DE3686662T2

DE3686662T2 - Anordnungen und verfahren zur bearbeitung von optischen korrelatorspeichergeraeten.

Info

Publication number: DE3686662T2
Application number: DE8686104280T
Authority: DE
Inventors: Kenneth G Leib
Original assignee: Grumman Aerospace Corp
Current assignee: Grumman Corp
Priority date: 1985-03-29
Filing date: 1986-03-27
Publication date: 1993-04-15
Anticipated expiration: 2006-03-28
Also published as: EP0196106A3; EP0196106B1; JPS61226776A; US4735486A; AU584179B2; CA1291657C; EP0196106A2; AU5530686A; GR860839B; IL78216A; DE3686662D1; IL78216A0; JP2617175B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Systeme und Verfahren zur Konstruktion und zum Betrieb holographischer Elemente und spezieller auf Systeme und Methoden zur Aufzeichnung eines optischen Matched (angepaßten) Filters und zur Verwendung solcher Filter bei einer Vielzahl von Wellenlängen.
Bei der Konstruktion holographischer optischer Elemente wird ein erster Konstruktionsstrahl derart projiziert, daß er auf ein Aufzeichnungsmedium auftrifft. Es ist bekannt, daß das Aufzeichnungsmedium eine photographische Emulsion, eine dichromatische Gelatine, ein Photopolymer und dergleichen sein kann und dieses eine auf einem geeigneten Substrat, wie z. B. einer Glasplatte, einem dünnen Film oder dergleichen aufgebrachte Schicht sein kann. Gleichzeitig wird von derselben Quelle kohärenter elektromagnetischer Strahlung, die vorzugsweise ein Laser ist, ein zweiter Konstruktionsstrahl in einem solchen Winkel ausgerichtet, daß er auf das Aufzeichnungsmedium auftrifft und dort auf dem Medium den ersten Konstruktionsstrahl überdeckt. Das Resultat des ilberdeckens des Eingangsstrahls auf dem Aufzeichnungsmedium ist ein optisches Interferenzmuster, das in das Medium aufgezeichnet wird als eine Amplituden- oder Phasenverteilung nahe benachbarter Linien. Wenn der erste Eingangsstrahl normal auf die Ebene des Aufzeichnungsmediums auffällt, ist der Abstand b zwischen Linien, die in der Linse erzeugt sind, bestimmt durch die Gleichung:
worin die Wellenlänge der Konstruktionsstrahlen ist und R der Winkel zwischen der Ebene des Aufzeichnungsmediums und dem zweiten Konstruktionsstrahl ist.
Wird eine holographische Linse mit einem Parallelstrahl bestrahlt, so wird ein außeraxialer Fokus erzielt. Bleibt der Strahl parallelgerichtet, jedoch wird die Wellenlänge geändert, ergibt sich ein zweiter außeraxialer Fokus, der einen anderen Versatz-/Ablenkwinkel und anderen Brennpunktsabstand hat als der erste. Dieses Ergebnis folgt aus dem Umstand, daß physikalisch ein Hologramm im Grunde ein hochkomplexes Beugungsgitter ist. Der Winkel R und die Brennweite F eines parallelgerichteten Kollimatorstrahls von Licht der Wellenlänge das durch eine holographische Linse gestreut wird, sind gegeben durch die Gleichungen:
und
worin λc und Fc die Wellenlänge und Brennweite des zur Konstruktion des Hologramms verwendeten Strahls ist und b ist der Abstand des Linienmusters in dem Hologramm, und F sind Wiedergabe-Wellenlänge und Brennweite jeweils.
Die Beziehung zwischen den Streuwinkeln R&sub0; und R&sub1; der zwei parallel gerichteten Lichtstrahlen der zwei voneinander verschiedenen Wellenlängen λ&sub0; und λ&sub1;, die durch eine holographische Linse gestreut werden, sind gegeben durch die Gleichung
Die Beziehung zwischen den Brennweiten F&sub0; und F&sub1; dieser beiden Lichtstrahlen ist gegeben durch die Gleichung
Matched (angepaßte) Filter sind ein Typ holographischer Elemente, die in optischen Korrelatorsystemen verwendet werden, um das Vorhandensein eines ausgewählten Targets in einer Szenerie oder einem Blickfeld zu detektieren. Um ein Matched Filter zu konstruieren, wird der eine der parallelen Kollimator-Konstruktionsstrahlen, der als Signalstrahl bezeichnet wird, räumlich dadurch moduliert, daß man ihn durch ein Bild des ausgewählten Targets hindurchtreten läßt. Die zwei Konstruktionsstrahlen vereinigen sich dann in der Ebene des Matched Filters und erzeugen ein Beugungsgitter, das einzig für das ausgewählte Target ist. Wenn ein Matched Filter in einem optischen Korrelatorsystem verwendet wird, läßt man einen parallelgerichteten Lichtstrahl durch einen ausgewählten Blick hindurchfallen und dann auf ein Matched Filter treffen. Das Ausgangssignal eines Matched Filters ist ein Lichtstrahl, der auf eine invers transformierende Linse gerichtet ist. Wenn ein ausgewähltes Target im Blickfeld nicht vorhanden ist, ist das Ausgangssignal des Matched Filters relativ schwach und diffus und das Ausgangssignal bleibt diffus so wie es durch die inverse transformierende Linse hindurchgeht. Wenn jedoch das erwartete Target im Blickfeld vorhanden ist, wird das durch das Matched Filter hindurchgehende Licht parallelgerichtet und die inverse transformierte Linse bringt den Ausgangsstrahl vom Matched Filter in einen Brennpunkt.
Am Ort des Brennpunktes der invers transformierenden Linse wird ein lichtsensitiver Detektor positioniert und dann wenn Licht auf den Detektor fokussiert wird, ein Ausgangssignal erzeugt. Dieses Ausgangssignal wird dazu verwendet, einige Typen von Einrichtungen zu triggern, abhängig von der Vorrichtung, in der das Target-Erkennungssystem verwendet wird. Diese Einrichtung mag ein einfaches Alarmsystem oder ein komplexes Führungssystem, als Beispiel genannt, sein.
Es ist oftmals vorteilhaft, ein Matched Filter bei einer Wellenlänge herzustellen und das Filter bei einer zweiten Wellenlänge zu benutzen. Zum Beispiel lassen sich Bilder in einem Matched Filter am besten bei Wellenlängen im blauen Spektralbereich aufzeichnen und am besten bei Wellenlängen wiedergeben, die im roten Spektralbereich liegen. Außerdem ergibt sich in Fällen, in denen ein Matched Filter bei derselben Wellenlänge betrieben wird wie es hergestellt worden ist, daß das im Betrieb verwendete Lichtsignal die Tendenz hat, das im Matched Filter erzeugte Bild zu verändern. Diese Tendenz ist wesentlich geringer, wenn das Matched Filter bei einer Wellenlänge betrieben wird, die verschieden ist von derjenigen Wellenlänge, die zur Herstellung des Filters verwendet worden ist.
Bisher sind keine optischen Systeme konzipiert worden, um Matched Filter bei vielfachen Wellenlängen herzustellen oder zu betreiben. Systeme, die diese Flexibilität haben, würden spezielle Vorteile an entfernt liegenden Orten haben, so z. B. auf Satelliten, wo es schwierig, wenn nicht sogar praktisch ausgeschlossen ist, verschiedene Elemente optischer Systeme in irgendeiner wesentlichen Weise zu repositionieren, um das System bei verschiedenen Wellenlängen betreiben zu können. Ein solches System hätte auch besondere Brauchbarkeit im Labor oder an entsprechendem Ort, da es von der Notwendigkeit und von dem Zeitaufwand befreien würde, das System wesentlich zu ändern, um das Matched Filter bei verschiedenen Wellenlängen zu betreiben.
Die vorliegende Erfindung sieht ein einzigartiges optisches Korrelator-Speicher-Prozessor-System vor mit ersten Mitteln zur Erzeugung eines elektromagnetischen Strahls einer Quelle mit einer Vielzahl von Wellenlängen, mit einem zweiten Mittel, das in dem Weg des Strahls der Quelle liegt, um den Strahl der Quelle in einen Signalstrahl und in einen Referenzstrahl zu teilen. Der Signalstrahl wird in einer ersten Achse durch ein Bildmittel hindurchgeschickt, von dem der Signalstrahl räumlich moduliert wird. Auf einer zweiten Achse, die parallel der ersten Achse ist, ist ein Aufzeichnungsmedium vorgesehen. Auf der ersten Achse ist ein Mittel zur Ablenkung des Signalstrahls vorgesehen, um den Signalstrahl von dem Bildmittel zu empfangen und eine Fouriertransformierte des Strahls der Quelle auf das Aufzeichnungsmedium abzulenken. Ein Mittel für die Ablenkung eines Referenzstrahls befindet sich auf einer dritten Achse, die parallel der ersten und der zweiten Achse ist und das sich im Weg des Referenzstrahls befindet, um den Referenzstrahl auf das Aufzeichnungsmedium abzulenken und Interferenz zwischen dem Referenzstrahl und der Fouriertransformierten des Signalstrahls auf dem Aufzeichnungsmedium zu erzeugen oder zu verursachen.
Entsprechend einer ersten Ausführungsform dieser Erfindung, wird ein monochromatischer parallel gerichteter Lichtstrahl der Quelle mit steuerbarer Wellenlänge auf ein erstes optisches Element gerichtet, das den Strahl der Quelle in einen Signalstrahl und einen Referenzstrahl aufspaltet. Folgend einer ersten Ausführungsform dieser Erfindung, ist dieses erste optische Element ein Strahlteiler. Ein erster Ausgangsstrahl des Strahlteilers wird als Signalstrahl verwendet und durch ein Bild hindurch geschickt, um den Signalstrahl räumlich zu modulieren. Der Signalstrahl wird dann auf ein zweites optisches Element gerichtet, das z. B. eine holographische Linse ist, und der aus diesem Element austretende Ausgangsstrahl erster Ordnung wird auf ein Medium fokussiert, das dazu verwendet wird, ein Matched Filter aufzuzeichnen. Ein zweiter Ausgangsstrahl des Strahlteilers wird als Referenzstrahl verwendet und wird von einem Spiegel auf ein drittes optisches Element gespiegelt, das z. B. ein Beugungsgitter ist, das den Referenzstrahl auf das Aufzeichnungsmedium für das Matched Filter richtet.
Entsprechend einer zweiten Ausführungsform der Erfindung ist ein optisches Transmissions-Beugungsgitter als erstes optisches Element verwendet und ein Spiegel ist als drittes optisches Element verwendet. Der Ausgangsstrahl nullter Ordnung des Gitters wird als Signalstrahl verwendet und ist durch ein Bild hindurch, das den Strahl räumlich moduliert, auf das zweite optische Element gerichtet und dann auf das Aufzeichnungsmedium für das Matched Filter. Der Ausgangsstrahl erster Ordnung des Beugungsgitters wird als Referenzstrahl benutzt und wird von einem Spiegel weggespiegelt, so daß dieser Strahl auf das Aufzeichnungsmedium für das Matched Filter auftrifft.
Bei beiden Ausführungsformen der Erfindung interferieren der Referenzstrahl und der Signalstrahl auf dem Aufzeichnungsmedium für das Matched Filter, womit ein Matched Filter oder ein Fouriertransformierten-Hologramm darauf erzeugt wird. Indem man gewisse wahlfreie Parameter der Systeme auswählt und die Systeme unter gewissen Bedingungen betreibt, können diese Systeme so betrieben werden, daß immer Interferenz zwischen der Fouriertransformierten des Signalstrahls und dem Referenzstrahl auf dem Aufzeichnungsmedium für das Matched Filter bei einer Vielzahl von Wellenlängen des Strahls der Quelle verursacht wird.
Für ein System, das diese Erfindung verkörpert, kann eine Vielzahl von Strahlungsquellen verwendet werden, die jede eine diskrete Wellenlänge haben und deren Ausgangsstrahl auf ein Zerstreuungselement gerichtet ist, und bei dem die Quellen wahlweise aktiviert werden, um die Wellenlänge des Strahls der Quelle zu verändert. Alternativ kann für diese Erfindung eine einzige Strahlungsquelle benutzt werden, bei der die Welle dieser einzigen Quelle verändert wird, vorzugsweise mittels eines parametrischen Konverters.
Für die Erfindung kann eine jegliche geeignete Strahlungsquelle verwendet werden, wie z. B. ein Laser, der ein Flüssigkeits-, ein Festkörper- oder ein Gas-Laser sein kann, der entweder diskreten oder Dauer-Ausgang hat. Wie dies für den einschlägigen Fachmann klar ist, muß der Laser eine ausreichend hohe Ausgangsleistung haben, um die an ihn gestellten Erfordernisse zu erfüllen. Wenn ein als Kristall ausgebildeter parametrischer Konverter verwendet wird, ist es außerdem notwendig, daß der Laser eine Betriebswellenlänge hat, die in geeignetem Maße dicht an der Degenerationsfrequenz des verwendeten Kristalls liegt.
Es sei auch darauf hingewiesen, daß, obwohl die Strahlung im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums liegen kann, andere Wellenlängen, die in einzelnen Fällen wünschenswerter sein können, benutzt werden können. Gleichermaßen sei angemerkt, daß ein Laser eine bevorzugte Strahlungsquelle ist, so daß die Strahlungsquelle hier als "Laser" und deren Ausgangsstrahl als "Laserstrahl" bezeichnet wird. Es ist natürlich ersichtlich, daß diese verwendete Terminologie keine Beschränkung der vorliegenden Erfindung ist.
Vorzugsweise wird Energie des Ausgangsstrahls nullter Ordnung des zweiten optischen Elements dem vierten optischen Element zugeführt, das in beugender Weise, brechender Weise oder anderer Weise diesen Strahl synchron mit der Wellenlänge der Strahlung ablenkt. Dieser abgelenkte Strahl wird durch Strahlungssensoren geführt und von diesen abgeleitete Information dazu verwendet, die Funktionen des Systems zu steuern.
Dieses vierte optische Element mag ein Prisma sein, das in den Weg des Ausgangsstrahls nullter Ordnung des zweiten Zerstreuungselementes eingefügt ist. Wenn die Wellenlänge des Strahls der Quelle verändert wird, ändert sich ebenfalls der Ablenkwinkel des Ausgangsstrahls des vierten zerstreuenden Elementes. Ein Array, bestehend aus photosensitiven Einrichtungen, wie z. B. Photodioden oder Photozellen, ist in dem Weg des Ausgangsstrahls des Prismas angeordnet und das Ausgangssignal der einzelnen photosensitiven Einrichtungen, die dann aktiviert werden, wenn der Ausgangsstrahl des Prismas auf diese fällt, gibt die Wellenlänge des Strahls der Quelle an. Dieses Ausgangssignal der photosensitiven Einrichtungen wird dazu benutzt, die Bewegung des Mediums, auf dem das Matched Filter aufgezeichnet ist, abhängig von der Wellenlänge des Strahls der Quelle in verschiedene Positionen zu steuern.
Weitere Vorteile der Erfindung gehen aus einer Betrachtung der nachfolgenden Beschreibung hervor, die anhand der beigefügten Figuren gegeben wird, wobei diese Figuren bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung zeigen.
Fig. 1 zeigt ein funktional es Blockbild einer Ausführungsform eines optischen Korrelator- Speicher-Herstellungssystems gemäß der Erfindung.
Fig. 2 zeigt ein funktional es Blockbild eines zweiten optischen Korrelator-Speicher-Herstellungssystems entsprechend der vorliegenden Erfindung.
Fig. 3 zeigt zwei Graphiken, die die Beziehung zwischen verschiedenen wahlweisen Parametern des optischen Speicher-Herstellungssystems der Fig. 1 illustrieren.
Fig. 4 zeigt ein Matched Transmissionsfilter, das in den Systemen der Fig. 1 und 2 verwendet werden kann.
Fig. 5 zeigt eine wahlweise Plazierung eines der in Fig. 2 gezeigten Elemente des Systems.
Fig. 6 zeigt eine wahlweise Plazierung von einer Anzahl Elementen des in Figur , gezeigten Systems.
Fig. 7 zeigt eine modifizierte Version des Systems nach Fig. 1, wobei eine Vielfach-Holographie-Linse und Aperturbegrenzung verwendet sind, um eine Vielzahl optischer Memory-Einrichtungen aufzuzeichnen.
Fig. 8 zeigt eine zweite modifizierte Version des Systems nach Fig. 1, das ebenfalls zur Herstellung einer optischen Multiple-Bild Speichereinrichtung verwendet werden kann.
Fig. 9 zeigt ein Blockdiagramm einer alternativen Anordnung zur Erzeugung der Strahlen der Quelle auf verschiedenen Wellenlängen, wobei diese Anordnung in einem System der Fig. 1 und 2 verwendet werden kann.
Fig. 10 zeigt eine dritte Anordnung zur Erzeugung von Strahlen mit verschiedenen Wellenlängen.
Fig. 11 zeigt eine noch andere Art und Weise, Strahlen einer Quelle zu erzeugen, die verschiedene Wellenlängen haben und für die vorliegende Erfindung verwendet werden können.
Fig. 12 zeigt ein Blockdiagramm eines optischen Korrelator-Systems, bei dem ein Matched Filter verwendet ist, das entsprechend der vorliegenden Erfindung hergestellt ist.
Fig. 13 zeigt einen Live-Szenen-Wandler, der in dem System nach Fig. 12 verwendet werden kann.
Fig. 14 zeigt ein Blockdiagramm eines zweiten optischen Korrelator-Systems mit einem Matched Filter, das der vorliegenden Erfindung folgend hergestellt ist.
Es wird nunmehr auf die Figuren Bezug genommen, worin Fig. 1 ein erstes optisches System 100 dieser Erfindung zeigt. Eine Quelle monochromatischen, parallel gerichteten Lichtes mit im wesentlichen fest gegebener Wellenlänge, wie z. B. ein Laser 102, erzeugt einen Ausgangsstrahl 104, der in einen parametrischen Konverter 106 gerichtet ist. Der Laser 102 ist vorzugsweise ein Gaslaser, wie z .8. ein Argonionen-Laser, der kontinuierlich Ausgangsleistung mit einer Wellenlänge von nahezu 500 nm liefert. Es können auch andere geeignete Laser verwendet werden, wie z. B. ein Yttrium-Aluminium-Granat(YAG)-Dauerstrich-Laser oder ein CO&sub2;-Laser. Es sei darauf hingewiesen, daß, natürlich unabhängig von dem Typ der verwendeten Strahlungsquelle, es wesentlich ist, daß diese eine ausreichend hohe Ausgangsleistung hat.
Parametrische Konverter sind Einrichtungen, in denen eine Variation einer oder mehrerer Kräfte, wie z. B. ein elektrisches Feld, (mechanische) Spannung oder Temperatur derselben auf ein anisotropes (doppelbrechendes) kristallines Material zur Einwirkung gebracht wird, wobei diese Variation dazu benutzt wird, ein eingehendes elektromagnetisches Eingangssignal mit einer Wellenlänge und Frequenz in ein Ausgangssignal umzuwandeln, das eine davon verschiedene Wellenlänge und Frequenz hat. Eine Beschreibung eines repräsentativen Beispiels, in dem dieses Prinzip in optischen parametrischen Oszillatoren und Modulatoren verwendet wird, ist in der US-Patentschrift 3,328,723 beschrieben. Da diese Einrichtungen gut bekannt sind, wird zwecks Kürze und Klarheit keine detaillierte Beschreibung solcher Einrichtungen gegeben.
Oberflächen parametrischer Konverter 106 sind in geeigneter Weise mittels Plattierungstechnik mit Elektroden 110 und 112 versehen. Diese Elektroden sind mit der Quelle eines elektrischen Potentials verbunden, so daß ein elektrisches Feld an das kristalline Material des parametrischen Konverters 106 angelegt werden kann. Es ist eine gut bekannte Eigenschaft parametrischer Konverter, daß dann wenn ein Strahl durch sie hindurch gerichtet wird, die Wellenlänge des austretenden Strahls abhängig von der elektrischen Feldstärke E zwischen den Elektroden des Konverters entsprechend der nachfolgenden Gleichung (6) verändert ist:
λE=λ&sub0;+Δλ=λ&sub0;+f&sub1;(E) (6)
worin
λ&sub0; die Wellenlänge des austretenden Strahls bei der Feldstärke E = Null ist,
Δλ die Änderung der Wellenlänge vom Wert λ&sub0; ist und
f&sub1; (E) eine Funktion der anliegenden elektrischen Feldstärke ist, die den Wert Δλ ergibt.
Für einen Lithiumniobatkristall ist ermittelt worden, daß Δλ sich mit der Quadratwurzel der Feldstärke E ändert und daß ein elektrisches Feld von 100 Volt/Centimeter eine Wellenlängenverschiebung von ungefähr 22 nm ergibt.
Der Strahl 114, der aus einem Konverter 106 austritt, ist in ein erstes optisches Element gerichtet, das vorzugsweise ein Strahlenteiler 116 ist, der den Strahl 114 in einen ersten und einen zweiten Ausgangsstrahl 120 und 122 aufteilt. Der erste Ausgangsstrahl 120 des Strahlteilers 116 ist als Signalstrahl zu betrachten und geht durch eine Abbildungsebene 124 hindurch, die den Strahl räumlich moduliert. Dieser modulierte Signalstrahl ist dann in ein zweites optisches Element gerichtet, das vorzugsweise eine holographische Linse 126 ist, und der Ausgangsstrahl erster Ordnung 130 der holographischen Linse ist auf ein Medium 132 gerichtet, das dazu verwendet ist, ein angepaßtes Matched Filter aufzuzeichnen. Der zweite Ausgangsstrahl 122 des Strahlenteilers 116 ist als Referenzstrahl zu betrachten und ist mittels des Spiegels 134 auf ein drittes optisches Element gerichtet, das ein Beugungsgitter 136 ist. Das Gitter 136 lenkt den Referenzstrahl 122 auf das Aufzeichnungsmedium 132, so daß es zu einer Interferenz mit dem Signalstrahl kommt und ein aufzeichenbares Beugungsmuster auf diesem Medium erzeugt wird.
Entsprechend der vorliegenden Erfindung kann mittels des Betriebssystems 100 mit einer Wellenlänge zwischen vorwählbaren Maximum- und Minimumwellenlängen λ&sub0; und λ&sub1; durch Auswahl gewisser Parameter des Systems und durch Betrieb des Systems mit bestimmten oder in Bezug gebrachten Vorgaben das System dazu verwendet werden, stets Interferenz zwischen der Fouriertransformierten des Signalsstrahls und des Referenzstrahls auf dem Medium 132 bei einer Vielzahl von Wellenlängen zwischen λ&sub0; und λ&sub1; zu erzeugen. Dies ermöglicht es, ein Matched Filter auf dem Medium 132 für die Vielzahl der Wellenlängen zwischen diesen zwei Grenz-Wellenlängenwerten zu erreichen.
Es werden zunächst die zwei Vektoren und betrachtet, die, wie in Fig. 1 gezeigt, die Brennweiten und die Dispersionswinkel der parallel gerichteten Lichtstrahlen mit den zwei verschiedenen Wellenlängen λ&sub0; und λ&sub1; repräsentieren und die durch die holographische Linse 126 gestreut worden sind.
Es werden die Ausdrücke F&sub0; und F&sub1; in Termen von - und -Werten ausgedrückt:
Unter Hinzunahme der Winkel, die in der Fig. 1 gezeigt sind, läßt sich daraus auch ableiten:
Die Verbindung der Gleichungen (4) und (5) der vorangegangenen, im Zusammenhang mit den holographischen Elementen gegebenen Erörterung, die sich natürlich auf eine holographische Linse 126 bezieht, zeigt daß
Die Umstellung dieser Gleichung (11) ergibt
Auf diese Weise heben sich die Komponenten von j in Gleichung (10) gegeneinander heraus, so daß sich ergibt
Dieses zeigt, daß sich der Brennpunkt der Fouriertransformierten des Bildes, das durch die holographische Linse 126 gestreut worden ist, entlang einer Achse parallel der Achse AA' der Strahlenquelle bewegt. Die erste Vorgabe für dieses System 100 ist somit, daß sich das Medium 132 entlang einer Achse BB' bewegt, die parallel ist der Achse AA' und der Achse des Referenzstrahls zwischen dem Spiegel 134 und dem Beugungsgitter 136 und die als Referenzachse CC' bezeichnet ist.
Die Entfernung x des Brennpunktes bewegt sich entlang der Achse BB' entsprechend der Gleichung:
x=F&sub0;cosR&sub0;-F&sub1;cosR&sub1; (14).
Wegen der grundlegenden trigonometrischen Beziehung
sin²R&sub1;+cos²R&sub1;=1 (15) ergibt sich
cosR&sub1;= 1-sin²R&sub1; (16).
Setzt man den in der Gleichung (16) auf der rechten Seite bestehenden Ausdruck für cosR&sub1; in Gleichung (14) ein, ergibt sich:
x=F&sub0;cosR&sub0;-F&sub1;= 1-sin²R&sub1; (17)
Aus Gleichung (4) kann man ersehen, daß sich
ergibt und aus Gleichung (5), daß sich
ergibt.
Setzt man die rechten Seiten der Gleichungen (18) und (19) für sinR&sub1; und F&sub1; entsprechend in die Gleichung (17) ein, so ergibt sich
und diese Gleichung läßt sich vereinfachen zu
Eine Verallgemeinerung der Gleichung (21) um x in Termen irgendeiner bestimmten Wellenlänge λi zwischen λ&sub0; und λ&sub1; auszudrücken, führt zu der Formel:
Somit zeigt sich, daß die zweite Bedingung des Systems 100 ist, daß, wenn die Wellenlänge des Strahls 114 der Quelle sich von λ&sub0; nach λi ändert, sich das Medium 132 entlang der Achse BB' in Übereinstimmung mit Gleichung (22) bewegt.
Die anfängliche seitliche Verschiebung f des Mediums 132 aus der Achse AA' ist in einfacher Weise gegeben durch die Gleichung:
f=F&sub0;sinR&sub0; (23).
Die anfängliche longitudinale Verschiebung g des Mediums 132 gegenüber der holographischen Linse 126 ist gegeben durch die Gleichung:
g=F&sub0;cosR&sub0; (24).
Die übrigen Parameter, die für das System 100 festzusetzen sind, sind die seitliche Verschiebung h zwischen der Achse BB' und der Referenzachse CC' und die longitudinale Verschiebung d zwischen den zerstreuenden Flächen der Elemente 126 und 136.
Aus Fig. 1 ist ersichtlich, daß die longitudinale Verschiebung zwischen der streuenden Oberfläche des dritten optischen Elementes 136 und der Aufzeichnungsober fläche des Mediums 132 dieselbe ist, unabhängig davon, ob der Abstand ausgedrückt ist in Termen der horizontalen Komponenten von R&sub0; oder R&sub1; oder in Termen von d, zuzüglich der horizontalen Komponenten von F&sub0; und F&sub1;.
Diese Tatsache kann mathematisch folgendermaßen ausgedrückt werden:
R&sub0;cosΦ&sub0;=F&sub0;cosR&sub0;+d (25)
und
R&sub1;cosΦ&sub1;=F&sub1;cosR&sub1;+d (26).
Fig. 1 zeigt auch, daß gilt:
h = R&sub0;sinΦ&sub0;=R&sub1;sinR&sub1; (27).
Die Gleichung (27) kann umgeordnet werden, so daß sich die Gleichungen
und
ergeben.
Setzt man die rechte Seite der Gleichung (28) für R&sub0; in die Gleichung (25) ein, ergibt sich die Gleichung
Diese läßt sich vereinfachen zu
hcotΦ&sub0;=F&sub0;cosR&sub0;+d (31).
Die Gleichung (31) kann umgewandelt werden, so daß sich für h ergibt:
h=F&sub0;·cosR&sub0;tanΦ&sub0;+d·tanΦ&sub0; (32).
Setzt man nun für R&sub1; die rechte Seite der Gleichung (29) in die Gleichung (26) ein, ergibt sich:
und vereinfacht
h·cotΦ&sub1;=F&sub1;·cosR&sub1;+d (34).
Löst man Gleichung (34) nach h auf, ergibt sich:
h=F&sub1;·cosR&sub1;tanΦ&sub1;+d·tanΦ&sub1; (35).
Um d abhängig von h auszudrücken, subtrahiert man linke und rechte Seite der Gleichung (35) von linker und rechter Seite der Gleichung (32) und erhält:
Vereinfacht ergibt sich:
und dies ergibt weiter vereinfacht:
Die Auflösung nach d ergibt:
Um h unabhängig von d auszudrücken, subtrahiert man linke und rechte Seite der Gleichung (34) von linker und rechter Seite der Gleichung (31) und erhält:
Dies ergibt vereinfacht:
Aufgelöst nach h ergibt sich:
Die gegebenen Anfangswerte für Maximum und Minimum der Wellenlängen λ&sub0; und λ&sub1; der Strahlenquelle, für Maximum und Minimum der Brennweiten F&sub0; und F&sub1;, für Minimum und Maximum der Ablenkwinkel R&sub0; und R&sub1; des Strahls und für Minimum und Maximum des Strahlwinkels Φ&sub0; und Φ&sub1; des Referenzstrahls bestimmen die Anfangsparameter h, d, f und g, die für die anfängliche Verschiebung des Mediums 132 stehen. Für jegliche nachfolgende Wellenlänge der Strahlenquelle kann der Abstand x bestimmt und das Medium 132 entsprechend bewegt werden, um die Bedingungen einzustellen, die ein Matched Filter auf dem Medium 132 bei diesen verschiedenen Wellenlängen ergeben. Es sei darauf hingewiesen, daß, unabhängig von der Wellenlänge, die zur Herstellung des Matched Filters benutzt wurde, das Filter immer dieselbe Systemkonstante S hat, die durch die Gleichung
gegeben ist.
Obgleich verschiedene Mittel/Maßnahmen angewendet werden können, um das Medium 132 in den passenden Ort entsprechend der Wellenlänge der Strahlenquelle zu bewegen, zeigt
Fig. 1 eine mit automatisch gesteuerter Anordnung arbeitende Ausführungsform. Diese Anordnung kann diejenige sein, die, in Fig. 1 dargestellt, den Ausgangsstrahl 140 nullter Ordnung der holographischen Linse 126 auf ein viertes optisches Element fallen läßt, das ein brechendes Prisma 142 sein kann. Bekanntlich bricht ein solches Prisma den einfallenden Strahl abhängig von der Wellenlänge desselben, so wie dies ein Beugungsgitter tut. Daher kann der Ablenkwinkel des Ausgangsstrahls 144 des Prismas 142 mit dem Ergebnis der Bestimmung der Wellenlänge des Strahls 114 der Quelle beobachtet werden. Wie dies für den Fachmann klar ist, kann ein holographisches Gitter, bestehend aus zwei miteinander interferierenden ebenen Wellen und Aufzeichnung des Interferenzmusters anstelle des Prismas 142 verwendet werden. Der Ausgangsstrahl 144 des Prismas 142 ist auf ein Array 146 mit Strahlensensoren 150 gerichtet, die äquidistant in Bezug auf den vorliegenden Ablenkungspunkt des vom Prisma gebrochenen Strahls 144 angeordnet sind. Die Anzahl der Sensoren 150 pro Längeneinheit ergibt sich aus dem Inkrement des Maßes der Bewegung, die für das Medium 132 gewünscht ist. Es sei darauf hingewiesen, daß die Anzahl pro Längeneinheit der erforderlichen Sensoren 150 größer ist je feiner die verfügbare Steuerung ist.
Wenn die Wellenlänge der auf das Zerstreuungselement 142 auffallenden Strahlung verändert wird, wird im Betrieb der Ausgangsstrahl 144 abgelenkt und fällt auf einen der Sensoren 150 und es tritt ein Signal des vom Strahl getroffenen Sensors auf. Das erzeugte Signal geht an eine elektrooptische Steuereinrichtung 152, die wiederum ein Steuersignal erzeugt. Dieses Steuersignal geht an die für das Medium 132 vorgesehene Antriebseinrichtung 154, die das Aufzeichnungsmedium entsprechend der Wellenlänge des Strahls 114 der Quelle positioniert.
Es können unterschiedliche Elemente oder Schaltkreise als elektrooptische Steuereinrichtung 152 und gleichermaßen verschiedene besondere Einrichtungen als Antrieb 154 verwendet werden. Solche verwendbaren Elemente und Einrichtungen kann sich der einschlägige Fachmann erstellen. Der Antrieb 154 kann z. B. ein solcher mechanischer, piezoelektrischer oder magnetoelektrischer Art sein. Eine eingehende Erläuterung von Einzelheiten einer elektrooptischen Steuereinrichtung 152 und eines Antriebs 154 für das Matched Filter ist nicht erforderlich, um die vorliegende Erfindung ausführen zu können. Dementsprechend sind solche Einzelheiten in den Figuren nicht dargestellt. Das vom Sensorarray 146 erzeugte Signal kann auch dazu verwendet werden, diejenige Spannung zu steuern, die an den parametrischen Konverter 106 angelegt wird, womit die Wellenlänge des Strahls 114 der Quelle zu steuern ist. Eine solche Steuerung zur Veränderung der Wellenlänge des Strahls 114, abhängig vom Ausgangssignal des Sensorarrays 146, ist im einzelnen in der US-Patentschrift 4,250,465 beschrieben.
Fig. 2 zeigt Teile des Systems 200 entsprechend einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Das System 200 ist ganz ähnlich dem System 100 und übereinstimmende Elemente der beiden Systeme haben gleiche Bezugszeichen in den Figuren. Die prinzipiellen Unterschiede zwischen dem System 100 und 200 sind, daß das erste optische Element des Systems 200 ein optisches Beugungsgitter 202 mit Transmission hat und das dritte optische Element des Systems 200 einen Spiegel 204 umfaßt. Die anderen Elemente des Systems 200, die in Fig. 2 gezeigt sind, parametrischer Konverter 106, zweites optisches Element 126 und das Aufzeichnungsmedium 132 für das Matched Filter, sind dieselben, wie sie für das System 100 verwendet sind. Weiterhin kann Gas System 200 auch den Antrieb und die Antriebssteuerung der Fig. 1 für das Matched Filter haben. Diese Komponenten des Systems 200 sind in Fig. 2 der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt.
Im Betrieb geht der Ausgangsstrahl 114 des parametrischen Konverters 106 durch das Beugungsgitter 202 hindurch. Es ist bekannt, daß ein Beugungsgitter einen einfallenden Energiestrahl in eine Vielzahl von Strahlen nullter, erster, zweiter usw. Ordnung beugt, nämlich entsprechend dem Ausdruck:
sinRi±sinRd=mλ/b (44)
worin Ri der Einfallswinkel des Einfallsstrahls, gemessen gegenüber der Normalen des Gitters ist,
Rd der Ablenkwinkel gegenüber der Normalen des Gitters ist,
m die Ordnung 0, 1, 2, usw. ist,
λ die Wellenlänge des Energiestrahls ist,
b der Abstand der Beugungslinien ist und das sign davon abhängt, ob der Einfallsstrahl und der abgelenkte Strahl auf derselben Seite des Gitters normal sind oder nicht.
Der Einfachheit halber sei angenommen, daß der einfallende Strahl auf das Gitter in der normalen Richtung einfällt, so daß Ri = 0 und sinRd=m λ/b sind. Es ist zu sehen, daß dann wenn der Ausgangsstrahl nullter Ordnung des Gitters 202 unabgelenkt ist, d. h. daß er ebenfalls in normaler Richtung des Gitters ist, der Ausgangsstrahl erster Ordnung um einen bestimmten Winkel gebeugt ist und der Ausgangsstrahl zweiter Ordnung (nicht dargestellt) um einen noch größeren Winkel gebeugt ist. Strahlen höherer Ordnung werden mehr abgelenkt als der Strahl erster Ordnung und können in dem System 200 verwendet werden, wenn größere Ablenkung als wünschenswert gefunden wird. Jedoch generell ist die Energie des Strahls erster Ordnung größer als von Strahlen höherer Ordnung und dementsprechend ist ein Strahl erster Ordnung zu bevorzugen. Es ist bekannt, daß die Gesetzmäßigkeiten eines Beugungsgitters so geformt werden können, daß die Wirkung einer ausgewählten Ordnung vergrößert werden kann. Es sei zusätzlich darauf hingewiesen, daß für eine jede Ordnung es auf der gegenüberliegenden Seite des gradlinigen, Null-Winkelstrahls einen weiteren Strahl gibt, der denselben Beugungswinkel jedoch mit entgegengesetztem Vorzeichen hat. Der Übersichtlichkeit jedoch wegen, sind diese zweiten Strahlen höherer Ordnung in den Figuren nicht dargestellt. In der nachfolgenden Beschreibung bezieht sich der Ablenkwinkel des Ausgangsstrahls des Beugungsgitters 202 und andere damit verbundene Größen auf den Strahl erster Ordnung, sofern nichts anderes angegeben ist.
Der Ausgangsstrahl nullter Ordnung des Gitters 202 wird als Signalstrahl 120 im System 200 benutzt und er geht durch das Bild 124 zur holographischen Linse 126 hindurch. Der Ausgangsstrahl 130 ist von dort auf das Aufzeichnungsmedium 132 mit dem Brennweitenabstand F&sub0; und unter dem Winkel R&sub0; zur Normalen der Ebene dieses Aufzeichnungsmediums gerichtet. Der Ausgangsstrahl erster Ordnung des Gitters 202 wird als Referenzstrahl 122 im System 200 benutzt und fällt auf den Spiegel 204. Der Spiegel 204 hat eine ebene Spiegelfläche, die parallel zur Achse des Strahls 120 zwischen den Zerstreuungselementen 202 und 126 ist und er spiegelt den Referenzstrahl 122 derart, daß er in einem passenden Winkel Φ&sub0; auf das Matched Filter des Aufzeichnungsmediums 132 auftrifft.
Ebenso wie bei dem System 100 kann beim Betrieb des Systems 200 mit einer Wellenlänge zwischen vorgegebenen Maximum- und Minimumwerten λ&sub0; und λ&sub1; bei Wahl gewisser Parameter des Systems und bei Betrieb desselben mit gewissen anderen damit in Verbindung stehenden Bedingungen stets Interferenz zwischen der Fouriertransformierten des Signalstrahls 120 und des Referenzstrahls 122 auf dem Aufzeichnungsmedium 132 bei einer Vielzahl von Wellenlängen des Strahls 114 der Quelle erzeugt werden. Aus den gleichen Gründen wie sie oben in Verbindung mit dem System 100 erörtert worden sind, ist eine erste Bedingung, daß das Medium 132 entlang der Achse BB' parallel zur Achse AA' des Signalstrahls und zur Achse des Spiegels 204, die als Referenzachse CC' bezeichnet ist, bewegt wird. Eine zweite Bedingung ist, daß so wie die Wellenlänge des Strahls 114 der Quelle von λ&sub0; zu λi verändert wird, das Aufzeichnungsmedium 132 entlang der Achse BB' um eine Distanz x entsprechend der Gleichung bewegt wird:
Der anfängliche Versatz f des Mediums 132 gegenüber der Achse AA' ist durch die Gleichung gegeben:
f=F&sub0;sinR&sub0; (46)
Der anfängliche Abstand g des Mediums 132 von der holographischen Linse 126 ist gegeben durch die Gleichung:
g=F&sub0;cosR&sub0; (47).
Die verbleibenden Parameter des Systems 200 sind der anfängliche longitudinale Versatz d zwischen der zerstreuenden Oberfläche des ersten und des zweiten optischen Elementes 202 und 126 und der laterale Abstand zwischen den Achsen BB' und der Referenzachse CC'. Diese Parameter werden wie folgend bestimmt:
Zunächst ist mit Bezug auf die Fig. 2 zu bemerken, daß der longitudinale Versatz zwischen der zerstreuenden Oberfläche des ersten optischen Elementes 202 und der Aufzeichnungsfläche des Mediums 132 derselbe ist unabhängig davon, ob dieser Abstand ausgedrückt wird in Termen von m&sub0;, m&sub1;, n&sub0; or n&sub1; oder in Termen von d plus den horizontalen Komponenten von F&sub0; oder F&sub1;. Diese Tatsache läßt sich wie folgt ausdrücken:
m&sub0;+n&sub0;=d+F&sub0;·cosR&sub0; (48)
und
m&sub1;+n&sub1;=d+F&sub1;·cosR&sub1; (49).
Die Fig. 2 zeigt, daß
h = R&sub0;sinΦ&sub0;=R&sub1;sinΦ&sub1; (50)
ist. Die Gleichung (50) kann umgestellt werden, so daß sich ergibt:
und
Weiterhin ist der laterale Abstand zwischen AA' und CC' derselbe, unabhängig davon, ob dieser Abstand ausgedrückt wird in Termen von vertikalen Komponenten von P&sub0; oder P&sub1; oder h plus f. Diese Tatsache läßt sich wie folgt ausdrücken:
h+f=P&sub0;·sinΦ&sub0;=P&sub1;·sinΦ&sub1; (53).
Die Gleichung (53) kann umgestellt werden, so daß sich ergibt:
und
Fig. 2 zeigt außerdem, daß
und
sind.
Substituiert man die rechten Seiten der Gleichungen (54), (51), (55) und (52) für P&sub0;, R&sub0;, P&sub1; und R&sub1; jeweils in den Gleichungen (56), (57), (58) und (59), so erhält man:
Substituiert man die rechten Seiten der Gleichungen (60) und (61) für m&sub0; und n&sub0; jeweils in Gleichung (48), ergibt sich:
Diese Gleichung kann vereinfacht werden durch die folgenden Schritte:
Substituiert man die rechte Seite der Gleichung (46) für f in Gleichung (67), ergibt sich:
Die Gleichung (68) kann nach h aufgelöst werden in:
Substituiert man nun die rechten Seiten der Gleichungen (62) und (63) für m&sub1; und n&sub1; jeweils in Gleichung (49), ergibt sich:
Diese Gleichung kann durch die nachfolgenden Schritte vereinfacht werden:
Fig. 2 zeigt, daß:
f=F&sub1;sinR&sub1; (74)
ist und durch Substitution der rechten Seite der Gleichung (74) für f in Gleichung (73) ergibt sich, daß
ist. Gleichung (75) kann nach h aufgelöst werden:
Um d unabhängig von h angeben zu können, können die linke und die rechte Seite der Gleichung (76) von der linken und der rechten Seite der Gleichung (69) abgezogen werden und es ergibt sich:
Diese kann vereinfacht werden und entsprechend den nachfolgenden Schritten umgestellt werden:
Die Gleichungen (46) und (74) zeigen, daß
F&sub1;sinR&sub1;=F&sub0;sinR&sub0; (80)
ist, so daß diese Terme sich in der Gleichung (79) gegeneinander aufheben und daß sich die Gleichung vereinfacht zu:
Diese kann umgestellt werden, daß folgt:
Um h unabhängig von d auszudrücken, zieht man die linke Seite und die rechte Seite der Gleichung (75) von der linken und der rechten Seite der Gleichung (68) ab und man erhält:
Dies läßt sich vereinfachen zu:
die umgestellt werden kann wie folgt:
Die Anfangswerte für Maximum- und Minimumwellenlänge λ&sub0; und λ&sub1; des Strahls der Quelle, des Maximums und des Minimums der Brennweiten F&sub0; und F&sub1;, des Minimums und des Maximums der Ablenkwinkel R&sub0; und R&sub1; der Ablenkung des Signalstrahls und des Minimums und des Maximums der Winkel Φ&sub0; und Φ&sub1; des Referenzstrahls bestimmen somit die Anfangsparameter h, d, f und g, die die anfängliche Plazierung des Aufzeichnungsmediums 132 im System 200 festlegen. Für irgendeine folgende Wellenlänge X des Strahls der Quelle kann der Abstand x bestimmt und das Medium 132 entsprechend bewegt werden, um die Bedingungen zur Herstellung eines Matched Filters bei dieser abweichenden Wellenlänge zu haben. Ebenso wie mit dem System 100 kann man mit dem System 200, unabhängig von der für die Herstellung des Matched Filters 132 verwendeten Wellenlänge erreichen, daß das Filter immer dieselbe Systemkonstante S hat, die gegeben ist durch die Gleichung:
Obgleich beide Systeme 100 und 200 geeignet sind, die Erfindung effektiv auszuüben, ist das System 100 zu bevorzugen, da es eine größere Anzahl von Wellenlängen zu benutzen gestattet.
Ein Wert, der besonders nützlich bei der Verwendung des Systems 100 ist, ist das Verhältnis
Die Gleichungen (4) und (5) zeigen, daß dieser Wert der gleiche ist für verschiedene andere Verhältnisse. Dies gilt speziell:
Da das Element 136 ein Beugungsgitter ist, gilt die Gleichung (44) für den Beugungswinkel Φ des Referenzstrahls 122 im System 100, so daß die beiden Gleichungen gelten:
Die Gleichungen (89) und (90) können umgestellt werden wie folgt:
Substituiert man die rechten Seiten der Gleichungen (91) und (92) für λ&sub0; und λ&sub1; jeweils in die Gleichung (87), so zeigt sich, daß:
Fig. 3 zeigt den Bereich möglicher Werte für d und h für das System 100 als Funktion von R&sub0; für die gegebenen Werte
F&sub0;=207,4 mm,
0&sub0;=7,70 und
u=1,2958.
Wenn d ein negativer Wert ist, liegt das Zerstreuungselement 136 auf der rechten Seite des Zerstreuungselementes 126. Fig. 3 zeigt die dazu inverse Beziehung zwischen h und d. Das heißt, daß für vorgegebene Werte F&sub0;, R&sub0; und u bei abnehmendem Wert von h der Wert von d ansteigt und umgekehrt. Es hat den Anschein, daß keine speziellen optimalen Werte für h und d vorliegen, obwohl als ein praktischer Fall die Größen der Elemente des Systems 100 für die Abstände zwischen diesen Elementen kleinere Grenzen setzen.
Wie für den einschlägigen Fachmann ersichtlich, können die Systeme 100 und 200 in verschiedenen Weisen und mit Variation spezieller Elemente benutzt werden, ohne den Gedanken der Erfindung zu verlassen. Zum Beispiel können die Systeme 100 und 200 dazu benutzt werden, zwei oder mehrere verschiedene Matched Filter bei verschiedenen Wellenlängen ebenso herzustellen, wie ein einziges Matched Filter bei einer Vielzahl Wellenlängen. Darüberhinaus kann man mit den Systemen 100 und 200 ebenso reflektierende Matched Filter als auch Transmissionsfilter herstellen, wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt. Wenn ein reflektierendes Matched Filter 302 mit Bezug auf Fig. 4 mit entweder dem System 100 oder dem System 200 hergestellt wird, wird die Vorderseite des Filters zur Achse BB' ausgerichtet und entlang der Achse entsprechend den Gleichungen (22) oder (45) bewegt. Auch das Element zur Ablenkung des Referenzstrahls, das Beugungsgitter 136 des Systems 100 oder der Spiegel 204 des Systems 200, können oberhalb oder unterhalb der Achse AA' plaziert sein. Es sei Bezug genommen auf die Fig. 5 und 6 und falls das dritte Zerstreuungselement 134 oder 204 sich oberhalb der Achse AA' befindet, das ist bezogen auf das Aufzeichnungsmedium auf der gegenüberliegenden Seite der Achse AA', ist der Parameter h, der durch die Gleichungen (42) oder (85) bestimmt ist, der seitliche Abstand zwischen der Achse AA' und der Referenzachse CC'.
Es wird auf die Fig. 7 Bezug genommen. Das Element zur Zerstreuung des Signalsstrahls beim System 100 oder 200 kann eine vielfache holographische Linse 304 sein und es kann eine Aperturbegrenzung 306 in den Weg des Strahls 130 zwischen dieser holographischen Linse und dem Medium 132 eingefügt und gesteuert sein um zuzulassen, daß eine Folge von Belichtungen der vielfachen holographischen Linse auf dem Medium 132 aufgezeichnet wird. Das Ergebnis beim Matched Filter 132 ist ein Array von nicht-kohärent addierten holographischen Linsen.
Wie in Fig. 8 gezeigt, kann alternativ ein Kontaktschirm 310 und eine konventionelle Fouriertransformierten-Linse 312 als Signalzerstreuungselement des Systems 100 oder 200 verwendet sein, um ein Matched Filter mit Vielfachbild in kohärent addierter Form herzustellen.
Die Fig. 9, 10 und 11 zeigen drei zusätzliche Wege, die zur Ausübung der Erfindung beschritten werden können, um Strahlen 114 der Quelle mit verschiedenen Wellenlängen herzustellen. Abgesehen von den Ausführungsformen der Fig. 1 und 2 können Variationen der Wellenlänge der auf das Zerstreuungselement 116 oder 202 einfallenden Strahlung, wie in den Fig. 9 und 11 gezeigt, statt durch parametrischem Konverter auch durch Änderung der Wellenlänge der Strahlung selbst vorgesehen sein. Änderungen der Wellenlänge der Strahlungsquelle können auf mehrfachem Wege erzielt sein, z. B. durch Verwendung einer Vielzahl von Lasern, von denen ein jeder eine diskrete Wellenlänge hat, oder durch Verwendung einer Vielzahl von organischen Farbzellen, von denen eine jede eine charakteristische Wellenlänge emittiert, wenn sie durch einen Laser oder dergleichen angeregt wird.
Wenn ein Farbstofflaser als Wellenlängenquelle verwendet wird, wird eine organische Farbstofflösung mittels einer hoch-intensiven Strahlungsquelle, wie z. B. einem Argon- oder Krypton-Ionenlaser optisch gepumpt. Die Farbstofflösung fluoresziert auf einer Wellenlänge, die länger ist als die Pumpwellenlänge. Mit einer Laser-"Pumpe" mit genügend Leistung läßt sich eine Inversion und optischer Gewinn über einen breiten Bereich von Wellenlängen erzielen. Ein optischer Resonator, der ein Abstimmelement enthält, wird dazu benutzt, die kohärente Strahlung jeglicher Wellenlänge austreten zu lassen, für die genügend Verstärkung vorliegt. Lasern von weniger als 4200 Angström bis zu mehr als 9500 Angström kann dadurch erreicht werden, daß man verschiedene Laserparameter, Farbstoffe und optische Einrichtungen optimiert.
Entweder ein einziger Laser und ein Farbstoff zur Überdeckung eines begrenzten Bereiches, wie z. B. 1000 Å, oder eine Vielzahl von Laser-Farbstoff-Kombinationen liefern eine gesamte Wellenlängenüberdeckung bis 4000 Å, die zu verwenden ist. Sollte eine Vielzahl von Farbstofflaserzellen-Kombinationen benutzt werden, wären Mittel zur Strahlenrekombination zu verwenden, wie sie nachfolgend im einzelnen beschrieben werden, um den Eingang in das erste Zerstreuungselement des Systems 100 oder des Systems 200 zu konditionieren.
Ein Gerät, bei dem eine Vielzahl von Lasern 402 benutzt wird, die ein jeder diskrete Ausgangswellenlängen haben, ist in Fig. 9 gezeigt. Mit einem Wellenlängenwähler 404 werden die Laser in gesteuerter Weise selektiv aktiviert. Die Strahlenergie eines jeden der Laser 402 wird mittels geeigneter optischer Rekombinierer 406 zusammengefaßt und der einzige Ausgangsstrahl 410 wird auf das erste Zerstreuungselement des Systems 100 oder 200 gerichtet. Nach Fig. 1 ist der Signalstrahl 120 vom ersten Zerstreuungselement des Systems gerichtet und der axiale Ausgangsstrahl der nullten Ordnung des zweiten Zerstreuungselementes ist durch das vierte Zerstreuungselement 142 gerichtet. Der von dort ausgehende Ausgangsstrahl fällt auf das Photosensor-Array 146, wie dies voranstehend im einzelnen erörtert ist. Wenn eine Vielzahl von Lasern 402, wie in Fig. 9 gezeigt, für den Strahl der Quelle für das System 100 oder 200 benutzt wird, ist (jeweils) ein Photodetektor 150 des Photosensor-Arrays 146 des Systems 100 oder 200 einem jeden Laser zugeordnet, um das Aufzeichnungsmedium 132 dem (jeweils) aktivierten Laser entsprechend zu positionieren.
Eine andere Ausführungsform der Erfindung, bei der eine Vielzahl von Quellen mit diskreter Wellenlänge und Mitteln zur Vereinigung des Strahls verwendet sind, ist in Fig. 10 gezeigt. Die Quellen verschiedener Wellenlängen, wie z. B. die Laser 422, sind in einer Folge in einer einzigen Ebene angeordnet. Ein jeder Laser 422 ist auf einen jeweiligen Spiegel 424 gerichtet, der in derselben Ebene liegt. Diese Spiegel wiederum sind derart positioniert, daß die von ihnen gespiegelte Strahlung in einer Achse 426 ausgerichtet ist, die durch das Zentrum der Spiegel geht. Spezieller gesehen ist der Ausgangsstrahl des endständigen Lasers 422a mit der diskreten Wellenlänge λa auf einen dichroitischen Spiegel 424a gerichtet und der von dort ausgehende Strahl ist in der Achse 426 gerichtet, die durch eine Vielzahl von dichroitischen Spiegeln 424b, c und d hindurchgeht und dann von einer Spiegelfläche 430 weggespiegelt wird. Der zweite Laser 422b hat einen Ausgangsstrahl mit der diskreten Wellenlänge λb und dieser Strahl ist auf den dichroitischen Spiegel 424b gerichtet und wird von dort ebenfalls in Richtung der Achse 422 auf den planen Spiegel 430 gespiegelt. Für einen jeden anderen dieser Laser in der Anordnung wird der Ausgangsstrahl vom zugeordneten dichroitischen Spiegel weggespiegelt und die von dort ausgehenden kombinierten Ausgangsstrahlen werden vom Spiegel 430 zu dem ersten Zerstreuungselement des Systems 100 oder 200 gespiegelt, wo sie ihre Verwendung finden.
Bei dieser Ausführungsform werden die dichroitischen Spiegel 424 dazu verwendet, die Ausgangsstrahlen mit diskreter Wellenlänge der Vielzahl der Laser 422 miteinander zu kombinieren. Es ist ein Charakteristikum eines dichroitischen Spiegels, daß er alle Wellenlängen von Strahlung hindurchläßt, ausgenommen Strahlung, die auf ihn in einem ausgewählten Winkel und mit einer ausgewählten Wellenlänge auftrifft, die von ihm reflektiert bzw. gespiegelt wird. Auf diese Weise kann λa und λb auf einem Spiegel 424b zusammenfallen, weil dieser Spiegel λa hindurchläßt, jedoch λb mit dem Winkel λb, auf den Spiegel einfallend, reflektiert. Im Betrieb wird mittels eines Wellenlängenselektors 432 der spezielle Laser, dessen Ausgangsstrahl die gewünschte Wellenlänge hat, aktiviert. Diese Wellenlänge wird durch den zugeordneten dichroitischen Spiegel gespiegelt, jedoch von den anderen auf seinem Weg befindlichen dichroitischen Spiegeln hindurchgelassen und durch den planen Spiegel 430 derart wieder ausgerichtet, daß er durch das erste Zerstreuungselement des Systems 100 oder 200 hindurchgeht und in der Weise zu verwenden ist, wie dies voranstehend im Zusammenhang mit der Lehre der Erfindung beschrieben ist.
Eine weitere Ausführungsform dieser Erfindung benutzt eine Vielzahl Quellen mit verschiedener Wellenlänge und Strahl-Vereinigungsmitteln wie in Fig. 11 gezeigt. Bei dieser Ausführungsform ist die holographische Linse 442 als Strahl-Vereinigungsmittel benutzt. Die Vorrichtung umfaßt Quellen mit verschiedener Wellenlänge, wie z. B. die Laser 444, deren Ausgangsstrahlen auf den holographischen Strahl-Vereiniger 242 gerichtet ist, der wiederum seinen Ausgangsstrahl 464 durch das erste Zerstreuungselement des Systems 100 oder 200 hindurchgehen läßt, um diesen in der Erfindung entsprechender Weise zu benutzen. Die Auswahl der geeigneten Quelle zur Erzeugung des Strahls der Quelle zur Herstellung des Matched Filters 132 des Systems 100 oder 200 wird mittels eines Wellenlängenselektors 450 ausgeführt.
Der holographische Strahlvereiniger 442 ist im wesentlichen eine holographische Linse, die in umgekehrter Betriebsart verwendet ist. Indem man eine jede Wellenlängenquelle 444 mit einem speziellen Winkel und Abstand von dem holographischen Vereiniger positioniert, gibt eine jede Quelle 444, dann wenn sie aktiviert wird, einen identisch orientierten Strahl ab, der auf das erste Zerstreuungselement des Systems 100 oder 200 gerichtet ist, um darin verwendet zu werden.
Die Fig. 12 zeigt ein optisches Korrelationssystem 500 zum Verwenden eines Aufzeichnungsmediums 132, auf dem ein Matched Filter entsprechend der Erfindung hergestellt worden ist. Ein kohärenter parallel gerichteter Lichtstrahl 502, ausgehend von einem monochromatischen Laser 504 ist auf einen Strahlteiler 506 gerichtet, der den Strahl in die Strahlen 510 und 512 teilt. Der Strahl 510 geht durch das Bild 514 hindurch, das ein photographischer Film sein kann, und fällt dann auf die photographische Linse 516. Wenn dieser Strahl durch das Bild 514 hindurchgeht, wird der Laserstrahl mit dem Bildinhalt des Bildes amplitudenmoduliert. Es mag eine Ausdehnung des Strahls des Lasers 504 erforderlich sein, um die vollständige Fläche des Bildes 514 mittels des Strahls 510 zu bestrahlen. Eine den Strahl reduzierende Optik kann zwischen dem Bild 514 und dem Hologramm 516 erforderlich sein, um den Strahl 510 auf die Fläche des Hologramms einzuengen. Keine dieser optischen Einrichtungen ist in Fig. 12 gezeigt, jedoch ist ihre Verwendung gut bekannt und sie können problemlos in das System 500 eingefügt werden.
Der Ausgangsstrahl 520 des Hologramms 516 ist auf das Matched Filter 132 gerichtet. Wenn das Bild 514 und das Matched Filter 132 um die Länge der Brennweite des Hologramms von der holographischen Linse 516 entfernt angeordnet sind, führt das Hologramm eine Fouriertransformation des Bildinhaltes des Bildes 514 durch und der modulierte Lichtstrahl 520 erreicht das Matched Filter als axial zentriertes, überlagertes Spektrum aller Objekte der Eingangsszene auf dem Bild 514. Wie für den Fachmann klar ist, kann die holographische Linse 516 durch eine Kombination einer konventionellen Fouriertransformations-Linse und einen speziell ausgebildeten Kontaktschirm ersetzt sein. Der Ausgangsstrahl des Matched Filters 132 geht durch sphärische Linsen 522 auf die Ebene eines optischen Detektors 524, der, wie gezeigt, der Frontschirm einer Fernsehkamera sein kann oder der ein Array aus optischen Festkörperdetektoren ist oder irgendein anderer geeigneter Detektor sein kann.
Das Beugungsmuster der Ansicht eines ausgewählten Targets ist in dem Matched Filter 132 gespeichert und falls das Muster, das von dem Eingangsstrahl 520 gebildet wird, zu diesem auf dem Matched Filter gespeicherten Muster paßt, dann ist der Ausgangsstrahl des Matched Filters ein relativ kohärenter Lichtstrahl mit relativ hoher Intensität und die Linse 522 ist in der Lage, diesen Ausgangsstrahl auf einen speziellen Ort der Ebene des optischen Detektors 524 zu fokussieren. Es wird dadurch ein heller Fleck an diesem Ort erzeugt. Falls das Beugungsmuster, das durch den Strahl 520 gebildet wird, zu diesem auf dem Matched Filter 132 gespeicherten Muster nicht paßt, ist der Ausgangsstrahl des Matched Filters relativ diffus und schwach. Es resultiert dann schwaches diffuses Licht in der Ebene des optischen Detektors 524. Der optische Detektor 524 ist lichtempfindlich und der Detektor erzeugt ein Signal, etwa als elektrischer Strom, wenn ein Lichtpunkt mit ausreichender Intensität auf die Ebene des Detektors fokussiert ist. Dieses Signal wird dazu verwendet, einen Typ einer Einrichtung zu triggern, nämlich abhängig von der Vorrichtung, in der das Target-Erkennungssystem verwendet ist. Eine solche Einrichtung kann ein einfaches Alarmsystem oder ein komplexes Leitsystem beispielsweise sein.
In Übereinstimmung mit dieser Erfindung kann ein Aufzeichnungsmedium, auf dem ein Matched Filter hergestellt worden ist, in dem System 500 bei verschiedenen Wellenlängen des Strahls 502 der Quelle benutzt werden, vorausgesetzt, die anfänglichen Verschiebungen zwischen der AA' - und BB'- Achse und zwischen der BB' - und CC' -Achse entsprechen jeweils den Gleichungen (23) und (42), die longitudinalen Verschiebungen zwischen den Elementen 524 und 516 und zwischen den Elementen 516 und 132 entsprechen jeweils den Gleichungen (39) und (24) und das Matched Filter 132 wird entsprechend der Gleichung (22) entlang der Achse BB' parallel der Achse AA' des Strahls 502 der Quelle bewegt.
Ein Vergleich der Fig. 1 mit der Fig. 12 zeigt, daß das System 100 leicht in die Form des Systems 500 übergeführt werden kann. Spezieller gesehen, können die Linse 522 und der Detektor 524 im System 100 vorgesehen sein, womit es nicht notwendig wird, die Linse 522 und den optischen Detektor 524 dem System 100 hinzuzufügen, um das System in das System 500 zu konvertieren. Wenn dies der Fall ist, kann das System 100 in das System 500 konvertiert werden, indem einfach das Bild 514, das Anblicke von Szenen hat, die ein erwartetes bzw. vermutetes, suspektes Target haben kann, als Bild 124 substituiert wird, das ein Anblick des vermuteten Targets selbst ist. Auf diese Weise kann gemäß der Lehre dieser Erfindung ein optisches System ausgebildet und konstruiert sein, um Matched Filter bei verschiedenen Wellenlängen aufzuzeichnen und zu gebrauchen oder wiederzugeben.
Ein Strahlteiler 506, Spiegel 526 und Beugungsgitter 530, die den Elementen 116, 134 und 136 des Systems 100 entsprechen, sind für den Betrieb eines optischen Korrelatorsystems 500 nicht erforderlich. Elemente 506, 526 und 530 sind hilfreich (obgleich) für die Ausrichtung der Linse 522 und des Detektors 530, da der Ausgangsstrahl des Matched Filters 132 entlang der Achse des Strahls 512 verläuft, wie vom Gitter 530 gebeugt. Ebenso ist es, so wie das System 100 in das System 500 umgewandelt wird, leichter, den Strahlteiler 506, Spiegel 526 und Gitter 530 zu halten, als diese Elemente zu entfernen und folgend sie zu ersetzen, wenn das System 500 in ein System 100 zur Herstellung eines Matched Filters zurückumgewandelt wird.
Wie ersichtlich bevorzugt, kann das System 200 ebenfalls leicht umgewandelt werden, um ein optisches Korrelatorsystem zu bilden. Dies kann dadurch geschehen, daß man erstens dem System 200 eine Linse und einen optischen Detektor analog der Linse 522 und dem optischen Detektor 524 des Systems 500 hinzufügt, und zweitens man ein Bild von Szenen, die ein vermutetes Target haben mag, als Bild 124 substituiert. Ein optischer Detektor und eine fokussierende Linse können daher in der Praxis permanente feststehende Teile des Systems 200 sein, die permanent auf der Ausgangsseite des Elementes 132 im System 200 plaziert sind.
In der soweitigen Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele ist ein photographischer Film verwendet worden, um eine Szene oder ein Bild 514 zu beobachten. Ein optisches Korrelatorsystem 500 kann ebenso für Live-Target- Erkennung in Echtzeit als auch für aktive Führung eines Flugzeugs entlang einer vorgegebenen Bahn hin zu einem speziellen Bestimmungspunkt benutzt werden. Für solche Zwecke wird das Bild 514 durch einen Live-Scene-Wandler unterlegt (supplanted), wie dies in Fig. 13 schematisch gezeigt ist. Solche Wandler erlauben, daß ein inkohärentes Bild einen Laserstrahl in der Amplitude moduliert, was zu einem kohärenten Bild durch Modulation eines Transmissionsmediums oder einer reflektierenden Oberfläche, als Beispiel genannt, führt. Der Modulator kann photochromatisches Material oder Kristalle mit variablem Brechungsindex enthalten, wenn die Szene direkt durch ein Linsensystem betrachtet wird, oder wenn Abtast-Sensortechnik angewendet wird, wenn die Szene indirekt mittels eines Videosystems betrachtet wird.
Der spezielle Wandler oder die Methode, die zur Vervollständigung der Transformation verwendet ist, ist für die vorliegende Erfindung nicht entscheidend. Der wichtige Punkt ist, daß der Eingang für das Vielfachstrahl erzeugende Hologramm 516 ein in der Amplitude moduliertes, kohärentes parallelgerichtetes (collimiertes) monochromatisches Bild der inkohärenten, polychromatischen , uncollimierten Lichtenergie ist, die von der beobachteten Fläche reflektiert oder von ihr ausgesandt wird. Geeignete Wandler sind käuflich erhältlich und sind in der einschlägigen Literatur ausreichend beschrieben, so daß hier keine weitere Erläuterung erforderlich ist.
Fig. 14 zeigt ein alternatives optisches Korrelatorsystem 600 zur Verwendung eines Aufzeichnungsmediums 132, auf dem ein Matched Filter erzeugt worden ist. Das Eingangsbild 602, das der Ausgang eines Fernsehmonitors sein kann, geht durch die Linse 604 hindurch auf die Eingangsseite eines Flüssigkristall-Lichtventils 606. Zur gleichen Zeit wird ein kohärenter paralleler, collimierter Strahl 610 von einem monochromatischen Laser auf einen Strahlteiler 612 gerichtet, der den Strahl in Signal- und Referenzstrahlen 614 und 616 teilt. Der Signalstrahl ist auf die Ausgangsseite eines Lichtventils 606 gerichtet. Dieses Lichtventil 606 moduliert den Signalstrahl entsprechend einer Funktion der Intensität des Eingangsbildstrahls 602 und reflektiert den Signalstrahl durch einen Strahlteiler 612 und durch den Analysator 620 zurück, womit ein intensitätsmodulierter kohärenter Signalstrahl 614 erzeugt ist.
Der Signalstrahl 614 geht dann durch den Kontaktschirm 622 und das Hologramm 624 hindurch, das den Strahl auf das Matched Filter 132 richtet. Der Referenzstrahl 616 geht durch den Polarisationsdreher 626 und wird vom Spiegel 630 zum Beugungsgitter 632 hin wegreflektiert. Das Gitter lenkt den Referenzstrahl auf das Matched Filter 132. Der Polarisationsdreher 626 ist vorgesehen, darauf sei hingewiesen, um sicherzustellen, daß der Referenzstrahl 616 das Matched Filter 132 mit derselben Polarisation wie der Signalstrahl 614 trifft, der durch den Analysator 620 polarisiert worden ist. Signal- und Referenzstrahl 614 und 616 interferieren miteinander auf dem Matched Filter 132. Der Ausgangsstrahl desselben geht durch die Linse 634 in den optischen Detektor 636. Das Matched Filter, die Linse 634 und der Detektor 636 des Systems 600 arbeiten in der gleichen Weise, wie das Matched Filter, die Linse 526 und der optische Detektor 530 des Systems 500 arbeiten, um ein Alarmsignal zu erzeugen, falls ein ausgewähltes Target im Bildstrahl 602 vorhanden ist.
Während die Systeme 500 und 600 wie beschrieben, Matched Filter 132 haben, die ein einziges darauf erzeugtes Bild besitzen, ist darauf hinzuweisen, daß auch ein Matched Filter, das Vielfachbilder in sich gespeichert hat, für die Praxis der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. Es kann auch ein reflektierendes Matched Filter in Systemen 500 und 600 verwendet werden. Zusätzlich können, so wie bei Systemen 100 und 200, zahlreiche Elemente der Systeme 500 und 600 und ebenso von einem Korrelatorsystem, gebildet aus dem System 200, an andere zu wählende Stellen plaziert werden. Speziell mit Bezug auf die Fig. 5 und 6 kann das Streuelement für den Referenzstrahl auf der gegenüberliegenden Seite der Achse AA' des Elementes 132 angeordnet sein.
Des weiteren können eine Vielzahl von Anordnungen, wie sie in den Fig. 9, 10 und 11 gezeigt sind, in den Systemen 500 und 600 verwendet werden, um Strahlen verschiedener Wellenlänge einer Quelle zu erzeugen.
Die Target-Erkennungssysteme, die hier in ihrer breitesten Form beschrieben sind, sind Objekt-Erkennungseinrichtungen, die in vielfacher Weise angewendet werden können. Die Erfindung kann in einem Luft-(Flug-)Erkennungssystem verwendet werden, das auf Film aufgenommene oder Live- Beobachtungen benutzt. Es kann auch in einem Führungs- und Navigationssystem verwendet werden. Die Erfindung kann auch zur Sortierung von Post und Schecks benutzt werden, wo die Targets oder Objekte, die zu erkennen sind, geschriebene oder gedruckte Symbole tragen. Verwendet werden kann sie in der medizinischen Diagnose, wo die zu erkennenden Objekte biologische Einheiten in tierischem Gewebe und in Fluids sind, in der Produktüberwachung, in der kriminologischen Identifikation, wo zu erkennende Targets Fingerabdrücke sein können, oder in Roboter- Steuersystemen, wo die Targets Objekte sein können, z. B. Teile, die sich in einem Behälter befinden, oder die sich entlang einem Fließband bewegen.
Es ist ersichtlich, daß die hier beschriebene Erfindung dazu geeignet ist, die voranstehend angegebenen Gesichtspunkte zu erfüllen. Es sei darauf hingewiesen, daß der Fachmann viele Abwandlungen und Ausgestaltungen ausführen kann, und es ist beabsichtigt, daß die Ansprüche alle diese Abwandlungen und Ausgestaltungen abdecken.

Claims

1. Optisches Korrelator-Speicherbetriebssystem mit einem Mittel (102,106; 402-406; 422-430; 442-450; 504; 602-606, 610) zur Erzeugung eines elektromagnetischen Strahls (114) einer Quelle auf einer Vielzahl von Wellenlängen;

einem Mittel (116; 202; 506; 612) zur Strahlteilung, angeordnet im Weg des Strahls der Quelle, um den Strahl (114) in einen Signalstrahl (120; 510; 614) und in einen Referenzstrahl (122; 512; 616) aufzuteilen und den Signalstrahl (120; 510; 614) in einer ersten Achsrichtung (AA') auszurichten;

einem Bildmittel (124; 514; 620), das im Strahlweg des Signalstrahls (120; 510; 614) angeordnet ist und mit dem der Signalstrahl räumlich zu modulieren ist; einem Aufzeichnungsmedium (132, 302), das in einer zweiten Achse (BB') angeordnet ist, die parallel zur ersten Achse (AA') ist;

einem Mittel (126; 304; 310; 312, 516; 622, 624) zur Ablenkung des Signalstrahls, wobei dieses Mittel in der ersten Achse (AA') angeordnet ist und den Signalstrahl (120), der von dem Mittel (124) zur räumlichen Modulation kommt, empfängt und eine Fouriertransformierte des Strahls (114) der Quelle auf das Aufzeichnungsmedium (132, 302) ablenkt;

einem Mittel (134, 136; 204; 526, 530; 626, 630, 632) zur Ablenkung des Referenzstrahls, wobei dieses Ablenkmittel in einer dritten Achse (CC') angeordnet ist, die parallel der ersten Achse (AA') und der zweiten Achse (BB') ist und wobei dieses Ablenkmittel in dem Weg des Referenzstrahls (122) angeordnet ist, um diesen Referenzstrahl (122) auf das Aufzeichnungsmedium (132, 302) abzulenken und Interferenz zwischen dem Referenzstrahl (122) und der Fouriertransformierten des Signalstrahls (120) auf dem Aufzeichnungsmittel (132, 302) zu erzeugen und einem Mittel (154) zur Bewegung des Aufzeichnungsmittels (132, 302) entlang der zweiten Achse (BB' ), um Interferenz zwischen dem Referenzstrahl (122) und der Fouriertransformierten des Signalstrahls (120) auf dem Aufzeichnungsmittel (132, 302) bei einer Anzahl von Wellenlängen des Strahls (114) der Quelle zu erzeugen.

2. System nach Anspruch 1 wobei:

das Mittel (102, 106) zur Erzeugung eines elektromagnetischen Strahls (114) der Quelle Strahlung bei einer Vielzahl von Wellenlängen zwischen einer ersten und einer zweiten Wellenlänge λ&sub0; und λ&sub1; erzeugt;

das Mittel (126) zur Ablenkung des Signalstrahls einen Signalstrahl (130) mit der Wellenlänge λ&sub0; um einen Winkel R&sub0; aus der ersten Achse (AA') und mit einer Brennweite F&sub0; ablenkt und einen Signalstrahl mit der Wellenlänge &sub1; um einen Winkel R&sub1; aus der ersten Achse (AA') und mit einer Brennweite F&sub1; aus der ersten Achse (AA') ablenkt;

daß das Mittel (204) zur Ablenkung des Referenzstrahls (122, R&sub0;) mit der Wellenlänge λ&sub0; um einen Winkel Φ&sub0; aus der dritten Achse (CC') ablenkt und einen Referenzstrahl (122, R&sub1;) mit der Wellenlänge λ&sub1; um einen Winkel Φ&sub1; aus der dritten Achse (CC') ablenkt;

das Mittel (126) zur Ablenkung des Signalstrahls in Longitudinalrichtung in einem Abstand d von dem Mittel (202) zur Aufteilung des Strahls 114 der Quelle angeordnet ist, wobei dieser Abstand d gegeben ist durch die Gleichung

der seitliche Abstand f zwischen der ersten Achse (AA') und der zweiten Achse (BB') gegeben ist durch die Gleichung

das Aufzeichnungsmedium (132, 302) in longitudinalem Abstand g von dem Mittel (126) zur Ablenkung des Signalsstrahls angeordnet ist, wobei der Abstand g gegeben ist durch die Gleichung

g=F&sub0;cosR&sub0;

und

der seitliche Abstand h zwischen der zweiten Achse (BB') und der dritten Achse (CC') gegeben ist durch die Gleichung

3. System nach Anspruch 2 wobei:

das Aufzeichnungsmedium (132) auf einer ersten Seite seitlich der ersten Achse (AA') und

das Mittel (134, 136; 204) zur Ablenkung des Referenzstrahls auf einer zweiten Seite seitlich der ersten Achse (AA') angeordnet ist.

4. System nach Anspruch 2 oder 3, wobei:

das Mittel zur Aufteilung des Strahls der Quelle ein Beugungsgitter (202) ist;

das Mittel zur Ablenkung des Signalstrahls eine holographische Linse (126) ist; und

das Mittel zur Ablenkung des Referenzstrahls ein Spiegel (204) ist, der eine ebene spiegelnde Oberfläche hat, die zur dritten Achse (CC') ausgerichtet ist.

5. System nach Anspruch 1, wobei:

das Mittel (102, 106) zur Erzeugung eines elektromagnetischen Strahls (114) der Quelle Strahlung auf einer Vielzahl von Wellenlängen zwischen einer ersten und einer zweiten Wellenlänge λ&sub0; und λ&sub1; erzeugt; das Mittel (126) zur Ablenkung des Signalstrahls einen Signalstrahl (130) mit der Wellenlänge λ&sub0; um einen Winkel R&sub0; aus der ersten Achse (AA') mit einer Brennweite F&sub0; und einen Signalstrahl mit einer Wellenlänge λ&sub1; um einen Winkel R&sub1; aus der ersten Achse (AA') mit einer Brennweite F&sub1; ablenkt;

die Mittel (134, 136; 204) zur Ablenkung des Referenzstrahls einen Referenzstrahl (122, R&sub0;) einer Wellenlänge λ&sub0; um einen Winkel Φ&sub0; aus einer dritten Achse (CC') und einen Referenzstrahl (122, R&sub1;) einer Wellenlänge λ&sub1; um einen Winkel Φ&sub1; aus der dritten Achse (CC') ablenkt;

das Mittel (126) zur Ablenkung des Signalstrahls in longitudinalem Abstand d von dem Mittel (136) zur Ablenkung des Referenzstrahls angeordnet ist, wobei der Wert d gegeben ist durch die Gleichung

f=F&sub0;sinR&sub0;,

das Aufzeichnungsmedium (132, 302) in longitudinalem Abstand g von dem Mittel (126) zur Ablenkung des Signalstrahls angeordnet ist, wobei der Wert g gegeben ist durch die Gleichung

f=F&sub0;cosR&sub0;,

und der seitliche Abstand h zwischen der zweiten Achse (BB') und der dritten Achse (CC') gegeben ist durch die Gleichung

6. System nach Anspruch 1, wobei:

das Mittel (102, 106) zur Erzeugung eines elektromagnetischen Strahls (114) einer Quelle einen Strahl mit einer Vielzahl von Wellenlängen zwischen einer ersten und einer zweiten Wellenlänge λ&sub0; und λ&sub1; erzeugt

das Mittel (126) zur Ablenkung des Signalstrahls einen Signalstrahl (130) mit einer Wellenlänge λ&sub0; um einen Winkel R&sub0; aus der ersten Achse (AA') mit einer Brennweite F&sub0; und einen Signalstrahl mit der Wellenlänge λ&sub1; um einen Winkel R&sub1; aus der ersten Achse (AA') mit einer Brennweite F&sub1; ablenkt;

daß Mittel (134, 136; 204) zur Ablenkung des Referenzstrahls einen Referenzstrahl mit der Wellenlänge λ&sub0; um einen Winkel Φ&sub0; aus der dritten Achse (CC') und einen Referenzstrahl mit der Wellenlänge λ&sub1; um einen Winkel Φ&sub1; aus der dritten Achse ablenkt;

das Aufzeichnungsmedium (132) auf einer ersten Seite seitlich der ersten Achse (AA') angeordnet ist;

das Mittel (134, 136; 204) zur Ablenkung des Referenzstrahls auf einer zweiten Seite seitlich der ersten Achse (AA') angeordnet ist;

das Mittel (126) zur Ablenkung des Signalstrahls in einem longitudinalen Abstand a von dem dem Mittel (116; 202) zur Strahlteilung des Strahls (114) der Quelle angeordnet ist, wobei der Wert d gegeben ist durch die Gleichung

f=F&sub0;sinR&sub0;

das Aufzeichnungsmedium (132) in longitudinalem Abstand g von dem Mittel (126) zur Ablenkung des Signalstrahls angeordnet ist, wobei der Wert g gegeben ist durch die Gleichung

g=F&sub0;cosR&sub0;

und der seitliche Abstand h zwischen der ersten Achse (AA') und der dritten Achse (CC') gegeben ist durch die Gleichung

7. System nach Anspruch 5 oder 6, wobei:

das Mittel zur Aufteilung des Strahls (114) der Quelle ein Strahlteiler (116) ist;

das Mittel zur Ablenkung des Signalstrahls eine holographische Linse (126) ist und

das Mittel zur Ablenkung des Referenzstrahls ein Beugungsgitter (136) zur Ausrichtung des Referenzstrahls auf das Aufzeichnungsmedium (132) ist und einen Spiegel (134) umfaßt, der den Referenzstrahl (122) von dem Strahlteiler (116) auf das Beugungsgitter (136) spiegelt.

8. System nach Anspruch 5 oder 6, wobei:

das Mittel zur Strahlteilung des Strahls (114) der Quelle ein Strahlteiler (116) ist;

das Mittel zur Ablenkung des Referenzstrahls ein Beugungsgitter (136) zur Ausrichtung des Referenzstrahls auf das Matched-Filter (302) umfaßt und einen Spiegel (134) umfaßt, mit dem der Referenzstrahl von dem Strahlteiler (116) auf das Beugungsgitter (136) gespiegelt wird.

9. System nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei:

das Mittel zur Ablenkung des Signalstrahls einen Signalstrahl mit der Wellenlänge λ&sub0; um einen Winkel R&sub0; aus der ersten Achse (AA') mit einer Brennweite F&sub0; ablenkt und

wobei das Mittel (154) zur Bewegung des Aufzeichnungsmediums (132) entlang der zweiten Achse (BB') das Aufzeichnungsmedium (154) um einen Abstand x zu bewegen vermag, wobei x gegeben ist durch die Gleichung

wenn sich die Wellenlänge des Strahls der Quelle vom Wert λ&sub0; zum Wert λ&sub1; ändert.

10. System nach Anspruch 9, wobei das Mittel (154) zur Bewegung des Aufzeichnungsmittels (132) umfaßt:

Mittel (142, 146) zum Feststellen der Wellenlänge λ des Strahls (114, 140) der Quelle und zur Erzeugung eines ersten Signal s zur Angabe derselben;

ein Antriebsmittel (154), das mit dem Aufzeichnungsmedium (132) verbunden ist und

eine Steuereinrichtung (152), die das erste Signal der Sensoreinrichtung (142, 146) erhält und ein zweites Signal an die Antriebseinrichtung (154) abgibt, um das Aufzeichnungsmedium (132) entlang der zweiten Achse (BB') zu bewegen.

11. System nach einem der Ansprüche 1 bis 10, worin das Aufzeichnungsmedium (132) ein Matched Filter darin gespeichert enthält und das System desweiteren einen optischen Detektor (524) umfaßt, der in dem Weg eines Ausgangsstrahls des Matched Filters angeordnet ist und der Erzeugung eines Signals dient, wenn das Muster der Fouriertransformierten des Strahls der Quelle auf dem Aufzeichnungsmedium (132) mit dem Matched Filter (302) übereinstimmt, das in dem Medium (132) gespeichert ist.

12. Ein Verfahren zum Betrieb eines optischen Aufzeichnungsmediums, wobei dieses Medium entsprechend einem der Ansprüche 1 bis 11 definiert ist, wobei dieses Verfahren die Verfahrensschritte umfaßt:

Erzeugung eines elektromagnetischen Strahls (114) einer Quelle mit einer ersten Wellenlänge des Strahls zwischen den Minimum- und Maximum-Wellenlängen λ&sub0; und λ&sub1;,

Aufteilung des Strahls (114) der Quelle in einen Signalstrahl (120) und in einen Referenzstrahl (122);

Ausrichtung des Signalstrahls (120) entlang einer ersten Achse (AA');

räumliches Modulieren des Signalstrahls (120); Erzeugung einer Fouriertransformierten (130) des Signalsstrahls (120) auf dem Aufzeichnungsmedium (132);

Ablenken des Referenzstrahls (122), damit dieser mit der Fouriertransformierten (130) des Signalstrahls (120) auf dem Aufzeichnungsmedium (132) interferiert;

Verändern der Wellenlänge h des Strahls der Quelle in einen zweiten Wert der Wellenlänge, der ebenfalls zwischen der Minimum- und der Maximum-Wellenlänge (λ&sub0;, λ&sub1;) liegt;

Bewegen der Fouriertransformierten (130) des Signalstrahls entlang einer zweiten Achse (BB'), die parallel der ersten Achse (AA') ist, und

Bewegen des Aufzeichnungsmediums (132) entlang der zweiten Achse (BB'), um auf dem Aufzeichnungsmedium (132) Interferenz zwischen dem Referenzstrahl und der Fouriertransformierten (130) des Signalstrahls (120) bei der zweiten Wellenlänge des Strahls (114) der Quelle zu erhalten.

13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei:

ein Strahl (114) mit einer Wellenlänge λ&sub0; einer Quelle auf das Aufzeichnungsmedium (132) mit einem Winkel R&sub0; aus der ersten Achse (AA') und mit einer Brennweite F&sub0; abgelenkt wird und ein Strahl (114) mit einer Wellenlänge λ&sub1; der Quelle auf das Aufzeichnungsmedium (132) mit einem Winkel R&sub1; aus der ersten Achse (AA') mit einer Brennweite F&sub1; abgelenkt wird,

ein Referenzstrahl (122) mit einer Wellenlänge λ&sub0; auf das Aufzeichnungsmedium (132) mit einem Winkel Φ&sub0; aus einer dritten Achse (GG'), die parallel der ersten Achse (AA') ist, abgelenkt wird und ein Referenzstrahl (122) mit einer Wellenlänge λ&sub1; auf das Aufzeichnungsmedium (132) mit einem Winkel Φ&sub1; aus der dritten Achse (CC') mit einer Brennweite F&sub1; abgelenkt wird und

der Verfahrensschritt des Bewegens des Aufzeichnungsmediums (132) die Bewegung des Aufzeichnungsmediums (132) entlang der zweiten Achse (BB' ) um eine Weglänge x einschließt, die gegeben ist durch die Gleichung

wenn die Wellenlänge des Strahls der Quelle vom Wert λ&sub0; auf den Wert λ&sub1; geändert wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei:

eine Antriebseinrichtung (154) mit dem Aufzeichnungsmedium (132) verbunden wird, und der Verfahrensschritt der Bewegung des Aufzeichnungsmediums (132) die Schritte einschließt:

Feststellen (142, 146) der Wellenlänge 96 des Strahls (114, 140) der Quelle und

Übertragen eines Signals an die Antriebseinrichtung (154) um das Aufzeichnungsmedium entlang der zweiten Achse (BB') entsprechend den Veränderungen der Wellenlänge des Strahls (114, 140) der Quelle zu bewegen.

15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, wobei:

ein erstes optisches Element (202) in der ersten Achse (AA') angeordnet wird, mit dem der Strahl (114) der Quelle aufgespalten wird in den Signalstrahl (120) und den Referenzstrahl (122);

ein zweites optisches Element (126) in der ersten Achse (AA') angeordnet wird, um die Fouriertransformierte (130) des Signalstrahls (120) auf das Aufzeichnungsmedium (132) abzulenken;

ein drittes optisches Element auf der dritten Achse (CC') angeordnet wird, um den Referenzstrahl (122) auf das Aufzeichnungsmedium (132) abzulenken;

das zweite optische Element (126) in einem longitudinalen Abstand d von dem ersten optischen Element (202) angeordnet wird, wobei der Wert d gegeben ist durch die Gleichung

der seitliche Abstand f zwischen der ersten Achse (AA') und der zweiten Achse (BB') gegeben wird durch die Gleichung

f=F&sub0;sinR&sub0;

und wobei dann, wenn die Wellenlänge des Strahls der Quelle λ&sub0; ist,

das Aufzeichnungsmedium (132) in longitudinalem Abstand g vom zweiten optischen Element (126) angeordnet wird, wobei der Wert g gegeben ist durch die Gleichung

g=F&sub0;cosR&sub0;,

und der seitliche Abstand h zwischen der zweiten Achse (BB') und der dritten Achse (CC') gegeben wird durch die Gleichung

16. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, wobei:

ein erstes optisches Element (202) auf der ersten Achse (AA') angeordnet wird, um den Strahl (114) der Quelle aufzuteilen in den Signalstrahl (120) und den Referenzstrahl (122);

ein zweites optisches Element (126) auf der ersten Achse (AA') angeordnet wird, um die Fouriertransformierte (130) des Signalstrahls (122) auf das Aufzeichnungsmedium (132) abzulenken;

das Aufzeichnungsmedium (132) seitlich auf einer ersten Seite der ersten Achse (AA') angeordnet wird;

ein drittes optisches Element (134, 136; 204) auf einer dritten Achse (CC') und seitlich auf einer zweiten Seite der ersten Achse (AA') angeordnet wird, um den Referenzstrahl (122) auf das Aufzeichnungsmedium (132) abzulenken;

das zweite optische Element (126) in longitudinalem Abstand d von dem ersten optischen Element (202) angeordnet wird, wobei der Wert d gegeben ist durch die Gleichung

f=F&sub0;sinR&sub0;

und wobei dann wenn die Wellenlänge des Strahls der Quelle den Wert λ&sub0; hat, das Aufzeichnungsmedium (132) in longitudinalem Abstand g von dem zweiten optischen Element (126) angeordnet wird, wobei der Wert g gegeben ist durch die Gleichung

g=F&sub0;cosR&sub0;

und der seitliche Abstand h (Fig. 5, 6) zwischen der ersten Achse (AA') und der dritten Achse (CC') gegeben wird durch die Gleichung

17. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, wobei:

ein erstes optisches Element (134, 136) auf der ersten Achse (AA') angeordnet wird, um den Strahl (114) der, Quelle aufzuteilen in den Signalstrahl (120) und den Referenzstrahl (122);

ein zweites optisches Element (126) auf der ersten Achse (AA') angeordnet wird, um die Fouriertransformierte (130) des Signalstrahls (120) auf das Aufzeichnungsmedium (132) abzulenken;

ein drittes optisches Element auf der dritten Achse (CC') angeordnet wird, um den Aufzeichnungsstrahl (122) auf das Aufzeichnungsmedium (132) abzulenken;

das zweite optische Element (126) in longitudinalem Abstand d von dem dritten optischen Element (136) angeordnet wird, wobei der Wert d gegeben ist durch die Gleichung

f=F&sub0;sinR&sub0;

und dann wenn die Wellenlänge des Strahls der Quelle den Wert λ&sub0; hat, das Aufzeichnungsmedium (132) in longitudinalem Abstand g von dem Zweiten optischen Element (126) angeordnet wird, wobei der Wert g gegeben ist durch die Gleichung

g=F&sub0;cosR&sub0;

18. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, wobei:

ein erstes optisches Element (202) auf der ersten Achse (AA') angeordnet wird, um den Strahl (114) der Quelle aufzuteilen in den Signalstrahl (120) und in den Referenzstrahl (122);

das Aufzeichnungsmedium (132) auf einer ersten Seite seitlich der ersten Achse (AA') angeordnet wird;

ein drittes optisches Element (204) auf der dritten Achse (CC') und auf einer zweiten Seite seitlich der ersten Achse (AA') angeordnet wird, um den Referenzstrahl auf das Matched Filter abzulenken;

f=F&sub0;sinR&sub0;

und wobei dann wenn die Wellenlänge des Strahls der Quelle den Wert hat das Aufzeichnungsmedium (132) in einem longitudinalen Abstand g von dem zweiten optischen Element angeordnet wird, wobei der Wert g gegeben ist durch die Gleichung

g=F&sub0;cosR&sub0;

und der laterale Abstand h zwischen der ersten Achse (AA') und der zweiten Achse (CC') gegeben wird durch die Gleichung

19. Ein optisches Korrelatorsystem mit:

Mitteln (102, 106; 402-406, 422-430, 442-450; 504; 602-606, 610) zur Erzeugung eines elektromagnetischen Signalstrahls (120, 510, 614) bei einer Vielzahl von Wellenlängen zwischen einer ersten und einer zweiten Wellenlänge λ&sub0; und λ&sub1; mit Ausrichtung des Signalstrahls entlang einer ersten Achse (AA');

Bildmitteln (124; 514), die im Weg des Signalstrahls (120; 510; 614) angeordnet sind und den Strahl (120) räumlich modulieren (130);

einem Matched Filter (132, 302), das auf einer zweiten Achse (BB') angeordnet ist, die parallel der ersten Achse (AA') ist;

Mitteln (126; 304, 310, 312; 516; 622, 624) zur Ablenkung des Signalstrahls, das auf der ersten Achse (AA') angeordnet ist um den Signalstrahl (120; 510; 614) von dem Bildmittel (124; 510) zu erhalten und eine Fouriertransformierte (130) des Signalstrahls (120; 510; 614) auf das Matched Filter (132, 302) abzulenken und

einem optischen Detektor (524, 636), der in dem Weg eines Ausgangsstrahls des Matched Filters (132, 302) angeordnet ist, um dann ein Signal zu erzeugen, wenn das Muster des Signalstrahls auf dem Matched Filter mit dem Muster des Matched Filters übereinstimmt; wobei

die Mittel (126; 304, 310, 312; 516; 622, 624) zur Ablenkung des Signalstrahls die Fouriertransformierte (130) des Signalstrahls (120; 510, 614) mit der Wellenlänge λ&sub0; um einen Winkel R&sub0; aus der ersten Achse (AA') auf einen Brennpunkt mit einer Brennweite F&sub0; im Winkel R&sub0; von der ersten Achse (AA') weg ablenken und

die Mittel (126, 304, 310, 312, 516, 622, 624) zur Ablenkung des Signalstrahls die Fouriertransformierte (130) eines Signalstrahls der Wellenlänge λ&sub1; um einen Winkel R&sub1; gegenüber der ersten Achse (AA') zu einem Brennpunkt bei einer Brennweite F&sub1; im Winkel &sub1; von der ersten Achse (AA') weg ablenken und mit Mitteln (154), um das Matched Filter (132, 304) dann entlang der zweiten Achse (BB') um einen Abstand x zu bewegen, der gegeben ist durch die Gleichung

wenn die Wellenlänge des Signalstrahls (120, 510, 614) sich vom Wert λ&sub0; in den Wert λ&sub1; ändert, um das Matched Filter (132, 304) auf dem Brennpunkt der Fouriertransformierten (130) des Signalstrahls (120; 510; 614) bei einer Vielzahl von Wellenlängen des Signalstrahls zu halten.