie ein hohes Signal/Stör-" verhältnis und eine gute Gesamtlichtausbeute aufweist.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, daß dex' Korrelator einen Modulator aufweist, mit dem eine sequentielle Trägerfrequenzraodulatioii durchgeführt v/erden ka.nn. Der Modulator enthält bei einer ersten vorzngsv/eisen Ausgestaltung der Erfindung zwei drehbare Gitter, wobei ein Gitter als Volumen-Phasen -Hologramm und das andere Gitter als Flächen-Phasen-Holograiiim ausgebildet ist. Das drehbare Volumen-Phasen-Hologramm ist dabei vorzugsweise derart gelagert, daß die Bragg-Bedingung bei jeder Winkellage erfüllt ist.

Bei einer anderen vorzugsweisen Ausgestaltung des Modulators sind beide Gitter als Flächenhologramrae ausgebildet.

Bei einer dritten vorzugsweisen Ausgestaltung des Modulators sind beide Gitter als Ronchi-Gifctor ausgebildet.

Die relative räum 1 Lohe Orientierung der beiden Gitter zueinander ist dabei vorzugsweise kontinuierlich oder stufenweise variabel..

Der Fotodetektor wird vorzugsweise segmentiert, wobei jedes einzelne Detektoi-elemcnt mit einer Schwelle versehen ist.

Das Prinzip der optischen Trägerfrequenzmodulation, auch kurz

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INSPECTED

Theta-Modulation genannt, wurde bereits vorgeschlagen in einem Artikel "Thetamodulation in Optics", Applied Optics, April 1965, Band 4, Hr. 4» S. 399 - 403. Man versteht darunter, daß das Zeichen in der Signaleingabeebene mit Hilfe eines Beugungsgitters auf einen Träger moduliert wird, dessen Ausbreitungsrichtung durch Drehung des Beugungsgitters um verschiedene Winkel 1 in verschiedene Kanäle gelegt werden kann, wodurch ein sequentielles Beleuchtungswellenvielfach entsteht.

Es wurde nun gefunden, daß bei sequentieller Signalverarbeitung mittels Theta-Modulation in einem kohärent optischen Korrelator ein wesentlich höherer Wirkungsgrad als bei paralleler Signalverarbeitung erreicht werden kann. Da dem zu erkennenden Zeichen" die notwendigen Einzelfilter nacheinander angeboten werden, erhöht sich zwar die Korrelat!onszeit um den gleichen Fa]:tor, das Signal/Störverhältnis Av'ird jedoch bedeutend verbessert, da diu Intensität des Detektcrsignala sich bei Autokorrelation um denselben Paktor erhöht, wenn die Beleuchtungsintensität voll in den entsprechenden Kanal geschickt wird.

Ein einfacher sequentiell arbeitender Vielkanalkorrelator kann derart gestaltet sein, daß eine auf einem Kegel umlaufende ebene Objektbeleuehtungswelle die notwendigen Kanäle des angepaßten Filters in der Fourierebene ansteuert. Alle Kanäle des angepaßten Filters sind in diesem Fall mit derselben Bezugswelle hergestellt. Die Integration der rekonstruierten Bezugswelle, des Autokorrelationssignals, führt eine Sammellinse durch oder es wird bei der Hers hellung des angepaßten Filters eine konvergente Bezugswelle gewählt. In der Brennebene der rekonstruierten Bezugswellen wird ein Fotodetektor angebracht, der aus einzelnen Detektoreleraenten zusammengesetzt ist. Jedes Detektorelement gibt erst nach Überschreiten eines Schwellwertes ein Signal ab. Dadurch führt die bei Kreuzkorrelation verteilt auftreffende Intensität an dem für alle Detektorelemente gemeinsamen Arbeitswiderstand zu keinem Erkennungs-

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signal, wenn nicht an einem Element die Schwellwertintensität , überschritten wird.

Durch die auf einem Kegelmantel umlaufende ebene Welle wird die Methode der Theta-Modulation ausgenutzt. Zur Identifizierung eines Zeichens muß dabei der Drehwinkel Θ bei Autokorrelation bekannt sein, weil jedes Zeichen durch sein spezielles angepaßtes Filter einen bestimmten g?-Wert eindeutig zugeordnet wird.

Die sequentielle Theta-Modulation läßt sich am einfachsten mit einem rotierenden Gitter durchführen. Bei der Herstellung des angepaßten Filters wird mit Hilfe einer einzigen Bezugswelle bei jedem Winkel (J/ das Fourierhologramm eines bestimmten Zeichens in bestimmter Winkellage aufgenommen. Zur Aufnahme der !Tilter eines Zeichens in verschiedenen Winkellagen ist beispielsweise ein Impulslaser geeignet. Die nacheinander hergestellten Filterhologramme werden in der Fouriertransformationsebene auf einem Kreis angeordnet. Beim Erkennungsprozess dreht sich das Gitter in der Signaleingabeebene mit hoher Winkelgeschwindigkeit und steuert dadurch die einzelnen Filterhologramme in rascher Folge an.

Im folgenden soll die Erfindung anhand der Figuren näher erläutert werden.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Vielkanalkorrelators, -

die Figuren 2, 4, 6 und 8 verschiedene Ausführungsformen des als Modulator dienenden drehbaren Gitters, die Figuren 3» 5,7 und 9 die zu den jeweiligen Gittern gehörenden Fourierspektren,

Fig. 10 die Ansteuerung einer Folge von Hologrammfiltern auf einer in der Fourierebene liegenden Spirale.

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Fig. 11 schematisch den Strahlengang in einem Vielkanalkorrelator mit zwei drehbaren Gittern,
Fig. 12 das zugehörige Ortsfrequenzspektrum, Fig. 13 einen mechanisch nicht bewegten Modulator und Fig. 14- eine mit einem derartigen Modulator mögliche Kanalansteuerung.

In Figur 1 "bezeichnet 1 einen monochromatischen kohärenten lichtstrahl, der ein Beugungsgitter 2, sowie einen Zeichenträger 4 durchsetzt. 5 "bezeichnet eine Fouriertransformationslinse, in deren einer Brennebene ein die verschiedenen Filterhologramme tragender Hologrammträger 6 angebracht ist. Mit 7 ist der segmentierte Detektor bezeichnet auf den im Falle der Autokorrelation die rekonstruierten und durch eine Integrationslinse 8 fokussierten Bezugswellen auftreffen und der ein zur Weiterverarbeitung geeignetes elektrisches Signal abgibt.

Figur 2 zeigt eine Ausführungsform eines drehbaren Beugungsgitters 2 mit einer einzigen Trägerfrequenz f1, d.h. mit konstantem Gitterabstand. Figur 3 zeigt die relative Lage der Fourierspektren in der +1. und -1. BeugungsOrdnung des zu untersuchenden Zeichens a auf dem Hologrammträger 6 (Fig. 1) bei einer Drehung des Gitters 2 um den Winkel G^;·

Durch Wahl verschiedener Trägerfrequenzen, wie es in den Beugungsgittern der Figuren 4, 6 und 8 dargestellt ist, lassen sich die Kanäle in der Fouriertransformationsebene auch in verschiedenen radialen Abständen zur optischen Achse anordnen, wie es in den Figuren 5, 7 und 9 angedeutet ist.

So können, wie es Figur 4 zeigt, Einzelgitter mit unterschiedlichen Gitterkonstanten in Form eines Kreisringes angeordnet werden. Jedes Einzelgitter bildet da3 zu erkennende Zeichen auf zwei anderen Punkten einer Geraden ab. (Fig. 5).

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Entsprechend Figur 6 werden zwei halbkreisförmige Gittersegmente .mit zwei verschiedenen Gitterkonstanten verwendet. Dadurch liegen die Fourierspektren bei Drehung des Gitters auf zwei konzentrischen Halbkreisen, wie es in Figur 7 dargestellt ist.

Besteht das Beugungsgitter aus mehreren Kreuzgittersegmenten (Fig. 8), so werden die Spektren in der Fourierebene bei Drehung ebenfalls auf mehreren konzentrischen Kreisen geführt (Fig. 9).

Die Beugungsgitter, die vorzugsweise holografisch aufgenommen werden, werden dabei von einer Dreheinrichtung im Strahlengang dicht vor dem Zeichenträger gehalten.

Verwendet man statt eines einzigen Gitters deren zwei in zwei verschiedenen Ebenen des Strahlenganges, wobei die Kreuzungspunkte der beiden Grundgitter· miteinander den Winkel 0 einschließen, so treten Summen- und Differenz-Raumfrequenzen auf. Eine derartige Anordnung kann ebenfalls als Theta-Modulator verwendet werden. Drehen sich beide Grundgitter mit konstanter Winkelgeschwindigkeit, so wird das auf die Trägerfrequenz dieser Anordnung modulierte Ortsfrequenzspektrum eines Zeichens in ) der Fourierebene wiederum auf einem Kreis geführt. Dadurch, daß sich beide Grundgitter auf getrennten, aber unmittelbar hintereinanderliegenden Gitterträgern anbringen lassen, wird der Winkel 0 variabel. Durch schrittweise Änderung von 0 können nacheinander Filterhologramme auf Kreisen mit verschiedenen Radien, d.h. verschiedenen radialen Ortsfrequenzen, angesteuert werden. Bei kontinuierlicher Änderung des Winkels 0 kann die Kanalansteuerung aber auch auf einer Spirale in der Fourierebene erfolgen, wie es in Figur 10 dargestellt ist.

Figur 11 zeigt schematisch eine Ausführungsform eines kohärent optischen Vielkanalkorrelators mit 0- und©-Modulation. Die

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(Jitter 2 und 3 sowie der Zeichenträger 4 liegen unmittelbar hintereinander. Das Gitter 2 ist als Volumen-Phasen-Hologramm für die Braggreflexion einer einzigen ebenen Welle ausgeführt. Die unter den Braggwinkel gebeugte Welle durchsetzt das als Flächen-Phasen-Hologramm ausgebildete Gitter 3> sowie den Zeichenträger 4 und wird durch die Fouriertransformationslinse 5 in den Punkt A in der Fourierebene fokussiert. Das Gitter 3 erzeugt zu der am Gitter 2 gebeugten Welle eine +1. und -1. BeugungsOrdnung. Diese abgebeugten Wellen werden in die Punkte B und C fokussiert. Werden die Gitter 2 und gemeinsam gedreht, so wandern A, B, C auf Kreisen mit den Radien r^, r-g, r_c um den Ursprung des Ortsfreq_uenzspektrums in der Fourierebene, wie es in Figur 12 dargestellt ist. Der bisher betrachtete Fall gilt dabei für den Winkel 0=0 zwischen beiden Gittern. Ist dieser Winkel 0^0, so entstehen entsprechende Spektralkomponenten bei A¹, B¹, C, wobei gilt r. = r,_M aber r-g ^ r-g, und r~ Φ ^rn»· ^^er^en beide Gitter wiederum bei konstantem Winkel 0 gedreht, so bewegen sich die Spektralkomponenten auf Kreisen mit den Radien r.,, r,,,, r_c,. Dieser Fall ist für vier verschiedene Winkel''^l.j, '^o' ^'3 und G'. im Ortsfrequenzspektrum angedeutet.

Eine andere Möglichkeit der sequentiellen 0- und oohne mechanisch bewegte Teile besteht darin, anstelle der beiden drehbaren Beugungsgitter einen analogen magnetooptischen Lichtablenker zu verwenden, wie er beispielsweise von T.R. Johansen in einem Vortrag der "Conference on Magnetism aiii Magnetic Materials", 16. - 20. November 1970, Miami, USA, beschrieben worden ist.

In dünnen magnetischen Proben, deren Vorzugsrichtungen nicht parallel zur Probenebene liegen, werden dabei nach Anlegen eines parallel zur Probenebene liegenden Magnetfeldes schmale, regelmäßige Streifendomänen beobachtet. Die senkrecht zur Probenebene liegende Magnetisierungskomponente kehrt ihr Vor-

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zeichen von Streifen zu Streifen um. Bringt man hinter der Probe einen Spiegel an und wählt man die Probendicke so, daß die Polarisationsebene des Lichtes nach dem zweimaligen Durchlaufen der Probe um + 90° gedreht ist, so löschen die nach dem Reflexionsgesetz reflektierten Teilwellen sich durch Interferenz gegenseitig,aus. Die Intensität in der Reflexion 0. Ordnung ist also sehr klein.

Das Prinzip dieses Sachverhaltes ist in Figur 13 dargestellt. Darin bezeichnet 1 das auf die magnetische Schicht 9 auftreffende licht. Die Magnetisierungsrichtungen in den einzelnen * Streifendomänen 11 kehren.ihr Vorzeichen von Streifen zu Streifen um, wie es durch die eingezeichneten Doppelpfeile angedeutet ist. Mit 10 ist ein Spiegel bezeichnet und 12 stellt eine der beiden Beugungsrichtungen 1. Ordnung dar, in denen sich die Teilwellen phasenrichtig zusammensetzen, und in denen sich fast die gesamte reflektierte Intensität wiederfindet.

Durch Änderung der anliegenden Feldstärke läßt sich die Domänenbreite und damit die Gitterkonstante dieser Phasengitter kontinuierlich ändern. Eine Hysterese kann durch ein überlagertes Hochfrequenzfeld vermieden werden. In 25 /um dicken Yttrium-Bisengranat-Schichten wurde durch ein Feld von 4 kA/m eine Domänenbreite von etwa 3 /um erreicht. Auf diese V/eise erhält man einen lichtablenker mit sehr großem optischen Wirkungsgrad,'dessen Ablenkwinkel zwischen 1° und 10 kontinuierlich eingestellt werden kann. Durch Drehung des Feldes wird eine zweidimensionale Lichtablenkung in einer Stufe ermöglicht. Bei Verwendung von Bandleitern zur Aussteuerung läßt sich eine Schaltzeit von der Größenordnung 1 /usec erreichen.

Figur .14 zeigt ein Beispiel für die mögliche Ansteuerung der einzelnen angepaßten Filter im Ortsfrequenzspektrum eines

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auf Steuertiaren Magnetisierungsdomänen basierenden sequentiellen 0-β¹ -Modulators. Man ersieht daraus, daß die Speicherkapazität in der Fourierebene für eine große Zahl von einzelnen, angepaßten Filtern optimal ausgenutzt werden kann.

9 Patentansprüche
14 Figuren

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Claims

Patentansprüche

1. Kohärent optischer Vielkanalkorrelator, bestehend aus einer - kohärentes Licht erzeugenden Quelle zur Beleuchtung eines zu untersuchenden Objektes, einer Ifouriertransformationslinse, mehreren Filterhologrammen und einem !Fotodetektor, dadurch gekennzeichnet , daß er einen Modulator aufweist, mit dem eine sequentielle Trägerfrequenzmodulation durchgeführt werden kann.

2. Kohärent optischer Vielkanalkorrelator nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet ,daß der Modulator zwei drehbare Gitter enthält, wobei ein Gitter als Volumen-Phasen-HologramiD und das andere Gitter als Flächen-Phasen-Hologramm ausgebildet ist.

3. Kohärent optischer Vielkanalkorrelator nach Anpruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Modulator zwei drehbare Gitter enthält, die beide als Flächen-Phasen-Hologramme ausgebildet sind.

4. Kohärent optischer Vielkanalkorrelator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Modulator zwei drehbare Gitter enthält, die beide als Ronchi-Gitter ausgebildet sind.

5» Kohärent optischer Vielkanalkorrelator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß das drehbare Volumen-Phasen-Hologramm derart gelagert ist, daS die Braggbedingung bei jeder Winkellage erfüllt ist.

6. Kohärent optischer Vielkanalkorrelator nach einem der Ansprüche 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet daß die relative räumliche Orientierung der beiden Gitter zueinander kontinuierlich oder stufenweise variabel ist.

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7. Kohärent optischer Vielkanalkorrelator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Modulator aus einem mechanisch nicht bewegten Gitter "besteht, dessen Gitterkonstante und Orientierung mit Hilfe von magnetischen oder elektrischen Gleichfeldern oder mit Hilfe von elektromagnetischen Wechselfeidern variabel sind.

8. Kohärent optischer Yielkanalkorrelator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß das Gitter aus magnetöo ptischem. Material mit Streifendomänen besteht.

9. Kohärent optischer Vielkanalkorrelator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Fotodetektor segmentiert ist, wobei jedes einzelne Detektorelement mit einer Schwelle versehen ist.

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