基于衍射器件阵列的二维仿射变换全光实现方法

摘要

本发明公开一种基于衍射器件阵列的二维仿射变换全光实现方法，其特征在于：通过该第一空间光调制器加载输入图像；通过基于衍射器件阵列的仿射线性变换模块进行二维仿射变换，然后通过透过率控制模块实现振幅调节。其显著效果是：能够用全光的方式完成输入与输出的映射，进而实现图像的二维仿射线性变换，具有响应速度快、可大规模集成的优点，通过增设透过率控制模块，能够在保证输出面上有用信号幅度不变化的条件下，抑制来自其它通道的干扰。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于光交换思想进行图像处理的技术，具体地 讲，是一种基于衍射器件阵列的二维仿射变换全光实现方法。

背景技术

随着现代图像处理技术的发展，人们对图像的分辨率要求越来越 高，市面上的数码相机的像素已达到1000万以上。如果利用计算机 分形迭代系统（IFS）实现图像数据压缩，其编解码的运算量是非常 惊人的。就拿一幅1000×1000像素的图像解码为例，若要达到1个 像素的分辨率，采用普通的计算方法大约需要1010年，这是分形图像 数据压缩至今仍无法实现实时处理的主要瓶颈所在。

如果采用闭环全光系统进行分形迭代函数计算，其速度等价于光 在该闭环系统中的传播速度，一次循环时间为纳秒数量级，可望满足 实时性的要求。然而，迭代函数系统通常由两个基本部分构成，一个 是仿射线性变换，另一个是迭代（反馈）。如果将输入图像的每个像 元（像素）看着光交换矩阵的一根光纤输入，将输出图像的每个像元 与光交换矩阵中的输出光纤对应，利用光交换的思想，与输入矩阵中 的任一像元对应的光信号都可采用光交换的方法映射到输出中的任 意一个像元，从而可以实现输入图像的任意仿射变换。然而，传统的 光交换是先进行光-电转换，交换后再进行电-光转换，不仅耗时长， 而且带宽存在瓶颈，难以大规模实现。

目前已有许多学者提出了实现全光交换的一些方案，典型方法有 基于光波导的光交换、基于MEMS/(MOEMS)技术的光交换、基于微透 镜阵列的光交换以及基于衍射的SLM光交换等。

例如，利用空间光调制器实现板与板之间的动态全息连接，采用 了特殊的激光源阵列和铁电型的液晶空间光调制器，利用相位型空间 光调制器对波前相位的调制作用，或者利用计算全息的方法构成光栅 实现对光波波前的相位调制，从而在输出端口或输出平面上得到需要 的光束偏转或扫描信息，从而实现多通道的光交换。其优点是速度快， 可裁剪，可靠性高且自适应性强，可以实现交换前后的光纤通道的动 态对准和跟踪。但存在着衍射效率不够高、空间光调制器构成的衍射 器件尺寸无法做小、通道间串扰较大的缺陷。

而基于光波导和MEMS技术的光交换虽然没有上述的衍射效率导 致的通道串扰问题，但由于涉及机械运动，不仅其速度和可靠性都受 限，且成本高昂、体积较大，无法实现大规模的光交换。

基于上述分析可以发现，现有技术中的各种全光交换方法要么存 在着规模或响应速度受限，要么串扰大，因此无法直接应用于二维迭 代函数系统中需要的仿射线性变换。

发明内容

本发明的目的是针对现有光交换方法存在上述不足而无法直接 应用于二维仿射变换的问题，提供一种能用于全光方式实现二维仿射 线性变换的图像处理技术。

为了达到上述目的，本发明提供了一种基于衍射器件阵列的二维 仿射变换全光实现方法，具体的技术方案如下：

一种基于衍射器件阵列的二维仿射变换全光实现方法，其关键在 于按照以下步骤进行：

步骤1：将激光源生成的相干光准直后投射到第一空间光调制器 中，并通过该第一空间光调制器加载输入图像；

步骤2：所述第一空间光调制器将加载有输入图像的相干光输出 到仿射线性变换模块中；

步骤3：通过所述仿射线性变换模块进行二维仿射变换后将输出 的光线投射到傅里叶透镜中；

步骤4：在所述傅里叶透镜的后焦面上获取输出图像；

所述仿射线性变换模块是由多个子衍射器件构成的阵列，该仿射 线性变换模块中的二维仿射变换按照Y=CX+b进行，其中，X为仿射 线性变换模块的输入信息，Y为仿射线性变换模块的输出信息，C为 线性变换矩阵，b为平移矢量；一个子衍射器件实现一个输入像元到 一个输出像元的衍射功能。

基于上述方法，以仿射线性变换模块中对应的输入图像的像元大 小作为基本单位，每个子衍射器件对应一个像元，单独控制各个子衍 射器件对每个输入像元入射光的衍射作用，利用衍射现象可以改变入 射光束的出射角的原理，分别控制各个像元出射光束的偏转，并通过 阵列的形式完成二维输入与输出的映射，进而实现基于衍射器件阵列 光交换的全光仿射线性变换。

由于衍射器件的效率不为100%，上述方案中必然存在串音干扰， 为了解决这一问题，所述步骤4中，在傅里叶透镜的后焦面上添加透 过率控制模块来处理输出图像，该透过率控制模块由第二空间光调制 器构成，并按照A、B两种方式对每个像元的透过率进行控制：

方式A：如果该像元中没有有用信号，则透过率为0；

方式B:如果像元中是有用信号与干扰信号的重叠，则透过率 其中I_s为该像元对应子衍射器件衍射出的有用信号光强，I_n为其他子衍射器件在该像元处的干扰信号的光强。

通过增设透过率控制模块，如果没有有用信号，透过率为0即表 示没有信号输出，如果某一输出像元处即有有用信号又有干扰信号， 透过率设为后，(I_s+I_n)t=I_s，即保证了在该像元处有效消除 其它子衍射器件造成的串扰。

为了便于实施，所述第一空间光调制器和第二空间光调制器均为 电寻址空间光调制器。

更进一步的描述，所述激光源为氦氖激光器，该氦氖激光器发出 的相干光经过针孔滤波器和准直透镜实现准直。

作为优选，所述仿射线性变换模块采用闪耀光栅阵列，该闪耀光 栅阵列由多个不同方向、不同闪耀角和不同光栅常数的子闪耀光栅组 成，子闪耀光栅的方向、闪耀角和光栅常数根据预设的仿射变换确定。

本发明的显著效果是：

（1）利用衍射器件阵列进行图像处理，能够用全光的方式完成 输入与输出的映射，进而实现图像的二维仿射线性变换，具有响应速 度快、可大规模集成的优点。

（2）通过增设透过率控制模块，能够在保证输出面上有用信号 幅度不变化的条件下，抑制来自其它通道的干扰。

附图说明

图1是本发明的方法步骤流程图；

图2是本发明的光路系统拓扑图；

图3是本发明的工作原理示意图；

图4是子闪耀光栅剖面及衍射光强随衍射角的变化关系图；

图5是子闪耀光栅衍射效率有限导致的串扰现象示意图。

图2中的附图标记为：

1氦氖激光器、2针孔滤波器、3准直透镜、4第一空间光调制器、 5闪耀光栅阵列、6傅里叶透镜、7第二空间光调制器。

具体实施方式

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。

如图1，图2所示，一种基于衍射器件阵列的二维仿射变换全光 实现方法，按照以下步骤进行：

步骤1：将激光源生成的相干光准直后投射到第一空间光调制器 4中，并通过该第一空间光调制器4加载输入图像；这里的激光源为 氦氖激光器1，该氦氖激光器1发出的相干光经过针孔滤波器2和准 直透镜3实现准直。

步骤2：所述第一空间光调制器4将加载有输入图像的相干光输 出到仿射线性变换模块中；

步骤3：通过所述仿射线性变换模块进行二维仿射变换后将输出 的光线投射到傅里叶透镜6中；

步骤4：在所述傅里叶透镜6的后焦面上获取输出图像；

所述仿射线性变换模块是由多个子衍射器件构成的阵列，该仿射 线性变换模块中的二维仿射变换按照Y=CX+b进行，其中，X为仿射 线性变换模块的输入信息，Y为仿射线性变换模块的输出信息，C为 线性变换矩阵，b为平移矢量；一个子衍射器件实现一个输入像元到 一个输出像元的衍射功能，在具体实施时，仿射线性变换模块采用闪 耀光栅阵列5，该闪耀光栅阵列5由多个不同方向、不同闪耀角和不 同光栅常数的子闪耀光栅组成，子闪耀光栅的方向、闪耀角和光栅常 数根据预设的仿射变换确定。

为了防止各个子闪耀光栅之间的串扰，所述步骤4中，在傅里叶 透镜6的后焦面上添加透过率控制模块来处理输出图像，该透过率控 制模块由第二空间光调制器7构成，并按照A、B两种方式对每个像 元的透过率进行控制：

方式A：如果该像元中没有有用信号，则透过率为0；

方式B:如果像元中是有用信号与干扰信号的重叠，则透过率 其中I_s为该像元对应子衍射器件衍射出的有用信号光强，I_n为其他子衍射器件在该像元处的干扰信号的光强。

在本实施例中，氦氖激光器1的型号为虹扬1000，输出功率40mw， 偏振比（方向）为1000：1，发散角≤0.7mrad。针孔滤波器2的型 号为GCO-01M，针孔直径10μm。准直透镜3的型号为GCO-0203M，焦 距为400mm，孔径为100mm。第一空间光调制器4和第二空间光调制 器7均为电寻址空间光调制器，其液晶板采用的是SONY lcx038，分 辨率为1024×768，液晶尺寸为14.4mm×10.8mm，像元尺寸 14μm×14μm，刷新频率为60Hz，对比度400:1，最高透射率21%， 可实现256级振幅调制，傅里叶透镜6的型号为GCO-0203M，焦距 为400mm，孔径为100mm。

系统组装时，氦氖激光器1位于针孔滤波器2前方5cm处，针 孔滤波器2位于准直透镜3的前焦面处，准直透镜3后方10cm处安 装第一空间光调制器4，在第一空间光调制器4上包括了为使其正常 工作所需的起偏器和检偏器，闪耀光栅阵列5位于第一空间光调制器 4后方5cm处，傅里叶透镜6位于闪耀光栅阵列5后方10cm处，在 傅里叶透镜6的后焦面放置振幅调制型的第二空间光调制器7。氦氖 激光器1、针孔滤波器2、准直透镜3、第一空间光调制器4、闪耀光 栅阵列5、傅里叶透镜6、第二空间光调制器7在同一轴线上。

为了更充分的理解本发明的技术效果，下面结合图3所示的具体 实施例进行描述。

从图3可以看出，输入图像被划分为4*4=16个像元组成（实际 图像的像元远大于此），若将图3输入图像中坐标为（2,2）的那个像 元对应的光信号偏转到输出平面（也即图3中的输出图像）上的坐标 为（3,1）的那个位置，其余像元对应的信号作类似偏转，则可以实 现对输入图像的旋转变换（仿射线性变换的一种），这样的变换均可 以利用每一个子衍射器件实现。

如图4所示，以闪耀光栅阵列的衍射效应为例，图中画出的仅是 闪耀光栅阵列中的一个子闪耀光栅的衍射效应，它仅实现从该子闪耀 光栅上出射的衍射光沿图中X方向的偏转。设期望在傅里叶透镜6 后焦面上的位移为x,则光线从该子光栅出射的角度θ（即衍射角）应 满足：tanθ＝x/f，式中f为傅里叶透镜6的焦距。闪耀光栅的方 向、闪耀角和光栅常数决定了傅里叶透镜6后焦面（图2中的X-Y 平面）上光点的位置以及衍射效率。

下面以图2中在X方向上的位移为例加以说明，其它方向的位 移可以通过对子闪耀光栅的旋转来实现。

从图4可以看出，γ为子闪耀光栅的闪耀角，N为子闪耀光栅的 法线，N’为子闪耀光栅槽面的法线，θ₀为入射光方向与子闪耀光栅 平面法线间的夹角，θ为衍射角，则傅里叶透镜6后焦面上的光强 $I_{\mathrm{out}}=A_0\frac{{\sin }^{2}u}{u^2}·\frac{{\sin }^2\left(\mathrm{Nv}\right)}{N^2{\sin }^{2}v};$

其中$v=\frac{\mathrm{\pi d}}{\lambda }(\sin \theta +\sin {\theta }_0),$$u=\frac{\mathrm{\pi C}}{\lambda }(\sin \alpha +\sin \beta );$α＝θ₀-γ， β＝θ-γ。

当θ₀＝γ时，可推出θ＝γ，从而得到光栅方程为2dsinγ＝mλ， 其中m为衍射级数，图4（b）表示经过该子闪耀光栅后的输出光强 I_out随θ的分布，其中的γ既是子闪耀光栅的闪耀角，也是期望的衍射 角。可见，为了在傅里叶透镜6的后焦面上得到期望的偏移，可以通 过改变闪耀角γ和衍射级m来实现。为相邻衍射主极大的位置， 在波长λ一定的情况下，适当选取d可使相邻主极大的位置与包络的 极小值位置尽可能重合，致使这些级次的光能量尽可能小，从而使光 栅的衍射效率达到90％以上。

尽管闪耀光栅的衍射效率可以达到90％以上，但仍然不可能为 100％。以一维情况为例，如图5所示，图5（a）和图5（b）分别为 两个子闪耀光栅G1和G2在傅里叶透镜6后焦面上位置γ和处 的衍射光强分布I_1out(γ)、I_2out(γ)，图5（c）为两者相互干扰的示意 图。比如在γ处，由于光栅的衍射效率不是100％，因而不仅有第一 个子闪耀光栅G1产生的输出的信号光I_1out(γ),也有第二个子闪耀光 栅G2产生的输出I_2out(γ)，傅里叶透镜6后焦面（输出平面）上最终 得到的是二者的叠加，这必然导致输出平面上γ和处两个像元 处的光信号相互干扰（即串扰），此外，在本例中除了γ和处的 光强，其它位置的光强都是无用信号。

因此，本发明通过增设透过率控制模块来抑制上述串扰和无用信 号。根据透过率控制模块的控制方法，振幅调制型的电寻址空间光调 制器（7）的透过率设置方案为：

A：对于输出平面上那些无用信号处，直接使第二空间光调制器 7在该像元处的透过率为零；

B：对于有用信号与干扰信号重叠的地方，如上面的γ处，两个 子闪耀光栅G1和G2在该像元处的衍射光强分别为I_1out(γ)、I_2out(γ)， 显然有：I_1out(γ)=A₀，0<I_2out(γ)<A₀。设第二空间光调制器7在该像 元处的透过率为t(γ)，则为了保持该像元对应傅里叶透镜6后焦面上 的光强与只有子闪耀光栅G1时的光强相同，则t(γ)必须满足 [I_1out(γ)+I_2out(γ)]t(γ)=I_1out(γ)，由此得到：

因此，只要按照上式将第二空间光调制器7在γ处的透过率设置 成t(γ)，则可保证有效地抑制子闪耀光栅G2的衍射对子闪耀光栅G1 在γ处造成的串扰，最终实现本发明的目的。

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 调整衍射器件阵列的各种参数来实现不同的衍射变换，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。