DE2004263A1

DE2004263A1 - Optisches Vielkanalsystem fur die Zeichenerkennung

Info

Publication number: DE2004263A1
Application number: DE19702004263
Authority: DE
Inventors: G Groh
Original assignee: Philips Patentverwaltung GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 1970-01-30
Filing date: 1970-01-30
Publication date: 1971-08-05
Also published as: JPS5742865B1; US3751132A; CA946199A; GB1354182A; NL7100929A; SE374220B

Description

Dr. Herbert Schofa
Patentanwalt

Anmelder: Philips Patenfverwciliung GmbH.

Akte No, PHD- 1371
Anmeldung vom: 28.JaH.l970

Philips Patentverwaltung GmbH, 2 Hamburg 1, Mönckebergstr. 7 "Optisches Vielkanalsystem für die Zeichenerkennung"

Die Erfindung bezieht sich auf ein optisches Vielkanalsystem für die Zeichenerkennung mit optischen holographischen Filtern. Die dort erzeugten Ausgangssignale geben ein-Maß für die Ähnlichkeit des in dem jeweiligen Filter gespeicherten Zeichens mit dem untersuchten Zeichen und können wahlweise entweder einzeln verarbeitet oder nach vorgebbaren logischen Verknüpfungen zu neuen Signalen zusammengesetzt werden«

Optische Verfahren zur Zeichenerkennung sind grundsätzlich bekannt (s.'z.B. A. van der Lugt; A review of optical data-r· .

processing techniques j Optica Acta IJL -0968) 1-53.

T.S.Huang! Image enhancementj a review, Opto-Electronics J[

(1969) 49-58), Bei der Mehrzahl der Verfahren wird -dabei

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mit einem Filter jeweils nur nach einem Zeichen gesucht. Da man jedoch z.B. beim Lesen von Buchstaben verschiedener Drucktypen oder beim Identifizieren von .Fingerabdrucken eine Vielzahl von Filtern durchprobieren muß, ist der Zeitaufwand erheblich, zumal diese Filter sehr sorgfältig justiert werden müssen. Um diese Schwierigkeiten zu vermeiden, sind daher verschiedentlich Multiplex-Systeme vorgeschlagen worden, bei denen gleichzeitig eine Vielzahl von Filterkanälen abgefragt wird.

Bei einer Anordnung (D.Gabor: Character recognition by holography, Nature 208 (1965) 422-423) werden eine Vielzahl von Filterfunktionen in Form von Hologrammen auf einer einzigen photographischen Platte überlagert. Jedes einzelne Hologramm hat dabei die wesentlichen Ausführungsformen eines Zeichens (Buchstabens) als deren räumliche Fourierspektren gespeichert. Da bei der Aufnahme dieser Hologramme codierte Referenzquellen verwendet v/erden, entstehen durch, den FiI-terprozeß entsprechende Lichtverteilungen in der Detektorebene, die den einzelnen Buchstaben zugeordnet werden können. Von Nachteil bei diesem Verfahren ist die durcli den geringen Aussteuerbereich photographischer Materialien begrenzte Anzahl von Hologrammen, die überlagert werden können. Diedor Umstand wirkt sich besonders ungünstig bei Hologrammen der räumlichen Fourierspektren der Objekte aus, deren in rier Regel sehr intensiven tiefen Raumfrequenzen ohnehin schon c}aa photographische Material stark überlichten.

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Ähnliche Schwierigkeiten treten bei zwei anderen Multiplex-Systemen auf. Bei dem ersten werden die verschiedenen Kanäle dadurch unterschieden, daß die Filter um unterschiedliche Winkel um die optische Achse rotiert sind (J_eD„Armitage, , A.W.Xohmann: Theta modulation in optics, Appl,Optics .4 (1965) 399-403)· Dieses Verfahren setzt u.a. voraus, daß die Winkelorientierung des zu' identifizierenden Zeichens "bekannt ist. Bei-dem zweiten Verfahren werden die Ausgangssignale verschiedenen Trägerfrequenzen aufmoduliert und so unterschieden | (A. van der Lugt: Practical considerations for the use of spatial carrier-frequency filters, Appl.Optics 5, (1966) 1760-1765). Hierbei ist Voraussetzung, daß die Position 6es zu identifizierenden Zeichens in der Eingabeebene bekannt ist·.

Ein großer Teil dieser Schwierigkeiten wird bereits in einem vorgeschlagenen optischen Multiplex-Filtersysteia vermieden. Hierbei wird die Information mit Hilfe eines sog. Pupillen- '> vervielfachers auf eine Anzahl von Kanälen verteilt., die jeweils nur eine Filterfunktion gespeichert enthalten, _λ1ο ' Pupillenvervielfacher dienen dabei Punkt ho Io gramme, givt.erähnliche Beugungsstrukturen oder Systeme von doppe!brechenden Prismen. "

Ein ähnliches System, bei dem jedoch "die Aufspaltung in verschiedene Filterkanäle auf eine neue Yteise vorgenommen wird, wird durch die vorliegende Erfindung beschrieben.

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Gemäß der Erfindung wird das bekannte Fourierspektrum des zu untersuchenden Zeichens im Bereich verschiedener, räumlich getrennter Filter entworfen, indem eine Matrix von beleuchteten Lochblenden in die Filterebene abgebildet wird..Dabei ist es von Vorteil, wenn die einzelnen Lochblenden, z.B. wechselseitig inkohärent beleuchtet werden.

Der wesentliche Vorteil der Erfindung im Vergleich mit bekannten Anordnungen liegt in der Möglichkeit, die sehr schwierig zu % erzeugenden Filterfunktionen räumlich getrennt anzuordnen, obwohl die einzelnen Kanäle eine gemeinsame Eingabeebene besitzen. Trotzdem sind die Kanäle aufgrund der in vorliegender Erfindung beschriebenen Ansteuerung wechselseitig kohärent. Bei Ansteuerung mit einem Lichtablenker hat man außerdem in dem einzelnen Kanal jeweils die gesamte Lichtintensität zur Verfügung.

Die Erfindung wird anhand von zwei Beispielen beschrieben. · Fig. 1 zeigt ein optisches Vielkanalsystem, bei dem die einzelnen Kanäle zeitlich nacheinander mit Hilfe eines elek- W ironisch steuerbaren, vorzugsweise digitalen LiGhtablenkers angesteuert werden. Der von einer kohärenten Lichtquelle (Laser) 1 ausgehende Strahl durchläuft einen Strahlteiler 2 und wird von dem Lichtablenker 3 in eine von η verschiedenen Richtungen gelenkt. Der abgelenkte Strahl 4 wird dann mit Hilfe der Kombination aus Feldlinse 5 und Facettenlinse 6

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auf eines von η Elementen der Lochblenäeninatrix 7 fokussiert. Mese Lochblende wird mit Hilfe der eigentlichen Pouriertrans formationslinse 8 in die Filterebene 9" abgebildet. Befindet sich in der Austrittspupille der.'.-Linse S ein transparentes

Objekt (Zeichen) 10, so wird bekanntlich in der Filterebene anstelle des Lochblendenbildes das Pourierspektrum des Objekte erzeugt. Aufgrund der' vorliegenden /Erfindung kann dieses jetzt einfach und schnell auch an alle übrigen Steiles in der Filterebene gebracht werden^ an denen, die Courier- *

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transfor'mationslinse 8 'ein Bild eines Elementes der Lo.cnblendenmatrix erzeugt« Dazu wird nur die betreffende-"Lochblende der Matrix 7 mit Hilfe des !»iehtabienkerer 3 angesteuert Bevor jedoch der eigentliche Filterprozeß beginnen- kaan, muß in der Pilterebene 9 die Information über die Zeichen einge-· sehrieben werden, nach denen später gesueht werden soll» Hierzu wird ,ZaB. eine photographische Platte in die PiXter— ebene 9 gebracht, auf der nacheinander die Mlterholograiaae von versehiedenen ,> ■"."."". Objekten 1<J_;. aufgezeichnet -werden,., indem deren an verschiedenen Stellen entworfenen Fourierspektren eine allen gemeinsame Heferenzwelle 11 kohärent überlagert wird. Biese wird in an sich bekannter Weise mit dim Strahlteller 2 dem Umlenkspiegel 12 und der Linsen-LoQhblenden-Kombination 13 aus dem Laserstrahl abgeleitet» Bei der Auf nähme der Jllteraatrix 9 wird swsekmäSig -mit Hilfe -feiner. ..verschiebbaren "Blend.eaiaf.fnwag H' jeweils nur die Fläch® des jeweils angesteuerten Matrixelssentaa frei-» gegeben, während der übrige Seil' gegen die Baferexutweile"abgedeckt, wird. . ..." '"_"..-■ _ - ~

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Für die eigentliche Zeichenerkennung wird diese Blende 14 ebenso wie die zur Erzeugung der Referenzwelle verwendeten Strahlteiler 2, Umlenkspiegel 12 und Kombination 13 nicht mehr gebraucht. Das Fourierspektrum des zu identifizierenden 3eiohenj3 10 wird mit Hilfe des Iichta"blenkers 5 nacheinander auf die einzelnen illter in der Ebene 9 projiziert. V/ie allgemein in der Holographie bekannt, erhält man dann niit Hilfe einer Abbildungslinse 15 an Stelle des reellen Bildes der * Referenzquelle die Kreuzkorrelationsfunktion des Zeichens mit dem im jeweiligen Filter gespeicherten Zeichen, Deren maximale Intensität wird mit einem Photodetektor 16 detek-siert. Sie ist am größten, wenn untersuchtes und gespeichertes Zeichen identisch sind. Da letzteres durch die voia Licht ablenker angesteuerte Strahlrichtung vollständig definiert ist, ist dieses Intensitätsmaximum eindeutig einem der in der ?il^er- matrix gespeicherten Zeichen zugeordnet.

) Durch den Einsatz des Liehtablenkers wird jede -iechanische Bewegung von Komponenten während des eigentlicher ΛΙϊογ-prozesaes vermieden. Daher ist es bein gegenwärtigen üxand der Technik möglich, ca. 1000 Filterproze3se, Lei denen je ca. 10 Bildpunkte verarbeitet werden, innerhalb von 1 mseo durchzuführen. Ein weiterer Vorteil ist dabei, dtvc die aus den verschiedenen Kanälen kommenden Liohtverteilunjoji nickt miteinander interferieren können, da sie nacheinander erzeugt werden. Bei der einfacheren parallelen Ansteuerung

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der Kanäle, könnten infolge destruktiver Interferenz gerade die zu detektierenden Intensitätsmaxima ausfallen.

Bevor jedoch eine andere Möglichkeit zur inkohärenten Überlagerung der Ausgangs signale bei dieser Art von Vielkanal*- systemen beschrieben wird, soll auf die besonderen Merkmale einiger im bisher geschilderten Aufbau verwendeten Kompo-· nenten hingewiesen werden..

'.'■"■ Die Feldlinse 5 bildet die Austrittspupille des Lichtablen- Ί leere 3 in die Eintrittspupille der Fouriertransformationslinse 8 ab und. sorgt so für eine gleichmäßige Ausleuchtung der Eingabeebene 10, die weitgehend unabhängig von der Lage

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des jeweils angesteuerten Filterkanals ist. Durch die Einführung der Facettenlinse 6 werden die Forderungen an das Auflösungsvermögen des Liehtablenkers erheblich vermindert. Gleichzeitig erhöht sich bezogen auf die Lichtintensität der Wirkungsgrad de's Systems.

Die schärfsten Anforderungen werden an die Foüriertransformationslinse 8 gestellt. In dem oben angeführten Beispiel, be i dem 1000 mit Fernsehqualitat (10 Bildpunkte) aufge ze i chnete Zeichen verarbeitet werden, muß sie 10 Bildpunkte mit gutem Auflösungsvermögen abbilden können. Diese Forderung kann gemäß vorliegender Erfindung-und in Anlehnung an einen früheren Vorschlag (0.H.F.Velzel, Uat.Lab.) etwas gemildert werden, indem man die korrigierenden Eigenschaften des

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Filterhologramms ausnutzt. Dazu werden die Filterhologramme mit derselben Fouriertransformationlinse 8 "und in derselben Anordnung aufgenommen, mit der sie später auch bei der Zeichenerkennung benutzt werden. Mann kann > dann theoretisch zeigen, daß nur noch die Änderungen der Abbildungsfehler in die Qualität der Filterung eingehen, die entstehen, wenn das zu identifizierende Objekt (Zeichen) eine andere Lage und Orientierung in der Austrittspupille der Linse 8 hat ale das bei der Herstellung des Filters benutzte. Diese sog. differentiellen Abbildungsfehler können aber kleiner gemacht werden als die absoluten und sind daher weniger einschränkend.

Die Anforderungen an das Auflösungsvermögen der Abbildungs,-linse 15 sind geringer. Im allgemeinsten Anwendungsfall, bei dem das zu untersuchende Objekt 10 aus vielen nebeneinander angeordneten Zeichen besteht, von den einige identifiziert und ihre Positionen angezeigt werden solleji (z.B. Zahlen in einem Formular), ist der Detektor 16 als Katrix von einzelnen Elementen ausgebildet oder man benutzt eine Fernsehaufnahmeröhre, um die Lage der Intensitätsmaxima zu bestimmen. Dann muß das Auflösungsvermögen jedes einzelnen von einem Filter angesteuerten Ausschnitte der Linse 15 mindestens dem Auflösungsvermögen der Detektormatrix 16 entsprechen. -

Bin weiteres Ausfiihrungebeispiel der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 2 dargestellt, die nur den eigentlichen Pilterprqzeß zeigt. Der wesentliche Unterschied zu dem in Abbildung 1 dargestellten System besteht in der -Art der Ansteuerung der Loohblendensatriat. Der vom Laser 1 ausgehende strahl wird

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mit Hilfe der Iiinfien-Iooliblenden-Kombination 17 in eine divergierende Kugelwelle 18 umgewandelt. Ähnlich wie in Abbildung 1 wird dann die Lochblendenm&trix: 7 über die Feld-

linse 5 und die Facettenlinse β ausgeleuchtet. Nur werden ■» hier (in Abb. Z) alle Loohblenden und damit alle Filterkanäle gleichzeitig angesteuert. Um trotzdem die aus den ,verschiedenen Kanälen stammenden Signale inkohärent zu überlagern j wird vorzugsweise zwischen Feldlinse 5 und der ' Facettenlinse 6 eine Matrix von Phasenmodulatoren 19 in den | Strahlengang gebracht» Durch geeignete Steuerung lassen sich.. die Phasen der die einzelnen Iioehblenden beleuchtenden Wellenfronten zeitlich so ändern, daß die durch die überlagerung der von verschiedenen Lochblenden ausgehenden Wellenfronten entstehenden Interferenzen sich über die Detek- ' " tionszeit ausmitteln.

Eine solci|e"iiai;rix von Phasenmodulatoren.kann z.B. mit Hilfe von elektrooptischen oder magnetooptischen Materiaiien verwirklicht werden, die bei Anlegen eines elektrischen oder magnetischen Feldes den Berechnungsindex für bestimmte Polarisationariehtungen ändern. Es ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung äuoh möglich₉ die Phasen durch mechanisehes Bewegen einer Glasplatte au modulieren, auf der sich eine Matrix von' transparenten Plättchen mit statisch sehwankender Dicke?befl&den. Wichtig ist dabei nur» daß die Verteilungsgeom@trie der 'Anordnung der Binzellinsen■in der

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Faoettenlinse 6 entspricht und die einzelnen Plättchen homogen und mindestens von der Größe der Einzellinsen sind«

Die übrige Anordnung entspricht .Fig. 1. Die Fouriertransformation des transparenten Objektes (Zeichens) 10 wird mit Hilfe der Linae 8 in der Filterebene erzeugt, in der sioh eine Matrix von Filterhologrammen 9 befindet. Die Ausgangssignale werden mit der Linse 15 auf die Detektorma-

P trix 16 abgebildet. Da jetzt jedoch alle Kanäle gleiohzeitig angesteuert werden, ist es möglich, über mehrere Ausgangssignale zu summieren und ähnlich wie bereits vorgeschlagen logische Verknüpfungen durchzuführen. So kann man bei der Herstellung der Filterhologramme mit verschiedenen Referenzquellen 20, 21 arbeiten und durch die Wahl ihrer Positionen erreichen, daß ihre Bilder in der Detektorebene nur dann räumlich zusammenfallen, wenn bei der zu verarbeitenden Bildvorlage bestimmte Details

* gleichzeitig und in einer vorgegebenen Anordnung vorkommen. Wegen der wechselseitigen Inkohärenz erhält man einfach die Summe der Intensitäten. Mit einem den Detektoren nachgeaehalteten Amplitudendlskriminator kann man diese Summensignale von den übrigen trennen«

Solche Verknüpfungsmögliohkeiten sind von Bedeutung, wenn man zwischen Zeichen unterscheiden will, die ähnliche Strukturelemente enthalten, wie etwa die Buchstaben o, p, 1. Ein Filter des Buohstabens ρ wird sowohl beim ο als auch beim 1

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ein Signal abgeben. Verteilt man dagegen die struktur de·* tails ο und 1 von ρ auf zwei Filter, deren Ausgangssignale nur zusammenfallen, wenn ο und 1 in der bei ρ gegebenen Weise zusammenhängen, so lassen sich die Zeichen ·, leichter unterscheiden« ·

Diese beiden Aüsfiüirungsbeispiele sollen die Erfindung veranschaulichen ι beschreiben sie "jedoch nicht erschöpfend. So sind verschiedene Modifikationen und Kombinationen,mög- J lieh, die auf den gleichen Grundgedanken beruhen. Man kann z.B. mit dem in Fig. 1 dargestellten System logische Verknüpfungen in dem eben beschriebenen Sinn durchführen, wenn man nur die Integrationszeit dBr Detektorelemente langer wählt als die Abtastzeit des Lichtablenkers je Kanal. Vor-und Nachteile müssen im Einzelfall bezogen auf die jeweilige Anwendung gegeneinander abgewogen werden.

Patentansprüche:

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Claims

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Pa tentansprUohe

1. Optisches Vielkanalsystem für die Zeichenerkennung mit holographischen Filtern, dadurch gekennzeichnet, daß das Pourierspektrum des zu untersuchenden Zeichens im. Bereich verschiedener, räumlich getrennter Filter entworfen wird, indem eine Matrix von beleuchteten Loohblenden in die Filterebene abgebildet wird, wobei die einzelnen Lochblenden, z.B. wechselseitig inkohärent beleuchtet werden.

2. Optisches Vielkanalsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Lochblenden der Matrix zeitlich mit Hilfe eines elektronisch steuerbaren, z.B. digitalen Lichtablenkers beleuchtet sind.

3. Optisches Vielkanalsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Lichtablenker ausgehenden Bündel über eine Feldlinse und eine Facettenlinse auf .die Lochblendenmatrix fokussiert sind·

4· Optisches Vielkanalsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Loohblenden der Matrix gleichzeitig über eine Facetten- und Feldlinsenkombination und eine entsprechende Matrix von z.B. elektro- oder magnetooptieohen Modulatoren angesteuert sind, die die

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Phasen der die einzelnen Lochblenden beleuchtenden Wellenfronten zeitlich so-.modulieren, daß die -au.v·:. . e Überlagerung der von verschiedenen Iiochblenden ..ausgei--;ii-" den Wellenfronten entstehenden Interferenzen sich¹ üir - .· die Detektionszeit ausmitteln.

5. Optisches Vielkanalsystem nach Anspruch 1 oder 5 -rer '. und 4» dadurch gekennzeichnet, daß die räumlich ge"cis.—.~ ten holographischen Filter alle mit derselben Rei'ere.. - * ^ quelle aufgenommen sind. ■

6. Optisches Vielkanalsystem nach Anspruch 1 und 4-, dadurch gekennzeichnet, daß die Bilder einiger, gegebenenfalls codierter Referenzquellen räumlich zusammenfallen,sofern bei der.zu verarbeitenden Bildvorlage bestimmte Details gleichzeitig in einer vorgegebenen Anoi'dr.är.g vorkommen·

7* Optisches Vielkanalsystem nach Anspruch T und 4, dadurch I gekennzeichnet, daß sich in mehreren der- gfc^ren?..... "hertragungskanäle identische Filter befinden, lerer. . :?- gangssignale überlagert werden.

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