JP2622978B2 - 空間光変調装置およびそれを用いた画像再構成装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、断層撮影装置などの画像処理に利用される
空間光変調装置およびそれを用いた画像再構成装置に関
する。

〔従来の技術〕

従来、画像処理の分野では、一般にコンピュータシス
テムを用いてデジタル的な処理が行なわれていた。この
ような画像処理の応用例として断層撮影装置などに利用
される第６図に示すような画像再構成装置が知られてい
る。

第６図の画像再構成装置では、線源80からのＸ線など
を被写体81に照射し、被写体81を透過したＸ線などの線
量を測定器82で検出する。検出された線量は、被写体の
内部情報を照射方向に沿って加算し投影した投影データ
となっている。投影データは、A/D変換器83によってデ
ジタル値に変換され、比較器84に加わる。一方、画像メ
モリ85は、再構成画像を格納するものである。再構成画
像は、被写体の内部情報の個数に対応した個数の画素を
有しており、各画沿の情報ｆ（i,j）は、被写体81の照
射方向と同じ方向に沿って総和がとられ、比較器84に加
わるようになっている。なお、各画素の情報ｆ（i,j）
は、当初、適当な初期値となっている。比較器84におい
ては、投影データと、各画素の情報ｆ（i,j）の照射方
向に沿って得られた総和とが比較されその差分値をコン
ピュータシステム86に送る。コンピュータシステム86で
は差分値にデジタル的な所定の演算を施して補正データ
とし、この補正データを各画像の情報に重ね合わせ、被
写体81の内部情報との差がなくなるような方向に各画素
の情報ｆ（i,j）を修正する。

次いで線源80あるいは被写体81のいずれかを所定角度
ωだけ回転し、照射方向を変えて得られた投影データと
再構成画像とに基づいて上述したと同じ処理を繰返す。
このようにして、再構成画像は、逐次更新され、被写体
81の内部情報との差が所定の閾値以下になるまで処理が
繰返し続けられる。

なお上述のような画像再構成処理は、1983年３月10日
発行の文献〔岩波講座 情報科学−21「パターン認識と
図形処理」第192頁乃至第195頁〕に記載されている逐次
近似法として画像処理の分野で良く知られている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

このように、従来の逐次近似法を用いた画像再構成装
置では、画像処理は電気的に行なわれ、投影データと再
構成画像とを比較する処理、比較処理において得られた
差分値に対し所定の演算を施し補正データを求める処
理、補正データを再構成画像に重ね合せ再構成画像を修
正する処理がデジタル的に行なわれていた。

しかしながら、画像処理をデジタル的に行なう場合に
は画像の精度，解像度を向上させるのに画素数をより多
くしなければならず、また処理に非常に時間がかかると
いう問題があった。さらに大きな画素マトリックスに対
して回転演算処理をデジタル的に行なうのはメモリ容量
および処理時間の点で非常に難かくし、実時間処理には
適しないという問題があった。

従って、再構成画像に対して加減演算，回転演算を行
なわせる画像再構成装置の上記各処理をデジタル的に行
なわせる場合には、再構成画像の精度，解像度を向上さ
せるのにハードウェア量を大きくしなければならず、ま
た処理時間が非常にかかるという問題があった。

本発明は、画像処理を並列的にかつアナログ的に行な
わせることの可能な新規な空間光変調装置と、この空間
光変調装置を用いて精度の高い再構成画像を短時間でか
つ容易に得ることの可能な実時間処理に適した画像再構
成装置を提供することを目的としている。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、上記従来技術の問題点を解決するためのも
のであって、本発明の空間光変調装置は、一次元の光電
子像を二次元の電子像に変換する変換手段と、前記二次
元の電子像に対し回転演算を施す回転手段と、回転演算
の施された二次元の電子像とすでに蓄積されている電子
像との加減演算を施す加減手段と、演算処理の施された
電子像を蓄積する蓄積手段とを備えていることを特徴と
するものである。

また本発明の画像再構成装置は、被写体の内部情報の
照射方向に沿った投影を投影データとして検出する投影
手段と、一次元の補正データ像を二次元の補正関数像に
変換し、これに回転演算，加減演算を加えて再構成画像
を修正し蓄積する空間光変調装置と、空間光変調装置に
蓄積された再構成画像を光学的に読出す光読出手段と、
読出された再構成画像を投影手段の照射方向と同じ方向
に沿って積算し総和データとして出力する総和手段と、
投影データと総和データとを比較して再構成画像修正用
の一次元の補正データ像を作成する比較補正手段とを備
えていることを特徴とするものである。

〔作用〕

本発明の空間光変調装置では、一次元の光電子像を二
次元の電子像に変換し、この二次元の電子像に回転演算
を施し、さらに回転演算の施された二次元の電子像とす
でに蓄積されている電子像との加減演算を行なわせ、い
ままで蓄積されていた電子像を修正し蓄積するようにな
っている。ところでこの空間光変調装置では１つの空間
光変調管内で二次元の電子像への変換処理，回転演算処
理，加減演算処理の各処理の演算が並列的にかつアナロ
グ的に行なわれるので、これを画像処理の分野に用いた
場合に画像演算処理を高精度，高解像度の状態で高速に
行なわせることができる。

また本発明の画像再構成装置では、投影手段において
所定の照射方向の投影データが検出されると、光読出手
段によって光学的に読出された再構成画像は、総和手段
において投影手段の照射方向と同じ方向に総和がとられ
総和データとなる。所定の照射方向における投影データ
と総和データとは比較補正手段において比較され、例え
ば差がとられその差を例えば線源，測定器間の長さで割
って規格化し、一次元の補正データ像を作成する。この
一次元の補正データ像は、第１の発明の空間光変調装置
に入力し、そこで二次元の補正関数像に変換され、照射
方向と同じ方向に補正関数像を回転させ、すでに蓄積さ
れている再構成画像と加減演算を行なわせ再構成画像を
修正する。これにより再構成画像と被写体の内部情報と
の差異を小さくする。次いで投影手段において照射方向
を少しずらし、またこれに連動して総和手段の総和をと
る方向もずらして一次元の補正データ像を作成し、空間
光変調装置に入力し、補正関数像に変換し、この補正関
数像を照射方向のずれと同じ角度だけ回転させ、すでに
蓄積されている再構成画像に重ね合せる。このようにし
て照射方向を徐々にずらしながら空間光変調装置に蓄積
された再構成画像を逐次修正し、被写体の内部情報を近
似したものとすることができる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第１図は本発明に係る空間光変調装置の一実施例の構
成図である。第１図の空間光変調装置20は、一次元発光
体アレイ１から出力された光を結像光学系２によって空
間光変調管21の光電面３上に一次元的に結像するように
なっている。空間光変調管21は、光電面３と、光電面３
によって光電変換された一次元の電子列を二次元的な電
子像に拡げるシリンドリカル電子レンズ系４と、コリメ
ート用電極５と、電子像を回転させる電子像回転系６
と、集束電極７と、電子像を増倍する増倍部８と、増倍
された電子像の速度を制御するメッシュ電極９と、電気
光学結晶10とを備えている。

一次元発光体アレイ１は、例えば一次元方向に配列さ
れた発光ダイオードアレイであり、結像光学系２は、例
えばファイバプレートである。

また空間光変調管21のシリンドリカル電子レンズ系４
には、静電レンズあるいは電磁レンズ等が用いられ、電
子像回転系には電磁レンズ等が用いられ、さらに増倍部
８にはマイクロチャンネルプレートが用いられる。

このような構成の空間光変調装置20では、第２図に示
すように、一次元発光体アレイ１から出力された光は、
結像光学系２によって書込光WBとして光電面３上に結像
しそこで一次元の電子列FAに光電変換される。この電子
列FAは、シリンドリカル電子レンズ系４により二次元な
電子像FBに拡張される。さらに二次元な電子像FBは、コ
リメート用電極５でコリメートされ電子像回転系６に所
定の電気信号を入力することにより所定の角度回転し、
第２図にFCで示すようになる。この電子像FCは、増倍部
８においてFDで示すように増倍されメッシュ電極９を介
して電気光学結晶10に送られ、電気光学結晶10内にすで
に蓄積されている電子像FEと重ね合わされ電子像FEを電
子像FE′に修正する。

なおこの際にメッシュ電極９に加わる電圧を外部から
制御することによって増倍部８で増倍された電子像FDと
電気光学結晶10内にすでに蓄積されている電子像FEとの
加減演算が直接行なわれ、その結果、修正された電子像
FE′となり電気光学結晶10内に蓄積される。蓄積された
電子像によって電気光学結晶10の屈折率が変化する。例
えば平行光源12からの所定の偏光成分をもつ読出光RBを
ハーフミラー11を介して電気光学結晶10に入射させる
と、読出光RBの偏光状態が変化し反射されハーフミラー
11を介し検光子13にて光強度変化として抽出される。検
光子13で抽出された読出光RBの光強度変化は、電気光学
結晶10内に蓄積された電子像を反映したものとなってい
る。

このように本実施例の空間光変調装置では、空間光変
調管20内で一次元の書込光WBを二次元的な電子像に変換
する処理、二次元的な電子像に所望の角度の回転演算を
施す処理、すでに蓄積されている電子像との加減演算を
行なわせて光学画像として取出す処理が全て並列に行な
われるので、これを画像処理の分野に適用するとき、従
来画像メモリ等を用いてデジタル的に行なわれていた画
像処理に比べて、演算処理を迅速にかつ極めて簡単な構
成で行なうことができ、さらにはこれらがアナログ的に
行なわれるため、画像の精度，解像度を著しく高めるこ
とができる。

第３図は第１図に示すような空間光変調装置を用いた
画像再構成装置の構成図である。

この画像再構成装置は、前述のような逐次近似法によ
る画像再構成処理を第１図の空間光変調装置20を用いて
光学的に行ないアナログ的に処理するようになってい
る。すなわち空間光変調装置20の空間光変調管21の電気
光学結晶10に再構成画像を蓄積し、この再構成画像上に
補正関数像を重ね合せて再構成画像を逐次近似するよう
になっている。この際に空間光変調管21内では一次元的
な補正データ像を二次元の補正関数像に変換する処理、
二次元の補正関数像に対する回転演算処理、再構成画像
との加減演算処理の各処理の演算を並列的にかつアナロ
グ的に行なわせることができる。

第３図の画像再構成装置では、主制御装置22によっ
て、画像再構成処理の全体制御がなされる。投影手段23
は、第４図に示すように、Ｘ線，ガンマ線などの線源80
と測定器82とが所定の間隔ｌを隔てて配置され、被写体
81を透過した線源80からの線量を測定器82で検出し、被
写体81の内部情報を照射方向に沿って投影して投影デー
タPDとして出力するようになっている。この投影データ
PDは、アナログ値で比較器24に入力する。なお投影デー
タPDは、電気信号であっても良いし、光信号であっても
良い。

主制御装置22には、投影開始信号PSSが入力し、この
信号PSSの入力により、画像再構成処理を開始したり、
どの照射方向の投影データが入力されるのか判断するよ
うになっている。

すなわち投影開始信号PSSにより、投影データPDの入
力と同期した演算処理がなされ、実時間で画像再構成が
行なわれるようになっている。比較器24は、画像再構成
処理が開始すると被写体からの投影データPDと後述の光
強度検出装置37からの総和データRDとを比較しその差分
値（RD−PD）を求め、補正関数発生器25は、比較器24か
らの差分値（RD−PD）を投影手段23の線源80と測定器82
との間の距離ｌで割った値を補正データADとして発生す
るようになっている。

主制御装置22は、補正データADをその絶対値情報ABS
と、正負の符号情報SBとに分離し、これらを評価してそ
れぞれ発光駆動部26,駆動制御部27に指令を出す。また
駆動制御部27には、主制御装置22から投影開始信号PSS
に基づく照射方向の角度情報ωが加わる。

発光駆動部26は、主制御装置22からの補正データADの
絶対値情報ABSをラッチし、所定のタイミングでこの情
報ABSに基づき、第１図の空間光変調装置20の一次元発
光体アレイ１を駆動し、一次元発光体アレイ１から一次
元の補正データ像を出力させ、結像光学系２を介して空
間光変調管21に入射させるようになっている。一次元の
補正データ像は、空間光変調管21の光電面３で光電変換
され、シリンドリカル電子レンズ系４により二次元の補
正関数像に拡げられる。駆動制御部27は、主制御装置22
からの角度情報ωと正負の符号情報SBとに基づき空間光
変調管21の電子像回転系６とメッシュ電極９とにそれぞ
れ所定の制御信号を入力するようになっている。角度情
報ωに対応した制御信号が電子像回転系６に入力すると
シリンドリカル電子レンズ系４により拡げられた補正関
数像は投影手段23の照射方向と同じ方向に回転し正規の
補正関数像となる。正負の符号情報SBに基づく制御信号
がメッシュ電極９に入力するとメッシュ電極９の電位に
よって正規の補正関数像と電気光学結晶10にすでに蓄積
されている再構成画像との画像和または画像差の加減演
算が行なわれ、再構成画像を逐次修正することができ
る。なお、再構成画像は電気光学結晶10上に電荷の形で
すなわち電気光学結晶10の屈折率変化として蓄積されて
いる。

空間光変調管21に蓄積された再構成画像は、光源28か
らの光により読出される。光源28には、例えば直線偏光
光を出力するH_e−N_eレーザが用いられる。光源28からの
直線偏光光は、レンズ29,30,開口部材31により直径20mm
程度の平行コヒーレント光となり、ハーフミラー32,33
を介して空間光変調管21に読出光RBとして入射するよう
になっている。この読出光RBは電気光学結晶10の屈折率
変化により偏光状態が変化し、反射されてハーフミラー
23を介して検光子34に入射する。検光子34では、電気光
学結晶10からの読出光RBから所定の偏光成分の光強度を
抽出して再構成画像を光強度の形で出力する。検光子34
からの読出光RBすなわち再構成画像は、ミラー35,ハー
フミラー36を介し、光強度検出装置37に入射する。

光強度検出装置37は、可動スリットと光強度検出器
（例えば光電子増倍管）との組合せであっても良いし、
あるいは、アレイ検出器（例えば浜松ホトニクス社製シ
リコンストリップ検出器S2458）と積分器との組合せで
あっても良い。第４図には光強度検出装置37としてアレ
イ検出器70と積分器71との組合せが用いられたときにア
レイ検出器70に入射する読出光の範囲AR（直径約20mm）
並びに再構成画像RCが示されている。光強度検出装置37
は、駆動部38によって制御されるようになっている。駆
動部38は、例えばモータ制御部とモータとからなってお
り、主制御装置22からの照射方向の角度情報ωに基づき
光強度検出装置37を所定角度回転させる。すなわち光強
度検出装置37として可動スリットと光強度検出器との組
合せを用いる場合には、投影手段23の照射方向と同じ方
向に光強度の総和をとるため、駆動部38は可動スリット
を照射方向と同じ方向に回転し、光強度検出器において
可動スリット全体からの光を全て検出するようになって
いる。また、第４図に示すようなアレイ検出器70と積分
器71との組合せを用いる場合には、駆動部38はアレイ検
出器70を照射方向と同じ方向に回転し、積分器71におい
て、アレイ検出器70からの電荷の形での出力を照射方向
に一次元的に積算するようになっている。

また第３図において表示手段７は、検光子34からミラ
ー35,ハーフミラー36を介し送られた再構成画像を表示
するのに用いられ、再構成画像を単に記憶する画像メモ
リ（例えば電気メモリ，写真，ホログラム）であっても
良いし、実際に可視画像として表示するスクリーン，デ
ィスプレイ，プリンタ等でも良い。

さらに第３図の画像再構成装置には、再構成画像が被
写体の内部情報を良好に近似するものとなったか否かを
判定し、良好に近似するものとなったときには、再構成
処理を終了させる判定終了手段が設けられている。この
判定終了手段は、空間光変調器61,駆動制御部62,ハーフ
ミラー63,検光子64,光電子増倍管65,増幅器66,弁別器6
7,リレー68で構成されている。

空間光変調器61は、空間光変調管21のように画像を回
転させる機能を有しなくとも良い。空間光変調器61に
は、検光子34からの再構成画像がミラー35,ハーフミラ
ー36,40を介して入射し、これを書込み記憶すると同時
に、駆動制御部62からの制御によりいま書込まれた再構
成画像とすでに書込まれている再構成画像との差分をと
り、ハーフミラー32,63,ミラー69からの読出光によりこ
の差分画像が読出されるようになっている。読出された
差分画像は、ハーフミラー63,検光子64を介して光電子
増倍管65,増幅器66で検出され弁別器67において所定の
閾値以下になったか否かが判定される。所定の閾値以下
になったときには、再構成画像が被写体の内部情報を良
好に近似したものとなったと判断されるので、リレー68
を駆動して主制御装置22の動作を停止し、画像再構成処
理を終了する。

このような構成の画像再構成装置の処理流れを第５図
のタイムチャートを用いて説明する。

先づ、初期条件として、空間光変調管21には任意の初
期値を書込み（例えば何も書込まれていない状態にして
おく）、空間光変調器61を例えば何も書込まれていない
状態にしておく。また主制御装置22からの角度情報ωを
初期値に設定しておく。次いで投影データPDに同期し
て、第５図（ａ）に示すように投影開始信号PSSが入力
される。これにより、主制御装置22は、駆動制御部27に
角度情報ωを送る。また投影開始信号PSSに同期して空
間光変調装置20からは第５図（ｂ）に示すようにこれに
蓄積された再構成画像が読出されると同時に、判定終了
手段の空間光変調器61では、第５図（ｃ）に示すように
空間光変調装置20からいま読出された再構成画像と空間
光変調器61内にすでに書込まれている再構成画像との差
分演算を行なう。

空間光変調装置20から読出された再構成画像はまた、
光強度検出装置37に入射し、そこで投影手段１の照射方
向と同じ方向の一次元像を切出しその光強度の総和を求
め総和データRDとして比較器24に加える。なお空間光変
調装置20の最初の読出しでは、予め設定された任意の初
期値からなる再構成画像が読出される。

比較器24は、総和データRDが出力されかつ投影データ
PDが出力されたときに第５図（ｄ）に示すタイミングで
動作し、投影データPDと総和データRDとの比較を行な
い、その差分値（RD−PD）を求めて補正関数発生器25に
送り、補正データADを発生させる。

この補正データADは、主制御装置22に送られ、その絶
対値情報ABSと正負符号情報SBとが分離評価される。正
負符号情報SBは駆動制御部27に送られ、絶対値情報ABS
は発光駆動部26に送られそこでラッチされる。これが終
了すると、第５図（ｃ）に示すように、空間光変調器61
にすでに書込まれている差分演算結果の読出し処理を開
始する。この処理では差分演算結果が所定の閾値以下に
なったか否かを弁別器67で判定し、所定の閾値以下にな
ったと判断されたときには再構成画像が被写体の内部情
報を良好に近似したものとなったとみなされ処理を終了
する。所定の閾値以下ではないときには、さらに逐次近
似を繰返すため、空間光変調管21に現在書込まれている
再構成画像を読出してこれを第５図（ｃ）に示すように
空間光変調器61上に書込む。

次いで、空間光変調管21に現在書込まれている再構成
画像を修正するため、発光駆動部26にラッチされている
補正データADの絶対値情報ABSにより空間光変調装置20
の一次元発光体アレイ１を駆動させ一次元発光体アレイ
１から一次元の補正データ像を発光させて、第５図
（ｂ）に示すように空間光変調装置20への書込みを開始
する。空間光変調装置20すなわち空間光変調管21への書
込みに際し、一次元の補正データ像は、空間光変調管21
の光電面３で光電変換され、シリンドリカル電子レンズ
系４で二次元の補正関数像に変換され、さらに電子像回
転系６で駆動制御部27からの角度情報ωに基づく回転演
算が施されて正規の補正関数像となり、駆動制御部27か
らの正負符号情報SBに基づくメッシュ電極９の電位によ
って正規の補正関数像とすでに書込まれている再構成画
像との加減演算が行なわれて、再構成画像が修正され
る。

これにより１つのサイクルが終了し、次の投影開始信
号PSSが主制御装置22に入力すると、次のサイクルが開
始する。次のサイクルでは、投影手段23の照射方向が少
しずれるので、主制御装置22はこのずれを投影開始信号
PSSから認知して角度情報ωを設定しこれによって補正
関数像の回転角並びに光強度検出装置14の回転角を制御
し、上記動作と同じ処理を繰返し行なわせる。

このようにして再構成画像を逐次近似して被写体の内
部情報に近づけることができて、この再構成画像を表示
手段７で表示することにより、被写体の内部情報を観察
することが可能となる。

なお、上述の処理では、空間光変調装置20内において
再構成画像の基本処理すなわち一次元の補正データ像を
二次元の補正関数像に変換する処理，補正関数像に回転
演算を施す処理，補正関数像と再構成画像との加減演算
処理の各処理の演算は並列にかつアナログ的に行なわれ
るので、メモリ容量等の問題を生じさせず、精度，解像
度の高い再構成画像を迅速にかつ容易に得ることができ
て実時間処理に適している。

なお上述の実施例において、補正関数発生器24は比較
器24からの差分値（RD−PD）を距離ｌで割算して補正デ
ータADを出力するとして説明したが、差分値（RD−PD）
に対し所定の重み付けをした上で割算処理を施すように
しても良い。

〔発明の効果〕

以上に説明したように、本発明の空間光変調装置によ
れば、画像変換，画像の回転演算，加減演算を並列的に
かつアナログ的に行なうようにしているので、ハードウ
ェア量が少ないにもかかわらず画像演算処理を高精度，
高解像度の状態で短時間に行なわせることができる。ま
た本発明の画像再構成装置によれば、本発明の空間光変
調装置を用いて画像再構成処理を光学的にアナログ演算
で行なうようにしているので、ハードウェア量を少くな
くし精度，解像度の高い再構成画像を実時間処理で短時
間にかつ容易に得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は空間光変調装置の構成図、第２図は第１図の空
間光変調装置の画像処理動作を説明するための図、第３
図は第１図の空間光変調装置を用いた画像再構成装置の
構成図、第４図は投影手段並びに光強度検出装置の具体
例を示す図、第５図（ａ）乃至（ｄ）は画像再構成装置
の動作手順を示すタイムチャート、第６図は従来の画像
再構成装置の構成図である。 １……一次元発光体アレイ、２……結像光学系、 ３……光電面、４……シリンドリカル電子レンズ系、 ５……コリメート用電極、６……電子像回転系、 ７……集束電極、８……増倍部、９……メッシュ電極、 10……電気光学結晶、20……空間光変調装置、 21……空間光変調管、22……主制御装置、 23……投影手段、24……比較器、 25……補正関数発生器、26……発光駆動部、 28……光源、34……検光子、 37……光強度検出装置

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】一次元の光電子像を二次元の電子像に変換
   する変換手段と、前記二次元の電子像に対し回転演算を
   施す回転手段と、回転演算の施された二次元の電子像と
   すでに蓄積されている電子像との加減演算を施す加減手
   段と、演算処理の施された電子像を蓄積する蓄積手段と
   を備えていることを特徴とする空間光変調装置。
2. 【請求項２】被写体の内部情報の照射方向に沿った投影
   を投影データとして検出する投影手段と、一次元の補正
   データ像を二次元の補正関数像に変換し、これに回転演
   算，加減演算を加えて再構成画像を修正し蓄積する空間
   光変調装置と、空間光変調装置に蓄積された再構成画像
   を光学的に読出す光読出手段と、読出された再構成画像
   を投影手段の照射方向と同じ方向に沿って積算し総和デ
   ータとして出力する総和手段と、投影データと総和デー
   タとを比較して再構成画像修正用の一次元の補正データ
   像を作成する比較補正手段とを備えていることを特徴と
   する画像再構成装置。