JP2653814B2 - 全光学的画像信号処理装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は誘導放出過程を利用した画像増幅器を用いた
画像信号処理装置に係わり、特に画像光の波長、位相、
入射方向を維持したまま増幅することにより光学的演算
処理、入射方向の検出を行うことが可能な全光学的画像
信号処理装置に関するものである。

〔従来の技術〕

従来、二次元画像信号の増幅装置としては、光を光電
面に当てて光学像を電子像に変換した後増幅し、増幅し
た電子を螢光板に当てて再び光学像に戻すイメージイン
テンシファイアが実用化されている。

また光を電子に変換せず、光そのものを増幅するもの
としては誘導放出を利用したレーザが広く使用されてお
り、また誘導放出過程を二次元的な画像形成に応用した
ものとしてファイバー或いはGaAs結晶を用いた素子が知
られている。例えば、それぞれはファイバーレーザープ
レートを発振させる強度よりも僅かに小さいレベルであ
り、重ね合わせると発振レベルよりも大きい２つの画像
光を入射させ、両画像光が重なりあった領域では発振レ
ベルを越えるようにして、ファイバーレーザプレートの
出力光として両画像光のAND出力を得るようにしたもの
が提案されている（Appl.Phys.Lett.37（３）,1 August
1980 p260 FIG.1参照）。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、イメージインテンシファイアにおいて
は、入射光を電子に変えて増幅しているため、光電変換
の過程で入射光のコヒーレンス性、並びに入射方向に関
する情報は失われてしまうという問題がある。

また従来のレーザは、共振器をもつものも持たないも
のも含めて、増幅率の空間分布の検討はなされている
が、これは出力光の均一性を達成するためにのみ注意が
払われており、空間分布を積極的に利用するという視点
はない。

さらにファイバー、或いはGaAs結晶を用いた素子は、
入力画像光自身がポンピング光の役割を果たしているの
で、強度が大きい必要があり、光演算素子には使えたと
しても画像増幅の機能は無く、また出力画像が赤外域で
不可視であるという問題がある。

本発明は上記問題点を解決するためのもので、入射光
のコヒーレンス性、入射方向が保存され、空間的に増幅
率を変えて利用することができ、また微弱光を増幅して
光演算を行わせることができると共に、入射方向の検出
を行うことが可能な全光学的画像信号処理装置を提供す
ることを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

そのために本発明の全光学的画像信号処理装置は、光
励起手段と、光励起手段からのポンプ光が入射されて励
起されると共に、入力光が入射される利得媒体を有する
増幅素子と、入出力光学系とを備え、出力光をハーフミ
ラーを介して分割し、分割した各光を複数の検出素子か
らなる検出器により検出して入力光の入射方向を検出す
ることを特徴とする。

〔作用〕

本発明の全光学的画像信号処理装置は、利得媒体をポ
ンプ光により励起し、励起された利得媒体に入力光を入
射させて誘導放出を生じさせることにより入射光のコヒ
ーレンス性、入射方向を保存し、微弱光を増幅して光演
算を行わせると共に、出力光を分割することにより微弱
光の入射方向の検出を行うことが可能となる。

〔実施例〕

以下、実施例を図面を参照して説明する。

第１図は本発明の全光学的画像信号処理装置に使用さ
れる画像増幅器の概念を説明するための図、第２図は画
像増幅器の一実施例を示す図で、図中、１は増幅器、
３、５は入力画像、７、９は増幅された画像、11は入力
光学系、13はハーフミラー、15は利得媒体、17はカット
オフフィルタ、19は出力光学系、21はポンプ光学系、23
はポンプ光、25はマスクである。

第１図において、入力画像３は増幅器１により光のま
ま増幅されて画像７として出力され、また入力画像５は
同様に増幅されて画像９として出力される。以下に詳述
するように、出力画像はコヒーレンス性は保持されると
共に、方向性が保持されている。

次に第２図により本発明を詳細に説明する。

画像増幅器１は、画像増幅の要となる利得媒体15、利
得媒体を活性化させるためのポンプ光学系21、入出力光
学系11、19からなっている。

利得媒体15は薄いポリカーボネイトフイルム中にドー
プされた色素４−（N,N−ジエチルアミノ）−４′−ニ
トロスチルベンからなり、色素濃度は0.7M（mol/dm³）
程度である。このフィルムを石英ガラス基板からなるカ
ットオフフィルタ17に接着等により貼付する。フィルム
の厚さは１μｍ程度であり、フィルタの厚みは１〜2.5m
m程度である。フィルタはポンプ光を吸収して出力側に
出ないようにするためのものである。なお、フィルムと
してはポリスチレンフィルム、ポリメチルアクリレート
フィルム等を、また色素としては、ローダミン系色素、
クマリン系色素等レーザー発振に使える一般の色素を使
用してもよい。そして、第３図に示すように、この色素
をポンプ光によって基底状態のレベル１からレベル３へ
励起すると、励起された分子は熱放出を行ってレベル２
の状態になる。このレベル２の状態にある分子数が基底
状態の分子数を上回る状態、即ち反転分布状態を生じせ
しめる。このときの励起エネルギー密度は１〜数10mJ/c
m²である。こうして活性化された利得媒体は、レベル１
とレベル２のエネルギー差の入射光により誘導放出を生
じて入射光を増幅する。入射光と増幅された光は同じ波
長、位相をもっており、また増幅の前後でコヒーレンス
性が保たれている。またレベル２はある幅を持っている
ので所定の波長帯域の増幅が可能である。

なお、ポンプ光は励起と共に、一定程度誘導放出を生
じさせ、このときの光は入射光と同じ波長域であるので
フィルタ17によってはカットすることができないが、あ
らかじめポンプ光による誘導放出分を求めておき、これ
を差し引くようにすればよい。

ポンプ光学系21は利得媒体15を活性化させる役割を果
たし、反転分布状態の持続時間は色素の励起状態の寿命
できまり、この値はフィルム中では100ピコ秒（10
^-10秒）以内である。したがって、反転分布状態をつく
りだすためには速やかに励起することが必要である。即
ち、第４図（イ）に示すようなパルス光でポンピングす
ると、反転分布は第４図（ロ）のような時間波形を描い
て減衰し、ピーク値の1/eになるのが励起されてから100
ピコ秒である。したがってポンプ光としては時間幅50ピ
コ秒以下であることが望ましく、本増幅器においては時
間幅30ピコ秒のパルス光をポンプ光として用いた。そし
て、第４図（ハ）に示すように、この反転分布状態が得
られている間に増幅すべき光を入射させる必要がある。
そしてポンプ光の発光タイミングから入射タイミングま
での時間差τは、一定の増幅率を得るためには一定とす
る必要があり、また反転分布がなるべく大きい状態で入
射するようにすれば大きい増幅率が得られる。

なお、ポンプ光の波長として４−（N,N−ジエチルア
ミノ）−４′−ニトロスチルベンの吸収波長域である53
0〜355nmを選んだ。

また、レーザー光は第５図に示すように空間的にガウ
シアン分布をしており、周辺の強度が弱いので、一様な
ポンプ光を得たい場合には、第６図に示すようにＡのよ
うな光を絞り27に通すことにより、Ｂのような光を得て
ポンプ光として利用すればよい。また、第２図における
マスク25は空間的にポンプ光の強度分布を変えようとす
るもので、これにより空間的に増幅率を変えることが可
能となる。なお、利得媒体における色素のドープ量を場
所的に変えて増幅率を空間的に変えることも可能であ
る。ハーフミラー13はポンプ光の波長のみを選択的に反
射し、入力光の波長は透過するような誘電体多層膜を蒸
着してある。ハーフミラー13で反射されたポンプ光によ
り利得媒体15が励起される。

入出力光学系は、光源からの光を平行光に直して利得
媒体に導くための入力光学系11、及び増幅された光を検
出器の受光面に集光するための出力光学系19からなって
いる。また、光源としてはモード同期ネオジウム（N
d）:YAGレーザの基本波（1064nm）を第７図に示すよう
に重水31に集光して得た白色光スポットを用いた。

以上のような構成により、本増幅器では600〜700nmの
波長領域の光を増幅することができた。

次に、本発明による光演算について説明すると、第２
図において、ポンプ光で利得媒体の所定領域のみ励起す
れば、励起された領域のうち入力光が存在する領域のみ
出力光が得られるので、入力光とポンプ光とのAND演算
を行わせることができる。

また、第８図に示すように本発明の画像増幅器の前段
にハーフミラー33を設けて○と△の両信号の和信号を形
成し、これを本発明の画像増幅器で増幅することにより
OR演算を行わせることができる。この場合、ハーフミラ
ーをシリーズに複数段設けることにより３入力以上のOR
演算を行わせることが可能となる。

第９図は本発明の他の実施例を示す図で、第２図と同
一番号は同一内容を示している。

本実施例においては石英基板33に利得媒体を貼付し、
その裏側にカットオフフィルタ17が設けられ、石英基板
33の周囲からポンプ光を入射させてエバネッセンス波に
より励起を行っている。即ち、石英基板33と利得媒体15
との境界で反射される光は、実際には第10図の破線で示
すように利得媒体15側に滲み出してから反射しており、
この滲み出した光、即ちエバネッセンス波で励起を行
う。このエバネッセンス波による励起は非常に均一な励
起を行うことができる。

なお、この場合はポンプ波を狭い範囲に入射させる必
要があるのでポンプ光学系は縮小ビーム系を構成してい
る。

ところでエバネッセンス波による励起では、ポンプ光
の大部分は励起に使用されずに透過してしまうので、こ
れを有効に利用する実施例を第11図に示す。

第11図においては、利得媒体と石英基板からなる増幅
素子を複数個シリーズに並べ、第１の増幅素子を透過し
たポンプ光を反射鏡35、37で反射させて第２の増幅素子
へ入射させてポンプ光とし、また第２の増幅素子を透過
したポンプ光を反射鏡39、41で反射させて第３の増幅素
子へ入射させてポンプ光としている。こうすることによ
りポンプ光を有効に活用することが可能となる。

第12図は本発明の画像増幅器を微弱な入力光の入射方
向検出に適用した場合の実施例を示す図である。図中、
１は画像増幅器、43、45はマルチチャンネル検出器、47
は50％反射膜、49は虹彩絞りである。

この検出器は、極めて微弱な、たまたま入射してきた
ような単発的な光の入射方向を検知するためのもので、
微弱な光を虹彩絞り49を通して本発明の画像増幅器１で
増幅し、検出素子を複数個並べて構成したマルチチャン
ネル検出器43に入射させる。マルチチャンネル検出器43
の入射面には50％反射膜47が形成されていて入射光はこ
こで二分され、透過光が検出器43で検出される。そして
反射膜47で反射した反射光は、同様に検出素子を複数個
並べて構成したマルチチャンネル検出器45に入射して検
出される。微弱な入射光は増幅器１で増幅されているの
で、50％反射膜47で二分しても検出可能である。こうし
て、検出器43、45において光を検出した検出素子の位置
の組み合わせから入射方向を判別することができる。こ
の場合、光は検出器43の面に直接入射し、その反射光が
検出器45に入射するようにし、その逆のことが起こらな
いようにする必要があり、そのために虹彩絞り49で視野
を限定している。

なお、２つのマルチチャンネル検出器のなす角度は必
ずしも鋭角である必要はなく、虹彩絞り49、増幅器１と
の配置関係により適宜決めればよい。

〔発明の効果〕

以上のように本発明によれば、画像増幅はコヒーレン
ス性を保ったまま行われるので、入力画像がコヒーレン
ト光であれば出力画像を別の画像光と干渉させることが
可能である。また並列演算素子を構成することが可能と
なる。また入力光の方向が保たれるため、微弱な入力光
の高感度方向検出器として利用できる。またポンプ光の
強度に空間分布を持たせることにより、入力画像光の任
意の部分の増幅率を変えることができ、この性質を利用
して並列演算を行わせることが可能となる。また入力光
と出力光は同一波長であり、可視部から近赤外までの領
域を利用することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の全光学的画像増幅器の概念を説明する
ための図、第２図は全光学的画像増幅器の一実施例を示
す図、第３図は誘導放出を説明するための図、第４図は
ポンプ光と入力光のタイミングを説明するための図、第
５図はレーザー光のガウシアン分布を示す図、第６図は
強度が均一なポンプ光を得るための構成を示す図、第７
図は白色光を発生させる構成を示す図、第８図は本発明
の増幅器を使用してOR演算を行わせるための図、第９図
は本発明の他の実施例を示す図、第10図はエバネッセン
ス波を説明するための図、第11図は本発明の他の実施例
を示す図、第12図は本発明の増幅器を用いて光の入射方
向を検知する検出器の一実施例を示す図である。 １……増幅器、３、５……入力画像、７、９……増幅さ
れた画像、11……入力光学系、13……ハーフミラー、15
……利得媒体、17……カットオフフィルタ、19……出力
光学系、21……ポンプ光学系、23……ポンプ光、25……
マスク。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光励起手段と、光励起手段からのポンプ光
   が入射されて励起されると共に、入力光が入射される利
   得媒体を有する増幅素子と、入出力光学系とを備え、出
   力光をハーフミラーを介して分割し、分割した各光を複
   数の検出素子からなる検出器により検出して入力光の入
   射方向を検出することを特徴とする全光学的画像信号処
   理装置。