JP2003530591A - 適応的整合のための光相関器及び光相関方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 コヒーレント光ビームを用いた改良型の光相関器が、適応的な整合方法を用いる。テスト・パターンが、入力空間光変調器を変調する。変調されたビームは、受動的変換光要素を通過して伝搬してフィルタ空間光変調器に至り、フィルタ空間光変調器は、独立に変換された周波数領域基準を用いて同時的に変調される。独立に変換された基準による光変調されたパターンの結果的な相関又は一致は、処理され、光相関器の光不整合をすべて示すフィードバック信号を生じる。このフィードバック信号は、ビーム偏向器を駆動して、コヒーレント・ビームの経路を調整することによって補償し、相関器の光学的整合を改善して維持する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】

本発明は、コヒーレント光と空間光変調器とフーリエ変換光学装置とを用いて
情報を処理する又はパターンを認識する、光イメージ・プロセッサ又は相関器シ
ステムに関する。

【０００２】

【従来の技術】

二次元の空間フーリエ変換技術を用いてイメージの処理ができることは、従来
から知られている。例えば、パターン認識は、元のイメージではなく空間的に変
動するイメージのフーリエ変換を用いて処理することによって、容易になること
が多い。特に、光相関器は、基準イメージに対する入力イメージの二次元的な相
関を生じる。イメージ・フレームの中の局所化された領域における高レベルの相
関は、その領域における基準イメージの認識を示す。相関関数は、周波数領域に
おいてイメージのフーリエ変換を「フィルタ」と乗算することによって、最も容
易に実行される。ここで、フィルタとは、基準イメージの周波数領域表現である
。結果的に得られる（二次元の）周波数関数は、次に、変換されて空間領域に戻
される。このような処理は、デジタル的に行うことが可能であるが、イメージの
光学的なフーリエ変換によれば、はるかに高速に実行することができる。このよ
うな高速のイメージ処理は、セキュリティ、航空、生物医学的診断、人工頭脳な
ど、様々な分野にわたる多数の応用例を有している。

【０００３】 二次元フーリエ変換光学装置とアクティブな電子空間光変調器（ＳＬＭ）とを
用いた光相関器が、高速の二次元パターン認識を実行するのに用いられてきた。
例えば、ルーカス（Lucas）他への米国特許第５，３１１，３５９号には、コヒ
ーレント光源と、折れ曲がりジグザグの光経路に沿って配置された複数の能動及
び受動の光素子とを有する光相関器システムが記載されている。能動光素子は、
入力ＳＬＭと、フィルタＳＬＭと、ピクセル化された光検出器（通常は、ＣＣＤ
デバイス）とである。これらの能動素子は、それぞれが、典型的には、二次元マ
トリクスとして構成された電子的にアドレシングが可能な能動ピクセルのアレイ
である。受動素子は、反射性フォーカシング・ミラーと偏向器とを含む。米国特
許を受けた装置では、光経路は、温度膨張係数が極度に低く（７ｘ１０^-8／℃）
透過性のセラミックのブロック内に含まれているトンネルである。

【０００４】 図１には、ルーカス特許の従来技術による光相関器が示されており、この場合
には、中実（solid）の光サポート部材１２の内部に固定されたコヒーレントな
電磁放射源（典型的には、レーザ）１０が、放射１４のコリメートされ偏向され
たコヒーレント・ビームを生じる。ビーム１４は、ピクセル化された反射性入力
ＳＬＭ１６に衝突し、この入力ＳＬＭ１６上に電子的に課されている任意のパタ
ーンによって変調される。変調は、空間的に分配される。上述の米国特許におい
て論じられているように、磁気光式のＳＬＭが用いられる場合には、ＳＬＭのピ
クセルは、それぞれが個別的かつ電子的に変調され、反射された光の偏向の回転
が、そのピクセルに向けられた入力信号の関数として生じる。また、このような
ＳＬＭは、アナライザとして機能する入力偏向器と出口偏向器とを必要とする（
図１には図示せず）。結果的には、アレイのピクセルは、加えられた電子変調パ
ターンの関数として、あるものがより有効に吸収すると、他のものはより反射す
る。変調されたビーム１４は、反射され、第１のフォーカシング・ミラー１８ま
で伝搬する。ビーム１４は、第１のフォーカシング・ミラーから反射し、フィル
タＳＬＭ２０の位置で合焦する。

【０００５】 入力ＳＬＭ１６をフィルタＳＬＭ２０の上にイメージングする正確な焦点長を
第１のフォーカシング・ミラー１８が有しているのであれば、波動光学の帰結と
して広く知られているように、フィルタＳＬＭ２０の面で形成されたイメージは
、空間フーリエ変換によって、入力イメージｆ（ｘ，ｙ）の入力の周波数領域表
現Ｆ（ｕ，ｖ）に光学的に変換される。ここで、ｘ及びｙは入力ＳＬＭ１６の空
間座標であり、ｕ及びｖはフィルタＳＬＭ２０の空間座標である。この出願の全
体で言及されるフーリエ変換とは、位置（この場合には、入力ＳＬＭ１６の面に
おける位置）と共に変動する関数（変調の強度）のフーリエ変換であることに注
意してほしい。この、空間的に変動する関数のフーリエ変換は、時間変動する関
数のフーリエ変換（技術者には、こちらの方が、よりなじみが深い）と混同しな
いでほしい。ＳＬＭの平坦な表面は、実際には、二次元的に変動する関数を提供
するので、変換されたイメージは、二次元イメージの周波数成分を二次元的に表
す二次元フーリエ変換である。

【０００６】 フィルタＳＬＭ２０で形成されるフーリエ変換されたイメージは、更に、二次
元パターン又は「フィルタ」によって、その焦平面において変調される。このフ
ィルタは、典型的には、何らかの基準の先に得られたフーリエ変換であり、従っ
て、二次元表面上にマップされた周波数成分のパターンで構成される。先に引用
した米国特許に記載があるように、入力イメージと基準イメージとの相関は、フ
ーリエ変換された入力イメージとフーリエ変換された基準イメージとの積をとる
ことによって、得ることができる。この積Ｆ（ｕ，ｖ）＊Ｈ（ｕ，ｖ）は、次に
、第２のフォーカシング・ミラー２２によって光検出器２４の上で合焦される。
ここで、Ｈ（ｕ，ｖ）はフィルタである。光検出器２４において結果的に得られ
るイメージは、積のイメージのフーリエ変換であり、これは、入力イメージと基
準イメージとの相関を生じる。ただし、検出器において、座標ｘ及びｙは反転さ
れている。このように、入力関数とフィルタ関数との相関が、二次元的な相関さ
れた光強度関数として、光検出器２４において生じる。

【０００７】 上述した従来技術による相関器は、最適な動作を得るためには、正確な整合が
光学的に達成されていなければならない。入力ＳＬＭ１６と、フィルタＳＬＭ２
０と光検出器２４とミラー１８及び２２とを含む光学素子は、ビーム１４と光学
的に整合するように調整されなければならない。必要な調整には、このアセンブ
リの最適な光学的整合を行う非常な精度及び微妙さが要求される。いったん整合
されたとしても、この整合を維持するのは困難であることが多い。というのは、
熱に起因する応力が光学アセンブリとコヒーレント光源とに加わり、整合に影響
するからである。機械的実装及び振動による応力が、望ましくない不整合効果を
生じさせることもある。

【０００８】 この調整は、ルーカス特許の機械的配置において重要である。ルーカス特許に
おける相関器は、入力イメージの特定の空間周波数成分を第１のフォーカシング
・ミラー１８の焦平面における特定の点の上にマップしている。適切な動作のた
めには、特定の入力イメージ周波数成分が、それぞれ、特定の対応するフィルタ
によって更に変調（乗算）されなければならない。これには、入力イメージの特
定の周波数成分が、フィルタＳＬＭ２０の特定のピクセルの上にマップされるこ
とが必要となる。最良の動作のためには、更なる非常に厳格な条件が満足されな
ければならない。すなわち、入力イメージの特定の周波数成分が、対応するフィ
ルタ・ピクセルの中心にマップされなければならない。このためには、フィルタ
ＳＬＭ２０の位置を、入力ＳＬＭに対するｘ、ｙ、ｚ方向について、典型的には
僅かに数ミクロンのオーダーの精度で調整されることが必要である。

【０００９】 従来技術による光相関器では、入力及びフィルタＳＬＭを正確に位置決めする
のは困難である。いったん位置決めがなされても、機械的及び熱的な応力を回避
することはできず、環境条件も変化するため、その相対的な位置を維持すること
は容易でない。

【００１０】

【発明の概要】

本発明は、光相関器を適応的に整合する方法及び装置である。 従来の相関器のように固定された角度でコヒーレント・ビームを光学アセンブ
リの中に導くのではなく、本発明では、相関信号に応答してビーム偏向を動的に
変動させるビーム偏向器を用いる。フィードバック・システムが不整合を検出し
て、ビーム偏向器に光相関器を適切に整合させる補正信号を提供する。

【００１１】 光相関器（入力ＳＬＭとフィルタＳＬＭと光検出器とを含む）を動的に整合さ
せるために、本発明は、独立にフーリエ変換された周波数領域基準パターンがフ
ィルタＳＬＭに与えられるのと同時に、テスト・パターンを用いて入力ＳＬＭを
変調する。入力及びフィルタＳＬＭの重要な整合を含めて、光経路が正確に整合
されている場合には、入力ＳＬＭテスト・パターンの二次元的にフーリエ変換さ
れたイメージはフィルタＳＬＭ上に合焦され、周波数成分は独立に変換された周
波数領域基準パターンにおける対応する周波数成分に整合される。光検出器にお
いて結果的に得られるイメージは、この場合には、予測可能な位置における急峻
な強度スパイクとなる。他方で、光学的整合が僅かに誤差があったり、整合から
ドリフトが生じている場合には、変換されたテスト・パターンは、フィルタＳＬ
Ｍにおける周波数領域基準パターンの対応する周波数成分との適切な整合がなさ
れない。この場合には、光検出器における結果的なイメージは、僅かに散乱を生
じる及び／又は比較的低い強度を有することになる。

【００１２】 光検出器出力からの信号は、整合の誤差を示すフィードバック信号を導くのに
用いられる。次に、フィードバック信号は、処理され、適切な補正信号が電気機
械式アクチュエータ・アレイに与えられ、このアレイが、コヒーレント・ビーム
の方向を僅かに変更する。ビーム角度の僅かな変更により、フィルタＳＬＭ上の
変換されたテスト・パターン・イメージの整合が僅かに調整され、光相関器を動
的に整合状態に戻す。

【００１３】 独立フィードバック・ループは、好ましくは、ビーム偏向の好ましくは直交す
る方法に二次元的に調整するために、提供される。光相関器の動作中は、適切な
整合を維持するために、時々、整合状態を確認する。時折のサンプリングを備え
たフィードバック・ループは、テスト・パターンを用いて最高の相関ピークを追
求し熱又は機械的な環境が変動した場合でも相関ピークへの固定を維持するヒル
クライミング・サーボとして機能する。

【００１４】

【発明の実施の態様】

本発明は、フィードバック・システムによって動的に調整される角度でコヒー
レント・ビームを光学アセンブリの中に導くことによって、光相関器を動的に整
合する。フィードバック・システムは、典型的には最適な整合である所定の整合
特性からの相関器の偏差を検出して、適切な補正信号をビーム偏向器に提供し、
相関器を元の最適な整合に戻す。

【００１５】 図２には、本発明のシステム・レベルの概要が示されている。典型的にはレー
ザ３０によって提供される放射のコヒーレント・ビームが、ビーム偏向器３４に
よって、光相関器３２に導かれる。デジタル・コンピュータ３６又はそれに相当
するデジタル・ロジック回路が、テスト・パターン３８と周波数領域基準パター
ン４０とを光相関器３２に提供する。上述した従来技術による光相関器と同じよ
うに、光相関器３２は、テスト・パターンを用いてコヒーレント・ビームを変調
し、変調されたビームをテスト・パターン３８の周波数領域変換に光学的に変換
し、デジタル・コンピュータ３６に独立に供給されるテスト・パターン３８の周
波数領域変換を周波数領域の基準パターン４０と比較する。２つのパターンの比
較は、周波数領域表現において実行され、その結果として、テスト・パターン３
８の一致（coincidence）又は相関によって、周波数領域基準パターン４０を用
いて変調されたビームが得られる。相関器の整合の精度を示す相関を表すイメー
ジは、次に、空間領域表現に変換して戻され、光検出器によって検出されて出力
を生じる。

【００１６】 光相関器３２の出力は、インターフェース電子装置４２によってデジタル形式
に変換され、デジタル・コンピュータ３６に記憶される。デジタル・コンピュー
タ３６は、この出力情報を処理し、所定の整合特性からの偏差を検出して適切な
デジタル補正信号４４を導くヒルクライミング・サーボ・システムを実現する。
補正信号４４はインターフェース電子装置４２によって適切なアナログ・レベル
に変換され、結果的なフィードバック信号４６がビーム偏向器３４を駆動してコ
ヒーレント・ビームの角度を調整し、光相関器３２を元の整合状態に戻す。

【００１７】 図３は、システムの不整合を補正するビーム偏向器３４を組み入れている光相
関器３２を示している。従来技術による図１に示されている構成要素と類似する
構成要素には、それらの類似する従来技術における構成要素の参照番号に対応す
るプライム（’）付きの参照番号を付すことにする。示されている実施例では、
ビーム偏向器３４は、光学サポート部材１２’の上に取り付けられた電気機械式
のアクチュエータ・アレイである。そして、アクチュエータ・アレイは、コリメ
ーション光学装置とアポダイジング・フィルタ（apodizing filter）とを含むレ
ーザ・アセンブリ３０をサポートする。コリメーション光学装置とアポダイジン
グ・フィルタとは（共に図示せず）、通常は、ほぼ一定の強度をある半径方向の
ビーム・プロファイル（これは、入力ＳＬＭ１６’の光学的にアクティブな表面
よりも大きいのが好ましい）の範囲で備えており適切にコリメートされたビーム
１４’を得るのに用いられる。光学サポート部材１２’は、ビーム１４’に対す
る折り曲げられジグザグ状の光経路を画定する能動及び受動光素子をサポートす
る。示されている実施例では、光学サポート部材１２’は、ビーム１４’の光経
路に対するトンネル５０、５２、５４、５６及び５８を含む。代わりに中実で透
過的な光学サポート部材１２’を用いることもできるが、トンネルは、この部材
の中実な材料における非均一性による歪みを減少させる。

【００１８】 レーザ・アセンブリ３０からのビーム１４’は、ある角度で、入力ＳＬＭ１６
’によってトンネル５０の端部において反射される。そして、ビーム１４’は、
トンネル５２’の端部にある第１のフォーカシング・ミラー１８’まで伝搬して
戻る。ビーム６４’は、再び、フォーカシング・ミラー１８’からある角度で反
射され、トンネル５４の中の第１の偏向器６０を通過し、トンネル５４の端部に
あるフィルタＳＬＭ２０’まで伝搬し、そこで、入力ＳＬＭ１６’によってビー
ム１４’の上に変調された情報の変換されたイメージを形成する。ビーム１４’
は、更に変調され、フィルタＳＬＭ２０’から反射される。次に、この２度変調
されたビームは、トンネル５６の端部における第２のフォーカシング・ミラー２
２’まで伝搬し、４度目の反射の後で、トンネル５８の中の第２の偏向器６１を
通過して伝搬し、トンネル５８の端部における光検出器２４’に到達し、そこで
、出力（相関された）信号を検出する。上述した光学的な配置の結果としてビー
ム１４’がたどるジグザグ状の光経路は便宜的な幾何学的配置であり、本発明と
共に用いることができる多くの可能な幾何学的配置の中の１つに過ぎない。様々
な折り曲げられ多角形的な又はインライン状の幾何学的配置を、例えば、用いる
こともできる。

【００１９】 ビーム偏向器３４は、典型的には、レーザ・アセンブリ３０と光学差歩０と部
材１２’との間に配置された電気機械式アクチュエータ・アレイである。フィー
ドバック信号は、ビーム偏向器３４に与えられると、レーザを傾斜させ、従って
、ビーム１４’の光経路の角度を僅かにシフトさせる。これは、シフトされた光
経路６２によって図解されており、その角度は、示されているように、ビーム１
４’の元の光経路に対して角度αだけシフトされている。入力角度における僅か
な変化は、ビームがシフトされた光経路６２を通過して伝搬するにつれて拡大さ
れ、フィルタＳＬＭ２０’において形成されるイメージをΔｘだけシフトさせる
。図４に示されているように、ビームは、ビーム偏向器３４によってｙ方向に偏
向させることもでき、その場合には、結果的に、フィルタＳＬＭ２０’に対して
Δｙのイメージ位置シフトが生じる。フィルタＳＬＭ２０’におけるイメージ位
置のシフトは、変換されたイメージのフィルタＳＬＭ２０’との整合に影響し、
光検出器２４’における出力イメージに、それに対応する変化を生じさせる。

【００２０】 ビーム入射角度の若干のシフトを許容するため、コリメートされたビームの直
径は、好ましくは、入力ＳＬＭ１６’よりも十分に大きくなければならず、それ
によって、入力ＳＬＭ１６’は、ビームがどのようにシフトしたとしても、最も
好ましくはほぼ一定の放射強度で完全に照射された状態に維持される。

【００２１】 上述の光相関器の光学的整合からの偏差を検出するために、テスト・パターン
と対応する周波数領域基準パターン（すなわち、「フィルタ」）とを同時に用い
て入力ＳＬＭ１６’とフィルタＳＬＭ２０’とをそれぞれ変調しなければならな
い。従来技術に関して既に述べたように、これらのＳＬＭは、典型的には、能動
電子光学変調素子のピクセル化されたアドレシング可能なアレイであり、通常は
、二次元マトリクスとして構成されている。入力ＳＬＭ１６’の個々のピクセル
は、電子的に変調され、それによって、その反射により、図５ａに示されている
環状のパターン６３のようなパターン（一例である）を用いてビームを集合的に
変調する。環状のパターン６３は、入射光を反射するように変調される入力ＳＬ
Ｍ１６’の部分を示している。フォーカシング・ミラー１８’は、入力ＳＬＭ１
６’からのビームをフィルタＳＬＭ２０’上にイメージ化する焦点長を有してお
り、（入力ＳＬＭ１６’によって変調された）入力イメージの二次元フーリエ変
換をフィルタＳＬＭ２０’において生じる。

【００２２】 テスト・パターンは入力ＳＬＭ１６’においてビームを変調するが、周波数領
域基準パターンを用いて、フィルタＳＬＭ２０’を変調する。従って、フィルタ
ＳＬＭ２０’から反射する光は、変換された入力イメージの周波数領域基準パタ
ーンとの比較を表す。周波数領域基準パターンは、好ましくは、入力テスト・パ
ターンの独立的に得られた二次元的なフーリエ変換であるべきであって、結果的
に、空間的なテスト・パターンの周波数領域表現を与える。テスト・パターンの
フーリエ変換は、好ましくは、テスト・パターンを入力ＳＬＭ１６’に与える前
に、デジタル計算、光学的変換又はそれ以外の従来型の変換方法によって独立的
に得られるべきである。図５ｂには図５ａを二次元的にフーリエ変換することに
よって得られたパターンがほぼ再現されており、従って、図５ｂは、（入力ＳＬ
Ｍ１６’における）図５ａと共に（フィルタＳＬＭ２０’において）用いるため
の、おおよその周波数領域基準パターンである。

【００２３】 空間テスト・パターンと対応する周波数領域基準パターンとが存在し、ＳＬＭ
１６’及び２０’において適切に整合されているときには、光検出器２４’の出
力は、そのピクセル化されたマトリクス上のある位置を中心とする光のスポット
によって示される明るいピークである。高度な自動補正を示すのは、高い強度、
非常に合焦され局所化された出力ピーク信号である。この状況は、図５ｃに図解
されており、スポット６５は光検出器２４’のマトリクスの厳密な中心における
ピーク信号を指示している。例えばビームの偏向によってＳＬＭの完全な光学的
整合からのずれが少しでも生じると、出力は焦点及び強度を失い、より散乱され
た状態になり、相関の減少を示すようになる。ピークの位置は、また、出力光検
出器２４’のマトリクスの上で僅かに移動する。従って、空間テスト・パターン
と対応する周波数領域表現（すなわち「フィルタ」）テスト・パターンとを与え
ることにより、光検出器２４’から、光学的整合の精度を示す比較信号が生じる
。比較信号は、次に、適切なフィードバック又は補正信号を導くの用いられる。
このフィードバック又は補正信号は、光相関器を最適な整合に戻す。

【００２４】 最適な整合を維持するのに用いられるフィードバック・信号は、好ましくは、
「ヒルクライミング」サーボ・システムとして実現される。このシステムでは、
少なくとも１つの低レベルの発信「ディザ」信号６６が（これは、図６において
、時間を横軸として示されている）、ビーム偏向器３４に与えられ、コヒーレン
ト・ビーム１４’の発信する偏向を生じる。好ましくは２つの別個の直交するデ
ィザ信号がシーケンシャルに与えられ、ｘ及びｙ方向へのビームの独立な偏向が
生じる。次に、フィードバックの調整が、独立の方向のそれぞれにおいて、独立
に実行される。単純化する目的で、一次元的な調整が図２に図解されているが、
本発明はこのように制限されることはない。

【００２５】 図７を参照すると、出力曲線６８は、コヒーレント・ビーム１４’の偏向の関
数として（例えば、図３の偏向角αの関数として）の光検出器２４’の出力（垂
直軸上）を示している。ここで、テスト・パターンは入力ＳＬＭ１６’を変調し
、対応する周波数領域基準はフィルタＳＬＭ２０’を変調する。最大値は、最適
な整合角度である点８０に存在している。

【００２６】 ヒルクライミング・サーボ方法が、最適な整合点（点７０）を求めるのに用い
られるのが好ましい。その動作は、まず２つの特別な場合を考察することによっ
て、全体的に理解することができる。

【００２７】 第１の特別な場合では、まず、偏向角度は最適値から僅かにずれており、出力
はライン７１上の点にあり、図７において中心から僅かに左側にあると考える。
図６の位相７２及び７４の間で発振する小さな摂動すなわち「ディザ信号」６６
がビーム偏向器３４に与えられ、それによって、光検出器２４’上の相関ピーク
の強度が、参照番号７６及び７８が付された２つのレベルの間で発振することに
よって応答することになる（図６ｂ及び７に示されている）。理解すべきことは
、相関ピークの位置は変更の間に僅かに移動する可能性があり、相関ピークの強
度は、光検出器２４’のマトリクス上で最大強度を見つけることによって（例え
ば、後で説明するように、光検出器の出力をデジタル・コンピュータ３６を用い
て処理することによって）選択されるということである。第１のサンプリングさ
れた強度レベル７６は、ディザ・フェーズ７２の間にサンプリングされた相関ピ
ークの強度を表し、他方は、ディザ・フェーズ７４の間にサンプリングされた相
関ピークを表す。

【００２８】 このようにして偏向を摂動する又はディザリングすることにより、光検出器２
４’において測定される相関ピーク８０の強度に時間変動が生じる。この強度は
、図６ｂにおいて、時間を水平軸にとってプロットされている。相関ピークの強
度８０は、ディザ信号６６と同相に発振する。負のディザ・フェーズの間にサン
プリングされた強度８０を正のディザ・フェーズの間にサンプリングされた強度
８０から減算すると、正の補正信号が得られ、これは、整合角度（α又はβ）が
低すぎることを示している（例えば、αは中心の左側である）。

【００２９】 第２の特別な場合では、われわれの最初の仮定を変更して、ビーム角度は、最
適値の反対側にずれており、相関ピーク強度は、図７のライン８１を中心とする
と考える。ディザ信号６６を与えると、相関ピークの強度が、２つのレベル８２
及び８４の間で、曲線６８の負の勾配を有する側で発振する。結果的に得られる
相関ピークのディザリングされた強度８７は、図６ｃに示されている。強度８７
は、レベル８２及び８４の間で発振するが、ディザ基準６６に対して位相は反転
されており、この様子は、図６ｃと図６ａとを重畳させることによって見ること
ができる。この場合には、負のディザ・フェーズの間にサンプリングされた強度
８７を正のディザ・フェーズの間にサンプリングされた強度８７から減算すると
、負の補正信号が得られ、これは、偏向角度（α又はβ）が高すぎることを示し
ている。

【００３０】 相関ピークの強度が厳密に出力曲線のピーク７０にある（最適状態）という相
関器システムの整合状態のときにだけ、相関ピーク強度は、ディザ信号６６の両
方の偏位（excursions）において同じである。その理由は、ピーク７０の両側で
同じ量だけ最適値と異なっているからである（曲線６８は対称であると仮定する
）。このような状況の結果として、最適な整合を示す平坦なピーク強度信号８８
が得られる（図６ｄ）。

【００３１】 このようにして、摂動又はディザ信号は、コヒーレント・ビーム角度（例えば
、α又はβ）に対する出力信号の勾配又は導関数を検出する方法を与えてくれる
。導関数がゼロになる点を求めることにより、出力信号の最大値を見つけること
ができる。光学アセンブリの整合が最適値から僅かでもずれると、ディザ信号の
正及び負の偏位において異なる光検出器出力が生じる。負の偏位でサンプリング
されたピーク検出器出力を正の偏位でサンプリングされたピーク検出器出力から
減算すると、ビーム偏向器３４へのフィードバックのための適切な補正信号が得
られ、光検出器３２を整合状態に戻す。

【００３２】 好適実施例では、本発明は、好ましくは相互に垂直な複数の軸の上の、独立な
ビーム偏向及びフィードバックシステムを用い、例えば、図３及び図４に示され
ているｘ及びｙ方向における相関器の補正を可能にしている。好ましくは、独立
の整合が個別的かつシーケンシャルに、例えば、最初にｘ方向のディザリングを
行い次にｙ方向のディザリングをというように、デジタル・コンピュータ３６の
制御の下に行うべきである。

【００３３】 図８は、本発明による相関器システムの全体の１つの実施例をより詳細に示し
ており、これは、コンピュータ機能ブロック１００と、インターフェース電子装
置１０２と、相関器光学アセンブリ１０４とを含む。コンピュータ機能ブロック
１００は、デジタル・コンピュータ１００又はそれに相当するロジック回路によ
って、ソフトウェアにおいて実行することができる。

【００３４】 データ転送シーケンシング・ロジック１０６は、全体的なタイミングを制御し
、適応的な整合のための臨時的なフレームを排除し、同時に、通常動作のための
光相関器の全体的スループットを維持する。データ転送シーケンシング・ロジッ
ク１０６は、また、少なくとも１つのデジタル・ディザ信号を発生する。好まし
くは、２つの別個のデジタル・ディザ信号が、２つの可逆的なカウンタに与えら
れる。すなわち、ｘ方向のディザリングのためのカウンタ１０８と、ｙ方向のデ
ィザリングのためのカウンタ１１０とである。カウンタ１０８及び１１０の出力
は、デジタル・アナログ・コンバータ（ＤＡＣ）１１２及び１１４によってアナ
ログ電圧に変換され、インターフェース電子装置１０２に与えられる。インター
フェース電子装置１０２は、インバータ及び加算増幅器回路（後で説明する）を
含んでおり、これらはビーム偏向器３４を駆動する。

【００３５】 ディザ信号がビーム偏向器３４に与えられるのと同時に、入力テスト・パター
ンと周波数領域基準パターンとが、ＳＬＭ及びＣＣＤ制御ロジック・ブロック１
１１５（好ましくは、デジタル・コンピュータ３６によって実行される）によっ
て、入力ＳＬＭ１６’とフィルタ２０’とにそれぞれ与えられる。光検出器２４
’からの結果的な出力は、アナログ・デジタル・コンバータ（ＡＤＣ）１１６に
よって、デジタル・コンピュータ３６（又は、それに相当するデジタル・ロジッ
ク）による操作を容易にするために変換される。出力レベルの全体のマトリクス
は、変換され、デジタル・コンピュータ３６に入力される。

【００３６】 最大振幅検出ロジック１１８（好ましくは、デジタル・コンピュータ３６によ
って実現される）は、光検出器２４’のマトリクス上のそれぞれの個別的なピク
セルと関連するデジタル化された光検出器の出力値を比較して、その光検出器マ
トリクス上で最高の値を見つける。この値は、ピーク相関点と関連付けられる。
出力ピークの位置は、従って、ピークのピクセル・アドレスは、調整の間、僅か
に変動することがありうる。ディザのそれぞれのフェーズにそれぞれが対応する
２つのピーク値が、検出され、記憶される。（それぞれの次元に対する）２つの
値は、コンパレータ機能ブロック１２０（ｘ方向の補正）及び１２２（ｙ方向の
補正）によって比較される。光学装置の整合が最適値からずれている場合には、
その次元に対する２つの記憶されている値は等しくなく、適切なコンパレータ機
能ブロック１２０又は１２２が、正又は負である補正信号を発生する。

【００３７】 コンパレータ機能ブロック１２０及び１２２によって出力される補正信号は、
可逆的なカウンタ１０８（ｘチャネル）及び１１０（ｙチャネル）に対するカウ
ントの方向を決定する。これらの可逆的なカウンタは、この目的でデータ転送シ
ーケンシング・ロジック１０６によって発生されたパルスをカウントする。可逆
的カウンタ１０８及び１１０の出力は、アクチュエータ・アレイ３２に対する現
在の位置情報を保持するのであるが、ＤＡＣ１１２及び１１４（それぞれのチャ
ネルに対応する）によって変換され、ｘ方向に対して１つとｙ方向に対して１つ
との２つのアナログ補正電圧を生じる。

【００３８】 補正電圧を加える態様は、ビーム偏向器３４の特定の幾何学的形状と特性とに
依存し、非常に様々な構成が可能である。図８及び９には、１つの可能性が示さ
れているに過ぎない。示されている実施例では、ビーム偏向器３４は、電気機械
式アクチュエータ１４０、１４２、１４６、１４８を用いるが、これらはｘ及び
ｙ座標系に対して対角線上に配置され、全体で、アクチュエータ・アレイを形成
している。反転増幅器１２４及び１２６は、アナログ補正電圧を反転させること
によって、相補的な信号を生じる。アナログ補正電圧と相補的信号とは加算増幅
器１３０、１３２、１３４、１３８の交差結合されたネットワークにおいて加算
され、フィードバック駆動電圧１５８、１６０、１６２、１６４が生じる。これ
らのフィードバック駆動電圧は、電気機械式アクチュエータの適切なｘ方向及び
ｙ方向の補正移動を与える。

【００３９】 図８に示されている実施例では、フィードバック駆動電圧は、反対方向に配置
された圧電セグメントを伸長及び収縮させることによって、アクチュエータ・ア
レイにおける移動に変換させる。例えば、マイナスｘの方向に偏向器を移動させ
るには、セグメント１４０及び１４２が収縮し、セグメント１４６及び１４８は
伸長する。

【００４０】 図９には、本発明のビーム偏向器３４において用いることができるアクチュエ
ータ・アレイの更なる詳細が示されている。アレイの全体（ビーム偏向器３４）
は、直交して構成されそれぞれがアーチ形の４分の１の部分の形状を有している
４つのアクチュエータで構成され、４つすべてが分断された環状になっている。
それぞれのアーチ形の４分の１の部分は、好ましくは、複数の圧電層１５４が薄
層状にスタックされ、全体で１つのアクチュエータを構成している。それぞれの
圧電層１５４は、好ましくは、圧電セラミック材料から作られている。図９に示
されている側方の断面では、２つのアクチュエータ・セグメント１４２及び１４
６だけを見ることができる。好ましくはメタライズされている電極層１５６が圧
電層１５４のそれぞれの対の間に配置されている。アクチュエータ１４６の交互
の電極層１５６がフィードバック駆動電圧１５８に接続され、同様に、アクチュ
エータ１４２の交互の電極層がフィードバック駆動電圧１６０に接続されている
。アクチュエータ１４８及び１４０は、図９には示されていないが、同じように
接続されている。圧電材料を複数の層にスタックすることによって、加えられた
電圧に応答してより大きな伸長及び収縮が可能になる。

【００４１】 アクチュエータにおける圧電セラミクスの使用は広く知られており、多くの文
献に記載がある。例えば、Piezoelectric Ceramics, J. van Randeraat (Public
ation Dept. Ferroxcube Corporation, Saugerties N.Y. 1974)を参照のこと。
圧電セラミクス材料又はアクチュエータは、例えば、ミネソタ州ミネアポリス所
在のAura Ceramics社、Polytec PI社、Piezosystem Jena社（ドイツ）、Philips
Electronic Components（米国では、Signetics Corp., Sunnyvale, CAを介して
入手可能）などから、広く市販されている。

【００４２】 図３に示されている実施例では、図９のアクチュエータ・アレイは、レーザ・
アセンブリ３０を光学サポート部材１２’に対して移送させることによって、ビ
ーム偏向器として動作する。この実施例では、レーザ・アセンブリ３０は、ビー
ム偏向器３２の上に堅固に取り付けられており、ビーム偏向器３２は、光学サポ
ート部材１２’の上に可動的に取り付けられる。電圧をビーム偏向器３４のアク
チュエータに加えると、アクチュエータは必要とされるように伸長又は収縮し、
レーザ３０を移動させ、ビーム１４’を偏向させる。

【００４３】 容易に分かるように、電気機械式アクチュエータやそれ以外の装置を用いてビ
ームの偏向を可能にするには、これ以外の構成も可能である。ビームの偏向は、
以上で述べたように光源を移動させるのではなく、例えば、ミラー、レンズ、光
ファイバ・カップリング又はプリズムなどを移動させることによっても容易に達
成することができる。偏向は、例えば、フォーカシング・ミラー１８’を移動さ
せることによって容易に達成することができる。ビームを偏向させる以上の方法
及びそれ以外の方法は、本発明の範囲に含まれる。ビーム偏向器が十分に精密な
制御を提供し、好ましくは、フィルタＳＬＭ２０’による変換イメージの整合を
、フィルタＳＬＭのピクセルの直径未満の範囲にすることができることだけが必
要なのである。

【００４４】 ある応用例では、上述の装置及び方法を用いて、次のような態様で、動作して
いる光相関器を動的に整合させることができる。また、光相関器の通常動作中に
は、整合を時折はテストしなければならない。整合は、相関器の通常動作をほん
の僅かだけ中断して実行することができる。シーケンシャルでマルチフレームの
光相関を実行している（入力データを周波数領域の基準データと相関させ、その
相関に基づいて出力信号を生じる）間には、相関器の動作は、好ましくはデジタ
ル・コンピュータ３６の制御によって、数フレーム分の適応的整合のために、時
折中断される。このような適応的な整合フレームの間の時間間隔は、装置の熱的
及び機械的な環境によって決定されるべきである。整合は、典型的には迅速に実
行され、小さなデューティ・サイクルを必要とするだけなので、結果的には、相
関器の活動を僅かに数フレームだけ失わせるだけである。整合手順が実行された
後では、相関器は、次の整合期間まで、通常の光学処理タスクに戻される。

【００４５】 以上では、本発明の特定の実施例を示し説明してきたが、この技術分野の当業
者であれば、多くの変更や別の実施例を考えることができるはずである。従って
、本発明は、冒頭の特許請求の範囲の記載によってのみその範囲が画定されるも
のである。

【図面の簡単な説明】

【図１】 従来技術による光相関器の全体図である。

【図２】 本発明のブロック図である。

【図３】 本発明を組み入れた光相関器の平面的な断面図である。

【図４】 図３の切断線３−３に沿った断面図である。

【図５】 図５ａ、５ｂ及び５ｃは、それぞれが、空間テスト・パターン、空間テスト・
パターンの周波数領域表現及び光検出器において得られる出力（自動相関）パタ
ーンの例の拡大イメージである。

【図６】 図６ａ、６ｂ、６ｃ及び６ｄは、（ａ）ビーム偏向器に加えられたディザ信号
と、（ｂ）最適な偏向に達しない動作点でのピーク光検出器出力と、（ｃ）最適
な偏向を超える動作点でのピーク光検出器出力と、（ｄ）最適な偏向におけるピ
ーク光検出器出力とのタイミング図である。

【図７】 ピーク光検出器出力とビーム偏向とを両軸にとったグラフであり、様々な動作
点を識別している。

【図８】 本発明において用いることができる適応的な整合システムのブロック図であり
、平面的に示されているビーム偏向器を含む。

【図９】 ビーム偏向器として用いるのに適している圧電アクチュエータ・アレイの断面
図である。

【手続補正書】

【提出日】平成１３年１２月１４日（２００１．１２．１４）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ミッチェル，ロバート・エイ アメリカ合衆国カリフォルニア州91367， ウッドランド・ヒルズ，アーウィン・スト リート 21601，ナンバー 240 (72)発明者 ミルズ，スチュアート・エイ アメリカ合衆国カリフォルニア州91307， ウエスト・ヒルズ，キルティ・プレース 23425 (72)発明者 リャン，ジェームズ アメリカ合衆国カリフォルニア州91401， バン・ヌイズ，ビクトリー・ブールバード 13520，ナンバー 11 Ｆターム(参考） 2H041 AA14 AA18 AB12 AC01 AZ06

Claims (20)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電磁放射のビーム（１４）を受け取るように構成された光デ
   バイス（３２）を動的に整合させる方法であって、 １つ又は複数の既知のパターン（６３）に基づいて前記ビームを調節し、整合
   特性からの偏差の程度を示す比較信号を生じるステップと、 前記比較信号に応答して前記ビームの経路を調整し、前記整合特性からの偏差
   を補償するステップと、 を含むことを特徴とする方法。
2. 【請求項２】 請求項１記載の方法において、前記ビームを調節するステッ
   プは、 第１の既知のパターンを用いて前記ビームを空間的に変調するステップと、 光変換によって前記変調されたビームの電磁放射を再分配するステップと、 前記再分配された電磁放射を第２の既知のパターンと比較して前記比較信号を
   生じるステップと、 を含むことを特徴とする方法。
3. 【請求項３】 請求項２記載の方法において、前記ビームの経路を調整する
   ステップは、前記ビームの方向を変動させるステップを含むことを特徴とする方
   法。
4. 【請求項４】 請求項３記載の方法において、前記ビームの方向を変動させ
   るステップは、 前記比較信号に応答して電気機械式アクチュエータ（１４０、１４２、１４６
   、１４８）を付勢し、運動を生じるステップと、 前記電気機械式アクチュエータの運動に応答して、前記ビームを偏向させるス
   テップと、 を含むことを特徴とする方法。
5. 【請求項５】 電磁放射のビーム（１４）を受け取るように構成された光デ
   バイス（３２）を動的に整合させる方法であって、 電磁放射のビームを前記光デバイスの中に導くステップと、 前記光デバイスの中の前記導かれたビームを空間テスト・パターンを用いて変
   調し、変調されたビームを生じるステップと、 前記変調されたビームを変換し、前記空間テスト・パターン（６３）の周波数
   領域表現を取得するステップと、 前記周波数領域表現を周波数領域基準パターンと比較して、整合特性からの偏
   差の程度を示す比較信号を取得するステップと、 前記比較信号に応答して前記ビームの経路を調整し、前記整合特性からの偏差
   を補償するステップと、 を含むことを特徴とする方法。
6. 【請求項６】 請求項５記載の方法において、前記比較するステップは、 前記空間テスト・パターンの周波数領域表現を前記周波数領域基準パターンを
   用いて更に変調し、更に変調されたビームを取得するステップと、 前記更に変調されたビームを空間領域比較パターンに変換するステップと、 前記空間領域比較パターンを検出して前記比較信号を取得するステップと、 を含むことを特徴とする方法。
7. 【請求項７】 請求項６記載の方法において、前記ビームの経路を調整する
   ステップは、 前記比較信号に応答して電気機械式アクチュエータ（１４０、１４２、１４６
   、１４８）を付勢し、前記電気機械式アクチュエータの運動を生じるステップと
   、 前記電気機械式アクチュエータの前記運動に応答して、前記光デバイスの中の
   前記ビームの経路を調整し、前記整合特性からの偏差を補償するステップと、 を含むことを特徴とする方法。
8. 【請求項８】 請求項７記載の方法において、前記電気機械式アクチュエー
   タは圧電アクチュエータを備えていることを特徴とする方法。
9. 【請求項９】 請求項６記載の方法において、 前記ビームの発振偏向を生じさせ、前記発振偏向のそれぞれの異なる位相に対
   応する比較信号の少なくとも２つのレベルを検出するステップを更に含み、 前記ビームの経路を調整するステップは、前記比較信号の少なくとも２つの検
   出されたレベルの間の差に応答して前記ビームを偏向させ前記所定の整合特性か
   らの偏差を補償するステップを含むことを特徴とする方法。
10. 【請求項１０】 動的に適応的な光整合システムであって、 電磁放射のビーム（１４）を受け取り、イメージを相関させ、前記相関を表す
    出力を生じるように構成された光イメージ相関器（３２）と、 前記光イメージ相関器の出力に結合されており、所定の整合特性からの前記光
    イメージ相関器の偏差を前記出力から検出し、前記偏差に応答してフィードバッ
    ク信号を生じるように構成されたフィードバック・システム（３６、４２）と、 前記フィードバック信号に応答して前記光イメージ相関器を通過する前記ビー
    ムの経路を可変的に調整し、前記整合特性からの偏差を補償するビーム偏向器（
    ３４）と、 を備えていることを特徴とするシステム。
11. 【請求項１１】 請求項１０記載のシステムにおいて、前記光イメージ相関
    器は、 前記ビームを受け取りそれを空間テスト・パターン（６３）を用いて変調する
    ように構成された入力空間光変調器（ＳＬＭ）（１６’）と、 前記変調されたビームを周波数領域表現に変換する変換光要素（１８’）と、 前記空間テスト・パターンの周波数領域表現を受け取り、前記周波数領域表現
    を周波数領域基準パターンを用いて更に変調するように構成されたフィルタＳＬ
    Ｍ（２０’）と、 前記空間テスト・パターンの周波数領域表現と前記周波数領域基準パターンと
    の間の相関に基づいて出力を生じる光検出器（２４’）と、 を備えていることを特徴とするシステム。
12. 【請求項１２】 請求項１１記載のシステムにおいて、前記周波数領域基準
    パターンは、本質的に前記空間テスト・パターンのフーリエ変換によって得られ
    ることを特徴とするシステム。
13. 【請求項１３】 請求項１２記載のシステムにおいて、前記フーリエ変換は
    、前記光相関器とは独立である装置（３６）によって実行されることを特徴とす
    るシステム。
14. 【請求項１４】 請求項１０記載のシステムにおいて、前記ビーム偏向器は
    、ビーム源（３０）に対するサポートと、前記ビーム源サポートの位置を調整し
    て前記ビームを偏向させることによって前記フィードバック信号に応答する電気
    機械式アクチュエータ（１４０、１４２、１４６、１４８）とを備えていること
    を特徴とするシステム。
15. 【請求項１５】 請求項１４記載のシステムにおいて、前記電気機械式アク
    チュエータは圧電アクチュエータを備えていることを特徴とするシステム。
16. 【請求項１６】 請求項１０記載のシステムにおいて、前記ビーム偏向器は
    、 前記ビームを偏向させる可動ミラーと、 前記フィードバック信号に応答して前記ミラーを移動させるように構成された
    電気機械式アクチュエータ（１４０、１４２、１４６、１４８）と、 を備えていることを特徴とするシステム。
17. 【請求項１７】 請求項１０記載のシステムにおいて、前記フィードバック
    システムは、 前記光検出器（２４’）の出力を分析して整合特性からの前記光相関器の偏差
    を認識し、それに応答して補正信号出力を生じるようにプログラムされたコンピ
    ュータであって、前記補正信号出力は前記ビーム偏向器（３４）に結合される、
    コンピュータ（３６）を備えており、 前記ビーム偏向器は、ディザ信号（６６）に応答するように構成され、これに
    よって、前記ビーム偏向の発振摂動を生じさせることを特徴とするシステム。
18. 【請求項１８】 請求項１６記載のシステムにおいて、前記コンピュータは
    前記ディザ信号を生じるようにプログラムされており、 前記ディザ信号は前記ビーム偏向器に結合されて、前記ビームの偏向を発振さ
    せ、 前記コンピュータは、前記光検出器の出力を前記ディザ信号を比較して、前記
    ディザ信号に関する前記光検出器出力の勾配を決定するようにプログラムされて
    おり、 前記相関信号出力は、前記光相関器の整合を、前記ディザ信号に関する前記光
    検出器出力の勾配が実質的にゼロである点に調整するように、計算されることを
    特徴とするシステム。
19. 【請求項１９】 光処理システムであって、 電磁放射のビームと少なくとも１組のデータとを受け取る光経路に構成された
    能動及び受動光素子を有し、前記データを基準データと光学的に相関させ、前記
    相関に基づいて出力情報を生じる光相関器（３２）と、 テスト・パターン（６３）が前記光相関器に入力されると、前記出力情報に応
    答してフィードバック信号を生じるように構成されたフィードバック・システム
    （３６、４２）と、 前記フィードバック信号に応答して前記光相関器内部の前記ビームの経路を調
    整し、所定の整合特性からの前記光相関器の偏差を補償するビーム偏向器（３４
    ）と、 を備えており、前記フィードバック・システムと前記ビーム偏向器とは、実質
    的に、前記テスト・パターンが前記光相関器に入力される画定された時間周期の
    間だけアクティブであって前記光相関器の整合を改善し、それ以外の場合には非
    アクティブであって前記テスト・パターン意外のイメージの相関を許容すること
    を特徴とするシステム。
20. 【請求項２０】 請求項１９記載のシステムにおいて、前記フィードバック
    ・システムと前記ビーム偏向器とは、前記画定された時間周期の間、コンピュー
    タ（３６）の制御下で付勢されることを特徴とするシステム。