CN1643539A - 辐射状和角度或旋转分析图像的形状内容和匹配的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

一种分段的空间光调制器(50)具有一个有源光学区域(54)，它包括关于中心轴(40)在各种角度方向上分散的多个辐射状延伸的有源光学调制器扇区(500，510，520，530，540，550，560，570，580，590，600，610，620，630，640，650)。分段的辐射状空间光调制器(50)用于分离和隔开傅立叶变换光学图案(32)，该傅立叶光学图案来自通过形状来记录、存储、检索、搜索和与其他图像比较而获得匹配或接近匹配的用于图像的特征描述的图像。可以将图像重影以增加傅立叶变换光学图案(32)中的光功率，但未加入新的形状内容，并用于与其他图像形状特征分等级比较以在识别匹配以外识别接近匹配。

Description

辐射状和角度或旋转分析图像的形状内容和匹配的装置和方法
相关专利申请
本专利申请是2000年3月27日在美国专利商标局申请的美国专利申请序列号09/536,426的延续部分，该申请是1999年6月4日在美国专利商标局申请的美国专利序列号09/326,362的延续部分。
发明领域
本申请总的来说涉及空间光调制器，并尤其涉及具有用于光束的辐射状和角度分析的辐射方向有源光调制扇区，包括傅立叶变换光学图案，应用于诸如特征描述、搜索、匹配或识别图像的形状内容(shapecontent)。
技术背景
存在这样的情况，其中可以从空间上分散的光束部分得出有用信息。特别是，当一幅图像由一个光束携带或传播时，收集和使用或分析图像特定部分，比如携带一幅图像的光束的横截面的特定部分的信息，可能是有用的。
例如，在发明人的共同未决的美国专利申请序列号09/536,426中，采集、检测到一幅图像的傅立叶变换狭窄的、辐射方向部分，并由用于存储、搜索和检索的形状对图像特征描述(characterize)和编码，该发明在此一并引入作为参考。如这里所解释的，通过经傅立叶变换透镜传送光束并检测通过各种角度方向，即旋转角度的狭缝的光后，通过定位一个在携带图像的光束的傅立叶变换平面内的有辐射方向的狭缝的旋转、不透明的掩模或轮状图，连续采集这样的一幅图像的傅立叶变换的辐射方向、有角度或合理间隔部分。通常当检测光能量时，在每个角度方向检测的光能量是图像内容部分的特性，该图像内容部分和旋转掩模上的狭缝大体上线性排列在相同的角度方向。
具有旋转、辐射方向狭缝的该系统相当好地、并相当有效地执行用图像的形状内容对图像描述和编码的任务。但是，它仍然有一些缺点。例如，旋转狭缝的每个角度方向上的图像的空间频率的分辨率没有此系统的某些应用或使用中可能要求的那样好。而且，具有诸如所有机械设备的相关驱动装置的旋转掩模或轮状图具有稳定性和长期可靠性的难题，更不必说尺寸和重量的要求了。
发明内容
因此，本发明总的目的是提供一种改进的装置和方法，用于从光学图像的一些部分采集和记录光学信息。
本发明更具体的一个目的是提供一种改进的装置和方法，对此图像形状内容的图像的傅立叶变换光学图案进行空间分析。
本发明另一个具体的目的是提供一种改进的装置和方法，通过用于存储、搜索、比较、匹配或识别图像的形状内容对图像描述和编码。
本发明的这些和其他目的、优点和新颖的特征将在随后的说明阐明一部分，通过对随后说明的分析，一部分对本领域技术人员来说将显而易见，或者可以从发明的实践中获知。这些目的和优点可以通过在随附的权利要求中特别指出的手段及其组合来实现和得到。
为了进一步实现上述目的，本发明的装置包括具有多个可寻址、有源光学元件的空间光调制器，该光学元件在关于一个轴的各种角度方向上辐射状延伸。最好将该有源光学元件制作为调制部分入射到有源光学区域的离散扇区的光束，在该有源光学区域中光束可以聚焦。因此，有源光学调制器最好为单独的扇形，即基本上为楔形，尽管也可以使用其他形状，并且在特定的场合甚至可能更理想，比如为了更好的分辨率使用矩形，或为了检测图像的弯曲形状内容使用曲形。为了形状内容的空间频率的更高分辨率，有源光学区域的辐射状延伸的楔形或矩形可以根据分辨率的需要包括各个可寻址段，这些段可以被单独或成组激活。楔形扇区可以包括更小、截短的楔形有源光学元件段，或形成这些形状的像素阵列的传感器合成组。矩形区域也可以包括更小的矩形段或以像素阵列的传感器合成组，以形成这样辐射状延伸、按角度隔开的有源光学部件或区域。为了描述图像的形状内容，图像傅立叶变换的光学图案聚焦在有源光学区域，并且由空间光调制器选择并隔离各种角度方向的傅立叶变换光学图案的辐射状设置部分，其中该空间光调制器用于检测以此角度方向排列的图像的形状内容。从这些各个部分检测的光强度是此形状内容的特征描述并可以记录、存储或用于与其他图像的形状内容的类似分析比较，以找到并识别与这种形状内容匹配或近似匹配的图像。向图像中加入各种辐射状和角度关系和各种光强度的重影图像(ghost image)的光学图像预处理可以增强形状内容的可检测性并可以使图像与类似的形状内容近似匹配。
附图简述
附图说明了本发明的优选实施例，将其结合到说明书中并形成说明书的一部分，和说明书一起用来解释本发明的原理。
在图中
图1是用聚焦在设备的有源光学区域中光调制部件的光束示出的根据本发明的分段的辐射状空间光调制设备的等比例图；
图2是在分段的调制器扇区的形状中，本发明的分段辐射状空间光调制器设备的有源光学区域中的优选光调制部件的正面图，将各扇区导向以使其在相对于中心轴的各个角度方向上辐射状延伸；
图3是分段的辐射状空间光调制器设备的有源光调制部件的一个扇区的放大的正面图；
图4是基本上沿着图3的剖面线4-4的本发明分段的辐射状空间光调制器的一个有源光学扇区的一部分的截面图；
图5是光学图像特征描述装置的示意图，其中在用于特征描述和编码光学图像的应用中通过形状内容示出根据本发明的分段的辐射状光分析器设备，以例示该装置的结构和功能；
图6a-c包括分段的辐射状空间光调制器设备的有源光调制部件的概略的正面图，其用于和被特征描述的图像的概略图和作为结果的可检测光学图案一起，说明本发明分段的辐射状空间光调制器设备的光调制部件的垂直取向扇区的一个外部段的使用，其中该可检测光学图案作为图像的垂直取向形状内容的一些特性；
图7a-c包括和图6a-c类似的概略的正面图，但是示出垂直扇区的接近内部的段的使用；
图8a-b包括与图6a-c类似的概略的正面图，但是示出与垂直方向45度的一个有源光学扇区的接近外部的段的使用；
图9a-c包括与图6a-c类似的概略的正面图，但是示出水平朝向有源光学扇区的外部段的使用；
图10a-c包括与图6a-c类似的概略的正面图，但是示出取向与垂直方向距191.25度的的有源光学扇区的外部段的使用；
图11是与图6a类似的概略的正面图，但是示出一个修改的实施例，其中有源光学段是矩形而不是楔形；
图12是另一个实施例概略的正面图，其中在传感器的像素阵列中单独可寻址的光传感器组可以在模拟扇区或扇区的段的特定区域一同激活，根据本发明，通过形状内容得到光束的角度和/或空间分析，用于对图像的特征描述；
图13是与图4类似的横截面图，但是示出一个修改的实施例，其中调制光束通过根据本发明的分段的辐射状空间光调制器，而不被其反射；
图14a-c示出用于增强光能量传输的一种可选的重影技术，以改善形状信息检测能力并提供分级的形状内容特征描述，使得可以识别各种图像中形状内容的近似匹配；
图15a-c示出应用到更复杂的图像中的图14a-c的重影技术。
发明详述
概略地在图1中示出一种根据本发明的分段的辐射状空间光调制器(SLM)设备50，光束27(p)聚焦在分段的辐射状SLM设备50的中心部分的有源光学区域54。如图1中概略示出的，分段的辐射状SLM设备50最好但不是必须构造为安装在芯片56上的集成电路52，芯片56配备有用于插到印刷电路板(未示出)上的对应设置的插孔(未示出)中的多个电管脚58。在此优选实施例中，通过多个焊接到集成电路52的触点片55的金属线59将管脚58电连接，使得可以寻址并操作有源光学区域54中的光学部件，这将在下文中详细说明。
在图2中示出集成电路52的有源光学区域54的放大的正视图，在图3中示出有源光学区域54的一个调制器扇区500(下文有时为了方便称为“扇区”)的有源光学段502、504、506、508的甚至更放大的图。实质上，分段的辐射状SLM设备50可以有选择地隔离关于用于检测的中心轴40在各个角度方向上的入射光能量的辐射状放置的部分，这将在下文中更详细地说明。实现这种隔离的一种方法是通过反射，以及旋转入射到有源光学区域54的光束27(p)所选辐射状放置的部分的偏振面，而光束27(p)的其他部分被反射，也没有偏振面的旋转，或者反之亦然。在该优选实施例中，每个有源光学段，比如图3中的扇区500的段502、504、506、508可各自独立通过导电的迹线503、505、507、509寻址，尽管本发明也可以由只包括一个有源光学调制器的扇区500或同时激活一个或多个独立的段实现，虽然空间频率分辨率会更低。
在图4中示出入射光束27(p)一部分的选择和隔离，它是有源光学段506、508的一部分横截面。当段508由迹线509上的电压V+激活时，指定为例如p偏振，即在p平面上偏振的入射光束27(p)将由段508反射并从中作为s偏振光27(s)射出，即在s平面内偏振的光，或者反之亦然，同时未被激活的段506反射但不旋转入射光27(p)的偏振面。在图4中，由激活的段508反射的光标为61(s)，表示它是s平面偏振的，而由未被激活的段506反射的光标为61(p)，表示它是p平面偏振的。段506、508的结构和功能将在下文中详细说明，它们是有源光学区域54的所有扇区500、510、520、530、540、550、560、570、580、590、600、610、620、630、640、650的所有段的代表。就这一点已足够说一个s偏振面相对于一个p偏振面正交，即相对旋转90°，并且光束61(p)(见图1)的一部分的偏振面的这种旋转使得该部分从光束61(p)的剩余部分过滤或分离，这将在下文详细说明。
如图5中概略地示出的，用于由这种图像的形状内容的特征描述、编码并存储图像的系统10是上述分段的辐射状SLM设备50的一个示例的应用，并是本发明的一部分。在该系统10中，任意数目n的图像1 2，14，...，n可以由这种图像中的形状内容特征描述并编码，并且关于每个图像的编码的形状信息可以保存在例如数据库102中，用于随后的搜索、检索并与以同样方式特征描述并编码的其他图像的形状内容相比较。
图像12，14，...，n实际上可以是例如照片、电影、图画、图形、任意图案，规则图案等任意形式的可视图像。这些图像也可以由数码格式或模拟格式存储或形成。这种图像可以具有由人观看时多少有些意义的内容，或者它们可以是无意义的或不能由人打断，而属于一些其他内容的特征描述，例如，音乐、声音、文字、软件等。实际上，可以用可识别的形状内容表现或显示的光能量强度的任意光学图案都可以用该系统10特征描述并编码。
可以从任意信号源(例如，互联网、电子数据库、网站、图书馆、扫描仪、照片、幻灯软片、雷达图像、电子静止或活动视频摄像机和其他信号源)获得的样本图像12输入到光学图像形状特征描述装置10，这将在下文中详细说明。其他任意数目n的样本图像14，...，n显示在图5中，这些图像排队按顺序录入光学图像特征描述装置10。这种任意数目n的连续图像12，14，...，n的录入可以人工完成，或者最好以自动的方式完成，比如机械的滑动机械手，计算机图像产生器，幻灯软片投影仪，电子静止或视频摄像机等。图5中的计算机20是优选实施例，但也意图作为可以排列并移动图像12，14，...，n到图像特征描述装置10中的任何装置或系统的象征。自动显示在视频监视器22上的汽车示例图像12代表并象征放置在根据本发明用于特征描述和编码其形状内容的处理模式中的任意图像，尽管应当理解被处理的这种图像的显示不是本发明的基本特征。为了方便和简化，接下来的说明大部分将只是参照第一图像12，但可以理解它也能应用于任意图像12，14，...，n等。
在图5所示的系统10的实施例中，图像12插入到光学图像特征描述装置10中，它在垂至于从E-SLM 26发出的光束27，即垂直于图5的观看平面的图像平面19中。但是，为了便于说明、图解和理解本发明，图像12，14，...，n也显示在图5观看平面，即纸平面，内的虚线中。为了说明，图解和理解的目的，同样的规矩也用于由E-SLM 26，傅立叶变换光学图案32，有源光学区域54，隔离和滤出的光学图案60，和从各个垂直于光束的平面到纸面的检测器网格82生成的用于投影的图像12。发明中的这些部件和它们的功能将在下面更详细地说明。
如上文所提到的，图像12可以由计算机20和E-SLM 26输入到光学图像特征描述装置10，这将在下面更详细说明。但是，图像12将由通过薄的、正透镜30，也称为傅立叶变换(FT)透镜，经受重大的变化。取样图像12′的傅立叶变换(FT)将图像12′的光学图案的光能量重新排列为傅立叶变换(FT)光学图案32，该图案对于图像12′是独一无二的，尽管它不能由人眼和大脑识别为图像12′，但它可以由通过光学图案32空间分布的光能量的强度，即幅度，而描述特征。光学图案32中光能量34的复杂的幅度分布是图像12′中复杂光分布的傅立叶变换。图像12′为单色，最好是相干光能量的图像12的重建，这将在下面更详细地说明，尽管也可以使用白光。傅立叶变换(FT)光学图案32中光能量强度的集中通常对应于图像12′的空间频率，即对应于图像12′中特征的紧密集拢或相隔很远的程度的变化或保持不变。换句话说，空间频率也通过光束27中的光能量强度的紧密集拢或相隔很远的程度的改变或保持不变而表示。例如，在一幅图像(未示出)中一件格子布，即具有很多小方块的衬衫，就比图像中无花纹、单色的衬衫(未示出)具有更高的空间频率，即每单位距离的变化。同样，一幅图像的部分，比如图像12′中汽车的保险杠和散热器护栅部分35将比汽车图像12′的侧板36部分具有更高的空间频率，因为保险杠和散热器护栅部分35在一个小空间距离内包括很多具有各种边缘、弧线和其他复杂变化的小部件，而侧板36在大空间距离内相当平滑和均匀。来自图像的更精细和更清晰的细节(更高的空间频率)的光能量，比如图像12′的更复杂的保险杠和散热器护栅35与来自更分层部分(more course)的光能量或图像的简单细节(较低空间频率)，比如图像12′的侧板36相比，趋向于分散在离傅立叶变换图像的光学中心或轴40辐射状向外更远的位置。在傅立叶变换光学图案32中辐射状向外分散的光能量幅度34与图像12′的光学图案的对应部分的光能量相关，这样的光能量从图像12的光学图案中射出，除了在光能量由FT透镜30折射后集中在傅立叶变换(FT)光学图案32的平面上的区域或带34中，即集中到由具有很少或没有光能量的带隔开的强光能量带，这由衍射光能量的相长干涉或相消干涉所产生。如果图像12′的高空间频率部分，比如保险杠和散热器护栅部分35明亮，则来自图像12′的那些高空间频率部分的光能量的强度或幅度将更高，即更亮，其中图像12′由FT透镜30分散到傅立叶变换光学图案32中径向更向外的光能量34的带中。另一方面，如果图像12′的光学图案的高空间频率部分暗淡，则来自图像12′的光学图案的那些高空间频率部分的光能量的强度或幅度将更低，即不那么亮，其中图像12′由FT透镜30分散到傅立叶变换光学图案32中的径向更向外的光能量34的带中。同样，如果图像12′的光学图案的低空间频率部分，比如侧板部分36明亮，则来自图像12′的光学图案的那些低空间频率部分的光能量的强度或幅度将更高，即更亮，其中图像12′由FT透镜分散到傅立叶变换图案32中径向向外较少的光能量34的带(即，更接近于光轴40)。但是，如果图像12′的光学图案的低空间频率部分暗淡，则来自图像12′的光学图案的那些低空间频率部分的光能量的强度和幅度将更低，即不那么亮，其中图像12′由FT透镜30分散到傅立叶变换光学图案32中径向向外较少的光能量34的带。
总之，从图像12′发出的光的傅立叶变换光学图案32：(i)是图像12′独一无二的；(ii)包括光能量34集中的区域或带，它们从中心或光轴40辐射状分散，这表示图像12′中的空间频率，即细节的精度；(iii)傅立叶变换光学图案32中每个空间频率区域或带上的光能量34的强度或幅度对应于从图像12′的各个精细特征或层(course)特征发出的光能量强度和幅度；以及(iv)傅立叶变换光学图案32的区域或带中这种光能量34可由本发明进行强度或空间位置的检测。
由于本发明的光学图像特征描述装置10设计为用包括图像12的形状描述图像12的特征，傅立叶变换光能量图案32附加的空间滤波用于检测和获取从图像12′中的更精细或更清晰的细节或这种更精细或更清晰的部分所发出的光能量，图像12′以各种特定的角度方向线性排列。这种空间滤波能用多种不同方式中的任何一种完成，这将在以下更详细说明，但用于该功能的示例的空间滤波装置包括在偏振光分束器70与分段的辐射状空间光调制器设备50的组合中。实质上，分段的辐射状SLM设备50将傅立叶变换光学图案32的所选部分的偏振面从p-平面偏振旋转为s-平面偏振，或者反之亦然，如上文所解释的，并且偏振光分束器70将隔开的、在一个平面偏振的那些部分的光能量与傅立叶变换光学图案32剩余的、保持在其他平面偏振的光能量分开，从而使此选择和隔离部分的光能量可以单独检测。
只有与所选有源光学段，例如段502、504、506和/或508(图3)线性排列的傅立叶变换图案32中光能量34的部分具有由分段的辐射状SLM 50在反射光61(s)上旋转的偏振面。光束27(p)这些所选部分61(s)，即主要从图像12′的细节或特征发出，表示比如直线和曲线的短节段，它们以各个扇区500，510，520，530，540，550，560，570，580，590，600，610，620，630，640，650的角度方向线性排列，其中所选段位于分段的辐射状SLM 50的有源光学区域54中。例如，如果选择和激活扇区500中段502、504、506、508中的一个或多个，以旋转从这些段反射的光能量的偏振面，反射光能量61(s)将主要从图像12′的细节或特征发出，图像12′与放置段502、504、506、508的扇区500的垂直方向线性对准。此外，由于来自图像12′的较高空间频率的内容，例如空间上接近保险杠和散热器护栅部分35的光能量34，与来自较低空间频率的内容，例如侧板36的光能量相比，分散在傅立叶变换光学图案32中向外辐射更远的部分，反射光束61(s)中的光能量也是图像12′的此空间频率内容限定范围的特征，取决于选择扇区的哪个段。例如，扇区500的外部段508(图3)的激活将使得反射光束61(s)中的光能量成为图像12′中垂直方向特征的更高空间频率内容的特征，例如保险杠和散热器护栅部分35的垂直边缘，其中节段508与节段502相比位于入射光束27(p)的光轴40向外辐射更远的位置。相反，扇区500的内部段502的激活将使得反射光束61(s)中的光能量成为图像12′中垂直方向特征的更低空间频率内容的特征，例如后备箱盖37的垂直后边缘。结果是，光能量带62的滤波后图案60表示或就是图像12′中内容中特征或线的唯一组合，图像12′对应于所选段的径向距离上FT光学图案32的光能量，并与所选段所在的扇区线性排列。因此，除了可以关于光轴在不同的角度方向上提供FT光学图案32的旋转空间滤波，每个扇区的段，比如扇区500的段502、504、506、508，就提供对距离光轴不同径向距离的FT光学图案32阶梯状空间滤波(scalar spatial filtering)的附加功能。
当然，关于光轴40在不同角度方向的不同扇区的段将与图像12′中具有不同角度方向的特征或线按线性排列，这将在下文中详细说明。因此，由于选择和激活了不同扇区中的有源光学段，在滤波后图案60中的光能量带62将改变，以表示在各种角度方向、复杂度或精细度和亮度的图像12′的光学图案中的不同特征、细节、边缘或线，这将在下文中详细说明。但是，通常如果在上述空间滤波54之后从FT光学图案32反傅立叶变换，光能量带62将与发出此光能量的原始图像12′中的特征位于相同的空间相关位置。例如，用图像12′中的保险杠和散热器护栅部分35的垂直扇区进行空间滤波后，图案60中带62的光能量最初从图像12′中的保险杠和散热器护栅部分35发出。
滤波后图案60的带62中空间滤波后的光能量可以在有源扇区的各个角度方向的任意一个中由光电探测器80检测并电子地传送到计算机20或用于处理和编码的其他微处理器或计算机。尽管在图5中只以具有单独的光敏能量变换器84的16×16阵列82的例子描述了光电探测器80、并且对于本发明的很多目的来说已经足够，但是也可以使用其他探测器装置，例如在共同未决专利申请序列号09/536,426中所述的双偏移检测器阵列或者一个或多个更大的检测器阵列。
计算机20可以编制程序以编码与图像12的形状内容相关的图像12的特征，该计算机有从检测器阵列82输入的的关于滤波后的光学图案60信息，即光能量强度(I)分布，以及关于图像12的信息(例如，识别码，信号源定位器等)，关于其中的段被激活的扇区中的角度方向(R)的信息，以及关于与空间频率相关的所激活段的径向距离或等级(S)(scale)。编码此信息的一种有用格式是通过滤波后图像60的像素，包括每个像素关于x，y坐标位置的信息，旋转(即，其中的段被激活的扇区的角度方向，因此图像12的线性特征按此角度方向排列)，和强度(即，在角度方向R上的每个像素上检测的滤波后图案60的光能量幅度)。也可以提供一个可搜索的标志，比如失真因子X，如在共同未决美国专利申请序列号09/536,426中更详细说明的，或通过本发明的重影图像预处理，这将在下文中更详细说明。为了简化，角度方向或旋转R、每个像素的光能量强度I和失真因子X的这种组合可称为“RIXel”。如果需要，等级(即，在这些角度方向的图像12内容的空间频率)也可以包括在此编码中。当包括等级因子S时，该组合可以称为“RIXSel”。每个RIXel或RIXSel则可以与图像12的一些从图像12中得出的识别符(例如，数字、名称等)相关联，其中该识别符源自图像12的信号源位置(例如，互联网URL，数据库文件，书籍题目、图像12的所有人等)以及其他任意诸如格式、分辨率、颜色、纹理、内容说明、搜索分类等关于图像的所需要的信息。这种其他信息中的一些，比如颜色、纹理、内容说明和/或搜索分类等可以是从另一个数据库输入的、从人工输入的或者甚至是从另一个光学特征描述装置输入的信息，光学特征描述装置自动把同样的图像12表现为颜色、纹理等特征——任何将对搜索、寻找或检索图像12或用于将图像12与其他图像比较的有用信息。
如上所述，关于特征描述为形状和编码的每个图像12，14，...，n的这些信息的一些、全部或附加的组合可以由计算机20发送到一个或多个数据库102中。用于保存关于每个图像12，14，...，n的RIXel或RIXSel信息的几个示例的数据库结构104、106、108显示在图5中，但也可以使用很多其他的结构和信息组合。
在图5所示的光学图像特征描述装置10中，图像12必须由用来自诸如激光二极管或充气二极管(gas diode)的光源23的单色光束24照射的空间光调制器(SLM)26，用单色、最好是相干的光能量再现，例如图像12′。本发明的该特征也可以用白光实现，尽管作为结果的傅立叶变换光学图案和空间滤波后的光学图案将比用单色光的图案更模糊。因此，尽管发明的这一说明将在单色、最好是相干的光的基础上提出，但应当理解白光也是适用的，虽然不是优选的替代品。空间光调制器(SLM)26可以是可光学寻址的(0-SLM)，比如在共同未决专利申请09/536,426中所描述的，或者也可以是可电寻址的(E-SLM)，并且例如由图5中的计算机20或由摄像机(未示出)所驱动的。如本领域技术人员所知，空间光调制器(SLM)可以通过旋转或部分旋转穿过光束25的以空间为基础的光的偏振面，以把图像“写”到偏振光束25中，从而在反射光束27上，它根据在单色光中需要什么来建立图像12′而透射过偏振分束器116或被其反射。在可光学寻址的SLM(未示出)中，图像平面在空间的基础上通过在与偏振旋转材料(通常为液晶材料)接近的半导体材料上的入射光能量而寻址，然而，在可电寻址的SLM 26中，液晶、偏振旋转材料根据逐个像素电寻址。由于偏振光的像素部分穿过液晶材料一次，所以就具有旋转45度的偏振面，于是此光被反射并再次穿过液晶，就将其另外旋转45度。因此，具有在SLM 26上旋转的偏振面的偏振光束25的光的像素被反射并从SLM沿着光学路径27发出，其光轴40与入射光束25的光轴一致，但是在形成图像12′的由E-SLM 26施加的光学图案中，其偏振面从入射光束25的偏振面旋转90度。光的剩余像素也被反射，这些像素未经历偏振面的旋转，但它们可以从经历过偏振面旋转的那些像素中分离出来，这将在下文解释。图像12的各种光强度或亮度可以由偏振面的部分旋转以图像12′中的灰度级再现。
在图5的实施例中，来自激光源23的相干光束24首先穿过起偏器28，以建立所有光在一个平面内偏振的相干光25的偏振光束，比如，例如但不限于在s-平面中，如25(s)所示。该s-偏振光束25(s)接着穿过实质上包括管脚孔112和透镜114的空间滤波器110，以将光束25(s)会聚在管脚孔112上。该空间滤波器110主要用于使光束25(s)达到良好的高斯波阵面的条件，如果必要还用于限制光束25(s)的功率。透镜114a接着使光成为柱状。
光束25(s)接着穿过偏振分束器116，该分束器反射在平面118中一个方向偏振的光并透射在该正交方向偏振的光。在该例子中，偏振分束器116反射s-偏振光并透射p-偏振光，并且它设置为将s-偏振光束25(s)反射到电寻址空间光调制器(E-SLM)16。入射到E-SLM 36的单色、最好是相干的光束25(s)提供光能量，用于对图像12′的形状内容执行根据本发明的进一步分析、特征描述以及编码。
如上所述，有很多将图像12，14，...，n“写”到光束中的方法，其中一个用E-SLM 16。在该例子中，本领域技术人员可以理解，计算机20具有图像12数字化的内容，所以计算机20可以用在E-SLM26中寻址并激活某些像素的方式，经线路21发射数字信号到E-SLM26，以将图像12′“写”到反射光束27(p)中。实质上，以具有部分或全部90度偏振面旋转的反射光能量在图像12′的光学图案中的方式，寻址的像素从入射光束25(s)的s-平面旋转偏振面90度到反射光束27(p)的p-平面，或者对于灰度级旋转更小的量。当然，本领域技术人员也可理解，图像12′也可以用以相反方式操作的E-SLM建立，即除了像素被激活的地方，偏振面在反射光中旋转，在这种情况下将计算机20编程，以根据图像12的负片(negative)激活像素从而把图像12′写到反射光束27中。任一方法，携带图像12′的相干光的发射光束27(p)取代s-偏振成为p-偏振，或者反之亦然。因此，在上述例子中，单色光束27(p)由偏振分束器116透射到FT透镜30，而不被它反射，单色光束27(p)的光能量分布在形成图像12′的光学图案中。
如上所述，正傅立叶变换(FT)透镜30位于光束27(p)中，并在FT透镜30的焦平面上把来自图像12′的单色光能量重新分布为其傅立叶变换光学图案32。因此，本发明的分段的辐射状SLM 50必须位于FT透镜30的焦平面上，如图5中用焦距F表示的，并且FT透镜30也位于距离E-SLM 26相同焦距F的位置，从而E-SLM 26也在镜头30的焦平面上。如上所述，FT透镜30的焦平面上的傅立叶变换光学图案32的光能量34的综合幅度分布是图像12′中综合幅度分布的傅立叶变换。傅立叶变换光学图案32根据图像12′的空间频率使来自图像12′的所有光能量分布到对称图案32中，各种空间频率分布34中光能量的强度根据各个空间频率发生的图像12′的对应部分的光能量。
如上文所提到的，傅立叶变换光学图案32从上到下、从左到右是对称的，所以傅立叶变换光学图案32的每个半圆形与其相对的半圆包含完全相同的光能量分布和强度。来自图像12′中较低空间频率的光能量向傅立叶变换光学图案32的中心或光轴40分布，而来自图像12′中较高空间频率的光能量分布在离光轴40更远的部分，并向图案32的外边缘分布，即从光轴40辐射状向外。垂直分布在图像12′中以建立各种空间频率、来自图像12′中特征的光能量同样垂直分布在傅立叶变换光学图案32中。同时，水平分布在图像12′中以建立各种空间频率、来自图像12′中特征的光能量水平分布在傅立叶变换光学图案32中。因此，通常关于光轴40分布在任意角度方向上、以建立图像12′中的各种空间频率、来自图像12′中特征的光能量也分布在傅立叶变换光学图案32中相同角度方向上。因此，只通过检测傅立叶变换光学图案32中对于光轴40分布在特定角度方向上的光能量，这种检测为排列在这些特定角度方向上的图像12′中的特征或细节的特征。在每个这些特定角度方向上的这样检测到的光能量的辐射状分布表示图像12′中这种线性特征或细节的复杂度或精细度，即空间频率，而这样检测到的光能量的强度表示图像12′中这种特征或细节的亮度。
因此，在傅立叶变换光学图案23中在所有角度方向上的光能量检测的合成建立形状的合成记录，即包括图像12′的线性特征的角度方向、复杂度或精细度，以及亮度。但是，对于大多数实际的需要，比如为了用于数据库存储、搜索、检索、与其他图像比较和匹配等，编码图像12，14，...，n的形状特性，就不需要记录傅立叶变换图案12′中所有角度方向上的这种光能量检测。通常只检测并记录傅立叶变换光学图案32中某些角度方向上的这种光能量分布和强度就足以得到足够的形状特征，对于这种特定图像12，14，...，n的数据库存储、搜索和检索，该形状特征对每个图像12，14，...，n实际上是独一无二的。为了解释而不是限制的目的，使用11.25度的角度增量是方便和实际的，因为在180度的旋转中有十六个(16)11.25度，这对于大多数用途来说有足够的特征，并具有数据处理和数据存储效能，如在共同未决美国专利申请序列号09/536,426中所说明的。但是，也可以使用其他离散的角度增量，包括固定增量或变化增量。当然，变化增量将需要更大的计算机容量和更复杂的软件来进行数据处理、存储和搜索功能。
在本发明的优选实施例中，如图1所示，具有图2所示有源光学扇区500，510，520，530，540，550，560，570，580，590，600，610，620，630，640，650的分段的辐射状SLM 50用于只选择来自傅立叶变换光学图案32中特定角度方向的光能量，用于在检测器阵列82上在任意时刻或时间增量进行检测。如上面参照图3中的扇区500所述，除了角度方向外，它是图2中所有其他扇区510，520，530，540，550，560，570，580，590，600，610，620，630，640，650的代表，垂直扇区500中的任意有源光学段，例如段502、504、506、508可以经各个导电迹线寻址，例如扇区500的迹线503、505、507、509，从而检测器阵列82可以检测在扇区500，510，520，530，540，550，560，570，580，590，600，610，620，630，640，650的任意角度方向(R)和在距离光轴40所选径向距离的傅立叶变换光学图案32中的光能量分布和强度(I)。例如，扇区500关于光轴40基本上垂直取向。如果扇区500的所有有源光学段502、504、506、508同时选择并激活，实际上垂直分布在傅立叶变换光学图案32中的所有光能量都入射到光电探测器阵列82(图5)中并由它检测。但是，如果只有一个有源光学段，例如外部段508，被选择并激活，则只有傅立叶变换光学图案32中垂直分布并在距光轴40辐射状最外部的光能量将被光电探测器阵列82检测。因此，例如502、504、506、508的有源光学段中任一个、全部或其组合可以顺序或同时激活，以检测并记录傅立叶变换光学图案32中光能量的各种分布。而且，任一个或更多的扇区500，510，520，530，540，550，560，570，580，590，600，610，620，630，640，650可以顺序、同时或以各种组合选择和激活，这取决于FT光学图案32中想要检测的细节或特定光能量分布。
分段辐射状SLM 50中有源光学扇区，例如扇区500，优选但不是基本的形状是窄而拉长的楔形。该楔形的宽度将取决于可获得或需要的光能量，以及理想的光学分辨率。更宽的扇区将更多的光能量34导向探测器80，但图像12′的行精度或特征分辨率将稍稍降低。更窄的扇区将得到更好的行分辨率，但也伴随着作为结果的图案形状概括的复杂度上升，以及复杂性，以及导向探测器80的光能量的降低。在有限的有源光学区域54中，对以经济和有效的方式连接导电迹线产生多么窄和多么紧密的楔形可以有实际的限制。因此，这些分辨率、检测能力和尺寸考虑之间理想的平衡可以通过选择扇区尺寸达到。而且，对专门的应用，不同形状，比如椭圆形或其他形状的扇区(未示出)可以用于获得和图像12的线的不同形状。
扇区中有源光学段的数量，例如，扇区500的四个段502、504、506、508也受类似的约束。较小的段将较少的光能量导向探测器80，但可以提供图像12′更高分辨率的形状特性，然而较大的段将较多的光导向探测器80，从而更容易检测到，但分辨率降低。对于较低分辨率的应用或需求，扇区可以甚至不需要分为段，并且本发明包括辐射状空间光调制器，其中，每个扇区500，510，520，530，540，550，560，570，580，590，600，610，620，630，640，650不分段，因此每个扇区包括一个有源光学元件。但是，同样的较低分辨率的效果可以在图1-3中示出的实施例50中，如上所述，通过同时激活一个扇区中的所有段502、504、506、508而获得。
在优选实施例50中，每个扇区，例如扇区500，包括四个可单独寻址、有源光学段，例如段502、504、506、508，如图3所示，尽管根据本发明也可以使用除了四以外任意数量的段。每个连续的辐射状外面的段的长度是相邻的下一个辐射状在内的段的两倍。因此，在扇区500中，接近内部的段504大约是内部段502的两倍长。同样，接近外部的段506大约是接近内部的段504的两倍长，外部段508大约是接近外部的段506的两倍长。用另一种方式表示为，如果内部段502的径向长度是L，接近内部的段504的径向长度是2L，接近外部的段506的径向长度是4L，外部段508的径向长度是8L。光轴40和内部段502的内部边缘501之间的距离d大约与内部段502的长度L相同，所以中央区域57的直径大约是2L。有源光学段的这些成比例的长度使得内部段(例如502)可以获得图像12′的形状特征，该特征具有的尺寸在由图5的空间光调制器26所产生的图像12′的尺寸的大约百分之25-50范围内，使得接近内部的段(例如504)获得图像12′的形状特征，它具有的尺寸在图像12′的尺寸的大约百分之121/2-25范围内，使得接近外部的段(例如506)可以获得图像12′的形状特征，它具有的尺寸在图像12的尺寸的大约百分之61/4-121/2范围内，使得外部段(例如508)获得图像12′的形状特征，它具有的尺寸在图像12′的尺寸的大约百分之31/8-61/4范围内。因此，具有超过光能量入射到中心区部分41的图像12′的尺寸百分之50以上的图像12′的任何特征可以被获取并检测作为图像12′综合亮度的指标，用于强度控制或校准，因为包括图像12′的尺寸的百分之50的光能量中如果有任何可用的形状信息或内容，也是很少的，所以就将其忽略和根本不获取或检测。同样，辐射状向外超过外部段的、大约为图像12′的尺寸内容的百分之31/8在该优选结构中不检测并可以忽略。如果想要获取并检测这种光能量，用于通常的亮度表示、强度控制或校准，可以使中心41的光为旋光的，以获取入射其中的光能量，一旦理解了本发明，这一点也可以理解并在本领域技术人员的能力范围内。当然，在本发明的范围内也可以做出并使用其他结构的分段辐射状SLM 50。
尽管在空间光调制器50中每个扇区中有或没有多个、有源光学段的有源光学扇区的径向结构是本发明的主要特征，可是一旦设计制造空间光调制器的本领域技术人员熟悉了本发明的特征和原理，就可以容易地理解如何构造并实现此空间光调制器50的功能，并且本领域技术人员知道有很多已知的材料、制造技术等可以用于设计、制造和使用能用于本发明的特定空间光调制器实施例的技术状况的空间光调制器。因此，这种对可获得的材料的详细叙述，以使本领域技术人员作出并使用本发明是不必要的。不过，现在将图4和图1-3和5组合起来参考，以说明任何特定的有源光学段，例如接近外部的段506和外部段508是如何选择和激活的，如何实现有选择地使得检测入射到这些段中的傅立叶变换光学图案32的光能量的功能。
如图4所示，光学有源段506、508是安装在芯片基板和平台56上的集成电路52的一部分，是其他有源光学段的代表。集成电路52具有夹在两个诸如高质量玻璃的透明基底182、184之间可变双折射材料180，比如液晶材料。该可变双折射材料180响应于电压，在电压范围内改变双折射性，这造成通过材料180的光的偏振面的旋转。接近外部的段506和外部段508之间的划分通过分隔各自的金属层186、188而产生。插入的介电或电绝缘材料185可以用于保持这些金属层186、188的电隔离。如图3和4结合所示，电传导迹线507连接到接近外部的段506的金属层186，迹线509连接到外部段508的金属层188。实际上，导电迹线507、509和金属层186、188可以沉积相同的金属，并可以在生产集成电路52期间在后基底184上与各自的金属层186、188共存，一旦设计和制造空间光调制器的本领域技术人员知道本发明的原理，在他们能力范围内将理解该原理。因此，通过把正(+)或负(-)电压V1和V2分别连接到迹线507、509，可以通过与金属层186、188分别连接的迹线507、509对其单独寻址。
沉积在前基底182上的透明导电层190由另一引线513连接到另一电压V3。因此，可以通过夹在金属层186和透明导电层190之间的液晶材料180的部分施加电压，例如通过使V1为正和V3为负，或者相反。同样，当可以通过夹在金属层188和透明导电层190之间的液晶材料180的部分施加电压，例如通过使V2为正和V3为负，或者相反。
如上面所提到的，各个段506、508的功能是旋转入射光束27(p)的可选择部分的偏振面，从而携带相应的傅立叶变换光学图案32的光束27(p)的那些部分，为了光电探测器阵列82(图5)的检测，可以从光束27(p)的剩余部分分离和隔离出来。本领域技术人员可以理解，有许多空间光调制器变化、结构和材料都可以产生理想的功能结果，其中一些具有其他的优点和/或缺点，比如切换速度、光透射效率、成本等，其中很多可以容易地获得并在本发明中符合要求地使用。因此，为了说明而不是限制的目的，图4所示的分段辐射状空间光调制器可以具有校准层192、194，分别沉积在基底182上的透明导电层190上，以及基底184上的金属层186、188上。这些校准层192、194根据使用的液晶材料180的类型在边界晶体校准所想要的方向拂拭或擦亮，这在本技术中很好理解。例如参见1996年J.Goodman所著的“傅立叶光学介绍(Introduction to Fourier Optics)”第二版第7章(TheMcGraw Hill Companies，Inc.)。抗反射层196可以沉积在玻璃基底182的外表面上以保持光透射效率。
一个示例的系统，但肯定不是唯一的一个，可以使用液晶材料180，当有足够的电压通过液晶材料180时，不影响偏振地透射光27(p)，当没有电压通过液晶材料时，作为1/4波长延迟器(wave retarder)使用。在非扭曲状态下双折射的非扭曲液晶材料180可以以这种方式起作用。因此，例如，当没有电压施加到段508中的液晶材料180时，在外部段508中没有液晶材料180的分子旋转，并且根据液晶制造商的规格，外部段508中有适当厚度的液晶材料在光通过非扭曲液晶材料180时，具有1/4波盘的功能，将入射在外部段508上的p偏振光27(p)转换为圆偏振。到达反射性的金属层188时，光被反射并向回通过液晶材料，从而承受另一1/4波延迟以将圆偏振转换为线性偏振，但是该线偏振在与p平面正交的s平面内，因此，反射光61(s)具有与入射光27(p)相比有效旋转90度的偏振面。
同时，例如如果在接近外部的段506上有足够的电压以将液晶分子的长轴旋转为与入射光波27(p)的传播方向对准，从而消除液晶材料180的双折射，则光的线偏振在第一次穿过液晶材料180或由金属层186反射后第二次穿过液晶材料时没有变化。因此，在此条件下在接近外部的段506中的液晶材料180上施加电压，反射光61(p)仍然在p平面上偏振，即与入射光27(p)相同的平面内。
很多液晶材料需要偏压为0的平均DC电压，这可以通过驱动具有以相等次数交变为正、负电压的方波函数的电压V3来提供。因此，为使没有电压通过液晶材料180，其他电压V1、V2等可以用与V3相等的电压同相地驱动。但是，为了通过将电压施加到与特定金属层186、188等相邻的液晶材料180上以激活上述特定段506、508等，各个电压V1或V2等可以与V3异相地驱动。如果方波函数的频率按照液晶材料180的开关速度调整，如上所述，电压V1、V2等异相位的半个周期将足够激活液晶材料180，以旋转光的偏振面。
如上文所提到的，其他替换的装置和已知液晶材料可以把施加电压产生的结果倒转。例如，扭曲液晶材料180可以用于在电压下旋转偏振面，并当没有电压时不影响偏振面。
再次主要参照图5以及继续次要参照图4，通过偏振分束器116和70未被平面116和72反射的光束27′(p)的光能量在分段的辐射状SLM 50上会聚为傅立叶变换光学图案32。在分段的辐射状SLM中选择的有源光学段，例如段502、504、506、508可以旋转部分入射光束27(p)的偏振面，如上所述，从而为了由光电探测器80检测从FT光学图案32的所选部分中分离并隔离光能量。可以将计算机20编程以经线路198提供信号到分段的辐射状SLM 50，从而选择和调整特定段以显示特定图像12，14，...，n，例如段502、504、506、508的激活。也可以将计算机20编程，在激活分段的辐射状SLM 50的所选段时，通过线路29调整激光源23以产生需要的光能量24。
来自分段的辐射状SLM 50的反射光61(s)，如上所述，例如在从一个激活的段中反射的s平面中的偏振光连同p偏振的反射光一起，不向回通过偏振分束器70。相反，s偏振的反射光61(s)由偏振分束器70中的平面72反射到探测器80。镜头78将隔离的光束61(s)放大并会聚在光电探测器80的探测器阵列82上形成理想的尺寸。
如上文所提到的，光电探测器阵列82可以是如图5所示的诸如电荷耦合装置(CCD)的单个光传感器84的16×16阵列，或者为各种其他尺寸和结构。检测光61(s)的阵列82中各个传感器84的x，y坐标可以和光强度(I)信息一起通过线路86与计算机20或其他控制器或记录设备通信，其中该x，y坐标可以与关于图像12，14，...，n的信息和分段的辐射状SLM 50中激活的段的角度方向和/或径向位置的信息相关联，其中SLM 50将光束61(s)提供到检测器80。
上述空间滤波处理及其通过形状内容对图像12的特征描述在图6a-c、7a-c、8a-c、9a-c和10a-c中有更详细的说明。首先参照图6a，图1和2中的有源光学区域54用示例的扇区500，510，520，530，540，550，560，570，580，590，600，610，620，630，640，650显示在图6a中，但为了避免不必要的混乱，没有示出上述和图像1-3所示的导电迹线。如上文所提到的，扇区可以是任意想要的宽度或任意想要的角度方向，但一种方便、高效和有效的配置提供11.25°的扇区。例如，一个360°的圆周分为每个都是11.25°的32个扇区，180°的半圆分为每个都是11.25°的16个扇区。而且，如上面所提到的，在傅立叶变换光学图案32的任意半圆中的光能量分布与其相对的半圆对称。因此，在FT光学图案32的一个半圆，例如在从0°延伸到180°的半圆中，光能量图案的检测提供整个图像12′的有效信息，并且在从180°延伸到360°的相对半圆中光能量图案的检测提供同样的信息。因此，为了减少混乱和更好地容纳导电迹线(图1-3所示)，一些扇区可以位于光学区域54的一个半圆中，且其间具有容纳导电迹线的空间(图1-3所示)，而其他扇区可以位于与该其间的空间直接相对的光学区域54的相对的半圆中。例如，当圆周分为每个11.25°的32个扇区时，那些扇区中只有16个，比如扇区500，510，520，530，540，550，560，570，580，590，600，610，620，630，640，650必须为旋光的以检测入射到区域54中的所有光能量。所有此16个旋光扇区可以位于区域54的一个半圆中，或者如上所述，把一些旋光扇区放在具有插入的空间的一个半圆中，并且其他旋光扇区放在与插入的空间直接相对的相对半圆中会更方便和较不混乱。在图6a的例子中，任意八个扇区，例如由无源区域641、651、501、511、521、531、541分隔的扇区640、650、500、510、520、530、540、550位于区域54的一个半圆中，而也由无源区域561、571、581、591、601、611、621分隔的其余八个扇区560、570、580、590、600、610、620、630可以位于相对的半圆中，如图6a所示。当此排列中16个有源光学扇区500，510，520，530，540，550，560，570，580，590，600，610，620，630，640，650中每一个位于直接与无源区域相对的部分时，FT光学图案32(图5)的对称有效地使FT光学图案32中的所有光能量分布指向这些扇区。
该原理也有利于有效的分段辐射状SLM 50的设计和制造，因为对于每个有源光学扇区可以有相邻的无源扇区或可以放置导电迹线到段的区域，如返回参考图2和3所示。例如，有源光学段500和650之间的无源区域651可容纳分别对应于有源光学扇区500的各个段502、504、506的迹线503、505和507(图3所示)的放置。为了提供有源光学扇区检测入射到无源区域的光能量，例如图6a中有源光学扇区500、510之间的无源区域501，通过提供在与所述无源区域501直接相对的位置的有源光学扇区590而应用上述对称原理。因此，检测有源光学扇区590中检测到的光能量有效地检测到入射到扇区500、510之间的无源区域501上的光能量。为了取得与一个无源区域直接相对的有源光学扇区位置，有源光学扇区中的两个，例如扇区550、560彼此相邻放置，其间没有有效的无源区域，所以直接相对的无源区域631为其他无源区域的两倍大。因此，根据上述对称原则，FT光学图案32的所有光能量34(图5)基本上可以由十六个11.25°有源光学扇区500，510，520，530，540，550，560，570，580，590，600，610，620，630，640，650检测。
现在回到图6a，垂直角度方向任意指定为0°，所以水平角度方向为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大约为11.25°。从扇区640顺时针到扇区550的有源光学扇区的每个分别被11.25°的无源区域641，651，501，511，521，531，541隔开。因此，从扇区560顺时针到扇区630的每个有源光学扇区分别与无源区域561，571，581，591，601，611，621直接相对。因此，为了检测入射到有源区域54上的FT光学图案32(图4)中的所有光能量分布，可以由如上所述放置的11.25°扇区500，510，520，503，504，550，560，570，580，590，600，610，620，630，640，650以11.25°间隔进行检测。
例如，入射到中心在0°的垂直的11.25°扇区500，以及中心在180°的无源区域581中的光能量特性都可以通过有效地激活扇区500的有源光学段502、504、506、508来检测。入射到以191.25°为中心的11.25°扇区590以及以11.25°为中心的无源区域501的光能量特性可以通过激活扇区590的有源光学段而有效地检测，因为有源光学扇区590的中心直接与11.25°的无源区域相对。入射在中心在22.5°的11.25°的扇区510或中心在202.5°的无源区域591的光能量特性能通过激活扇区510的有源光学段而检测。入射到以33.75°为中心的11.25°的无源区域或以213.75°为中心的有源扇区600的光能量特性可以通过激活扇区600的有源光学段而检测，扇区600的中心213.75°与33.75°直接相对。入射在以45°为中心的11.25°扇区520或以225°为中心的无源区域601上的的光学能量特性可以通过激活扇区520的有源光学段而检测。入射到以56.25°为中心的11.25°无源区域521或以236.25°为中心的有源扇区610的光能量特性可以通过激活扇区610的有源光学段而检测，扇区610以256.25度为中心与56.25°直接相对。入射到以67.5°为中心的11.25°扇区530或以247.5°的无源区域611的光能量特性可以通过激活扇区530的有源光学段而检测。入射在以78.75°为中心的11.25°无源区域531或以258.75°为中心的有源扇区620的光能量特性可以通过激活扇区620的有源光学段而检测，扇区620以258.75°为中心与78.75°直接相对。入射在以90°为中心的11.25°扇区540或以270°为中心的无源区域621的光能量特性可以通过激活扇区540的光学段而检测。入射到以101.25°为中心的11.25°无源区域541或以281.25°为中心的有源扇区630的光学特性可以通过激活扇区630的有源光学段而检测，扇区630以281.25°为中心与101.25°直接相对。入射到以112.5°为中心的11.25°扇区550或直接相对的以292.5°为中心的无源区域631的光能量特性可以通过激活扇区550的有源光学段被检测。入射到以123.75°的11.25°扇区560的光能量特性。以303.75°为中心的无源区域631的直接相对部分可以通过激活扇区560的有源光学段而检测。入射到以135°为中心的11.25°无源区域561或以315°为中心的有源扇区640的光能量特性可以通过激活扇区640的有源光学段而检测，扇区640以315°为中心与135°直接相对。入射到以146.25°为中心的11.25°扇区570或以326.25°为中心的无源区域641的光能量特性可以通过激活扇区570的有源光学段而检测。入射到以157.5°的11.25°无源区域571或以326.5°为中心的有源扇区650的光能量特性可以通过激活扇区650的有源光学段而检测，扇区650以337.5°为中心与157.5°直接相对。最后，入射到以168.75°为中心的11.25°扇区580或以348.75°为中心的无源区域651可以通过激活扇区580的有源光学段而检测。
尽管示出和描述所有扇区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描述功能将是不必要的麻烦，但是示出和描述激活有源光学区域54中的有源光学段的数个典型例子的功能和活动结果对于理解本发明来说是有帮助的。因此，图6a通过描述来自入射到外部段508中并由外部段508反射的FT光学图案32的光能量34的带，示出有源光学扇区500的外部段508的激活。光能量34的这些带最初从具有较高空间频率的图像12′中基本上垂直方向的线、边缘、特征或细节发出并与其对应，比如图6b中保险杠和散热器护栅部分35的基本上垂直的线，它们分布在FT光学图案32中垂直方向径向最外部。如上所述，来自更复杂或间隔紧凑的垂直部分或线66(即，更高的空间频率)，比如在图像12′的前保险杠和散热器护栅部分35的那些部分的光能量从光学中心或轴40辐射状向更外分布，从而可通过激活垂直扇区500的外部段506、508检测到，而来自较不复杂、更加孤立或半孤立或更加分开的垂直部分、边缘或线(即，较低空间频率)，比如图6b中图像12′的后备箱和后保险杠部分中基本垂直的部分或线66′的光能量34，就分布在离光学中心或轴40的径向距离不很远的地方，并将更能被内部段502、504检测到。如上所述，那些各个分布带中光能量34的强度取决于图像12′中相应的各个垂直特征35、66、66′的亮度。再一次，如果需要，有源光学区域54的中心部分41可以忽略，因为傅立叶变换32(图5)的中心或轴40之中和附近的光能量54从图像12′中具有很低或实质上没有空间频率的特征发出，比如图像的整体亮度，这对确定形状如果有作用也很小。另一方面，如上所述，可以将中心部分41制造为一个有源光学部件，将入射在中心部分41的光能量捕获并反射到检测器80，作为整体亮度的测量，这对于校准、调整光源25(s)(图5)的亮度，校准探测器80中传感器84的强度(I)测量等可能是有用的。
当光能量带34由激活的外部段508反射时，通过偏振分束器70的滤波并投影在滤波后的光学图案60上到探测器80(图5)，该光学图案60包括图6c中概略示出的光能量的垂直线或带62的主要部分。如上所述，滤波后的光学图案60中的光能量由探测器阵列82中的光传感器84检测到。在每个传感器84上的光能量强度(I)与最好以x-y坐标表示的传感器(像素)位置，以及扇区500的角度方向(R)一起记录。也记录所激活的段508的径向位置或等级(S)，例如，作为上述的RIXSel值。这些值可以与关于特征化的图像12的信息联合保存在数据库102中，比如图像12的图像识别符(ID)，源位置(URL，数据库地址等)，数字格式、分辨率、颜色、纹理、形状、主题分类等。
为了进一步说明，在图7a中示出有源光学扇区500的接近内部的段504，选择该段以旋转来自FT光学图案32的光能量带34所选部分的偏振面，用于由偏振分束器70隔离并接着由光电探测器80检测。该接近内部的段504也在垂直方向的扇区500中，但它比在先前的例子中所激活的外部段508位置上或等级上径向更接近于光轴40。因此，当激活该接近内部的段504获取FT光学图案32中光能量34时，该能量也对应于图像12′的垂直行、边缘等，但对于这些行、边缘等，与由外部段508所选择的那些行和边缘相比空间频率更低。例如，并非是紧密间隔的垂直方向的保险杠和散热器护栅部分35，由接近内部的段504选择的FT光学图案32的光能量34具有的更多后备箱盖的更加空间半隔离的垂直边缘66′和类似半隔离的其他垂直线和边缘66的特点，其中该垂直边缘66′和该其他垂直线和边缘66在图6b的汽车图像12′中。因此，如图8c中的光学图案60所示，作为结果的滤波后的光束61(s)的光能量带62是图像12′中这些垂直形状内容66、66′的特征。
另一个FT光学图案32的光能量34的示例角度方向用图8a-c说明。将该例子中接近外部的段526激活以获取来自在垂直方向45°的角度方向辐射状延伸的线、边缘或特征的光。这些光能量34是图像12′中线、边缘或特征的特征描述，这些线、边缘或特征在大约45°延伸并具有一定空间频率，即未被隔离，比如可能是图8b中的窗侧柱(window post)和车顶支架67。这种图像12′中的45°方向的线具有甚至更低的空间频率，即，甚至是更孤立的，例如挡泥板和引擎罩边缘67′的部分可以更多地被接近内部的段524或内部段522获取，尽管有可能这种光能量中的一些也可以由接近外部的段506获取。具有这些45°角度方向形状内容的光学图案60的反射和滤波后的光束61(s)具有在大约45°方向的光能量带62，如图8c概略示出。这些光能量带62由用于光电探测器80的传感器84(图5)检测并记录以及存储为图像12′的45°方向形状内容的的空间频率的特征描述。
图像12′的线、边缘和特征68、68′的水平部分的获取和检测通过从垂直0°朝向90°的水平扇区540的一个或多个段542、544、546、548的激活而实现。由水平扇区540中任一激活的段542、544、546、548反射的光能量34的部分，是如图9b所示的图像12′的所有基本水平的特征、部分和线68的特征描述。图像12′中一些弯曲的特征、部分或线具有的部分或线段68′也是基本上水平的，所以这些水平部分或线段68′也提供有图9a中水平扇区540所反射的光能量34。从图9a的一个激活的段542、544、546、548的水平方向产生的图9c所示的滤波后图案60的光能量带62也基本上为水平方向，并表示图像12′的一些或所有基本上水平方向的形状特性68、68′。再次，将内部段542、544激活以检测分布在更接近光轴40的FT光学图案32的光能量带34，因此是图像12′的较低空间频率、水平形状内容的特征描述，而较高空间频率、水平形状内容可以通过激活水平扇区540的外部段546、548而检测。因此，如上所述，由探测器阵列82(图5)进行的图9c中光能量带62的检测促进图像12′的水平形状特性的编码和记录。
在图10a中描述另一个示例的扇区590中激活的段598，以说明上述该对称的光能量检测特征。如上所述，入射在有源光学扇区500、510之间的无源区域上的FT光学图案32的光能量带34与直接相对的光能量带34对称，该直接相对的光能量带34入射到扇区590中的有源光学段529、594、569、598中。因此，如图10a所述的一个段的激活，例如外部段598，将使得直接相对的、入射在各个扇区500、510的段508、518之间的相等的光能量34的有效检测可以进行。同样，任何其他段592、594、596的激活使得入射到有源扇区500和510之间的无源区域501上的光能量的其他直接相对部分的有效检测可以进行。因此，检测图10a中示例的中心在191.25°的扇区590上的光能量34等效于检测入射到以11.25°为中心的无源区501上的光能量34。如图6a和7a所示和以上所述，相对一方也保持，即入射到垂直扇区500上的光能量34的检测，等效于检测入射在有源扇区580和590之间的无源区域581上的FT光学图案32的光能量。
再次参照图10a-c，在扇区590中检测的光能量34对应于形状内容69，比如图像12′中基本上在大约191.25°方向的的线、边缘、曲线部分等，该线、边缘及曲线部分是线性的，也可以表示为在大约11.25°的方向上。反射和滤波后的光学图案60中的光能量带62也具有相同的角度方向，这是图像12′的线性形状内容的特征描述，图像12′具有该角度方向，并如果由外部段596、598反射则具有较高的空间频率，如果由内部段592、594反射就具有较低的空间频率。如上所述，从FT光学图案32的这些各种反射部分产生的光学图案60由探测器阵列82中的传感器84检测以记录并存储。
现在应当很清楚，有源光学区域54中扇区的段的任意特定角度方向R可以检测图像12′中所有基本上具有相同角度方向R的形状特征描述。也应当清楚，段的辐射状向外的间距或等级(S)涉及这种形状特征描述的空间频率。因而，图像12′的所有形状特性可以通过检测各个滤波后图案60的带62而检测，其中该带62在所有角度方向都具有段。但是，如上所述，对于大多数的用途来说，通过选择检测滤波后图案60中某些所选角度方向的增量或旋转R的光能量带34，以检测一些、最好是大部分但不必要检测全部图像12′的形状特征描述就足够了。显然，检测光能量带34的扇区的角度方向增量越大，图像12′检测的形状特征描述或内容的精度将越低。另一方面，角度方向增量越小，就将必须处理更多的数据。因此，当选择光能量带34将被检测和记录的扇区的角度增量时，希望在所需和想要的形状特征描述的精度和处理此精度所需的数据处理和存储的速度和效率之间达到某种平衡。例如，但不限于此例，认为在大约5到20度范围内，最好是11.25度左右的角度增量的形状特征的检测和记录对大多数用途来说就足够了。而且，检测的角度区域可以改变。例如，即使有源光学扇区以11.25°角度方向增量检测形状特征，有源光学扇区也可以或多或少更窄，比如在3°到8°之间，就将滤除扇区之间的FT光学图案32的一些光能量。但是，如本说明书其他部分所述，扇区或其他辐射状延伸的扇区之间的无源区域光能量的此损失可能不是对本发明不利的形状特征描述，这取决于对于特性问题或目的技术的特殊应用。
上述楔形有源光学扇区和扇区的段不用辐射状延伸，一种替换的结构可以包括图11中概略说明的辐射状延伸的、矩形有源光学调制器。这些矩形调制器500′，510′，520′，530′，540′，550′，560′，570′，580′，590′，600′，610′，620′，630′，640′，650′可以与上述楔形扇区在相同或不同的角度方向，并且每个角度方向可以包括几个矩形有源光学段，比如段502′、504′，506′，508′。该结构不能像上述楔形段和扇区获取那么多的入射到FT光学图案32(图5)的光能量，但形状分辨率可以更高。
在图12中说明另一个虽然效率更低的实施例，在图中用虚线表示想要的扇区和段，可以通过同时激活空间光调制器的像素阵列700类型中所选光调制器元件702的组来形成。例如，一个垂直扇区500″的虚拟外部段508″可以通过同时激活光调制器像素元件602的段组508″而激活。尽管对于执行该类型有多功能的优点，但与上述更简单的结构相比，其复杂度和成本可能超过这种优点。
尽管与图4的横截面结合的上述反射空间光调制器结构可以应用到所有上述的分段辐射状SLM 50的结构中，图13示出的一种替换的透射空间光调制器结构50′也可以用在每种结构中。在该实施例50′中，金属反射层186、188由透明导电层186′、188′所替代，比如氧化铟锡(ITO)或其他多种公知的透明导电材料中的任一种。因此，入射27(p)可以或可以不旋转其偏振面，这取决于电压V+是否施加到层186′或188中之一′，但若不被反射的话，光透射过设备50′，作为光能量61(s)或61(p)发射，如图13所示。该设备围绕在基底56的边缘安装，所以基底56不干涉光61(s)和61(p)的传播。因为光只通过液晶材料180′一次，所以将需要一种与图4实施例的液晶材料180不同的液晶材料180′和/或不同厚度的液晶材料。但是，这种材料及其应用很容易获得并在本领域是公知的，并本领域技术人员一旦理解了本发明的原理就能实现。而且，由于光61(s)为透射而不是反射，偏振分束器70(图5)也将必须位于图13的分段辐射状SLM 50′的后面而不是前面。但是，该修改也可以很容易的由本领域技术人员实现，因此没有明确的在图5中示出。
当建立图5中SLM 26的图像12′，14′，...，n′的光学图案时，根据本发明的形状特征描述、处理、存储、搜索、比较和匹配图像的精度、多功能和效率可以通过图像12，14，...，n的一些预处理来增强。进行这种预处理的一种特别有效的方法是把该图像“重影”(ghost)，以使更多的光能量进入光学图案12′，因此也使更多的光能量进入FT光学图案32。
现在参照图14a-c，本发明的重影处理首先用一个简单点的图像内容表示，比如打字的句点600，它在图14a中被很大程度上放大表示。计算机20(图5)或其他微处理器可以首先建立只有点600的边缘602的一幅图像，如图14b所示。可以在市场上获得无数边缘检测软件程序以执行此边缘检测任务，比如可从11500 Mopac Expressway，Austin，Texas.的国际仪器公司(National Instrument Corporation，)获得的Labview IMAQTM。当然，更复杂的图像12，14，...，n将具有更多的边缘内容。图像12，14，...，n无边缘内容的去除不降低本发明的形状内容特征描述功能或性能，因为边缘确定形状特征并产生可检测的FT光学图案32。如上所述，图像的无花纹、均匀、不改变部分，比如图像12′中汽车的侧板36或风景图片14中清楚的蓝天无助于对这种图像的重要可检测形状内容。如上所述，来自这种图像的无花纹、均匀、不改变的部分的光能量倾向聚焦于或非常接近傅立叶变换光学图案32的光轴40，因此，将主要入射到分段的辐射状SLM 50(见图2)的中心部分41上，并且如上所述，将是完全未检测或只检测以确定图像的背景亮度。
在将图像600转换为图像600的边缘内容602的光学图案后，如图14b所示，通过产生边缘内容602的多个重影图像602而使其产生重影。例如，如图14c所示，产生多个重影图像602A，602B，602C并加入到边缘图像602的光学图案中。在该例子中，从原始边缘图像602向外的第一径向距离r1以45°角度增量加入第一组八个重影图像602A。第二组另外八个重影图像602B从重影图像602A向外的另一个径向距离r2以45°增量加入，并且第三组八个重影图像602C以另一个径向距离r3以45°增量加入。重影图像602A，602B，602C中的每个具有与原始边缘图像602相同的形状和相同的尺寸。因此，尽管图14c的重影图像602′比图像14b的边缘图像602有更多的光能量和更高的空间频率，但没有新的形状内容。因此，在FT光学图案32(图5)中的光能量34将有更宽的径向分布和强度增加，这可以用分段的辐射状SLM 50和探测器80检测到。更高强度的光能量使得探测器80中的传感器84更容易检测由分段的辐射状SLM 50转向到探测器80的光能量。
由于在图14c的重影图像602′中存在较高空间频率的内容，与图14b的无重影图像602相比，FT光学图案32中光能量的更宽的辐射分布也将使得由传感器84(图5)所检测的光能量的记录像素精度略低，因此与取代重影图像602′的、通过在SLM 26上产生图像600或602而获得的相比，对图像600或602而言独特性更少。但是，在分辨率能力上的这一降低实际上可以变成对于搜索和比较应用的优点，这些应用更想得到近似匹配和匹配。如图14c所示，初始边缘图像图案602是亮的，最近的一圈重影边缘图像602A的亮度稍低，下一圈重影边缘图像602B的亮度更低，并且最外圈的重影边缘图像602C的亮度仍然更低。但是，重影图像602A，602B，602C增加图像602′的空间频率，从而使得FT光学图案32中光能量带34的分布更加辐射状，所以，从重影图案602′的中心的初始边缘图像602产生的光能量带34的部分，比从重影图像620A，602B，602C产生的光能量带34的部分更亮，即更强。因此，尽管探测器阵列82的更多传感器84将检测从分段的辐射状SLM 50反射到探测器80的光能量用于重影图像602′，感应最高强度(I)光能量的传感器84将是对应于初始边缘图像602的传感器84，如上所述，那些强度可以记录并保存以用于将来存取、分析、搜索、匹配和/或检索。其他传感器检测到的从最近一圈重影图像602A发出的光能量的更低的强度也被记录和保存，像那些由其他传感器84感应的其他圈的重影图像602B，602C发出的更低的光强度一样。因此，在与其他图像的搜索和匹配处理中，对图像的最亮或最高强度的匹配将表示各个图像相同的最大可能性。如果不能找到最亮和最高强度像素、RIXel或光学图案其他记录的如上述特征的这种匹配，则与对应于重影图像602A，602B，602C的更低强度的比较可以试图找到接近的匹配。
重影处理很简单并可以调整以获得理想的结果。实际上，一个软件程序可以简单地应用，以相对于这些像素的所选位置、所选距离和所选角度方向再现一幅图像的每个像素，如图14a-c中点600的简单例子中所述。图15a-c中以房子形状中的稍微更复杂的图像610示出此重影处理的一个例子。房子图像610的均匀或无特征区域的边缘在边缘图像612中找到并产生，如上所述，它保持图像610的形状内容。如图14c所述，上述重影处理接着应用到边缘图像612中，以在选定的距离、角度方向和产生重影图像612A，612B，612C，并且随着距初始边缘图像612更远，进一步降低重影图像612A，612B，612C的亮度。
本发明的重影处理也可以应用到如上所述的没有找到或生成边缘的图像中。但是，将需要由计算机20或其他处理器进行更多的像素处理，并且产生的形状分辨率可能不清晰。
由于上述方法和实施例的这些和许多其他修改和组合对本领域技术人员来说很容易产生，所以不希望限制本发明为以上表示和描述的准确的结构和处理。因此，例如，在随后的权利要求所确定的本发明的范围内可以凭借所有适合的修改和等效物。词语“包括”、“包含”用在本说明书和随后的权利要求中时，意图详述所提出特征或步骤的存在，但它们不排除一个或多个其他特征、步骤或其组的存在或增加。

Claims (24)

1、一种表现图像的形状内容的特征的方法，包括：
产生一个具有光学能量的该图像的傅立叶变换光学图案；
通过从多个角度方向的该傅立叶变换光学图案的离散部分选择光能量，对该傅立叶变换光学图案的光能量进行空间滤波，并把这些离散部分与傅立叶变换光学图案的其他部分分离，以从那些分散部分产生多个光能量的滤波后图案；
按照在各个角度方向的该滤波后图案中的分布，检测光能量的强度；以及
和该各个角度方向一起存储在该滤波后图案中检测的光能量强度。
2、如权利要求1所述的方法，包括：
将所述傅立叶变换光学图案聚焦到一个空间光调制器的有源光学区域上；
有选择地激活所选角度方向的所述空间光调制器的部分，以旋转该傅立叶变换光学图案的光能量的所述离散部分的偏振面；
把偏振面旋转的光与偏振面没有旋转的光分离；以及
检测已经旋转偏振面的光强度。
3、如权利要求2所述的方法，包括在与所述傅立叶变换光学图案光轴的不同径向距离以及所述角度方向的选定的段，有选择地激活所述空间光调制器的部分。
4、如权利要求2所述的方法，包括有选择地激活所述空间光调制器的部分，以旋转所述傅立叶变换光学图案中光能量的偏振面，其中该光能量入射到该空间光调制器的有源光学区域的所选扇区中。
5、如权利要求4所述的方法，包括有选择地激活所述空间光调制器的部分，以旋转所述傅立叶变换光学图案中的光能量的偏振面，其中该光能量入射在该所选扇区的所选段上。
6、如权利要求1所述的方法，包括：
在被表现特征的所述图像周围产生多个重影图像，每个重影图像具有与被表现特征的该图像基本相同的形状内容；以及
与被表现特征的该图像一起从该重影图像中产生所述傅立叶变换光学图像。
7、如权利要求6所述的方法，包括产生所述重影图像，每个重影图像比所述被表现特征的图像具有较少光能量。
8、如权利要求6所述的方法，包括复制包含所述被表现特征的图像的原始像素，并从它对应的原始像素起将每个这种复制像素偏移到距原始像素相等的距离和角度方向，以建立一个重影图像。
9、如权利要求8所述的方法，包括在所述被表现特征的图像周围以对称的方式散布多个重影图像。
10、如权利要求6所述的方法，包括：
在被表现形状内容的边缘图像特征的所述图像中寻找形状内容的边缘；
复制包括该边缘图像的原始像素；以及
从其对应的原始像素起将每个这种复制像素以距原始像素相等的距离和角度方向偏移，以建立一个重影图像。
11、如权利要求10所述的方法，复制比所述边缘图像的对应像素具有较少光能量的包括所述重影图像的所述像素。
12、一种光学图像形状内容特征描述装置，包括：
一个傅立叶变化透镜，具有在焦距上的焦平面中的焦点；
一个空间光滤波器，包括：(i)一个滤波器空间光调制器，在位于中心轴与焦点一致的傅立叶变化透镜的焦平面上的中心轴周围具有一个有源光学区域，所述有源光学区域包括离散的有源光学部件，它们可以有选择地激活，以有选择地旋转或不旋转相对于中心轴入射到各个角度方向上的光的偏振面；和(ii)一个偏振分析器，它可以分离在一个平面上偏振的光与在另一个平面上偏振的光；
一个图像产生空间光调制器，具有相关的单色光源，其中图像产生空间光调制器为可寻址的，以在一个具有来自该相关单色光源的光的光学图案中产生一幅图像，将所述图像产生空间光调制器定位，通过该傅立叶变化透镜投影此单色光的图像光学图案以在该傅立叶变化透镜的焦平面上形成该图像光学图案的傅立叶变换光学图案；以及
一个光电探测器，将其定位以接收由该空间光滤波器滤波后的光，所述探测器包括一个传感器阵列，可以检测该滤波后的光的光能量强度的滤波后图案。
13、如权利要求12所述的光学图像内容特征描述装置，其中所述离散的有源部件相对于所述中心轴在各个角度方向上以向外辐射延伸的方式，放置在所述有源光学区域中。
14、如权利要求13所述的光学图像内容特征描述装置，其中所述离散有源部件包括所述有源光学区域的各个扇区。
15、如权利要求14所述的光学图像内容特征描述装置，其中所述离散有源部件包括所述扇区的各个可寻址段。
16、如权利要求15所述的光学图像内容特征描述装置，其中所述各个可寻址段相对于中心轴辐射状放置以形成所述有源光学扇区。
17、如权利要求13所述的光学图像内容特征描述装置，其中所述离散有源部件包括相对于所述中心轴辐射状延伸的矩形部件。
18、如权利要求13所述的光学图像内容特征描述装置，其中所述有源光学区域包括有源光学元件的矩形空间光调制器阵列，并且所述离散有源部件包括这种元件的矩形阵列的有源光学元件，它们在相对于所述中心轴辐射状延伸的这些元件的组中可以间隔激活。
19、一种空间光调制器，包括在中心轴周围的有源光学区域，所述有源光学区域包括相对于该中心轴在各种角度方向上辐射状延伸的多个有源光学调制器。
20、如权利要求19所述的空间光调制器，其中每个有源光学调制器包括所述有源光学区域的一个扇区。
21、如权利要求20所述的空间光调制器，其中每个扇区包括单独可寻址的多个有源光学段，该多个有源光学段的定位使得其在所述角度方向之一连续延伸。
22、如权利要求19所述的空间光调制器，其中每个有源光学调制器是矩形的。
23、如权利要求22所述的空间光调制器，其中每个矩形有源光学调制器包括单独可寻址的多个有源光学段，该多个有源光学段的定位使得其在所述角度方向之一连续延伸。
24、如权利要求19所述的空间光调制器，其中所述有源光学区域包括光学传感器的一个矩形阵列，并且每个有源光学调制器包括一组该光学传感器，它们可同时一起启动以调制光，并且在该组中一起配置为形成一个相对于所述中心轴辐射状延伸的所述有源光学元件组合。
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