JP2020516924A - 光学的処理システム - Google Patents
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Abstract
独立した複数の光相関器を１つのシステムに組み込むための方法。「独立した光相関器」とは、適切なコヒーレント照明およびフーリエ変換レンズと組み合わせられた、入力ＳＬＭ、フィルタＳＬＭ、およびカメラからなる光相関器を意味する。「１つのシステム」とは、独立した相関器のそれぞれの要素を複数回利用する単一の光学系を意味する。
Description
本発明は、光学的処理に関する。本発明のいくつかの実施形態は、光相関ベースの処理システム、および光学パターン認識システムに関する。
光相関器などのコヒーレント処理システムでは、典型的にはレーザまたは他のコヒーレント源が、１つまたは複数の空間光変調器（ＳＬＭ：ｓｐａｔｉａｌ ｌｉｇｈｔ ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）デバイスにより位相もしくは振幅またはその２つの組合せを変調されるように用いられる。これらのデバイスは、典型的には液晶デバイスを組み込むが、マイクロミラー微小電気機械（ＭＥＭｓ：ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ）デバイスであってもよい。光相関器デバイスは、典型的には、光学的パターン認識システム（例えば、特許文献１および特許文献２参照）として使用される。４ｆ整合フィルタ、または結合変換相関器（ＪＴＣ：Ｊｏｉｎｔ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ Ｃｏｒｒｅｌａｔｏｒ）システムでは、ＳＬＭデバイスは、通常、入力関数に「整合」されるべき参照関数／パターンのフーリエ変換表示に基づいて、入力または参照パターン（画像であり得る）のいずれかおよび／またはフィルタ・パターンを表す関数でアドレス指定される。
相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ：ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ ｍｅｔａｌ−ｏｘｉｄｅ−ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）センサまたは電荷結合素子（ＣＣＤ：ｃｈａｒｇｅｄ ｃｏｕｐｌｅ ｄｅｖｉｃｅ）センサなどのカメラが、得られる光強度分布をキャプチャするために、典型的には光学系の出力平面内に位置決めされ、この出力平面は、光相関器システムの場合では、入力関数および参照関数の類似性および相対的アライメントを示す局所的な相関強度を含み得る。
従来技術および本発明の両方に関連するタイプのコヒーレント光学系で使用される最も一般的な関数は、光フーリエ変換（ＯＦＴ：ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）−空間的または時間的な分布のその周波数成分への分解−である。これは、以下の式（１）によって表される純粋な形態の２次元フーリエ変換に類似し、式中、（ｘ，ｙ）は、空間／時間変数を表し、（ｕ，ｖ）は、周波数変数である。
ＯＦＴは、図１に示された光学系によって達成することができ、この光学系では、波長λの平行コヒーレント光（典型的には、レーザ光）１が、空間光変調器２（典型的には、液晶または電気機械ＭＥＭｓアレイ）により位相または振幅を変調される。次いで、変調されたビームは、焦点距離ｆの正の収束レンズ３を通過し、レンズの通過後、焦点面に集束され、この後、焦点面には、得られるフーリエ変換の強度をキャプチャするために、ＣＭＯＳアレイ４などの検出器が位置決めされている。
光学的処理システムでは、ＯＦＴは、電子的／ソフトウェアベースの高速フーリエ変換（ＦＦＴ：Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）アルゴリズム群の直接的な代替として用いられて、処理時間および解像度に関して大きな利点を提供し得る。この処理は、様々な機能の基礎として使用され得る。本出願において一番の関心事となる機能は、光相関（パターンの認識、比較、または分析で使用される）である。
２つ以上の関数の間の相関は、光学系において２つの主要な方法で達成され得る。第１の方法は、以下の式（２）によって表される、整合フィルタ処理である。
式（２）中、大文字の関数は、それらの小文字の関数のフーリエ変換を意味する。「＊」は、隣接する関数の複素共益を示し、「＊」は、相関関数を表す。
相関を得るための第２の方法は、１／ｆ ＪＴＣ（例えば、特許文献１参照）などの結合変換相関処理を使用することである。
いずれの場合も、相関は、それら自体がフーリエ変換されている２つの関数の積の逆フーリエ変換として形成される。
図２は、整合フィルタまたは微分処理を実現するために使用され得る「４ｆ」光学系を示す。図２は、波長λの平行コヒーレント光５を示し、この平行コヒーレント光５は、ＳＬＭ画素アレイ６によって変調され、次いでレンズ７を透過し、第２のＳＬＭ画素アレイ８上に集束されて、第１のＳＬＭ上に表示された関数のＯＦＴを第２のＳＬＭ８の画素に形成する。次いで、得られる光学的行列乗算（ｏｐｔｉｃａｌ ｍａｔｒｉｘ ｍｕｌｔｉｐｌｉｃａｔｉｏｎ）は、レンズ９によって逆フーリエ変換され、その結果は、検出器アレイ１０（カメラであり得る）においてキャプチャされる。
整合フィルタ処理の場合、第１のＳＬＭ６の画素によって表示されるパターンは、「入力シーン」ｇ（ｘ，ｙ）になり、第２のＳＬＭ８上に表示されるパターンは、参照関数ｒ（ｘ，ｙ）のフーリエ変換の１バージョンを表すことになる。例えば、「入力シーン」または入力データは、様々な病気のためのＤＮＡデータなどの、参照像または一連の像と突き合わされる特定の個人のためのＤＮＡデータであり得る。検出器アレイ１０によってキャプチャされる出力データは、整合およびアライメントのレベルを含んで、突き合わされている２セットのＤＮＡデータ間の整合を強調する。
複数の光相関器の使用が説明されている（例えば、特許文献３および特許文献４参照）。
本発明の実施形態は、従来技術と比較して改善された光学的処理を提供する。
第１の態様では、各相関器が光学的入力空間光変調デバイスおよびフィルタ空間光変調デバイスを含む２つ以上の光相関器を備える光学的処理システムであって、使用に際して、システムが、システム内に複数の光路を形成する光学的入力を受け取り、各光路が、各入力空間光変調デバイスから各フィルタ空間光変調デバイスに至る、光学的処理システムが提供される。
言い換えれば、光学的処理システムが、システムを通る多数の光路に沿った光学的ハードウェアの再利用を可能にし、それにより有効な光相関器の数を増やすために、同じ光学的ハードウェアを共有するいくつかの光相関器（入力ＳＬＭ、フィルタＳＬＭ、および、適切な光学素子を含むカメラ）を備える。
ＳＬＭは、例えば２値ＳＬＭであってもよい。
独立した複数の光相関器を１つのシステムに組み込むための方法が提供される。「独立した光相関器」とは、適切なコヒーレント照明およびフーリエ変換レンズと組み合わせられた、入力ＳＬＭ、フィルタＳＬＭを含む、当技術分野において知られた光相関器を意味する。「１つのシステム」とは、同じ光学的ハードウェアを「再利用する」ことによってより高い性能を得るために、独立した相関器のそれぞれの要素を独立した様々な相関器にわたって複数回利用する、単一の光学系を意味する。各相関器の光学的出力は、例えば「１つのシステム」に含まれるカメラによって検出される。
したがって、本発明による「１つのシステム」は、複数の光相関器を必要とすることなしに、単一の光相関器自体の中に複数の光路を得る。
例えば、２つの入力ＳＬＭおよび２つのフィルタＳＬＭを有するシステムが、入力ＳＬＭのそれぞれからフィルタＳＬＭのそれぞれに至る４つの光路が光学系を通して存在するように、構成され得る。したがって、独立した２つの相関器に必要とされる光学的ハードウェアにより、独立した４つの相関器が実装され得る。同様に、４つの入力ＳＬＭおよび４つのフィルタＳＬＭを用いると、独立した１６本の光路が、適切に構成されたシステムを通して存在し得る。したがって、独立した４つの相関器に必要とされる光学的ハードウェアにより、独立した１６個の相関器が実装され得る。単一のカメラ・センサまたは複数のカメラ・センサが、出力平面において適宜構成され得る。
例えば、ビーム分割要素が、光学的入力を２つの直交方向に分割するように構成され、前述の空間光変調器デバイスのうちの２つは、互いに直交する。いくつかの実施形態では、ビーム分割要素は、例えばガラスで作られた「固体ブロック」要素である。
有利には、光相関器システムは、モジュール式とされ得る。「モジュール式」とは、当技術分野において知られているように複数の光相関器の使用を必要とすることなしに「１つのシステム」を拡張するために必要に応じて有利に追加され得る１つまたは複数の「モジュール」を含むシステムを意味する。単一のカメラ・センサ上に相関ピークを生成する複数の入力ＳＬＭおよびフィルタＳＬＭを備えるモジュール式光相関器システムでは、どの入力ＳＬＭおよびフィルタＳＬＭが所与の相関ピークに対応するのかを判定する方法が提供される。これらの方法は、データの「フットプリント」が画定されるようにデータの記号表現を使用することを前提とする。例えば、１Ｄデータが、入力ＳＬＭ上のある高さの複数の画素の列にわたって符号化され得る。この列内の相関ピークの相対的位置は、決定的である。
第１に、どの入力ＳＬＭが所与の相関ピークに対応するのかを判定するために、複数の方法が使用され得る。第１の事例では、入力像は、ＳＬＭにわたって空間的にシフトされる。これは、相関ピークにおける対応するシフトをもたらす。相関ピークの位置は、入力基準に対するスポットの位置に基づいて特定の入力ＳＬＭに関連し得る。第２の事例では、最後のレンズから異なる光路距離に位置する複数のカメラ・センサにわたって出力を分割するために、ビームスプリッタが使用される。入力ＳＬＭは、各カメラが１つのＳＬＭの像平面内に位置するように、光路に沿って相応にシフトされる。したがって、入力ＳＬＭのうちの１つに唯一対応する複数のカメラのうちの１つに、ピークが現れることになる。
第２に、どのフィルタＳＬＭが所与の相関ピークに対応するのかを判定するために、複数の方法が使用され得る。第１の事例では、フィルタＳＬＭは、相関スポットの位置を相応に並進させる、誘発されたわずかな傾きを有する。第２の事例では、所与のフィルタが作り出されるときに、フィルタは、任意の相関ピークに対して既知の並進を課すために、特定の位相チルトと組み合わせられる。入力ＳＬＭ上のデータのフットプリントに対する相関スポットの既知の並進は、所与の相関ピークがどのフィルタＳＬＭによるものなのかを独特に判定するために使用され得る。
したがって、従属的な態様では、以下のシステムが提供される。
観測された相関ピークに対応する特定の入力およびフィルタＳＬＭのペアが判定され得る、上記のようなシステム。
所与の相関ピークに対応する入力ＳＬＭが、入力ＳＬＭにわたるデータの並進に依存する相関ピークの位置によって判定される、上記のようなシステム。
入力ＳＬＭがカメラに対応してシフトされた状態で、ビームに沿ってシフトされた複数のカメラ・センサのうちのどのカメラ・センサに所与のピークが現れるかにより、所与の相関ピークに対応する入力ＳＬＭが判定される、上記のようなシステム。
入力ＳＬＭ上に示された記号に対する相関スポットの対応するシフトをもたらすフィルタＳＬＭに誘発されたチルトに依存する相関ピークの位置により、所与の相関ピークに対応するフィルタＳＬＭが判定される、上記のようなシステム。
所与の相関ピークに対応するフィルタＳＬＭが、高速フーリエ変換を行う前に記号を変換することなどによる適切なフィルタの計算に応じて誘発されるシフトに依存する相関ピークの位置によって判定される、上記のようなシステム。
所与の相関ピークに対応するフィルタＳＬＭが、フィルタに位相ランプを適用することなどによる適切なフィルタの計算に応じて誘発されるシフトに依存する相関ピークの位置によって判定される、上記のようなシステム。
別の態様では、遺伝子配列などの配列を識別する方法が提供され、この方法は、
・配列入力データを受信するステップと、
・入力データを複数の２値記号に変換して２値マップまたはグレースケール・マップを得るステップであって、２値記号またはグレースケール記号が、幅が画素ｍ個分で長さが画素ｎ個分の所定のサイズを有するステップと、
・２値マップまたはグレースケール・マップを光学的に処理して配列を識別するステップと、
を含む。
・配列入力データを受信するステップと、
・入力データを複数の２値記号に変換して２値マップまたはグレースケール・マップを得るステップであって、２値記号またはグレースケール記号が、幅が画素ｍ個分で長さが画素ｎ個分の所定のサイズを有するステップと、
・２値マップまたはグレースケール・マップを光学的に処理して配列を識別するステップと、
を含む。
配列を識別するこの方法は、上記のようなシステムのいずれかを使用する光相関ベースの処理システムまたは副処理装置によって用いられ得る。これは、従来技術において達成され得る配列識別よりも遙かに速い配列識別をもたらすという利点がある。副処理装置とは、従来型のＣＰＵなどの主処理装置の機能を補完するのに適したシステムを意味する。これは、有利には、従来技術に比べて著しい改善を示す、増強された高性能コンピューティング（ＨＰＣ：ｈｉｇｈ−ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ）をもたらす。
従属的な態様では、遺伝データは、基礎となるデータ構造を伝達する他の方法によって表され得る。例えば、データは、グラフとして表されてもよく、次いで、このグラフは、情報を光学場に符号化するために、ＳＬＭによって使用される。
従属的な態様では、これらの技法は、遺伝データ以外のデータ・セットに適用され得る。例えば、任意の配列データまたは記号列ベースのデータが表されて、これらの技法を使用して検索され得る。これらの技法は、遺伝データに独特に適用されるのではなく、任意の１Ｄデジタル・データ・ストリームにも適用され得ることが、理解されるであろう。
図３は、２つの入力ＳＬＭおよび２つのフィルタＳＬＭを含むシステムがどのようにして本発明により実現され得るかの一実施形態を示す。図３のシステムは、伝統的な「４ｆ」アーキテクチャに基づくが、大きな違いを有する。
波長λのコヒーレント光が、レーザ源１１から放射され、コリメーティング・レンズ１２を通じて第１のモジュール１００に送られる。いくつかの実施形態では、レーザは、単一モード光ファイバを通じてシステムに送達される。第１のモジュール１００は、２つの反射型入力ＳＬＭ１３、１４、および第１のビームスプリッタ１５を備える。ＳＬＭのそれぞれは、液晶アレイまたはＭＥＭｓ画素アレイなどの画素アレイであり得る。いくつかの実施形態では、ＳＬＭは、数百万の画素を含む高分解能画素アレイを具備する。アレイ内には、入力シーンｇ（ｘ，ｙ）が配置される。
この手法は、固体ブロック手法と組み合わせられ得る。ビームスプリッタは、この例では、立方形の固体ブロックである。２つの入力ＳＬＭ１３、１４は、互いに直角に位置決めされるように、また、互いに光学的に一致して位置決めされるように、光学接着剤を使用して接着されるか、またはビームスプリッタの側面に十分に隣接する。ビームスプリッタは、２つのガラス・プリズム１５ａ、１５ｂで形成される。好ましい実施形態では、ガラス・プリズムは、同じ屈折率の同じガラスで形成され、それらの接触面に部分的な反射コーティングを含む（例えば、半透鏡、または他の適切なコーティング）。ビームスプリッタ１５は、ビームスプリッタによって受け取られる入来光が均等な割合で第１および第２の入力ＳＬＭへ送られるように、光を２つの直交方向に均等に分割することが好ましい。光が分割される割合は、１つの入力ＳＬＭにつき５０％である必要はなく、割合は、ある程度の光の放射が両方の入力ＳＬＭによって受け取られるのであれば変化し得ることが、理解されるであろう。光の割合は、より多くのモジュールがシステムに加えられるときに、光を光学モジュール間で均等に分割することを考慮するために意図的に変更される。
第１のモジュールからの出力は、レンズ１６を通じて送られて、２つのフィルタＳＬＭ１７、１８および第２のビームスプリッタ１９を備える第２のモジュール２００上に集束される。第２のモジュールは、この例では、第１のモジュール１００と実質的に同一である。具体的には、第２のビームスプリッタは、実質的に第１のビームスプリッタと同じである。つまり、部分的な反射コーティングを含む２つのガラス・プリズム１９ａ、１９ｂで形成された固体ブロックである。
第２のモジュール２００のフィルタＳＬＭ１７、１８は、それぞれ、第１のＳＬＭ上に表示された関数のＯＦＴ（光学フーリエ変換）を受け取る。フィルタＳＬＭのそれぞれは、液晶アレイまたはＭＥＭｓ画素アレイなどの画素アレイであり得る。いくつかの実施形態では、ＳＬＭは、数百万の画素を含む高分解能画素アレイを具備する。アレイ内には、フィルタ・シーンＲ（ｘ，ｙ）が配置される。フィルタ・シーンは、入力シーンに突き合わされる１つまたは複数の参照像のフーリエ変換であり得る（ＳＬＭの変調範囲によりこれが示されることが可能になる限り、また、この制限が考慮される限り）。実際には、これは、ＤＮＡ配列から導かれる像などの一連の参照像であり得る。結果は、レンズ２０を通じて集束され、また、結果は、この場合ではデジタル・カメラ２１である検出器においてキャプチャされる。レンズ１６および２０は、適切な平面においてそれぞれの入来ビームのフーリエ変換を生成することが好ましい。レーザ１１およびカメラ２１もまた、ＳＬＭがビームスプリッタに接着されるのと同様の方法でガラスに接着され得る。整合は、図５に示されたもののように、カメラによって検出されたスポットとして示される。
したがって、図３は、光学的入力、少なくとも１つの光学的処理モジュール、および検出要素を備えるモジュール式光学的処理システムを示し、少なくとも１つの光学的処理モジュールは、２つ以上の空間光変調器デバイスと、光学的入力を分割しかつ光学的入力を２つ以上の空間光変調器デバイスに送るためのビーム分割要素とを備える。
「モジュール式」とは、必要に応じてシステムを拡張するために有利に追加され得る１つまたは複数の「モジュール」を含むシステムを意味する。したがって、モジュール式の手法は、例えばさらなる入力ＳＬＭまたはフィルタＳＬＭを追加することにより光学系を拡張可能にする。「モジュール」は、２つ以上の空間光変調器デバイス（ＳＬＭ）、およびビーム分割要素を備える。システムのモジュール性はまた、頑健性を高める。
例えば、モジュールが、少なくとも１つの入力ＳＬＭと少なくとも１つのフィルタＳＬＭとを有する。好ましい実施形態では、モジュールは、２つ以上の入力ＳＬＭを含み得る。有利には、２セットの入力データを含むことにより、処理速度が２倍になる。必要に応じてさらなるフーリエ変換レンズおよび追加のモジュールを含むことにより光学系が拡張され得ることが、理解されるであろう。
ビーム分割要素は、光学的入力を２つの直交方向に分割するように構成されてもよく、また、前述の空間光変調器デバイスのうちの２つは、互いに直交する。立方体の形状は、モジュールが「固体ブロック」または「固体光学素子」の手法で構築されることを可能にする。立方体の形状はまた、種々の電気光学構成要素（レーザなどの光学的入力、ＳＬＭ、カメラなどの検出要素）がガラスに接着されることを可能にし、それにより、局部振動およびシステムへの粒子の侵入を軽減または排除し、したがって、システムの精度を向上させる。固体ブロック手法は、システムのモジュール式の態様を可能にするのと同時に、振動がほとんどない頑強なシステム、したがってより正確かつ精密な光学的処理を提供するので、有利である。「固体ブロック」とは、光が（空気ではなく）その物質を通って移動する、ガラスまたは他の適切な物質のブロックを意味する。
この手法は、さらなる入力ＳＬＭおよびフィルタＳＬＭを含む追加のモジュールを具備する追加の光学的ハードウェアが組み込まれるので、光学系の拡張を有利に可能にし、性能の２次関数的成長を得る。図４は、システムがどのようにして延長され得るかを示す斜視図である。特に、図４のシステム１１０は、４つの入力ＳＬＭ（モジュール３００、４００につき２つ）と、４つのフィルタＳＬＭ（モジュール５００、６００につき２つ）とを使用する。この例では、それぞれ３つのビームスプリッタ４０および４１が、光を入力／フィルタＳＬＭに向けるために使用される。簡潔にするために、図は、レーザ入力に加えて、フーリエ変換を実装するために使用され得るレンズのそれぞれを示していない。
図４では、レーザ源は、５０に概略的に示されており、また、カメラは、６０に示されている。複数の光源からの複数の光線もまた、システムによって必要とされるとおりに使用されかつ結合され得る。システムは、レーザ源とＳＬＭモジュールとカメラとの間に、光路を案内する固体ブロック５１、５２、および５３で形成された固体ガラス組立体を含む。固体ブロック５３は、入来ビームのフーリエ変換が生成されるフーリエ変換レンズを含むか、またはブロック５３自体がフーリエ変換レンズを構成し得る。同様に、固体ブロック５２は、逆フーリエ変換を行うように構成され得る。
図４のシステムは、４つの入力のそれぞれから４つのフィルタのそれぞれまで、１６個の光相関器経路を効率的に含む。これは、光学的ハードウェアの効率的な利用を示す。追加のＳＬＭを組み込んで処理量をさらに段階的に高めかつ有効な独立した相関器の数を増やすための、この手法の拡張が可能である。
システムを通じて投射されるレーザ光は、情報担体を表す。情報または入力データ、例えばゲノム配列または他のパターンは、２つ以上の入力ＳＬＭに提示される。後で論じる入力データの符号化は、相関ピークが生じ得るフットプリントを明らかにする。このフットプリント内での入力データの位置は、対応するピークが光相関器経路のうちのどの光相関器経路に対応するのかを判定するために使用され得る。
好ましい実施形態では、入力データおよび／またはフィルタ・データは、特に他の入力ＳＬＭに対して、ｘ方向またはｙ方向にシフトされ得る。これは、ハードウェアの変位、制御電子装置、または特定のＳＬＭに適用された他のプログラミング手順の結果によるものであり得る。シフトは、第２の、第３の、およびさらなるＳＬＭの入力シーンのそれぞれに対するｘ方向またはｙ方向における例えば画素ｎ個分のシフトであり得る。１つの実際的な実施形態では、シフトは、第２のＳＬＭに対しては＋１、第３のＳＬＭに対しては＋２、第４のＳＬＭに対しては＋３の、２値スニペットのシフトであり得る。４つのフィルタ入力ＳＬＭとともに動作する４つの入力ＳＬＭの構成は、いくつかの実施形態では、１６の固有のペアリングが同時に処理されることを可能にする。
図５は、システム・モジュールの２つの入力ＳＬＭを含むシステムにおいてカメラによって受信された試験データを示し、一方の入力ＳＬＭデータは、他方の入力ＳＬＭデータに対してｘ方向に画素１つ分だけシフトされている。事実上、これは、結果として生じた相関ピークがどの入力ＳＬＭから得られたのかを証明するために、複数のＳＬＭからの入力データの空間的分離を伴う「二重入力」をもたらす。図５に示された強度ピークは、入力シーンとフィルタ・シーンとの間の整合の例である。これはまた、２つの入力ＳＬＭが単一のフィルタＳＬＭと同時に用いられる実施形態において結果が区別されることを可能にするという観点から、有利である。代替実施形態では、データは、ｙ方向にシフトされる。さらなる実施形態では、データまたはシーンの参照記号列は、フィルタＳＬＭにおいてｙ方向にシフトされ得る。シフトは、ｙ方向での画素ｎ個分のシフトであり得る。Ｎは、ＳＬＭのそれぞれに対して異なる整数であってもよい。例えば、ｎは、第２のフィルタＳＬＭに対してはｙ方向に＋１であってもよく、第３のフィルタＳＬＭに対してはｙ方向に＋２であってもよく、第４のＳＬＭに対してはｙ方向に＋３であってもよい。
１つの実施形態では、２つのフィルタＳＬＭに起因する相関ピークが（ｘ方向またはｙ方向に）シフトされ得る。１つの事例では、このことは、ＳＬＭのうちの１つにわずかな傾きを生じさせることによって達成される。代替実施形態では、１つのＳＬＭからのフィルタ・データが、ＦＦＴベースの（高速フーリエ変換）フィルタ生成計算に先立ってｙ方向に画素複数個分だけシフトされる。さらなる代替実施形態では、ＦＦＴフィルタ計算の後で位相チルトが適用される。図１０は、入力データ上の基礎となる記号に対して適切なシフトを組み込むことにより様々なカメラ画素が様々なフィルタに対応するように割り当てられ得る方法を示す。
図４のシステム（４つの入力ＳＬＭを使用する）のような複数のＳＬＭを使用するシステムでは、データは、好ましくはそれぞれの入力が他の入力とは空間的に異なる（入力ごとに「個性」が存在する）ように、ＳＬＭのうちの１つまたは全てに対してソフトウェアを使用してシフトされ得る。これは、一括処理を回避し、したがって、遙かに高速で効率的な処理を実現する。したがって、最終的にはカメラによって受信される正確な画素位置から判断すると、どの入力ＳＬＭとフィルタＳＬＭのペアがその相関強度の起源であるかを判定することができる。カメラ・センサによって受信される像は、様々なＳＬＭとフィルタとの間のペアリングの識別可能な行および列に分割することができ、また、データのシフトは、どの入力−フィルタ・ペアリングがその整合をもたらしたのかを証明するのに役立つ。好ましい実施形態では、カメラにおける画素は、特定の入力−フィルタ・ペアリングに起因し得る。したがって、２入力２フィルタＳＬＭシステムは、４つの１入力１フィルタ相関器（各入力シーンは、２つのフィルタに対して処理される）と同じ結果を−同じ光学系を使用して−効率的にもたらすために使用され得る。この性能は、図４に示されるように、さらなる入力ＳＬＭおよびフィルタＳＬＭをシステムに追加することによってさらに高めることでき、図４では、４つの入力ＳＬＭおよび４つのフィルタＳＬＭが、１つの光学系に全て含まれる、１６個の独立した相関器システム（４つの入力のそれぞれが４つのフィルタに対して相関される）と同等の性能をもたらすために使用される。
単一の光学系を通じて複数の相関処理を達成するための代替方法が、図６に示されている。この光学系は、図３に示された４−ｆシステムに似たレイアウトであり、第２のＣＭＯＳセンサ５０１およびビームスプリッタ５０２が追加されている。図３と同様に、システムには２つの入力ＳＬＭおよび２つフィルタＳＬＭが存在し、これらのＳＬＭは、この場合もやはり、４つの独立した相関器システムとして機能するために、単一の光学系に使用されている。しかし、この場合、第１の入力５０３と２つのフィルタ５０５、５０６とのペアリングに関連する相関像平面は、物理的にシフトされる。これは、入力ＳＬＭ５０３およびカメラ５０２を点線で示されているそれらの光路に沿って距離Δｚだけ変位させることによって達成される。入力ＳＬＭ５０３とカメラ５０２との間の光路長は、もとのままである。図９は、ミラーおよびビームスプリッタを除去しまたシステムを通る光路を平行に表すために、「折り畳まれていない」この同じ光学系を示す。
入力像平面をビームに沿ってΔｚだけ変位させることは、システムの得られるフーリエ変換面を反対方向に同じ距離（または、フーリエ変換系における光学的スケーリングを伴うシステムの場合では、適切にスケーリングされた距離）だけ変位させる直接的作用を有する。したがって、第１の入力シーンに関連する相関面は、第２の入力シーンに関連する相関面ともはや一致しない。したがって、カメラ・センサ５０２もまた、それに応じて距離Δｚだけシフトされる。したがって、第１の入力に関連する相関強度は、第１のカメラ５０８上で見ることができ、第２の入力およびフィルタに関連する相関強度は、第２のカメラ５０１上で見ることができる。さらなる入力ＳＬＭおよびフィルタＳＬＭをシステムに追加することにより（例えば、図４に示されたシステムに配置されたような入力ＳＬＭおよびフィルタＳＬＭ）、より多くの不一致相関面が単一の光学系の範囲内で生成され得るようにこの方法を拡張することが可能になる。
これは、図６に示された２カメラ・システムからの２つの相関面を示す図７に見ることができる。両方の像は、入力に表示された関数の複数の均等に離間された繰返しと２つのフィルタＳＬＭに表された対応する関数とのペアリングに関連する、同一の相関スポットの格子を含む。２つのスポット間の変換は、フィルタＳＬＭのうちの一方を他方に対してわずかに傾けることによって引き起こされる。異なるカメラ・センサ上でのスポットの出現は、たとえ同じ情報が各光路内に含まれていてもスポットをカメラ上に異なって集束させる、ビームに沿ったカメラ・センサおよび入力ＳＬＭのシフトによるものである。両方の像は、互いに独立しているが、同じ光学系によって瞬時に生成される。
入力／フィルタＳＬＭは、グレースケールＳＬＭも使用され得るが、２値ＳＬＭであることが好ましい。例えば、２値ＳＬＭは、液晶ＳＬＭ、強誘電体ＳＬＭ、微小電気鏡デバイス（ＭＥＭｓ）、またはマルチピクセル格子を含み得る。特定の実施形態では、ＳＬＭは、位相および／または振幅を変調し得る。２値強誘電体ＳＬＭは、遙かに速いスイッチング速度およびフレーム時間を提供し、また、２値強誘電体ＳＬＭは、フィルタ・データよりも遙かに速く入力データを流すのに好ましいとされ得る。例えば、グレースケール・フィルタ・データは、毎秒６０から２４０フレームで流され得るが、入力データは、毎秒２４００フレームでまたはより速く（フィルタ・データよりも少なくとも１０から４０倍速く）流される。
典型的には、カメラのフレーム・レートは、例えば毎秒おおよそ３００フレームで動作する２値ＳＬＭのフレーム・レートよりも遅くなる。このフレーム速度の不一致に適応する１つの方法は、複数の２値入力フレームを、カメラ・センサの１つのフレームに全て含まれるより少数のフィルタ・フレームと比較することである。これは、「一括処理」の形態につながり、一括処理では、単一のカメラ・フレームにおいて検出された相関強度が、いくつかの考えられる整合のうちの１つを示す。次いで、特定の整合を突き止めるために、さらなる照合が行われなければならない。この照合は、光相関器または関連するデジタル・コンピュータによって行われ得る。
図８は、上述のモジュール式システムを使用する光学的副処理装置システム１２０を示す。副処理装置は、レーザ源５０、上述の２つのＳＬＭおよびビームスプリッタを含む２つのＳＬＭモジュール７００、８００、ならびに２つのカメラ６０を備える。この場合もやはり、システム構成要素は、固体ブロック５４、５５、５６で形成された固体ガラス・システムによって接続され、カメラ６０は、図８に示されるようにブロックに接着される。ブロック５５および５６は、それぞれ、フーリエ変換レンズ（図示せず）を含む。光学系は、ドライバＰＣＩｅカードに取り付けられ、また、この例では、システムが行う光相関によって表される情報を処理するために、オープン・アプリケーション・プログラミング・インターフェース（ＡＰＩ）が使用される。
図８のシステム１２０は、例えばヌクレオチド配列およびタンパク質配列における１つまたは複数のパターンを識別するためのアライメント検索を含む、いくつかの用途で使用され得る。
システムは、必要に応じて、ショート・リードおよびロング・リードを含む完全一致検索および類似性検索を達成するために使用され得る。
図９は、ミラーおよびビームスプリッタを除去しまたシステムを通る光路を平行に表すために、「折り畳まれていない」この同じ光学系を示す。
〔記号置換〕
上述の本発明によるシステムは、データ配列、または参照像に対する像の突合せに用途を見出す。
上述の本発明によるシステムは、データ配列、または参照像に対する像の突合せに用途を見出す。
１つの実施形態では、システムは、大きいタンパク質配列内でのペプチドまたはアミノ酸の特定配列の位置を特定するために使用される。この応用では、特定のアミノ酸配列を表すデータは、それらのデータがフィルタＳＬＭを通じて流される参照配列データに一致する整合を見出すために、入力ＳＬＭを通じて流され得る。
システムは、参照ＤＮＡ配列に対してヌクレオチド塩基の特定配列（「遺伝子配列」）の位置を特定するために使用される。この例では、シーケンサ機械によって生成されるようなＤＮＡサンプルが、当技術分野で利用可能である。ＤＮＡ「リード」記号列または「スニペット」は、シーケンサ機械から作成され、典型的には１０１塩基対または３０１塩基対の長さであり、かつ、図１１に示されるように４つのヌクレオチド塩基Ｔ、Ｇ、Ａ、Ｃからなる。図１１のＴＧＡＣ記号列は、示されるように、また、以下でより詳細に説明される方法に従って、２値データ・セットまたは入力に変換されるべきである。様々なデータの表現は、ＳＬＭにわたってタイル表示される。
ＤＮＡ配列は、画素で構成されたアレイに変換される。図１２に示されるように入力配列データを２値記号に変換するために、２値記号生成器が使用され、それにより、ＴＧＡＣ基文字が、２値記号にそれぞれ変換される。前述の実施形態を参照すると、識別されるべき配列−またはスニペット−は、入力ＳＬＭによって表示される。ＤＮＡ参照データベース配列の対応する表示は、同じ記号化の下で準備される。これは、例えば高速フーリエ変換を使用してフィルタに変換され、フィルタＳＬＭによって表示される。フィルタＳＬＭにおいてスニペットが識別されると、適宜１つまたは複数のドットにより、カメラに結果が表示される。ドットはまた、完全なまたは部分的な整合が得られたか否かをドットの明暗度として示し、この明暗度は、比較されているデータにおける共通情報の割合に直接比例する。
この記号化（ｓｙｍｂｏｌｉｃ ｅｎｃｏｄｉｎｇ）が、相関ピークの形成が見込まれ得る「フットプリント」を画定することは、図１３から明らかである。したがって、上述の技法は、特定の入力ＳＬＭとフィルタの組合せに基づくこのフットプリント内でのこの相関ピークの正確な位置の制御を可能にして、相関ピークが何に相当するかの判別を可能にする。
この光学的手法は、各基本文字が２値記号にマッピングされる、相関パターン認識を使用する。記号は、各記号間の最低の整合相関レベル（ｍａｔｃｈｉｎｇ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎｓ ｌｅｖｅｌ）を見出すことによって生成される。これは、求められている配列を大きくかつ非常に複雑なＤＮＡ配列において識別する可能性を高める。
入力ＳＬＭおよびフィルタＳＬＭ上での２Ｄデータの表示は、２つのＳＬＭのために入手される複合（振幅および位相）特性化データに従って作られる。
別の実施形態では、記号は、２値ではなく、複数のレベルを利用する。これは、入力を表すための２値ＳＬＭの使用を除外するであろう。
別の実施形態では、ＤＮＡ参照データベースは、符号化されて入力ＳＬＭ上に直接表示される。検索されるべきデータは、同様に符号化されて、例えば高速フーリエ変換を使用してフィルタに変換される。これは、フィルタＳＬＭ上に表示される。
別の実施形態では、遺伝データは、基礎となるデータ構造を伝達する他の方法によって表され得る。例えば、データは、グラフとして表されてもよく、次いで、このグラフは、ＳＬＭ上での表示に適した２Ｄ表示として符号化される。そこで、入力ＳＬＭは、このようにして符号化された遺伝子配列を表示するために使用される。さらに、求められている配列は、同様の方法で符号化され、また、フィルタＳＬＭ上に表示される適切なフィルタが（例えば、高速フーリエ変換を使用して）生成される。
Claims (14)
- 各相関器が光学的入力空間光変調デバイス（ＳＬＭ）およびフィルタ空間光変調デバイスを含む２つ以上の光相関器を備える光学的処理システムであって、使用に際して、該システム内に複数の光路を形成する光学的入力を受け取り、各光路が、各入力空間光変調デバイスから各フィルタ空間光変調デバイスに至る、光学的処理システム。
- 前記空間光変調器デバイスが、反射型である、請求項１に記載の光学的処理システム。
- 前記空間光変調器デバイスが、２値空間光変調器である、請求項１または２に記載の光学的処理システム。
- 前記システムが、２つ以上のモジュールを備え、少なくとも１つのモジュールが、２つ以上の入力空間光変調デバイスを含み、少なくとも１つのモジュールが、２つ以上のフィルタ空間光変調デバイスを含む、請求項１から３のいずれか一項に記載の光学的処理システム。
- 前記モジュールのうちの少なくとも１つが、前記光学的入力を２つの直交方向に分割するように構成されたビーム分割要素を含む、請求項４に記載の光学的処理システム。
- 前記入力空間光変調デバイスが、入力データを含み、前記フィルタ空間光変調デバイスが、フィルタ・データを含み、前記システムが、前記入力空間光変調器デバイスおよび前記フィルタ空間光変調器デバイスそれぞれにわたって入力データまたはフィルタ・データをシフトさせるための手段をさらに備える、請求項１から５のいずれか一項に記載の光学的処理システム。
- 請求項１から６のいずれか一項に記載の光学的処理システムから受信した光学的出力を処理する方法であって、
前記光学的出力の相関ピークの位置を識別するステップと、
前記入力ＳＬＭにわたって光学的入力データを変位させ、それにより前記相関ピークにおけるシフトを得るステップと、
前記光学的出力の前記位置および前記シフトに基づいて前記相関ピークに対応する前記入力ＳＬＭを識別するステップと、
を含む、方法。 - 請求項１から６のいずれか一項に記載の光学的処理システムから受信した光学的出力を処理する方法であって、前記光学的出力が、異なる光路距離に位置する複数のカメラによって受信されるべく分割され、前記方法が、
前記光学的出力の相関ピークの位置を識別するステップと、
前記入力ＳＬＭにわたって光学的入力データを変位させ、それによりそれぞれの前記カメラの像平面におけるシフトを得るステップと、
前記複数のカメラをそれぞれの光路に沿って変位させて、前記光学的出力を検出するステップと、
前記光学的出力の位置に基づいて前記相関ピークに対応する前記入力ＳＬＭを識別するステップと、
を含む、方法。 - 請求項１から６のいずれか一項に記載の光学的処理システムから受信した光学的出力を処理する方法であって、
フィルタＳＬＭを傾け、それにより前記入力ＳＬＭに関して前記相関ピークの対応するシフトを得るステップと、
前記光学的出力の位置および前記シフトに基づいて前記相関ピークに対応する前記フィルタＳＬＭを識別するステップと、
を含む、方法。 - 請求項１から６のいずれか一項に記載の光学的処理システムから受信した光学的出力を処理する方法であって、
高速フーリエ変換を行う前に前記ＳＬＭのフィルタ・データを変換し、それにより前記入力ＳＬＭに関して前記相関ピークの対応するシフトを得るステップと、
前記光学的出力の位置および前記シフトに基づいて前記相関ピークに対応する前記フィルタＳＬＭを識別するステップと、
を含む、方法。 - 請求項１から６のいずれか一項に記載の光学的処理システムから受信した光学的出力を処理する方法であって、
フィルタＳＬＭに位相ランプを適用し、それにより前記入力ＳＬＭに関して前記相関ピークの対応するシフトを得るステップと、
前記光学的出力の位置および前記シフトに基づいて前記相関ピークに対応する前記フィルタＳＬＭを識別するステップと、
を含む、方法。 - ・配列入力データを受信するステップと、
・前記入力データを複数の２値記号またはグレースケール記号に変換して２値マップまたはグレースケール・マップを得るステップであって、２値記号またはグレースケール記号が、幅が画素ｍ個分で長さが画素ｎ個分の所定のサイズを有するステップと、
前記２値マップまたはグレースケール・マップを光学的に処理して配列を識別するステップと、
を含む、配列を識別する方法。 - 請求項１から６のいずれか一項に記載の光学的処理システムを備える、副処理装置。
- 請求項１から６のいずれか一項に記載の光相関ベースの光学的処理システムまたは請求項１３に記載の副処理装置を使用する、請求項１２に記載の配列を識別する方法。
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