傅里叶变换光学图案空间滤波的非刚性耦合重叠无反馈光学系统的制作方法

专利名称：傅里叶变换光学图案空间滤波的非刚性耦合重叠无反馈光学系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及光学图像处理。
背景技术：
现有可从光束空间散布部分获得有用信息的情况。特别地讲，当图像被光束承载 或传播时，从图像特定部分例如从承载图像的光束的横截面的特定部分收集和使用或分析 信息可能是有用的。举例而言，在本人的美国专利No. 6，678，411和7，103，223中，它们以弓| 用的方式并入本申请，傅里叶变换图像的窄径向定向部分在空间域中被俘获和检测并且用 于基于形状对图像进行特征化和编码以便存储、查找和检索。如这里所解释，来自图像傅里 叶变换即傅里叶变换域的光能的这种径向定向的角向或旋转分隔部分被顺序俘获在空间 域中，并且在空间域中检测的这种光能部分体现了大致线性排列在与光能被检测时旋转掩 模中的狭缝相同角定向的图像内容部分的特性。这些系统可非常好地完成基于图像形状内 容对图像进行特征化和编码的功能，但它们仍存在一些引起麻烦的缺点。举例而言，光学系 统是非常刚性的，对于实际光学元件的不完美或在这样的元件彼此之间的选择和更换时， 几乎没有柔性或许用公差，这会导致固有局限性，这使得输出被限制在期望的质量以下，并 且对整体尺寸、光学布局、成本和包装造成限制。


结合在此构成说明书一部分的附图示出了本发明的一些非唯一或非排它性的代 表实施方式。希望理解，这里的实施例和图示被认为是示例性的而非限制性的。在附图中图1是一种光学图像表征器的示意图，其中根据本发明的示例性非刚性耦合无反 馈光学系统被示出为应用于基于形状内容对光学图像进行特征化和编码，以示例的方式解 释其结构和功能能力；图2是简化形式的示例性光学系统的示意图，用于解释其基本光学子系统和构成 元件；图3是布置成最小化或消除图像模糊的光学系统的示例性实施方式的示意图；图4是根据本发明的光学系统的示例性实施方式的透视图；图5是示例性空间光调制装置的等角视图，该装置在本发明中可被用作空间滤波 器元件，被聚焦在装置的有源光学区域中的光调制元件上的光束照亮；图6是空间滤波用空间光调制装置的有源光学区域中的光调制元件的正视图，其 形状为分段调制扇区，它们定向为以相对于中心轴线的各种角定向径向延伸；图7是空间光调制装置的有源光调制元件的一个扇区的放大正视图；图8是用于空间滤波的空间光调制器的有源光学扇区的一部分大致沿着图7中的 剖线8-8所作的剖视图9a_c示出了具有大正方形的示例性空间域图像，其在傅里叶变换域内被光学 滤波以产生低空间频率竖直和水平形状内容的示例性空间域图像；图IOa-C示出了具有小正方形的示例性空间域图像，其在傅里叶变换域内被光学 滤波以产生高空间频率竖直和水平形状内容的示例性空间域图像；图11示出了激活傅里叶变换平面中的没有入射光能、因此没有形状内容的段或 扇区所产生的空白空间域图像；图12示出了示例性分段径向空间光调制器的有源光学分段扇区，为了便于解释 图9a_c和IOa-C中的示例性图像的空间光学滤波；图13a_c包含示例性滤波空间光调制装置的有源光调制元件的示意性正视图，以 揭示使用光调制元件的竖直定向扇区的外侧段，以及被特征化的示例性图像和所产生的作 为图像的竖直定向形状内容的一些特性的可检测光学图案的示意图；图14a_c包含类似于图13a_c的示意性正视图，但揭示了使用竖直扇区的次内侧 段；图15a_b包含类似于图13a_c的示意性正视图，但揭示了使用有源光学扇区的次 外侧段，其定向在从竖直方向偏离45度；图16a_c包含类似于图13a_c的示意性正视图，但揭示了使用水平定向有源光学 扇区的外侧段；图17a_c包含类似于图13a_c的示意性正视图，但揭示了使用有源光学扇区的外 侧段，其定向在从竖直方向偏离191. 25度；图18是类似于图13a的示意性正视图，但揭示了另一示例性空间光调制装置，其 中有源光学段是矩形的而非楔形的；图19是在根据本发明的光学系统中被用作空间滤波器元件的另一示例性空间光 调制装置的示意性正视图，其中传感器像素阵列中的多组可单独寻址的光传感器可在各部 位被一起激活，这些部位模拟各扇区或各扇区的段，以实现光束的角向和/或空间分析，从 而将图像基于形状内容特征化；以及图20是类似于图8的剖视图，但揭示了根据本发明的一种改型，其中调制后的光 束穿过分段径向空间光调制器，而非被其反射。
具体实施例方式一种系统10基于图像的形状内容对所述图像进行特征化、编码和存储，如作为示 例性应用和实施方式而被示意性显示于图1，包括非刚性耦合的重叠无反馈光学系统800。 在本例中，在图像特征化、编码和存储系统10中，任何数量η的图像12，14，... , η，可基于 所述图像中的形状内容被特征化和编码，并且来自每个图像的这样的编码形状信息可被存 储，例如存储在数据库102中，以便用于随后的查找、检索以及与以相同方式特征化和编码 的其它图像的形状内容作比较。这种示例性图像特征化、编码和存储系统10的一些描述可 有利于辅助理解非刚性耦合的重叠无反馈光学系统800。图像12，14，...，η实际上可以采取任何形式，例如相片、胶片、绘图、图解、无序图 案、有序图案或类似物上的视频图像。它们还可以被以数字格式或模拟格式或由数字格式 或模拟格式存储和/或产生。这样的图像可具有在被人观看时以一些方式有意义的内容，或者它们可呈现为无意义或不能够被人解读，但具有一些其它内容的特征，例如音乐、声 音、文字、软件和类似物。根本上讲，任何光能强度的光学图案可被显性化或显示，其中可辨 别的形状内容可利用系统10被特征化和编码。可从任何源(例如互联网，电子数据库，网页，图书馆，扫描仪，相片，条状胶片，雷 达图像，电子照相机或摄像机，和其它源)获得的样本图像12进入光学图像形状表征器10， 如后面更详细解释。任何数量η的其它样本图像14，. . .，η，被显示于图1，排队以便基于顺 序进入光学图像表征器10。任何数量η的这种顺序图像12，14，...，η的进入可以手工实 现，或者优选以自动方式，例如机械滑块传输器，计算机图像生成器，条状胶片投影仪，电子 照相机或摄像机，全息照片，或类似物。图1中的计算机20被认为是任何能够使图像12， 14，...，η排队并进入图像表征器系统10的设备或系统的代表。显示在视频监视器22上 的汽车的示例性图像12表示和代表在该系统10中可被置于处理模式以便对其形状内容进 行特征化和编码的任何图像，当然应当理解，如此显示被处理图像并非本发明的基本特征。 出于方便和简化的考虑，下面的描述中的大部分将仅针对第一图像12，但可以理解，这些描 述同样适合应用于任何图像12，14，...，η等。在示于图1的示例性系统10中，图像12在图像平面19被插入到光学图像表征器 系统10中，该图像平面垂直于图1中的图面。然而，为了便于解释、图示和理解本发明，图 像12，14，...，η也被以虚线在图1中的图面中即在纸面中显示。出于解释、图示和理解的 目的，同样的转换还被用于将由E-SLM 26产生的图像12'、傅里叶变换光学图案32、滤波 空间光调制器(SLM2) 50的有源光学区域54、隔离和滤波的光学图案60和检测器栅82从它 们各自的垂直于纸面的平面中进行投影。这些元件和它们在图像表征器系统10中的功能 将在下面更详细解释。如前所述，图像12可以通过计算机20和电子寻址式空间光调制器(E-SLM) 26进 入光学图像表征器系统10，以产生图像1的单色版本12'，如后面更详细解释。入射到SLM1 26上的光束25也基于逐个像素被衍射。图像产生SLM1 26中的液晶材料在傅里叶变换(FT) 平面33形成对于图像12'而言是唯一的傅里叶变换(FT)光学图案32，在所述傅里叶变换 平面处，光束25、27被透镜30a和30b聚焦在点31。尽管人眼和脑不能识别图像12‘，但 光能在光学图案32中的复式振幅分布是在图像12'中的复式光分布的傅里叶变换，其可 基于遍及光学图案32的光能分布空间的强度即振幅特征化。当然，本领域技术人员可认识 到，E-SLM仅仅是多种公知装置中的一个例子，这些装置包含但不局限于光寻址式空间光调 制器，其可产生单色衍射光图像12'，并且本发明不局限于这种特定实施例。强光能在傅里叶变换平面33中的傅里叶变换(FT)光学图案32中的集中度大体 上对应于图像12'的空间频率，即，图像12'中的特征在相距多近或分隔多远的情况下变 化或保持相同。换言之，空间频率也利用整个光束27内的光能强度在相距多近或分隔多远 的情况下变化或保持相同而被显性化。举例而言，图像中的格子织物衬衫(未示出)，即具 有许多小方格，比图像中的简单单色衬衫(未示出)具有更高的空间频率，即每单位距离中 的变化。同样，图像各部分，例如图像12'中的示例性汽车的保险杠和散热栅格部分35，比 汽车图像12'中的侧板36的部分具有更高的空间频率，这是由于保险杠和散热栅格部分 35在小空间距离内包括许多具有各种边缘、曲线和其它复杂变化的小片，而侧板36在大空 间距离上非常平滑和均勻。同来自图像中更粗糙或简单的细节(更低空间频率)例如图像12'中的侧板36的光能相比，来自图像中的更精细和更明晰细节(更高空间频率)例如图 像12'中的更复杂的保险杠和散热栅格部分35的光能趋向于在傅里叶变换图像32中被 从光学中心或轴线40散布得径向向外更远。在傅里叶变换光学图案32中径向向外散布的 光能34的振幅与图像12'中的光学图案的相应部分的光能相关，这种光能从所述相应部 分发出，但所述光能在傅里叶变换(FT)光学图案32的平面33处被集中到区域或条带34 中，即，集中为强光能条带，强光能条带之间由低光能或无光能条带分开，这要归因于衍射 光能的相长干涉和相消干涉。如果图像12'的高空间频率部分，例如保险杠和散热栅格部 分35，是明亮的，则来自图像12'的这些高空间频率部分(在傅里叶变换光学图案32中散 布至更径向向外的光能条带34)的光能的强度或振幅会更高，即更亮。另一方面，如果图像 12'的光学图案中的高空间频率部分是暗的，则来自图像12'的光学图案的这些高空间频 率部分(在傅里叶变换光学图案32中散布至更径向向外的光能条带34)的光能的强度或 振幅会更低，即不那么明亮。同样，如果图像12'的光学图案中的低空间频率部分例如侧板 部分36是明亮的，则来自图像12'的光学图案的这些低空间频率部分(在傅里叶变换光学 图案32中由FT透镜散布至较不径向向外的光能条带34，即更接近于光学轴线40)的光能 的强度或振幅会更高，即更亮。然而，如果图像12'的光学图案的低空间频率部分是暗的， 则来自图像12'的光学图案的这些低空间频率部分(在傅里叶变换光学图案32中由FT透 镜30散布至较不径向向外的光能条带34)的光能的强度或振幅会更低，即不那么明亮。综上所述，从图像12'发出的光的傅里叶变换光学图案32 :(i)对于图像12'而 言是唯一的；(ii)包括从中心或光学轴线40径向散布的光能集中区域或条带34，其代表图 像12'中的空间频率，即细节精细度；(iii)傅里叶变换光学图案32中的每个空间频率区 域或条带处的光能34的强度或振幅对应于从图像12'的各精细或粗糙特征发出的光能的 亮度或强度；和(iv)傅里叶变换光学图案32的区域或条带中的这种光能34可由所述光学 图像表征器系统10检测强度和空间定位。由于本发明的所述光学图像表征器系统10被设计成利用构成图像12的形状对图 像12进行特征化，因此傅里叶变换光能图案32的附加分扇区空间滤波被用于检测和俘获 从图像12'中的这种更精细或更明晰细节或更精细或更明晰细节中的部分发出的光能，这 些部分被以各种特定的角定向线性排列。这样的分扇区空间滤波可以以多种不同方式中的 任何一种实现，如将在下面更详细解释的，但用于这一个功能的一种示例性分扇区空间滤 波器配置包含在描述于美国专利No. 7，103，223的分段径向空间光调制装置(SLM1)SO与偏 光器或检偏器70的组合中。根本上讲，分段径向SLM1器件50将傅里叶变换光学图案32的 选定扇区部分的偏振平面从P平面偏振旋转至s平面偏振，反之亦然，并且偏光器/检偏器 70将光束27的这些在一个平面隔离和偏振的部分的光能与傅里叶变换光学图案32的保持 在另一平面偏振的剩余光能分开，以使得选定且隔离部分的光能可以在检测器80处被分 开地检测，如后面更详细解释。带有径向槽缝(未示出)的旋转掩模，例如描述于美国专利 No. 6，678，411的，也可以被用于示例性光学系统800中的分扇区空间滤波器50。在示于图1的光学图像表征器10中，图像12需要利用单色相干光能再生，例如在 图像12'处。举例而言，单色图像12'可以利用被来自光源23例如激光二极管或充气二极 管的单色光24的光束照亮的空间光调制器(SLM1) 26再生。空间光调制器(SLM1) 26可以是 光寻址式(O-SLM)的，例如示于美国专利No. 6，678，411的，或者其可以是电寻址式(E-SLM)的，并且由例如图1中的计算机20或摄像机(未示出)驱动。如本领域技术人员所公知， 空间光调制器(SLM)可以向偏振光束25中"写"图像，即通过以空间为基础在整个光束 25内旋转或部分地旋转光偏振平面，以使得在反射为光束27后，其要么被传输通过偏光器 116、要么被其阻挡，取决于需要用什么以单色光产生图像12'。在光寻址式SLM(未示出) 中，图像平面以空间为基础利用入射光能在靠近偏振旋转材料(通常为液晶材料)的半导 体材料上被寻址，而在电寻址式SLM 26中，液晶偏振旋转材料基于逐个像素被电寻址。偏 振光的像素部分随着它们穿过液晶材料一次而使偏振平面旋转45度，于是，这样的光被反 射和再次返回穿过液晶，再次被旋转另一 45度。因此，使其偏振平面在SLM1 26中旋转的偏 振光束25中的光像素被反射和沿着具有光学轴线40的光学路径27以用于形成图像12' 的SLM1 26施加的图案、且其偏振平面从入射光束25的偏振平面旋转90度的方式从SLM1 26射出。出射光束27中的未经历偏振平面旋转的其余光像素也被反射，但它们可以从这些 已经经历偏振平面旋转的光像素分离或剥离，如下面所解释。通过基于逐个像素的偏振平 面局部旋转，图像12的各种光强度或亮度可以以灰度级在单色图像12'中再生。在图1中的示例性实施方式中，来自激光源23的单色相干光束24提供了光能，其 被用于承载图像12'的形状内容，以便用于进一步分析、特征化和编码。其可能已经被激光 源23的内置光学器件偏振了。如果希望或是必须，初始光束部分24的偏振可以穿过可选 的偏光器28而被净化或调节，以向相干光25的偏振光束提供全部在一个平面中偏振的光， 例如但不是作为限制，在s平面中，如以25(s)表示。当然，初始光束部分25也可以是ρ偏 振的，而非s偏振的，以便以与示于图1并且如这里所描述的示例性偏振平面相反的方式实 施本发明，而同样工作良好。因此，虽然示例性光学系统800为了方便被描述为具有特定次 序的s和ρ偏振，但相反或逆向偏振可被认为是等价的。可选的光谱镜802和804可以被 提供以将光束24从激光源23偏转到便利的光学路径中。聚焦透镜30a和30b、可选的偏光器28、图像产生SLM1 26、偏光器/检偏器116、 可选的偏振转动器118和分扇区空间滤波器50包括第一重叠光学子系统810，其产生单色 图像12'的傅里叶变换图案32，如在下面更详细解释。投影透镜78a和78b、偏光器/检偏 器70和检测器80包括第二重叠光学子系统820，其投射分扇区的空间滤波图像60以便检 测，如后面更详细解释。可选的光谱镜804还可以被提供，以将第二重叠光学子系统820偏 折构造为紧凑形式。如前所述，聚焦透镜30a和30b被提供为将偏振的单色相干光束部分25、27聚焦 到分扇区空间滤波器50上的斑点，即焦点31，以使得傅里叶变换图案32形成在包含焦点 31的傅里叶变换平面上，但其在一个示例性实施方式中相对于焦平面33成一角度以防止 反馈，所述反馈会导致傅里叶变换图案和检测器80处的滤波空间图像模糊或质量下降，如 在下面更详细解释。如也在前面所提及，本说明书中为了简便而将入射在图像产生SLM1 26 上的光束部分25表述为在s平面偏振，即s偏振，但ρ偏振也同样良好地适用。透镜30a 和30b的聚焦功能也可以利用单一透镜或透镜的任何组合而被实现，如本领域技术人员可 清楚地理解，并且任何可将光束部分25、27聚焦在空间滤波SLM2上的点上的此类其它聚焦 系统被认为是等价的。如果可选的偏光器28被使用并且安置在两个聚焦透镜30a和30b 之间，如示于图1，第一透镜30a可以成形和布置成两个透镜30a和30b之间的光束部分24 准直化，以最小化或防止非均勻路径长度和其它在偏光器28上的有害作用，尤其是如果光束部分24被张大的化，如下面所讨论。如前所述，有许多方式可将图像12，14，...，n〃写〃入光束中，其中一种方式是 使用可电子寻址SLM。在本例中，计算机20将图像12的内容数字化，从而计算机20可以 通过连接线路21以下述方式传输数字信号至可电子寻址SLM1 26，即访问和激活可电子寻 址SLM1 26中的某些像素以便将图像12'"写"入反射光束27 (ρ)中，如本领域技术人员 所能理解。根本上讲，被寻址的像素将偏振平面从入射光束25 (s)的s平面转动90度到反 射光束27 (ρ)的ρ平面，或转动一定程度的较小量以产生灰度级，从而使得经历部分或完整 90-度偏振平面转动的反射光能位于图像12'的单色光学图案中。当然，本领域技术人员 可以理解，图像12'也可以利用以相反方式工作的可电子寻址SLM产生，即在反射光中偏 振平面转动，除了像素被激活的位置外，在这种情况下计算机20可被编程而根据图像12的 负像激活像素，以便将图像12'写入反射光束部分27。不论是哪种方式，发出的承载图像 12'的相干光的光束部分27都可以是ρ偏振的而非s偏振的(反之亦然)。因此，在本例 中，单色光束部分27 (ρ)，其光能分布在形成单色图像12 ‘的光学图案中，被偏光器/检偏 器116传输至分扇区空间滤波器50并且射出，而非被其吸收或被其反射。如本领域技术人员所理解，光偏振的定向必须与成像SLM1 26偏振相匹配，才能使 得成像SLM1 26有效地工作。如果激光源23中的光学器件不被提供为对调节用偏振平面 进行调节，则这种匹配可以通过整个激光源23绕其纵向轴线旋转实现，或者，可选的偏振 转动器元件，例如半波延迟器(未示出)可以在成像SLM1 26前面定位在光束部分24或25 中并且旋转适宜的量以实现期望的偏振平面定向。偏光器/检偏器116可以是将ρ偏振光从s偏振光分开(反之亦然)的任何器件。 这样的装置是公知的并且可以是，例如吸收偏光器116，如示于图1，其传输ρ偏振光，以及 吸收、因此阻挡s偏振光。另一适宜的示例性偏光器/检偏器可以是偏振分束器，其可以在 一个方向上传输P偏振光和在另一方向上反射s偏振光，反之亦然。如示于图1，结果是光 束部分27在偏光器/检偏器116之后只包括ρ偏振光，其被表示为27 (ρ)。如示于图1，入射光束部分25 (s)被显示为与SLM1 26的法向光学轴线808成入射 角α，从而反射光束27也与法向光学轴线808成角度α。这一特征不是必需的，但其可以 有利地防止由于s偏振光被偏光器/检偏器116意外反射而导致的不理想的伪ρ反馈的形 成，否则的话会导致傅里叶变换图案32和检测器处产生的滤波空间图像60模糊或以其它 方式降低质量，如在下面更详细解释。如前所述，分扇区空间滤波器50可以是空间光调制器(SLM2)，具有像素组或其它 有源光学元件，用于以选定的角定向在径向延伸扇区和/或扇区段中旋转光的偏振，以便 对傅里叶变换图案32中的光能滤波，如后面更详细解释。举例而言，描绘在图1中的分扇 区空间滤波器SLM250可将入射ρ偏振光从扇区500中的光束部分37 (ρ)旋转至由SLM2空 间滤波器50反射的光束部分61中的s偏振光，而光束部分61中的反射光的剩余部分保持 为P偏振光。因此，由于扇区500被定位在傅里叶变换图像图案32的平面中，傅里叶变换 图案32在扇区500中的光34的部分被旋转至s偏振光，而傅里叶变换图案32中的光34 的剩余部分保持为P偏振，并且s偏振和ρ偏振光都在光束部分61中传播到第二重叠光学 子系统820中。定位在光束部分27 (ρ)中的可选的偏振转动器118，例如半波延迟器，可以 用于调节光束部分27 (ρ)的偏振，以匹配于液晶材料在空间滤波SLM2 50中的偏振。
第二重叠光学子系统820将滤波的单色空间图像12 ‘的光能投射至检测器80。为 此，投影透镜78a和78b被成形和布置成将SLM1 26处作为对象的空间图像12 ‘投影到检测 器80上作为实际图像，这只要求与对象即SLM1 26处的图像12'相隔的距离大于透镜78a 和78b的组合的焦长。因此，在透镜参数例如尺寸和焦长，和在投影透镜78a和78b和检测 器80相对于彼此和相对于成像SLM1 26、空间滤波SLM2 50和第一重叠光学子系统810的 其它元件的定位方面，有很大的灵活性。这样的灵活性可以多种措施被利用。一个例子是 能够相对于检测器尺寸按比例缩放投影的滤波图像，其中包括例如将来自成像SLM1 26和/ 或滤波SLM2的图像12'的像素或多组像素50匹配于检测器80中的不同尺寸的传感器或 多组传感器。偏光器/检偏器70将光束部分61中的ρ偏振光从s偏振光分开，以使得只有期 望的来自傅里叶变换图案32的分空间滤波光部到达检测器80。举例而言，如果偏光器/ 检偏器70是吸收型偏光器，如示于图1，根据需要，其既可以传输s偏振光也可以传输P偏 振光，并且吸收、因而阻止相反的偏振。通过传输一个偏振定向和将另一偏振定向反射出系 统，偏振分束器可以提供类似的结果。在图1中的例子中，偏光器/检偏器70传输s偏振 光并且阻挡P偏振光，以使得光束部分61 (s)在偏光器/检偏器70之后只具有由空间滤波 傅里叶变换图案32利用SLM2 50选择的s偏振光，以使得只有s偏振光从扇区500到达检 测器80。另一方面，如果只有光束部分61中的ρ偏振光被允许穿过检测器80，则检测器将 偏转所有来自傅里叶变换图案32的光，除了来自扇区500的光以外。任何一种上述方法可 以被采用。另外，虽然空间滤波器50为示例性形状特征化应用被描述为分扇区的，例如通 过扇区500以及类似扇区和扇区段，但其可以具有对于其中非刚性耦合的重叠无反馈光学 系统800可被使用的其它傅里叶变换图案滤波应用而言理想的任何其它空间滤波器配置。非刚性耦合的重叠光学系统810、820的概念、结构和功能可以是例如图2示出的， 但应认识到，这是简化的、并非与示于图1的系统800完全相同的结构。举例而言，图2中 的图像产生SLM1 26'被显示为透射型、而非反射型SLM，并且所有元件沿着直线光束轴线 40布置，而非偏折，以便以更容易图解的方式揭示两种光学系统810、820的非刚性耦合的 重叠性质。另外，为了简化，两个聚焦透镜30a和30b在图1被描述为对应于图2中的一个 聚焦透镜30，并且图1中的两个投影透镜78a和78b被描述为对应于图2中的一个投影透 镜78。如示于图2，来自激光源(未示出)的入射光束24穿过偏光器28用于调制或净化 s偏振，然后穿过聚焦透镜30，该聚焦透镜将光束部分25 (s)和27 (ρ)聚焦至焦点31，该焦 点限定了位于与透镜30相距焦距F1处的焦平面33。图像产生SLM1 26被定位在光束部分 25 (s)中，该光束部分利用s偏振光照亮SLM1 26。图像12'通过图像产生SLM1 26而被〃 写"入光束部分27，如前面所解释，并且图像产生SLM1 26是扁平的，从而可其对光束部分 27实施调相和衍射，以使得衍射光线在焦平面33形成图像12'的傅里叶变换图案32。扁平SLM1 26将施加相变，而不论入射光线的方向如何，从而入射光束24不是必 须被准直以在透镜30的焦点31形成图像12'的傅里叶变换图案(如果通过透镜30折射 被用于形成傅里叶变换图案32的话必须被准直)。因此，入射光束24可以从光学轴线40 发散，如示于图2，这可能有利于调整光束部分25(s)的尺寸以便照亮SLM1 26的足够图像 产生区域，以包含整个像素图像12，这一点是必须的，为避免从SLM格式的单色图像12'中的原始图像12损失形状内容或特征。SLM1 26通过基于逐个像素旋转偏振平面而在光束部分27中形成单色图像12'， 以使得例如光束部分27中的旋转后的ρ偏振光包括单色图像12'，而未旋转的s偏振光被 偏光器/检偏器116阻挡。图像12'的ρ偏振衍射光传输通过偏光器/检偏器116，以使 得其干涉并在聚焦透镜30的焦平面33形成图像12'的傅里叶变换32。因此，第一重叠子系统810中仅有的刚性光学和空间约束包括入射光束24需要为 单色和相干光，透镜30需要具有焦点31，图像产生SIA26需要布置在聚焦透镜30和焦点 31之间的某个位置，只要能将其呈现的图像12完全照亮即可，以及空间滤波器50需要布 置在单色图像12'的傅里叶变换图案32被呈现的位置，即在焦点31处，或者可选地，如果 希望的话，在傅里叶变换图案的一些其它投影可由另一透镜(未示出)完成的位置。在图 2中的例子中，空间滤波SLM2 50位于焦平面33处，在本例中这还可以称作傅里叶变换平面 直线光束轴线配置。另外，在图2中的例子中，空间滤波SLM2 50被显示为传输SLM而非实 现相同空间滤波功能而进行的反射SLM，但光的s偏振和ρ偏振像素被传输通过SLM2 50而 非如图1中的前面描述的例子那样被反射。还是主要参看图2，空间图像投影子系统820被布置成以非刚性方式光学重叠成 像和滤波子系统810，即元件之间的距离关系在特定参数的范围内具有一定的灵活性或许 用偏差。在这种构造中，投影透镜78被布置成将来自空间图像产生SLM1 26的空间域图像 12'投影到检测器80上，仅有的第一子系统810耦合至第二子系统820的距离参数包括将 空间滤波SLM2 50布置图像产生SLM1 26和投影透镜78之间的某个位置处，并且图像12' 位于投影透镜78的焦距F2的外侧。另外，偏光器/检偏器70需要布置空间滤波SLM2 50 和检测器80之间某处，并且其可以位于投影透镜78的任何一侧。因此，虽然投影透镜78 可通过空间滤波SLM2 50而有效地到达以将空间域图像12'投影到检测器80，通过投影透 镜78投射到检测器80的来自空间域图像12 ‘的光线只是那些在傅里叶变换域中空间滤波 SLM2 50被空间滤波并且传输通过偏光器/检偏器70的光线。因此，只有空间域图像12'中通过SLM2 50傅里叶域滤波而选择的期望部分通过 投影透镜78被投影以在检测器80滤波空间域图像60形成。换言之，空间域图像60仅包 括空间域图像12'中的那些在傅里叶变换域中被选择的部分。在这里描述的示例性图像形 状特征化和编码应用中，这些部分是来自图像12'的光线中穿过傅里叶变换域中的径向延 伸扇区或扇区段的部分，但它们也可以是以任何其它方式在傅里叶变换域中滤波任何其它 选择部分。如前所述，在元件布置方面有很大的灵活性。投影透镜78需要位于图像产生SLM1 26和检测器80之间，并且必须使其两个焦点822、824都位于图像产生SLM1 26和检测器80 之间，而且空间滤波SLM2 50需要光学位于图像产生SLM1 26和投影透镜78之间。然而，这 些元件可以在这些约束的范围内移动或布置在任何期望的位置上，取决于元件实际尺寸和 性能。系统800的无反馈构造被更详细地显示在图3。如前面描述的，从激光源23投射 的光束24以略微张开状态被显示在图3，即具有从平行于光束轴线的方向张开的角度β， 例如五度(5° )，以便于照亮被呈现在成像SLM1 26上的整个图像12。聚焦透镜30a和30b 将例如仅以s偏振中示于图3中的光束部分25(s)聚焦至空间滤波SLM2 50上的焦点31，而成像SLM1 26在聚焦透镜30a、30b和空间滤波SLM2 50之间的任何位置上被定位在s偏振 光束25(s)中，在此其输入图像12的像素被完全照亮。成像SLM1 26在光束部分27中产生 单色图像12'，例如通过重新定向液晶分子的像素部分以便将图像12'的光偏振旋转至ρ 偏振，这还会在光中引起基于逐个像素的相变。在SLM1 26的扁平图像产生平面中的这样 的基于像素的相变导致由31^产生的单色图像12'的光的ρ偏振像素的衍射，光的每个像 素的这种衍射的程度取决于由液晶材料在这样的晶体中旋转或部分地旋转偏振平面而引 起的相变的程度。其余s偏振光被吸收偏光器/检偏器116阻挡而不能到达空间滤波SLM2 50和检测器80。包括来自成像SLM1的单色图像12'的光的衍射光线朝向空间滤波SLM2 50传播以在SLM2 50形成光的傅里叶变换图案32。虽然偏光器/检偏器可非常好地将ρ 偏振从s偏振分开，反之亦然，但在实际中有一些光被反射回朝向成像SLM1 26，而不论偏光 器/检偏器116是吸收型偏光器/检偏器，例如示于图3的，还是偏振分束器，例如示于美 国专利No. 6，678，441和7，103，223的偏振分束器。小量的ρ偏振光通过偏光器/检偏器 116不可避免地反射仅意味着来自图像12'的入射到空间滤波SLM2 50上的ρ偏振衍射光 的强度略微减弱，因而图像部分60在检测器80的强度也略微减弱，这通常不是什么问题。 然而，如果成像SLM1 26垂直于光束部分27的轴线40'，例如美国专利No. 6，678，411和美 国专利No. 7，103，223中那样，小量s偏振光不可避免地并行反射通过偏光器/检偏器116， 如通过812图3中的返回箭头示意性显示，就会引起问题。由于s偏振光不是ρ偏振图像 12'的一部分并且永远不应当到达空间滤波SLM2 50或检测器80，因此会出现问题。然而， s偏振光在偏光器/检偏器116的反射部分812传播回到成像SLM1 26，在此其可以旋转至 P偏振，就像入射光束25(S)那样。如果光束部分27的轴线40'垂直于成像SLM1 26的反 射平面19，这种不希望的s偏振反射812通过成像SIA26旋转至ρ偏振光将传播再次回到 偏光器/检偏器116，并且由于其现在是ρ偏振，其然后将与图像12'中的期望的ρ偏振光 一起传输通过偏光器/检偏器116到达空间滤波SLM2 50。因此，这样的反射s偏振光将作 为"伪P偏振"光反馈回偏光器/检偏器116，并且如果不被空间滤波SLM250过滤掉，将持 续传播直到检测器80。由于这种不希望有的"伪ρ偏振"光反馈会实际上地运行得比主光 束更远，因此其将在主图像12'上以不同比例叠加多个不同版本的图像12'，并且使得检 测器80中产生的滤波图像60失真和/或实质上降低质量。为了避免这一问题，即防止反 射的s偏振光部分812作为不希望的"伪ρ偏振"光反馈回来而降低检测器80中的图像 60的质量，成像SLM1 26在图3中被定向为使其图像产生和反射平面19相对于入射光束部 分25 (s)的轴线40位于小于90°的角度θ处，从而入射光束25 (s)在成像SLM1 26处的 入射角α大于0°。因此，来自SLM1 26的反射光束部分27的轴线40'也位于与SLM1 26 的反射平面19的法向39成角度α处。因此，被偏光器/检偏器116反射的任何不希望的 s偏振光812将不会被成像SLM1 26反射回到偏光器/检偏器116、空间滤波SLM2 50和检 测器80，即使其通过成像SLM1 26被旋转至ρ偏振光，但其将会沿入射光束25 (s)的方向反 射，如以箭头814表示，回到偏光器28，在此其将被吸收或阻挡。如果偏光器28不被使用， 则不希望的反射光814将返回激光源23，在此其将被通常内置于这种激光源中的光学元件 阻挡，或者，元件对正上的略微偏差或不完美将导致其由系统反射出去。
由于单色图像12'由成像SLM1 26在成像平面19上相对于入射光束部分25 (s) 的轴线40的角度θ形成，因此其还位于相对于包含图像12'的反射光束部分27的轴线40'的相同角度θ上，并且图像12'还与垂直于光束部分27的轴线40'的平面816成角 度α。因此，图像12'的傅里叶变换图案32将形成在平面818中，该平面包含光束部分27 的轴线40'上的焦点31，但其光学平行于成像平面19并且与轴线40'成角度Θ，而非在 焦平面33中。换言之，傅里叶变换图案32形成于傅里叶变换平面818中，该平面与焦平面 33成角度a。因此，为了在傅里叶变换图案32的平面818防止失真并且获得精确的空间 滤波，空间成像SLM2 50被布置成使得其滤波平面位于焦点31上，但位于傅里叶变换图案 32的平面818中，而非在焦平面33上。换言之，空间滤波SLM2 50的滤波平面布置在焦点 31上，但定向为光学平行于成像SLM1 26的成像平面19，这可以通过物理平行于成像平面 19定位滤波平面二实现。如果光谱镜(未示出)被安置在光束部分27中，光束部分27可 被偏折，以便为了包装或其它目的希望如此的话，将空间滤波SLM2 50的滤波平面818布置 在焦点31上，但垂直于成像SLM1 26的成像平面19定向，当然此时实际上仍然光学平行于 成像平面19。如前面所解释，空间滤波SLM2 50对图像12'的傅里叶变换图案32空间滤波，并 且投影透镜78a和78b的路径向后延伸至空间滤波SLM2 50以将通过SLM2 50滤波的空间 域图像12'作为滤波的空间域图像60投影到检测器80。因此，为了防止滤波的空间域图 像60在检测器80失真，检测器80的检测平面826也需要光学平行于成像SLM1 26的成像 平面19。在图3的例子中，光谱镜806被设置成偏折光束部分61 (s)以便为了紧凑包装目 的将检测平面826垂直于成像平面19定位，但仍然是实际上光学平行的。当然，检测平面 826可以物理平行于成像平面19布置以实现光学平行。为了避免前面描述的"伪P偏振"反馈问题，入射角度α可以是可导致不希望的 光到达不了检测器的任何角度。在一个示例性实施方式中，入射角度α被选择为13. 5°， 因为这样能提供紧凑系统布局，其中为必要元件准备了充分的空间，并且大至足以使不希 望的反射"偏离"足够远而不能到达检测器80，如前面所解释。前面描述的光学图像空间 滤波系统800的这样的示例性布局被示于图4，其中元件以图3中的示意图中所用相同的附 图标记表示。示例性分段径向空间光调制器(SLM)器件50在图5示意性示出，其中光束27 (ρ) 在分段径向SLM器件50的中心部分聚焦在有源光学区域54上。如示意性显示于图5，分段 径向SLM器件50优选(但不是必须)构造为安装在芯片56上的集成电路52，该芯片配备 有多个电插针58，所述电插针被构造成适于插入印刷电路板(未示出)上的相应地构造的 插槽(未示出)。在这样的实施方式中，针58电连接着焊接在集成电路52的触点垫55上 的多个导线59，以使得能够在有源光学区域54对光学元件访问和操作，如下面更详细地讨 论。集成电路52的有源光学区域54的放大正视图示于图6，并且有源光学区域54的 一个调制扇区500(以下为了简便有时称作"扇区")的有源光学段502、504、506、508的 更大比例的放大图示于图7。根本上讲，分段径向SLM器件50能够选择性地以相对于中心轴 线40'的各种角定向隔离入射光能的径向分布部分，以便用于检测，如在下面更详细解释。 实现这种隔离的一种途径是通过反射，以及旋转入射在有源光学区域54上的光束27 (ρ)的 选定径向分布部分的偏振平面，而光束27 (ρ)的其它部分被反射，但不被旋转偏振平面，反 之亦然。在优选实施方式中，每个有源光学段，例如图7中的扇区500的段502、504、506、508是可通过导电迹线503、505、507、509分别单独寻址的，尽管本发明也可以利用只包括 一个有源光学调制器扇区500或通过同时激活各个段中的一或多个实施，尽管空间频率或 标度分辨率有所降低。入射光束27 (ρ)的一部分的选择和隔离示于图8，该图是有源光学段506、508的局 部横截面图。当段508通过迹线509上的电压V被激活时，入射光束27 (ρ)，被指定为例如为 P偏振，即在P平面偏振，将被段508反射并且从该段以s偏振光27 (s)射出，即在s平面偏 振的光，反之亦然；而非激活段506可实现反射、但不旋转入射光27 (ρ)的偏振平面。在图 8中，被激活的段508反射的光被表示为61 (s)以指示其s平面偏振，而被非激活段506反 射的光被表示为61 (ρ)以指示其ρ平面偏振。作为有源光学区域54的全部扇区500、510、 520、530、540、550、560、570、580、590、600、610、620、630、640、650 的全部段的代表，段 506、 508的结构和功能，将在下面更详细解释。在这一点上仅仅需要解释的是，s偏振平面正交 于P偏振平面，即相对于其旋转90°，并且这种将入射光束27的一部分(ρ)(反之亦然) (见图5和8和4)的偏振平面旋转至s偏振61 (s)(见图8)，而同时入射光束27 (ρ)的其 它未旋转部分以反射光61 (ρ)留下，使得能够将该部分61 (s)从剩余光束61 (ρ)过滤掉或 分离，反之亦然，如在下面更详细解释。当然，如前所述，入射光束27也可以是s偏振的，并 且装置52可将这样的入射光束的一部分旋转至ρ偏振以实现过滤或分离。这样的备选方 案容易被本领域技术人员理解为有效地等同替换，并且本发明不要求或优选采用这些备选 方案之一而非另一个。因此，为了简化，这些备选方案之一或若干将被解释，但可以理解，这 样的掉转或替换是不言而喻的，并且涵盖在本说明书以及权利要求书内。在示于图5-8的示例性的分段的径向SLM 50中，只有傅里叶变换图案32中的与 选定有源光学段例如段502、504、506和/或508(图7)线性对正的光能34的部分，具有在 反射光61(s)中由分段径向SLM 50旋转的偏振平面。在本例中，这样的光束27 (ρ)的选定 部分61(s)代表即主要体现为图像12'的细节或特征，例如直线和短曲线段，它们与各扇 区 500、510、520、530、540、550、560、570、580、590、600、610、620、630、640、650 的角定向线 性对正，在各扇区中选定段安置在分段径向SLM 50的有源光学区域54中。举例而言，如果 扇区500中的段502、504、506、508中的一或多个被选定和激活以便旋转从所述一或多个段 反射的光能的偏振平面，反射光能61 (s)将主要体现为图像12'的与其中布置着段502、 504,506,508的扇区500的竖直定向线性对正的细节或特征。此外，由于来自图像12'的较 高空间频率内容例如紧密相隔的保险杠和散热栅格部分35的光能34在傅里叶变换光学图 案32中比来自较低空间频率内容例如侧板36的光能34径向向外散布得更远，因此反射光 束61(s)中的光能能够代表图像12'的这种空间频率内容的限定范围内的特性，取决于扇 区的哪一段被选择。举例而言，激活扇区500的外侧段508(图8)，该段布置得比段502从 入射光束27 (ρ)的光学轴线40'径向向外更远，将导致反射光束61 (s)中的光能能够代表 图像12'中的竖直定向特征例如保险杠和散热栅格部分35的竖直边缘的较高空间频率内 容的特性。相反，激活扇区500的内侧段502，将导致反射光束61 (s)中的光能更能代表图 像12'中的竖直定向特征例如行李舱盖37的竖直后边缘的较低空间频率内容的特性。结 果是产生了光能条带62的滤波图案60，其代表或体现了图像12'的内容中的特征或线条 的唯一组合，对应于FT光学图案32在选定段径向距离上的光能，有时称作"缩放比例"， 并且其与其中布置着选定段的扇区线性对正。因此，除了能够以绕光学轴线的不同角定向提供FT光学图案32的旋转空间滤波，每个扇区的段例如扇区500的段502、504、506、508 还提供了以距光学轴线的不同径向距离标量空间滤波FT光学图案32的附加能力。当然，绕光学轴线40具有不同角定向的不同扇区中的段将与图像12'中的具有 不同角定向的特征或线条之间线性对正，如后面更详细解释。因此，随着不同扇区中的有源 光学段被选定和激活，滤波图案60中的光能条带62将变化，以在图像12'的光学图案中 以各种角定向、复杂度或精细度和亮度呈现不同特征、细节、边缘或线条，如在下面更详细 解释。然而，一般而言，光能条带62，如果在上面描述的空间滤波54之后从FT光学图案32 进行反向傅里叶变换，将与发出这种光能的原始图像12'的特征安置在相同的空间相关位 置上。举例而言，在图像12'中从保险杠和散热栅格部分35原始发出的图案60中的条带 62中的光能在空间滤波后将与图像12'中的保险杠和散热栅格部分35的竖直扇区位于相 同位置。滤波图案60的条带62中的空间滤波光能可以通过光检测器80以已被激活的扇 区的各种角定向中的任何角定向进行检测，并被电传送至计算机20或其它用于处理和编 码的微处理器或计算机。虽然只有一个具有示例性16X 16阵列82的分立感光换能器84 的光检测器80被示于图1并且足以用于实现本发明的许多目的，但其它检测器结构，例如 描述在美国专利No. 6，678，411中的两个偏置检测器阵列，或一或多个更大检测器阵列，也 可以使用。计算机20可以被编程以便对与图像12的形状内容有关的图像12的特性进行 编码，该计算机被从检测器阵列82输入有关滤波光学图案60的信息，即光能强度(I)分 布，以及有关图像12的信息(例如识别号码、源定位器和类似物)，有关其中有激活段的 扇区的角定向(R)的信息，和与空间频率相关的有关激活段径向距离或缩放比例⑶的 信息。一种对这种信息进行编码的有用格式是借助于滤波图像60的像素，其中包含的 信息有关每个像素的X、y坐标位置，旋转位置(即，其中有激活段的扇区的角定向，因 此图像12中的与这种角定向对中的特征)，和强度(即，对每个像素以角定向R检测的 来自滤波图案60的光能的振幅)。可搜索标签，例如失真因子X，也可以被提供，如解释 于例如美国专利No. 6，678，411 ；或借助于残留影象预处理特征，如解释于例如美国专利 No. 7，103，223。这样的角定向或旋转位置R、每个像素的光能强度I和失真因子X的组合可 以简称为〃 RIXel"。缩放比例(即，图像12的内容在这种角定向上的空间频率)也可以 包含在这种编码中，如果希望的话。当包含比例因子S时，组合可以称作"RIXSel"。每个 RIXel或RIXSel然后可以与从图像12获取的某些识别物(例如数量，名称，或类似物)、图 像12的源位置(例如互联网URL，数据库文件，图书名称，图像12的拥有者，和类似物)和 任何其它有关图像的期望信息例如格式、分辨率、颜色、纹理、内容说明、检索分类或类似物 相关联。一些上述其它信息，例如颜色、纹理、内容说明和/或检索分类，可以是从另一数据 库、人工输入、甚至从另一光学表征器输入的信息，所述另一光学表征器对相同图像12在 颜色、纹理或类似方面自动特征化-只要是这些方面可被用于检索、查找或获取图像12或 用于将图像12与其它图像相比较。有关如前面描述的对每个图像12，14. . . , η基于形状特征化和编码的信息中的一 些组合、全部组合或附加组合可以通过计算机20发送至一或多个数据库102。用于存储有 关每个图像12，14，...，η的RIXel或RIXSel信息的数据库结构104、106、108被显示于图
151，但许多其它结构和信息组合也可以使用。如前所述的傅里叶变换光学图案32是从上到下、从左到右对称的，以使得每个傅 里叶变换光学图案32的半圆与其相对半圆包含完全相同的光能分布和强度。图像12'中 来自较低空间频率的光能朝向傅里叶变换光学图案32的中心或光学轴线40'分布，而来 自较高空间频率在图像12'的光能分布得离开光学轴线40'更远并且朝向图案32的外边 缘，即从光学轴线40'径向向外更远。来自图像12'中的竖直分布在图像12'中的产生 所述各种空间频率的特征的光能同样地竖直分布在傅里叶变换光学图案32中。同时，来自 图像12'中的水平在分布图像12'中产生所述各种空间频率的特征的光能水平在分布傅 里叶变换光学图案32中。因此，一般而言，来自图像12'中的以任何角定向相对于光学轴 线40'分布以在图像12'中产生各种空间频率的特征的光能也以相同的角定向分布在傅 里叶变换光学图案32中。因此，通过只检测相对于光学轴线40'以特定角定向分布在傅里 叶变换光学图案32中的光能，该检测可实现图像12'中以所述特定角定向线性排列的特 征或细节的特征化。以每个所述角定向检测的光能的径向分布代表图像12'中的这种线性 特征或细节的复杂度或锐度，即空间频率，而如此检测的光能的强度代表图像12'中的这 种特征或细节的亮度。因此，在傅里叶变换光学图案32以所有角定向进行的光能检测的合成结果将产 生合成的形状记录，即包括在图像12'中的线性特征的角定向、复杂度或锐度和亮度。然 而，对于大多数实际需要，例如对图像12，14，...，η的形状特性进行编码以便用于数据库 存储、查找、检索、与其它图像和类似物比较和匹配，并不是必须对傅里叶变换图案12'中 的所有角定向记录光能检测结果。通常，仅仅对于傅里叶变换光学图案32中的一些角定向 检测和记录这种光能分布和强度，以获取实际上对于每个图像12，14，...，η而言是唯一的 足够形状特征化结果，从而可对这种特定图像12，14，...，η进行数据库存储、查找和检索， 这就足够了。出于解释的目的，但不是作为限制，是用11. 25度角增量是便利的和实际的， 这是由于在180度转角上有十六个(16) 11. 25度增量，这对于大多数目的的特征化而言就 足够了，并且具有数据处理和数据存储上的效率，如解释于在美国专利No. 6，678，411。然 而，其它不连续的角增量也可以使用，包括恒定增量或可变增量。当然，可变增量要求计算 机具备更强的处理能力和更复杂的软件来实现数据处理、存储、和查找功能。具有示于图6 的有源光学扇区 500、510、520、530、540、550、560、570、580、590、 600、610、620、630、640、650的图5所示分段径向SLM 50被用于只选择来自傅里叶变换光学 图案32中的特定角定向的光能，以便在时间中的任何时刻或以任何时间增量在检测器阵 列82上进行检测。如前面参照图7中的扇区500所解释，该图中除了角定向以外与图6中 的所有其它扇区 510、520、530、540、550、560、570、580、590、600、610、620、630、640、650 相 同，竖直扇区500中的任何有源光学段，例如段502、504、506、508，可以通过相应的电迹线 例如用于扇区500的迹线503、505、507、509访问，以使得检测器阵列82能够以扇区500、 510、520、530、540、550、560、570、580、590、600、610、620、630、640、650 的任何角定向(R)和 在距光学轴线40'的选定径向距离上检测傅里叶变换光学图案32中的光能分布和强度 (I)。举例而言，扇区500相对于光学轴线40'基本上竖直定向。如果扇区500的所有有 源光学段502、504、506、508被选定和同时激活，则实际上几乎傅里叶变换光学图案32中竖 直分布的所有光能将入射到光检测器阵列82(图1)并被其检测。然而，如果只有一个有源光学段，例如外侧段508，被选定和激活，则只有傅里叶变换光学图案32中的竖直分布且距 光学轴线40径向向外最远的光能将通过光检测器阵列82被检测。因此，有源光学段例如 502、504、506、508中的任何一根、全部或某些的组合，可以被顺序或同时激活，以便检测和 记录傅里叶变换光学图案32中光能的各种分布。另外，任何一或多个扇区500、510、520、 530、540、550、560、570、580、590、600、610、620、630、640、650 可以被顺序、同时或以各种组 合选定和激活，这取决于希望被检测的FT光学图案32中的细节或特定光能分布。有源光学扇区例如分段径向SLM 50中的扇区500的优选、但不是必须的形状为窄 的细长楔形。楔形的宽度将取决于可供使用或所需的光能和期望的光学分辨率。较宽的扇 区将引导更多的光能34至检测器80，但图像12'的线条精度或特征分辨率将略微降低。较 窄的扇区将行的更好的分辨率，但会相应地导致所获得的图案形状一般化和特性化的复杂 性增加，和导引至检测器80的光能的质量下降。为了将电迹线在有限的有源光学区域54 中以经济且高效的方式连接，还在楔形可被构造成多窄和多紧密方面存在实际限制。因此， 在分辨率、检测能力和尺寸之间获得理想的平衡，需要在选择扇区尺寸时着重考虑。另外， 对于特殊应用，不同形状的扇区(未示出)，例如椭圆形或其它形状，可以用于从图像12俘 获除线性形状之外的形状。扇区中有源光学段的数量，例如扇区500中的四个段502、504、506、508，也存在类 似的约束。较小的段将较少的光能引导至检测器80，但可以提供图像12'的形状特性的更 高分辨率，而较大的段将较多的光引导至检测器80，因而更容易检测，但分辨率会降低。对 于较低分辨率应用或需求，扇区甚至可能不需要被分段，并且本发明包含这样的径向空间 光调制器，其中每个扇区 500、510、520、530、540、550、560、570、580、590、600、610、620、630、 640、650并不分段，因而每个扇区包括单一有源光学元件。然而，在图5-7所示出的实施方 式50中，通过在一个扇区中同时激活所有段502、504、506、508，如前面描述的，相同较低分 辨率的效果可以实现。在SLM2 50的示例性实施方式中，每个扇区，例如扇区500，包括四个可单独寻址的 有源光学段，例如段502、504、506、508，如示于图7，尽管根据本发明除了四个以外的任何 数量的段也可以使用。在本例中每个相继的径向向外段的长度为相邻的径向向内靠近段的 两倍。因此，在扇区500中，次内侧段504的长度为内侧段502的大约两倍。同样，次外侧 段506的长度为次内侧段504的大约两倍，而外侧段508的长度为次外侧段506的大约两 倍。换一种说法，如果内侧段502的径向长度为L，次内侧段504的径向长度为2L，次外侧段 506的径向长度为4L，而外侧段508的径向长度为8L。光学轴线40'和内侧段502的内边 缘501之间的距离d大约与内侧段502的长度L相同，从而中心区域57的直径为大约2L。 有源光学段的上述比例长度使得各内侧段(例如502)能够俘获图像12'的尺寸(以空间 频率表示)在由图5中的空间光调制器26产生的图像12'的尺寸的大约百分之25-50的 范围内的形状特征，次内侧段(例如504)能够俘获图像12'的尺寸在由图5中的空间光调 制器26产生的图像12'的尺寸的大约百分之25-50的范围内的形状特征，次外侧段(例如 504)能够俘获图像12'的尺寸在图像12'的尺寸的大约百分之12^2-25的范围内的形状 特征，外侧段(例如508)能够俘获图像12'的尺寸在图像12'的尺寸的大约百分之3i/8 -6%的范围内的形状特征。为了揭示，假定图像12'是由多个平行竖直线条与多个平行水平线条交叉而形成的矩阵正方形的图案，如显示于例如图9a或图IOa中的。如果构成矩阵的正方形相当大， 例如图9a中的正方形702，以使得限定正方形702边缘的竖直线条704、706彼此相隔的距 离等于整个图像I2'的宽度的大约百分之25-50，即具有低空间频率，则用于该竖直形状 内容的光能将入射到竖直扇区500的内侧段502，如示于图12。相反，如果矩阵的正方形相 当小，例如图10中的正方形722，以使得限定正方形722边缘的竖直线条724以小间距分 隔，例如间隔距离等于整个图像12'的宽度的大约百分之3i/8-6 ι/4，即具有高空间频率，则 用于该竖直形状内容的光能将入射到竖直扇区500的外侧段508，如示于图12。然后，用于 中间尺寸即具有中间或中等空间频率的正方形(未示出)的矩阵的竖直形状内容的光能将 入射到竖直区500的中间段504、506之一或二者上。另外，用于这种大、小或中间尺寸的矩阵正方形图案的水平形状内容的光能将入 射在水平扇区540的相应的内侧、外侧或中间布置的段上。举例而言，在图9a中的具有大 正方形702的图像12'中，其中水平线条706彼此相隔的距离等于图像12'的宽度的百分 之25-50，即具有低空间频率，用于该水平形状内容的光能将入射在水平扇区540的内侧段 542上，如示于图12。相反，对于图IOa中的小正方形722的示例性图像12'，其中，水平线 条726彼此相隔的距离等于图像12'的宽度的百分之3 Vs -6 1/4,即具有高空间频率，FT平 面32中用于水平形状内容的光能将入射在水平扇区540的外侧段548上，如示于图12。此外，图像12'的尺寸超过图像12'的尺寸的百分之50的任何特征，其光能入 射在中心区域部分41上，可作为图像12'的总体亮度指示器被俘获和检测，以便用于强度 控制或校正的目的；或仅被忽略而根本不被俘获或检测，这是由于包括在图像12'的百分 之50尺寸内的光能中几乎没有什么有用形状信息或内容如果有的话也很少。同样，在这种 优选配置中，图像12'的大约百分之3 %尺寸的径向向外超出外侧段或扇区的内容不被检 测，并且可以忽略。中心41可以制作成光学有源的，以俘获入射在其上的光能，如果希望俘 获和检测这种光能以便用于总体亮度指示、强度控制或校正目的的话，如本领域技术人员 在其能力内可以理解。举例而言，如果图像12'具有的矩阵正方形太大以至于限定大正方 形边缘的竖直线条之间的距离超过了图像12'的百分之50宽度，则几乎没有，如果有的话 也很少，存在实际利用价值的竖直形状内容，并且用于该竖直形状内容的光能入射在中心 区域部分41上。在频谱的相反端，如果这种图像12'的矩阵正方形太小以至于限定小正 方形边缘的竖直线条之间的距离小于图像12'的大约百分之3i/8宽度，则几乎没有，如果 有的话也很少，存在实际利用价值的竖直形状内容，并且用于该竖直形状内容的光能被径 向向外散布超出扇区500的外侧段508。当然，其它的配置或段比例尺寸以及分段径向SLM 50的组合也可以在本发明的范围内被制作和使用。下面将借助于图1中的示例性汽车图像12'更详细地描述形状内容的检测。然 而，在这一点上，为了便于理解，如果图像12'是矩阵正方形的，如前面描述的，并且如果入 射在傅里叶变换平面32中的竖直扇区500上的光能被投射回空间域图像60中，则这样的 空间域图像60将被滤波，因而只显示出正方形的边界上的竖直线条。没有水平线条在这种 空间域的滤波图像中显示，因为水平形状内容的光能被基本上阻挡或从图像过滤掉。此外， 如果矩阵图案的正方形是大的，例如前面描述的图9a中的正方形702，那么，如果入射至靠 近的竖直扇区500的中心段502的光能被以下述方式激活，即不在傅里叶变换平面中阻止 这种入射光能，而是允许其被投影回空间域中，则这种大正方形702的竖直线条704只被重新形成和在空间域中可见。换言之，竖直扇区500的内侧段502的激活可将入射光能投射 回空间域中，以便重新形成大正方形702图像的竖直线条704部分，如示于图％。同时，激 活外侧段508以使得光通过而不被阻止或过滤掉，将不会导致竖直线条投射而在空间域重 新形成，因为来自这种大正方形702图案的这种低空间频率的光能的径向向外散布不足以 入射到这样的外侧段508上。因此，当图像12'中存在大正方形702图案时，如示于图9a， 激活竖直扇区500中的除内侧段502之外的任何段，将不会导致重新形成图9b中的竖直线 条704的空间图像，而是会导致空白，即没有空间图像，如示于图11。另一方面，如果图像12 ‘具有非常小正方形722的矩阵，因而具有高空间频率，如 示于图IOa并且如前面描述的，则FT平面32中的光能径向向外散布更远而入射到外侧段 508上而非内侧段502上。因此，竖直扇区500的外侧段508必须被激活以将图IOa中的 竖直线条724的这种光能投影回空间域中，以显示竖直线条724，如示于图10b。此外，内侧 段502的激活不会导致竖直线条724投射到空间域中，因为在这种情况下不会有光能入射 到这种内侧段502。图9a中的水平线条706和图IOa中的726可利用水平扇区540的若干 段542、548获得类似结果，如示于图9b和10b。综上所述，对于包括矩阵正方形的图像12'，如前面描述的，激活竖直扇区500的 内侧段502并且在空间域形成竖直线条，而激活竖直扇区500中的外侧段508以及中间段 504,506不会在空间域投射竖直线条，表明图像的竖直形状内容具有图9a中的大正方形 702的低空间频率特性。对水平扇区540作类似分析，因激活内侧段542而在空间域产生水 平线条，但激活外侧或中间段548、546、544却不会如此，这表明水平线条706也具有大正方 形702的低空间频率特性。如果分析其它非竖直和非水平扇区510、520、530、550、560、580、590、600、610、 620、630、640、650表明空间域中没有来自这些角定向的线条，则可记录的结果将确认在一 些或所有上述角定向中图像12'的形状内容只有较小或较大的空间频率，然后可记录的结 果将确认除了图像12'中的矩阵正方形以外还存在一些形状复杂性。因此，形状信息，包含 空间频率或缩放比例(S)和每个角定向或旋转位置(R)上的强度(I)，可以利用本发明的系 统中的空间光调制器50获得。综上所述，对于具有示于图9a的大正方形702矩阵的图像12'，通过激活图12中 的竖直扇区500的内侧段502，该图像的低空间频率竖直线条704形状内容可只被从FT平 面32投射回示于图9b的空间域。同样，通过激活水平扇区540的内侧段542，大正方形矩 阵图像的低空间频率水平线条706形状内容可只被从FT平面32投射回示于图9c的空间 域中。对于大正方形低空间频率，激活扇区500、510、520、530、540、550、560、570、580、590、 600、610、620、630、640的任何其它段，图9a中的图像12'将只会产生空白，如示于图11，这 是由于，对于这种只有竖直和水平线条的低空间频率图像12'，没有光能会入射到其它段。 事实上，在实际应用中，可能有一些量的溢出光能入射到一些其它段上，因为光学元件甚至 物理系统都很少是完美的。然而，在简单的正方形栅格图像中，例如示于图9a和IOa的， 如此溢出到靠近的段和/或扇区的光能通常不太多。图像中更复杂的形状内容非常容易导 致FT平面32中的光能在不同旋转位置(R)和径向位置(S)入射到一或多个靠近的段和/ 或扇区，在这种情况下，任何这种靠近的段和/或扇区上的光的强度⑴将变成这种图像的 RIXSel信息或形状数据的一部分。
如描绘于图8，光学有源段506、508，作为其它有源光学段的典型代表，是集成电 路52的一部分，该集成电路安装在芯片基底或平台56上。集成电路52具有可变的双折射 材料180，例如液晶材料，其叠夹在两个透明基板182、184例如高质量玻璃之间。可变的双 折射材料180响应于电压而在电压区间内改变其双折射率，这会导致穿过材料180的光的 偏振平面旋转。次外侧段506和外侧段508之间的分隔是通过相应金属层186、188的分离 而实现的。居间的介电或电绝缘材料185可以用于保持所述金属层186、188之间的电隔离。 如图7和8的组合所示，导电迹线507连接至次外侧段506的金属层186，迹线509连接至 外侧段508的金属层188。事实上，在集成电路52的制造过程中，电迹线507、509和金属 层186、188可以沉积在同一金属上并且可以使它们各自的金属层186、188并行地位于背侧 基板184上，如设计和制造空间光调制器的领域内的技术人员在获悉了本发明的原理后在 其能力范围内所能理解。因此，通过将正(+)或负(_)电压Vl和V2分别连接至迹线507、 509，金属层186、188可以通过它们各自的连接迹线507、509被单独地访问。沉积在前侧基板182上的透明导电层190通过另一引线513连接至另一电压V3。 因此，电压可以施加在液晶材料180叠夹在金属层186和透明导电层190之间的部分的两 侧，例如通过使Vl为正、V3为负，反之亦然。同样，电压可以施加在液晶材料180的叠夹在 金属层188和透明导电层190之间的部分的两侧，例如通过使V2为正、V3为负，反之亦然。如前所述，各段506、508的功能是旋转入射光束27 (ρ)的选择性部分的偏振平 面，以使得光束27 (ρ)的承载着傅里叶变换光学图案32的相应部分的这些部分可以从光 束27 (ρ)的其余部分分离和隔离，以便通过光检测器阵列82(图1)进行检测。如本领域 技术人员所理解，有多种空间光调制器样式、结构，和材料可产生期望的功能结果，其中一 些相对于另一些具有优点和/或缺点，例如切换速度、光透射效率、成本和类似方面，并且 许多空间光调制器是现有可供使用的并且可令人满意地用于本发明。因此，出于解释的目 的，但不是作为限制，示于图8的分段径向空间光调制器可具有各取向层192、194，沉积在 基板182上的透明导电层190上和基板184上的金属层186、188上。这些取向层192、194 在对于边界层液晶取向而言的理想方向上被磨毛研磨或抛光，取决于所用液晶材料180的 类型，如本领域所公知。例如参看 J. Goodman，“ Introduction to Fourier Optics, 2nd ed. ,chapter 7 (The McGrawHill Companies，Inc.) 1996。抗反射层 196 可以沉积在玻璃基 板182的外表面上以保持光学透射效率。一种示例性系统，但显然并不是唯一的，可使用液晶材料180，其在足够的电压施 加在液晶材料180两侧时传输光27 (ρ)而不影响偏振，并且在没有电压施加在液晶材料两 侧时用作1A波延迟器。在其非扭转状态双折射的非扭转液晶材料180能以这种方式起作 用。因此，例如当没有电压施加在段508中的液晶材料180两侧时，外侧段508中的液晶材 料180没有分子旋转，并且具有根据液晶制造商规定的适宜厚度的外侧段108中的液晶材 料将用作％波板，以便随着光穿过非扭转液晶材料180而将入射到外侧段508的ρ偏振光 27 (ρ)转化为圆形偏振。在到达反射性金属层188后，光被反射和穿过液晶材料返回以便经 历另一ι/4波延迟而将圆形偏振转换为线性偏振，但是是在正交于P平面的s平面中。因此， 反射光61 (s)的偏振平面被有效地相对于入射光27 (ρ)旋转通过90度。同时，如果有足够的电压施加于例如次外侧段506，以便将分子的长轴液晶旋转到 与入射光波27 (ρ)的传播方向对正，从而消除液晶材料180的双折射率，不会有光的线性偏振变化，不论是在其第一次穿过液晶材料180还是其在被金属层186反射后第二次穿过液 晶材料。因此，在电压施加在次外侧段506中液晶材料180两侧的状况下，反射光61(p)仍 在P平面即与入射光27 (ρ)相同的平面中偏振。许多液晶材料要求平均零DC偏置电压，这可以通过正和负电压等时间交变的正 方形波函数来为电压V3供电而被提供。因此，对于没有电压施加在液晶材料180两侧，其它 电压V1、V2等，可以利用与电压V3相等的电压同相供电。然而，为了靠近特定金属层186、 188等在液晶材料180两侧施加电压，以便激活该特定段506、508等，如前面描述的，相应的 电压Vl或V2等，可以与V3异相施加。如果正方形波函数的频率与液晶材料180的切换速 度相协调，对于电压V1、V2等而言，半周期异相将足以激活液晶材料180以便旋转光的偏振 平面，如前面描述的。如前所述，其它备选构造和已知液晶材料可改变所施加的电压的结果。举例而言， 扭转液晶材料180可以用于在电压下旋转偏振平面并且在没有电压时不会影响偏振平面。再次主要参看图1，然后再参看图4，穿过偏光器/检偏器116的光束27 (ρ)中的 光能被以傅里叶变换光学图案32的形式聚焦在SLM2 50上。选定的有源光学段，例如SLM2 50中的段502、504、506、508，可旋转入射光束27 (ρ)的各部分的偏振平面，如前面描述的， 以便分开和隔离来自FT光学图案32选定部分的光能，用以通过光检测器80实施检测。计 算机20可以被编程以通过连接线路198提供信号至SLM2 50，以选择激活特定段，例如段 502、504、506、508，并且使之与特定图像12，14，...，η的显示相协调。计算机20还可以被 编程，从而当SLM2 50的选定段被激活时，通过连接线路29协调激光源23以产生所需的光 能24。作为替代，s偏振光61 (s)通过镜806被反射至空间域中的检测器80。透镜78以 空间域中期望的尺寸通过隔离光束61 (s)将滤波图像12'投射在光检测器80的检测器阵 列82上。光检测器阵列82，如前所述，可以是16X16阵列的独立光传感器84，例如电荷耦 合器件(CCD)，如示于图1，或各种其它尺寸和配置中的任何一种。阵列82中的各传感器84 的x、y坐标，以及光强度(I)信息，可由检测光61(s)通过连接线路86发送至计算机20或 其它控制器或记录装置，在此可以获取有关图像12，14，...，η和分段径向SLM50中的向检 测器80提供光束61 (s)的一或多个激活段的角定向(R)和/或径向位置(S)的信息。前面描述的空间滤波过程及其利用形状内容对图像12特征化的方式更详细地描 述于图13a-c、14a-c、15a-c、16a_c和17a_c中。首先参看图13a，记载于图5和6的有源光 学区域 54 以示例性扇区 500、510、520、530、540、550、560、570、580、590、600、610、620、630、 640、650被显示图13a中，但为了避免不必要的干扰，没有绘出前面描述且示于图5_7电迹 线。如前所述，扇区可以具有任何期望的宽度或任何期望的角定向，但便利、高效且有效的 配置是提供11. 25°的扇区。举例而言，360°的圆被分为32的扇区，每个扇区11. 25°， 180°的半圆被分为16个扇区，每个扇区11.25°。此外，如前所述，分布在任何傅里叶变 换光学图案32半圆中的光能与其相对半圆对称。因此，根据这种对称原理，一个FT光学图 案32半圆例如从0°延伸至180°的半圆中的光能图案的检测，提供了整个图像12'的有 效信息，而从180°延伸至360°的相对半圆中的光能图案的检测提供了相同信息。因此， 为了减轻干扰并且更好地排布电迹线(示于图5-7)，一些扇区可以定位在光学区域54的一个半圆中，居间空间用于容纳电迹线(示于图5-7)，而其它扇区可以定位在光学区域54的 与居间空间径向相对的相对半圆中。举例而言，当被分为32个分别为11.25°的扇区时， 这些扇区中只有 16 个，例如扇区 500、510、520、530、540、550、560、570、580、590、600、610、 620、630、640、650，必须是光学有源的，以便检测入射到区域54的光能中的所有形状内容。 全部16个这样的光学有源的扇区可被定位在区域54的一个半圆中，或如前面所解释，更为 便利且更少干扰的是将一些光学有源的扇区定位在一个具有居间空间的半圆中，其它扇区 定位在与居间空间径向相对的相对半圆中。在图IOa中的例子中，任意八个扇区，例如通 过无源区域 641、651、501、511、521、531、541 分开的扇区 640、650、500、510、520、530、540、 550，被定位在区域54的一个半圆中，而同样通过无源区域561、571、581、591、601、611、621 分开的其余八个扇区560、570、580、590、600、610、620、630可以定位在相对半圆中，如示于 图 13a。当这种构造中的 16个有源光学扇区 500、510、520、530、540、550、560、570、580、590、 600、610、620、630、640、650中的每个被与无源区域径向相对布置时，FT光学图案32 (图1) 的对称性有效地允许分布在FT光学图案32中的光能中的所有形状内容可通过这些扇区被 检测，当然，少量地包含入射到中心区域部分41或径向向外超出外侧段散布的光能，其几 乎没有显著的形状内容，即使有的话也很少，如前面所解释。这一原理还方便了有效空间滤波SLM2 50的设计和制造，这是由于，对于每个有源 光学扇区，可以有靠近的无源扇区或区域可供用于将导电迹线排布成连接至段，如回到图6 和7所描述。举例而言，有源光学段500和650之间的无源区域651适于排布通向有源光 学扇区500的各段502、504、506的迹线503、505和507 (示于图7)。为了提供有源光学扇 区以便检测入射到无源区域例如图13a中的有源光学扇区500、510之间的无源区域501的 光能，通过在与所述无源区域501径向相对的位置提供有源光学扇区590，上面描述的对称 原理被应用。因此，在有源光学扇区590中被检测的光能的检测可有效地实现入射到扇区 500、510之间无源区域501的光能的检测。为了将有源光学扇区与无源区域径向相对布置， 两个有源光学扇区，例如扇区550、560，被靠近彼此布置，而没有任何明显的中间无源区域， 因此径向相对的无源区域631为其它无源区域的两倍大。因此，根据上面描述的对称原理， FT光学图案32(图1)的光能34中的基本上所有形状内容可通过十六个11. 25°有源光学 扇区 500、510、520、530、540、550、560、570、580、590、600、610、620、630、640、650 而检测。现在参看图13a，竖直角定向被任意地设计为0°，从而水平角定向位于90°。每 个有源光学扇区 500、510、520、530、540、550、560、570、580、590、600、610、620、630、640、650 为大约11. 25°。从扇区640顺时针转至扇区550的有源光学扇区分别通过各自的11. 25° 的无源区域641、651、501、511、521、531、541分开。因此，从扇区560顺时针转至扇区630的 有源光学扇区中的每个与相应的无源区域561、571、581、591、601、611、621径向相对布置。 因此，分布在入射到有源区域54的FT光学图案32 (图8)中的光能中的基本上所有形状内 容可以以11. 25°的间隔通过如前面描述布置的11. 25°扇区500、510、520、503、504、550、 560、570、580、590、600、610、620、630、640、650 而检测。举例而言，入射到对中在0°的竖直11. 25°扇区500以及对中在180°的无源区 域581上的光能特性中的形状内容可以通过有效地激活扇区500的有源光学段502、504、 506、508而检测。入射到对中在191. 25°的11. 25°扇区590以及对中在11. 25°的无源 区域501上的光能特性中的形状内容可以有效地通过激活扇区590的有源光学段而检测，因为有源光学扇区590径向相对11. 25°无源区域对中。入射到对中在22. 5°的11. 25° 扇区510或对中在202. 5°的无源区域591上的光能特性中的形状内容可以通过激活扇区 510的有源光学段而检测。入射到对中在33. 75°的11. 25°无源区域或对中在213. 75°的 有源扇区600上的光能特性中的形状内容可以通过激活在213. 75°处与33. 75°径向相对 地对中的扇区600的有源光学段而检测。入射到对中在45°的11. 25°扇区520或对中在 225°的无源区域601的光能特性中的形状内容可以通过激活扇区520的有源光学段而检 测。入射到对中在56. 25°的11. 25°无源区域521或对中在236. 25°的有源扇区610的 光能特性中的形状内容可以通过在256. 25°处于56. 25°径向相对地对中的激活扇区610 的有源光学段而检测。入射到对中在67. 5°的11. 25°扇区530或对中在247. 5°的无源 区域611的光能特性中的形状内容可以通过激活扇区530的有源光学段而检测。入射到对 中在78. 75°的11. 25°无源区域531或对中在258. 75°的有源扇区620的光能特性中的 形状内容可以通过在258. 75°处与78. 75°径向相对地对中的激活扇区620的有源光学段 而检测。入射到对中在90°的11. 25°扇区540或对中在270°的无源区域621的光能特 性中的形状内容可以通过激活扇区540的有源光学段而检测。入射到对中在101.25°的 11.25°无源区域541或对中在281. 25°的有源扇区630的光能特性中的形状内容可以通 过激活在281.25°处与101.25°径向相对地对中的扇区630的有源光学段而检测。入射到 对中在112. 5°的11. 25°扇区550或对中在292. 5°的无源区域631的径向相对部分的光 能特性中的形状内容可以通过激活扇区550的有源光学段而检测。入射到对中在123. 75° 的11. 25°扇区560或对中在303. 75°的无源区域631的径向相对部分的光能特性中的形 状内容可以通过激活扇区560的有源光学段而检测。入射到对中在135°的11. 25°无源 区域561或对中在315°的有源扇区640的光能特性中的形状内容可以通过激活在315° 处与135°径向相对地对中的扇区640的有源光学段而检测。入射到对中在146. 25°的 11.25°扇区570或对中在326. 25°的无源区域641的光能特性中的形状内容可以通过激 活扇区570的有源光学段而检测。入射到对中在157. 5°的11. 25°无源区域571或对中在 337.5°的有源扇区650的光能特性中的形状内容可以通过激活在337. 5°处与157. 5°径 向相对地对中的扇区650的有源光学段而检测。最后，入射到对中在168. 75°的11. 25° 扇区580或对中在348. 75°的无源区域651的光能特性中的形状内容可以通过激活扇区 580的有源光学段而检测。揭示和描述所有扇区 500、510、520、530、540、550、560、570、580、590、600、610、 620、630、640、650的所有有源光学段的形状检测和特征化功能有些过于麻烦，但这可以有 助于揭示和描述激活有源光学区域54中的有源光学段中的若干代表例的功能和结果。因 此，图13a通过表现出来自入射到外侧段508并被其反射的FT光学图案32的光能34的条 带而示出了激活有源光学扇区500的外侧段508。这些在FT光学图案32中沿竖直方向径 向向外散布得最远的光能34的条带，起源于并且对应于图像12'中具有较高空间频率的 大致竖直定向的线条、边缘、特征或细节，例如图13b中保险杠和散热栅格部分35的大致竖 直线条。如前面所解释，来自更复杂或以小间距分隔的竖直部分或线条66( S卩，较高空间频 率)例如图像12'中的汽车前保险杠和散热栅格部分35中的那些的光能34从光学中心或 轴线40'径向向外散布得更远，因而可通过激活竖直扇区500的外侧段506、508而检测，而 来自复杂性较低、隔离和半隔离程度更高或间隔更远的竖直部分、边缘或线条(即，较低空
23间频率)例如图13b所示的图像12'中的行李箱和后保险杠部分的大致竖直部分或线条 66'的光能34从光学中心或轴线40径向向外散布得不那么远，因此通过内侧段502、504 就可更容易地检测到。这些相应散布的条带中的光能34的强度，如前面所解释，取决于图 像12'中相应各个竖直特征35、66、66'的亮度。同样，如果希望的话，有源光学区域54的 中心部分41可以忽略，因为从图像12'中的特征得到的傅里叶变换32(图1)的中心或轴 线40处或附近的光能54的空间频率非常低或实际上没有，例如图像的总体亮度，其基本上 不能限定形状，即使勉强能限定的话也很差。另一方面，并且也如前面所解释，中心部分41 可以制作为有源光学元件，以将入射到中心部分41的光能俘获和反射至检测器80，用作总 体亮度的测量值，其可以用于校准、调节源光25(s)(图1)的亮度，校准检测器80中传感器 84的强度(I)测量值，和类似用途。光能条带34，当被激活的外侧段508反射时，通过偏振分束器70被滤波，并且在 主要由图9c中示意性表示的竖直线条或光能条带62构成的滤波光学图案60中投影至光 检测器80(图1)。如前面所讨论，滤波光学图案60中的光能通过检测器阵列82中的光传 感器84被检测。每个传感器84上的光能的强度(I)，以及传感器(像素)位置，优选通过 x-y坐标，和扇区500的角定向(R)，被记录。激活段508的径向位置或缩放比例(S)(代表 空间频率，如前面描述的)也被记录，例如作为前面描述的RIXSel值。这些值可被存储在 数据库102，与有关特征化图像12的信息例如图像识别(ID)、图像12的来源位置(URL，数 据库地址等)、数字格式、分辨率、颜色、纹理、形状、对象分类和类似信息相关联。为了进一步揭示，有源光学扇区500的次内侧段504被显示图14a中，其被选定以 便旋转来自光学图案32的光能条带34的选定部分的偏振平面，以便通过偏光器/检偏器 70进行隔离然后通过光检测器80进行检测。该次内侧段504也位于竖直定向扇区500中， 但其布置或标量得比在前面例子中被激活的外侧段508更径向接近于光学轴线40'。因 此，该次内侧段504在激活后俘获FT光学图案32中的也是对应于图像12'的竖直线条、边 缘等的光能34，但这种线条、边缘等的空间频率低于外侧段508选定的那些特征的空间频 率。举例而言，不是小间隔相邻的竖直定向保险杠和散热栅格部分35，由次内侧段504选定 的来自FT光学图案32的光能34可以更多地代表图13b中的汽车图像12'中的行李箱盖 和其它竖直线条的更为空间半隔离的竖直边缘66'和类似半隔离的边缘66的特性。因此， 所产生的滤波光束61(s)中的光能条带62，如示于图15c中的光学图案60，体现图像12' 中的这种较低空间频率的竖直形状内容66、66'的特性。来自FT光学图案32的光能34的另一代表性角定向显示于图15a_c。次外侧段 526在本例中被激活以俘获来自在从竖直方向偏离45°的角定向上径向延伸的线条、边缘 或特征的光。这样的光能34体现了图像12'中的在大约45°方向延伸并且具有一定空间 频率即不被隔离的线条、边缘或特征的特性，例如可能是图15b中的车窗支柱和车顶支承 67。图像12'中的具有更低的空间频率即隔离程度更高的45°定向线条，例如翼子板和发 动机罩边缘67'的部分，可能更多地通过次内侧段524或内侧段522俘获，尽管也可以通过 次外侧段506俘获一些这样的光能。包含用于这些45°角定向形状内容的光学图案60的 滤波光束61(s)具有定向在大约45°的光能条带62，如示意性显示于图15c。这样的光能 条带62通过用于光检测器80(图1)的传感器84被检测，并且作为图像12'的45°定向 形状内容的空间频率的特性被记录和存储。
俘获和检测图像12'中的具有相应空间频率的线条、边缘和特征68、68'的水平 部分，如果在图像12'中有的话，是通过激活水平扇区540中的定向在从竖直0°偏离90° 方向上的一或多个段542、544、546、548的实现。光能34的被水平扇区540中的每个激活 段542、544、546、548反射的部分体现了频率图像12'中具有相应空间所有大致水平特征、 部件和线条68的特性，对应于入射在FT平面32中的这些段上的光能，如果有的话，如示于 图16b。图像12'中的一些曲线特征、部件或线条具有也是大致水平的部分或线段68'，因 而这些水平部分或线段68'也构成被图16a中的水平扇区540反射的光能34s。因图16a 中的激活段542、544、546、548的水平定向导致的滤波图案60中的光能条带62，如示于图 16c，也大致水平定向并且代表图像12'的大致水平定向的形状特性68、68'中的一些或 所有。同样，内侧段542、544被激活以检测来自FT光学图案32的更接近于光学轴线40' 散布的光能条带34，因此体现图像12'的较低空间频率的水平形状内容的特性，而较高空 间频率的水平形状内容可以通过激活水平扇区540的外侧段546、548而检测。因此，通过 检测器阵列82(图1)检测图13c中的光能条带62便于编码和记录图像12'的水平形状特 性，如前面所描述的。扇区590中的另一个代表性激活段598示于图17a，以描述前面描述的对称光能检 测特征。如前面所解释，FT光学图案32的入射到有源光学扇区500、510之间的无源区域的 光能条带34与入射到扇区590中有源光学段529、594、569、598的径向相对的光能条带34 对称。因此，激活一个段，例如外侧段598，如示于图17a，将能够实现有效检测入射到相应 扇区500、510的段508、518之间的径向相对的等价光能34的相同形状内容。同样，激活任 何其它段592、594、596使得能够有效检测入射到有源扇区500和510之间的无源区域501 的光能的径向相对的另一部分中的形状内容。因此，检测入射到在图17a中的例子中对中 在191. 25°的扇区590的光能34等价于检测入射到对中在11. 25°的无源区域501的光 能34。反过来也同样适用，即，检测入射到如示于图9a和IOa并且如前面描述的竖直扇区 500的光能34等价于检测来自FT光学图案32的入射到有源扇区580和590之间的无源区 域581上的光能。再次参看图17a_c，在扇区590中检测的光能34对应于形状内容69，例如图像 12'中的大致定向在大约191. 25°的曲线线条、边缘、部分和类似物，其由于是对称的，因 此也可以表述为定向在大约11. 25°。反射和滤波光学图案60中的光能条带62也具有相 同的角定向，这体现了图像12'的具有上述角定向并且具有较高空间频率(如果被外侧段 596、598反射)或较低空间频率(如果被内侧段592、594反射)的线性形状内容的特性。 源于FT光学图案32的上述各种反射部分的光学图案60由检测器阵列82中的传感器84 检测，以便被记录和存储，如前面描述的。现在可以清楚地理解，有源光学区域54中扇区段的任何特定角定向R将能够用来 检测图像12'的具有大致相同角定向R的所有形状特性。还可以清楚地理解，各段的径向 向外间隔或缩放比例(S)涉及这种形状特性的空间频率。因此，图像12'的所有形状特性 可以通过利用所有角定向中的段检测相应的滤波图案60的条带62而检测。然而，如前所 述，对于大多数目的而言，通过选择以检测图像12'的形状特性中的一些，优选大部分，但 不是必须全部，以便以角定向或旋转位置R上的某些选定的增量检测滤波图案60的光能条 带34，就足够了。显然，光能条带34被检测的扇区的角定向增量越大，图像12'的形状特性或内容检测精度越低。另一方面，角定向增量越小，将必须被处理的数据就越多。因此，当选 择光能条带34将检测被和记录的扇区角增量时，可能希望在所需的或所希望的形状特性 精度与实现这种精度所需的数据处理和存储效率和速度之间取得一定的平衡。举例而言， 但不是作为限制，可以认为，以在大约5至20度之间的范围内的、优选大约11. 25度的角增 量检测和记录形状特性，对于大多数目的而言是适合的。另外，检测的角区域可以变化。举 例而言，虽然有源光学扇区被定向为用于以11.25°角增量检测形状特性，但有源光学区域 可以更窄，例如在3°至8°范围内，或多或少，这可以将一些光学能量从扇区之间的FT光 学图案32过滤掉。然而，取决于特定的技术应用于特定问题或目标，来自扇区或其它径向 延伸传感器之间无源区域的光能的这种损失，如本说明书中其它地方所描述，可能并不会 危害由本发明实现的形状特征化。除了前面描述的径向延伸的楔形有源光学扇区和扇区段，替代性配置可以包括径 向延伸的矩形有源光学调制器，如示意性显示于图18。这些矩形的形调制器500' ,510'、 520 ‘ ,530 ‘ ,540 ‘ ,550 ‘ ,560 ‘ ,570 ‘ ,580 ‘ ,590 ‘ ,600 ‘ ,610 ‘ ,620 ‘、630 ‘、 640' ,650'可以位于与前面描述的楔形扇区相同或不同的角定向，并且每个角定向可以 包括若干矩形的有源光学段，例如调制器500'的段502' ,504' ,506' ,508'。这种构造 俘获的入射FT光学图案32 (图1)的光能不如前面描述的楔形段和扇区那样多，但形状分 辨率可以更高。另一不那么高效的实施方式示于图19，其中以虚线表示的期望的扇区和段可以通 过同时激活像素阵列730型空间光调制器中的选定多组光调制器元件732而形成。举例而 言，通过同时激活光调制器像素元件602的段组508"，可以激活竖直扇区500"的实际外 侧段508〃。虽然前面结合图8的剖视图描述的反射型空间光调制器结构可以应用于前面描 述的所有SLM2 50配置，但示于图20的替代性透射型空间光调制器结构50'也可以用于每 种配置，例如前面描述的图2中的例子。在这种实施方式50'中，金属反射层186、188被 替换为透明传导层186' ,188'，例如氧化铟锡(ITO)或任何多种其它公知的透明传导材 料之一。因此，入射光27 (ρ)的偏振平面可以旋转也可以不旋转，取决于是否电压V施加至 任一层186'或188'，但不是被反射，光被传输通过装置50'而以光能61 (s)或61 (ρ)射 出，如图17中所描绘。该装置沿其周边安装在基座56上，使得基座56不与传播的光61 (s) 和61(p)相干涉。除了图8所示实施方式中的液晶材料180之外的不同液晶材料180'和 /或不同厚度的液晶材料可能被要求采用，因为光只穿过液晶材料180' —次。然而，这样 的材料和它们的应用已经在本领域中出现和公知，并且可以由本领域技术人员在理解了本 发明的原理后实施。另外，由于光61 (s)被透射而非被反射，因此偏光器/检偏器70还必 须布置在图17中的空间滤波SLM 50'的后面，如示于图2，而非在其前面。在前面的描述中，图像的期望的角定向(R)和缩放比例(S)的形状内容被以下述 方式俘获，即通过遮挡或阻止FT平面32中的所有其它光使之不能到达检测器80，以使得只 有来自FT平面32的该角定向(R)和缩放比例段的光能被投射回空间域中以便检测。然而， 本领域技术人员可以认识到，利用前面描述的元件进行形状特征化和编码还可以以负像的 方式实施。换言之，不是如前面描述的激活一个或若干段和/或扇区以获得与特定扇区和/ 或段的角定向或旋转位置(R)和/或径向距离⑶相关的形状内容，而是还可以激活有源光学区域54中的所有其它扇区和段而不激活特定扇区和/或段，以获得图像形状内容的负 像或反像。这一过程可以对所有期望的角(R)和/或标量(S)扇区和段重复进行，以使得 有关收集和记录的光能分布的合成信息表示图像12'的所有形状内容的负像或反像。举例而言，返回图9a_c，空间域中的图9a所示竖直形状内容的负像或反像在经历 了 FT平面32中由空间滤波SLM2 50 (图1)光学滤波后，将呈现为水平线条706，类似于它 们呈现在图9c中的形式，其中竖直线条704由竖直扇区500的非激活内侧段502从空间图 像多虑掉。如果形状内容多于图9a中的正方形，则这样的附加形状内容也会显示在负空 间图像中，只要其不是位于竖直定向河位于由内侧段502从图像中过滤掉的空间频率范围 内。同样，空间域中的图9a所示水平形状内容的负像或反像在经历了 FT平面32中由光学 滤波后，分段径向SLM 50将呈现为竖直线条704，类似于它们在图9b中呈现的形式，其中水 平线条被从空间图像过滤掉。为了进一步进行解释，示于图13b的汽车的空间滤波图像60的负像将显示汽车的 除了示于图13c的竖直线条62'以外的所有形状内容。对于图14c、15c、16c和17c中的负 像，存在同样的差异。同样，与形状内容的正空间图像一样，这样的负或反空间图像可以在80(图1)中 由像素以x-y坐标位置和强度(I)的信息进行检测，并且被处理以便存储非激活扇区和段 的角定向(R)以及如果希望的话径向缩放比例(S)，如前面描述的。另外，负滤波图像数据 可以转化为正滤波图像数据，反之亦然，如本领域技术人员所能理解。虽然前面描述了多种代表性应用、方面和实施方式，但本领域技术人员可认识到 其它修改、置换、添加和子组合包含在请求保护的发明的范围和精神内。因此，希望理解，所 附的权利要求以及今后添加的权利要求被解读和理解为包含所有落在它们的实际精神和 范围内的修改、添加、子组合和等同替换，而非将权利要求仅仅局限于前面描述的结构和过 程。说明书和权利要求书中使用的用语"包括"、"由...构成"、“包含"是指存在提 及的特征、数值、元件或步骤，但并不意味着排除了可存在或添加一或多个其它特征、数值、 元件、步骤或它们的组合。
权利要求
一种用于处理光学图像以便隔离形状内容和对光学图像进行特征化的设备，包括相干单色光源，用于沿着光束路径传播平面偏振相干单色光的光束；第一光学子系统，包括聚焦透镜，其定位在光束路径中并被成形为将光束聚焦至位于焦平面中的焦点；图像输入装置，其安置在聚焦透镜和焦点之间，其中，图像输入装置具有调制光束的能力，使光束具有空间散布的相变，以产生光束中图像的衍射光；和空间滤波器，其定位在光束中，在此图像的傅里叶变换图案被呈现；和第二光学子系统，其在光束路径中与第一光学子系统重叠，且包括投影透镜，其在投影透镜的相反两侧具有位于各自焦距处的焦点；和检测器；其中，第二光学子系统被光学耦合至第一光学子系统，使得投影透镜和投影透镜的两个焦点在光束路径上布置在图像输入装置和检测器之间，并且空间滤波器光学布置在图像输入装置和投影透镜之间。
1.一种用于处理光学图像以便隔离形状内容和对光学图像进行特征化的设备，包括相干单色光源，用于沿着光束路径传播平面偏振相干单色光的光束；第一光学子系统，包括聚焦透镜，其定位在光束路径中并被成形为将光束聚焦至位 于焦平面中的焦点；图像输入装置，其安置在聚焦透镜和焦点之间，其中，图像输入装置具 有调制光束的能力，使光束具有空间散布的相变，以产生光束中图像的衍射光；和空间滤波 器，其定位在光束中，在此图像的傅里叶变换图案被呈现；和第二光学子系统，其在光束路径中与第一光学子系统重叠，且包括投影透镜，其在投 影透镜的相反两侧具有位于各自焦距处的焦点；和检测器；其中，第二光学子系统被光学 耦合至第一光学子系统，使得投影透镜和投影透镜的两个焦点在光束路径上布置在图像输 入装置和检测器之间，并且空间滤波器光学布置在图像输入装置和投影透镜之间。
2.如权利要求1所述的设备，其中，图像输入装置被布置在聚焦透镜和焦点之间的任 何位置上，在该位置，光束照亮整个图像。
3.如权利要求2所述的设备，其中，投影透镜被布置在空间滤波器和检测器之间的任 何位置上，在该位置，投影透镜将来自图像输入装置的图像按比例缩放至检测器上的期望 的尺寸。
4.如权利要求2所述的设备，其中，图像输入装置包含基于像素的成像空间光调制器， 其基于逐个像素对光束中的光的光相进行调制，从而以将图像写入光束的方式旋转偏振平 面且使得光被衍射。
5.如权利要求4所述的设备，还包括偏光器/检偏器，其安置在成像空间光调制器和空 间滤波器之间，以将在不同平面中偏振的光的像素分离，使得包含图像的光朝向检测器传 输并且从不是图像一部分的光的光束中消除。
6.如权利要求5所述的设备，其中，成像空间光调制器是反射型空间光调制器，其中图 像利用靠近用于反射光束的反射平面的液晶材料被写入光束，并且，反射空间光调制器被 定向为使得光束在成像空间光调制器反射平面处的入射角大于零度。
7.如权利要求6所述的设备，其中，光束在成像空间光调制器反射平面处的入射角大 至足以使得由偏光器/检偏器反射回空间光调制器的光束中的任何光被成像空间光调制 器反射平面反射。
8.如权利要求7所述的设备，其中，空间滤波器包括滤波空间光调制器，其具有平行于 产生傅里叶变换图像的成像空间光调制器光学定向的滤波平面。
9.如权利要求8所述的设备，其中，检测器具有光学平行于成像平面的检测平面。
10.如权利要求8所述的设备，其中，空间滤波器被构造成在产生傅里叶变换图像的径 向延伸扇区中空间选择光，以便投影到检测器上。
11.如权利要求10所述的设备，其中，检测器包括传感器矩阵，并且投影透镜被成形和 布置在滤波空间光调制器和检测器之间的位置，在该位置，由滤波空间光调制器滤波的图 像被按比例缩放成与检测器的传感器和/或传感器组的尺寸相匹配。
12.如权利要求10所述的设备，其中空间滤波空间光调制器通过在滤波平面的选定部分激活液晶材料以便在光束的选定 部分中旋转光的偏振平面而对傅里叶变换图像进行空间滤波；和偏光器/检偏器在空间滤波空间光调制器和检测器之间被定位在光束中，以阻止光束 的未被选择部分使之不能到达检测器。
13.如权利要求2所述的设备，其中，光束在聚焦透镜之前被张大，以便照亮整个图像。
14.一种处理光学图像以便隔离形状内容和将光学图像特征化的方法，包括将相干单色光的光束沿着光束路径传播通过定位在光束路径中的聚焦透镜，以将光束 聚焦在焦平面中的焦点处；以空间调制光束的方式在聚焦透镜和焦点之间照亮光束中的物象，所述空间调制使光 束具空间散布的相变，以在光束中产生物象的衍射光，从而使得在聚焦透镜的焦平面发生 物象的傅里叶变换；对光束进行空间滤波，其中物象的傅里叶变换图案被呈现；和利用投影透镜将空间滤波的光束中的物象投影在检测器上，所述投影透镜被布置成使 其焦点位于物象和检测器之间。
15.如权利要求14所述的方法，包括利用基于像素的空间光调制器在成像平面处将 物象写入光束中，所述空间光调制器基于逐个像素调制光束中的光相，以便根据物象的需 要旋转偏振平面且使得光被衍射。
16.如权利要求15所述的方法，包括使包含物象的光束传输通过偏光器/检偏器，以将 在不同平面内偏振的光的像素分开，以便阻止不希望的光，并且使包含物象的光通过。
17.如权利要求16所述的方法，包括将一平面反射面定位在成像平面处或靠近成像平 面，并将成像平面和平面反射面定位成使得光束在成像平面和平面反射面上的入射角足以 使得从偏光器/检偏器反射至成像平面的任何反馈光被反射离开检测器。
18.如权利要求17所述的方法，包括利用空间光调制器对光束进行空间滤波，在此物 象发生傅里叶变换，所述用空间光调制器具有定位在光束中的滤波平面，所述滤波平面光 学平行于成像平面并且在傅里叶变换平面的选定部分中旋转光的偏振平面，所述选定部分 被选择为用于与光束中的其余光分离。
19.如权利要求18所述的方法，包括利用偏光器/检偏器阻止未被选择的光使之不能 到达检测器，以使得只有光的选定部分到达检测器以便在检测器形成滤波图像。
20.如权利要求19所述的方法，包括当物象在检测器的检测平面上被滤波空间光调制 器滤波时检测物象，所述检测平面被定向成光学平行于成像平面；所述检测平面可以物理 平行于成像平面，或者在光束与光谱镜重叠的情况下，所述检测平面可以物理垂直于成像 平面。
21.如权利要求15所述的方法，包括将图像平面定位在聚焦透镜和其焦点之间的任何 位置上，以使得光束照亮物象的所有像素。
22.如权利要求21所述的方法，包括在光束到达聚焦透镜之前将光束张大，以完全照 亮物象的所有像素。
全文摘要
用于傅里叶变换光学图案空间滤波和图像形状特征化的非刚性耦合的重叠无反馈光学系统(800)包括第一光学子系统(810)，其包含用于将偏振相干光束(27)聚焦至焦点(31)的透镜(30)、安置在透镜(30)和焦点(31)之间用于空间调相的图像输入装置(26)和傅里叶变换图案(32)的空间滤波器(50)；以及第二光学子系统(820)，其与第一光学子系统(810)重叠，包含投影透镜(78)和检测器(80)。第二光学子系统(820)被光学耦合至第一光学子系统(810)。
文档编号G06K9/00GK101903892SQ200880122271
公开日2010年12月1日 申请日期2008年10月17日 优先权日2007年10月19日
发明者R·克瑞尔 申请人:视觉动力公司