JP3130329B2

JP3130329B2 - 光パターン認識素子

Info

Publication number: JP3130329B2
Application number: JP03129355A
Authority: JP
Inventors: 岩城　　忠雄; 靖幸光岡
Original assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Priority date: 1991-05-31
Filing date: 1991-05-31
Publication date: 2001-01-31
Anticipated expiration: 2016-01-31
Also published as: JPH04354076A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光情報処理や光計測の
分野において、ＣＣＤカメラなどの撮像装置から得られ
る二次元画像や、物体から直接入力される画像に対して
光学的相関処理を施すことによりパターン認識や計測を
自動的に行う光学素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、フーリエ相関光学を用いた光
パターン認識装置としては、ヴァンダー・ルクト型相関
器（VanderLugt Correlator ：以下ＶＬＣと略す）やジ
ョイント変換相関器（Joint Transform Correlator：以
下ＪＴＣと略す）が良く知られている。図５にこれら相
関器の１例を示す。図５（ａ）は、従来のＪＴＣの１例
である。この方法においては、認識の基準となる参照画
像と認識の対象である被相関画像を同時に隣接して配置
した画像を入力像３４とする。レーザ３１から出射され
た光束はビームエキスパンダー３２で拡大された後、ビ
ームスプリッタ３３で２光束に分岐される。ビームスプ
リッタ３３を透過した光束は入力像３４を照射し、入力
像３４をコヒーレント画像に変換する。このコヒーレン
ト画像を第１のフーリエ変換レンズ３５を用いてフーリ
エ変換し、その変換面上に配置した光書き込み型液晶ラ
イトバルブ３６に参照画像と被相関画像のジョイントフ
ーリエ変換像の光強度分布を表示させる。

【０００３】次に、ビームスプリッタ３３で反射された
光束は、ミラー４０、４１、偏光ビームスプリッタ３７
で反射されて光書き込み型液晶ライトバルブ３６を照射
し、記憶されているジョイントフーリエ変換像の光強度
分布をコヒーレント画像に変換する。このコヒーレント
画像は検光子として作用する偏光ビームスプリッタ３７
を透過することによってネガ像あるいはポジ像として読
み出され、第２のフーリエ変換レンズ３８でフーリエ変
換され、その変換面上に配置されたＣＣＤカメラ３９で
受光される。このようにすると、参照画像と被相関画像
の２次元の相関係数を表す相関ピークを得ることができ
る。

【０００４】図５（ｂ）は、従来のＶＬＣの１例を示す
図である。この方法においては、認識の対象である被相
関画像のみを入力像３４として用いる。レーザ３１から
出射された光束はビームエキスパンダ３２で拡大された
後、入力像３４を照射し、被相関画像をコヒーレント画
像に変換する。このコヒーレント画像を第１のフーリエ
変換レンズ３５を用いてフーリエ変換し、その変換面上
に配置したマッチドフィルタ４２を照射する。マッチド
フィルタ４２は、一般に参照画像のフーリエ変換の複素
共役成分と所定の搬送波成分を含んだホログラフィー画
像として、銀塩写真乾板やフォトレジスト乾板などの感
光媒体上に形成される。この作製方法としては、参照平
面波と参照画像との２光束干渉法を用いて感光媒体上に
ホログラムを形成したり、コンピュータで計算した計算
機合成ホログラム（Computer Generated Hologram:CGH
）を電子ビーム露光などでフォトレジスト上に描画し
てホログラムを形成したりして形成する。このようにし
て形成されたマッチドフィルタに上述のようにコヒーレ
ントな被相関画像のフーリエ変換を照射し、これから回
折された回折光を再び第２のフーリエ変換レンズ３８で
フーリエ変換すると、そのフーリエ変換面に配置された
ＣＣＤカメラ３９からは被相関画像と参照画像の相関ピ
ークとこれらの畳み込みが検出される。従って、当該相
関ピークの強度を測定してやることにより、被相関画像
と参照画像がどの程度似ているかを知ることができる。

【０００５】ＶＬＣにおけるマッチドフィルタ４２とし
ては、強誘電性液晶ライトバルブやサーモプラスティッ
クなど解像度の高い光書き込み型空間光変調器を用いる
ことができる。図６にＪＴＣにおける入力像の１例を示
し、図７にＣＣＤカメラ３９から得られる被相関画像と
参照画像との２次元の相関係数を表す１対の相関ピーク
を示す。

【０００６】また、図８に、ＶＬＣにおける入力像とし
て、アルファベットのＡを用いたときに、ＣＣＤカメラ
３９から得られる被相関画像と参照画像との相関ピーク
と畳み込みの１例を示す。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】以上説明したように、
フーリエ相関光学を用いた光パターン認識装置としての
ＪＴＣやＶＬＣは、画像情報を並列に処理して、被相関
画像と相関画像との相関係数に対応する相関ピークを容
易に得ることができる優れた光パターン認識装置であ
る。しかしながら、従来のＪＴＣやＶＬＣは、それを構
成している光学部品がバルクのレンズやプリズム部品を
用いているために、これら光パターン認識装置を小型化
しようとしても、前記光学部品をより精密に調整しなけ
ればならないために極めて困難な作業を要するという欠
点を有していた。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の光パターン認識
素子は、互いに平行な表面を持つ透明基板の少なくとも
１方の表面上に、外部光導入用の回折格子あるいはプリ
ズムと、所要の目標を含む少なくとも１つの参照画像と
新たに入力する少なくとも１つの被相関画像とを含む外
部からの画像情報を記録表示する第１の光書き込み型の
光変調層と、平面状フーリエ変換レンズと、前記第１の
光書き込み型の光変調層に記録された外部からの画像情
報のフーリエ変換を記録表示する第２の光書き込み型の
光変調層と、前記第２の光書き込み型の光変調層に記録
表示された前記外部からの画像情報のフーリエ変換を、
再びフーリエ変換することによって得られた前記参照画
像と被相関画像との相関函数を表す相関画像を記録表示
する第３の光書き込み型の光変調層と、光学多層膜から
なる偏光ビームスプリッタと、これら全ての平面光学素
子を光学的に結合する光反射層とを具備してなることを
特徴とする光パターン認識素子構造とすることによっ
て、半導体プロセスに代表される微細加工技術を用いて
ミクロンオーダーの精度で光学系の調整が可能な小型の
光パターン認識装置を実現可能ならしめ、ＪＴＣに関す
る上記課題を解決した。

【０００９】

【作用】本発明の光パターン認識素子に用いた光学素子
における回折格子は、光パターン認識で用いられるコヒ
ーレント光の光路を折り曲げて当該コヒーレント光を所
定の光学素子に導く作用を有しており、平面状フーリエ
変換レンズは目的とする画像情報を含んだコヒーレント
光を所定の光学素子上にフーリエ変換する作用を有して
いる。これら回折格子や平面状フーリエ変換レンズは、
フォトレジストや銀塩感光膜などの感光材料上に、あら
かじめ計算機で計算された干渉パターンを電子線で走査
・記録したり、所定の波面を持つコヒーレント光を二光
束干渉露光させたりして作製したホログラフィック光学
素子であるため、作製する位置を極めて精密に制御する
ことができる上に、その厚みも薄い。

【００１０】また、第１の光書き込み型の光変調層は、
所要の目標を含む少なくとも１つの参照画像と新たに入
力する少なくとも１つの被相関画像とを含む外部からの
画像情報を光学的に書き込んで表示する作用を有し、第
２の光書き込み型の光変調層は前記外部からの画像情報
のフーリエ変換を光学的に書き込んで表示する作用を有
し、第３の光書き込み型の光変調層は前記第２の光書き
込み型の光変調層に書き込まれた前記外部からの画像情
報のフーリエ変換を、再びフーリエ変換することによっ
て得られた前記参照画像と被相関画像との相関函数を表
す相関画像を記録表示する作用を有する。

【００１１】さらに、これらの平面光学素子は極めて面
精度と平行度のよい透明基板上に形成されているので、
光軸の調整はこれらの平面光学素子を平面上で動かして
調整するだけで容易に行うことができる。

【００１２】

【実施例】以下に本発明の光パターン認識素子の実施例
を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の光パター
ン認識素子の１例を示す構成図（図１（ａ）は平面図、
図１（ｂ）は側断面図）であり、１は透明基板、２は第
１のホログラフィック・グレーティング（以下ＨＧ：Ho
lographic Gratingと略す）、３は第１の偏光ビームス
プリッタ、４はホログラフィック・フーリエ変換レンズ
（以下ＨＦＬ：Holographic Fourier Transform Lensと
略す）、５は第２の偏光ビームスプリッタ、６は第２の
ＨＧ、７は第１の光変調層、８は第２の光変調層、９は
誘電体多層膜ミラーである。互いに平行な表面を持つ透
明基板は透明基板１であり、外部光導入用の回折格子は
第１のＨＧおよび第２のＨＧであり、所要の目標を含む
少なくとも１つの参照画像と新たに入力する少なくとも
１つの被相関画像とを含む外部からの画像情報を記録表
示する第１の光書き込み型の光変調層は第１の光変調層
７であり、平面状フーリエ変換レンズはＨＦＬ４であ
り、前記第１の光書き込み型の光変調層に記録された外
部からの画像情報のフーリエ変換を記録表示する第２の
光書き込み型の光変調層は第２の光変調層８であり、前
記第２の光書き込み型の光変調層に記録表示された前記
外部からの画像情報のフーリエ変換を、再びフーリエ変
換することによって得られた前記参照画像と被相関画像
との相関函数を表す相関画像を記録表示する第３の光書
き込み型の光変調層は第１の光変調層７であり、光学多
層膜からなる偏光ビームスプリッタは第１の偏光ビーム
スプリッタ３および第２の偏光ビームスプリッタ５であ
り、これら全ての平面光学素子を光学的に結合する光反
射層は誘電体多層膜ミラー９である。以下説明を容易に
するために、透明基板１の第１のＨＧ２、第１の偏光ビ
ームスプリッタ３、ＨＦＬ４、第２の偏光ビームスプリ
ッタ５、第２のＨＧ６が形成されている面を上面、第１
の光変調層７、第２の光変調層８、誘電体多層膜ミラー
９が形成されている面を下面と呼ぶことにする。

【００１３】図１からわかるように、第１のＨＧ２、第
１の偏光ビームスプリッタ３、ＨＦＬ４、第２の偏光ビ
ームスプリッタ５、第２のＨＧ６、第１の光変調層７、
第２の光変調層８、誘電体多層膜ミラー９などの平面光
学素子は、透明基板１の表面に、ＨＦＬ４を中心として
対称な位置に配置されている。第１のＨＧ２、ＨＦＬ
４、第２のＨＧ６は、透明基板１上にレジストを塗布
し、電子ビーム描画露光装置により、各々所定の回折格
子を書き込んで形成した。もちろん、これらは光学的干
渉露光法で形成してもよい。

【００１４】透明基板１としては、板厚１０〜３０ｍｍ
の石英ガラスを平行度５秒以下、平面度λ／１０以上の
精度に研磨加工したものを用いた。もちろん、透明基板
１の材質としては、フリントガラスやクラウンガラスな
どの光学ガラスを用いてもよいし、特殊な場合は透明な
プラスティックを用いてもよい。また、第１の偏光ビー
ムスプリッタ３、第２の偏光ビームスプリッタ５、誘電
体多層膜ミラー９は、屈折率の大きなTiO₂やZrO₂やSi
や、屈折率の小さなSiO₂やMgF₂や、それらの中間の屈折
率のAl₂O₃やY₂O₃などを、所定の膜厚と組合せで周期的
に積層形成して構成されている。

【００１５】光変調層７および８としては、透明基板１
上に形成された、光導電層、液晶配向層、液晶層、電圧
印加手段からなる光書き込み型液晶ライトバルブやＢＳ
Ｏ（Bi₁₂SiO₂₀）単結晶を絶縁膜を介して透明電極でサ
ンドイッチした構造の光書き込み型電気光学結晶空間光
変調器を用いることができる。本実施例では、前記液晶
層として、光反射率と印加電圧との間に双安定メモリ性
を有する強誘電性液晶層を用いた光書き込み型強誘電性
液晶ライトバルブを光変調層として用いた。

【００１６】次に、図２を用いて図１で示した本発明の
光パターン認識素子の動作を説明する。図２は、本発明
の光パターン認識素子の動作工程を示す工程図であり、
１０ａ、１０ｂは入力像書き込み光、１１は第１のコヒ
ーレント光、１２は第２のコヒーレント光、１３は相関
函数読み出し光である。図２（ａ）は入力像書き込み工
程、（ｂ）はジョイントフーリエ変換書き込み工程、
（ｃ）は相関函数書き込み工程、（ｄ）は相関函数読み
出し工程である。なお、図１と同一の構成要素に対して
は、同一の番号を付しその説明を省略する。

【００１７】入力像書き込み工程（ａ）では、まず第１
の光変調層７と第２の光変調層８を一様に消去した後、
素子外部の結像光学系により、入力像を前記第１の光変
調層７に結像する。入力像の結像方向は、入力像書き込
み光１０ａを素子の下面から照射して行ってもよいし、
入力像書き込み光１０ｂを素子の上面から照射して行っ
てもよい。このようにして第１の光変調層７に結像され
た入力像は、当該第１の光変調層７に光学的に記録され
る。このとき記録される入力像は、図６で示されるよう
に、被相関画像と参照画像が同時に隣接して配置された
ものである。

【００１８】ジョイントフーリエ変換書き込み工程
（ｂ）では、まず第１のコヒーレント光１１が、第１の
ＨＧ２に所定の方向から所定のビーム広がり角を持って
照射される。第１のＨＧ２に照射された第１のコヒーレ
ント光１１は、第１のＨＧ２によって回折されて平行な
読み出し光束となり第１の光変調層７に照射され、入力
像書き込み工程（ａ）によって書き込まれた入力像を読
み出し、スネルの法則に従って反射され第１の偏光ビー
ムスプリッタ３を照射する。このとき照射される読み出
し光束は、第１の光変調層７に対してｐ偏光（あるいは
ｓ偏光）となるようにあらかじめ第１のコヒーレント光
１１の偏光方向を定めておくものとする。光書き込み型
液晶ライトバルブやＢＳＯ結晶を用いた空間光変調素子
など多くの光変調層は、光の偏光面を空間的に変調す
る。このような空間光変調素子を第１の光変調層７とし
て用いると、第１の偏光ビームスプリッタ３に照射され
る直前の読み出し光束は、入力像の情報を反映して空間
的に偏光面が変調されているため、第１の偏光ビームス
プリッタ３で反射された後の読み出し光束は入力像をポ
ジ画像（あるいはネガ画像）として含んでいる。この入
力像をポジ画像（あるいはネガ画像）として含んだ読み
出し光束は、誘電体多層膜ミラー９で反射された後、Ｈ
ＦＬ４で集光され、誘電体多層膜ミラー９、第２の偏光
ビームスプリッタ５で次々と反射され、第２の光変調層
８上にフーリエ変換されて被相関画像と参照画像とのジ
ョイントフーリエ変換像を形成する。このジョイントフ
ーリエ変換像は、第２の光変調層８に光学的に記録され
る。その後、第１の光変調層７に記録された入力像は消
去される。

【００１９】相関函数書き込み工程（ｃ）は、ジョイン
トフーリエ変換像書き込み工程と同様の工程である。ま
ず第２のコヒーレント光１２が、第２のＨＧ６に所定の
方向から所定のビーム広がり角を持って照射される。第
２のＨＧ６に照射された第２のコヒーレント光１２は、
第２のＨＧ６によって回折されて平行な読み出し光束と
なり第２の光変調層８に照射され、ジョイントフーリエ
変換像書き込み工程（ｂ）によって書き込まれたジョイ
ントフーリエ変換像を読み出し、スネルの法則に従って
反射され第２の偏光ビームスプリッタ５を照射する。こ
のとき照射される読み出し光束は、第２の光変調層８に
対してｐ偏光（あるいはｓ偏光）となるようにあらかじ
め第２のコヒーレント光１２の偏光方向を定めておくも
のとする。前述した偏光面を空間的に変調するような空
間光変調素子を第２の光変調層８として用いると、第２
の偏光ビームスプリッタ５に照射される直前の読み出し
光束は、ジョイントフーリエ変換像の情報を反映して空
間的に偏光面が変調されているため、第２の偏光ビーム
スプリッタ５で反射された後の読み出し光束はジョイン
トフーリエ変換像をポジ画像（あるいはネガ画像）とし
て含んでいる。このジョイントフーリエ変換像をポジ画
像（あるいはネガ画像）として含んだ読み出し光束は、
誘電体多層膜ミラー９で反射された後、ＨＦＬ４で集光
され、誘電体多層膜ミラー９、第１の偏光ビームスプリ
ッタ３で次々と反射され、第１の光変調層７上にフーリ
エ変換されて被相関画像と参照画像との相関係数を表す
相関ピークを含んだ相関函数を形成する。この被相関画
像と参照画像との相関係数を表す相関ピークを含んだ相
関函数としての相関画像は、第１の光変調層７に光学的
に記録される。その後、第２の光変調層８に記録された
ジョイントフーリエ変換像は消去される。

【００２０】相関函数読み出し工程（ｄ）では、相関函
数読み出し光１３を素子の上面から照射して、第１の光
変調層７に記録された相関函数を読み出す。この読み出
された相関函数は、素子外部の光学系に設定された偏光
子を介して強度分布画像に変換され、光検出器あるいは
撮像デバイスによって検出される。入力像書き込み光１
０ａ、１０ｂおよび相関函数読み出し光１３としては、
インコヒーレント光を用いるのが好ましいが、コヒーレ
ント光を用いてもよいことは言うまでもない。

【００２１】次に、図１に示した本発明の光パターン認
識素子において、第１の光変調層７と第２の光変調層８
として光書き込み型強誘電性液晶ライトバルブを用いた
場合の実施例について説明する。図３は、光変調部に光
書き込み型強誘電性液晶ライトバルブを用いた本発明の
光パターン認識素子の構成を示す断面図であり、（ａ）
は全体の構成断面図、（ｂ）は光変調部の拡大断面図で
ある。図３において、１４は第１の光変調部、１５は第
２の光変調部であり、１６ａ、１６ｂは透明電極層、１
７ａ、１７ｂは配向膜層、１８は強誘電性液晶層、１９
は誘電体ミラー、２０は光導電層、２１は第２の透明基
板、２２はスペーサ、２３は無反射コーティングであ
る。なお、図１と同一の構成要素に対しては、同一の番
号を付しその説明を省略する。

【００２２】図３（ａ）における第１の光変調部１４と
第２の光変調部１５は、各々図１における第１の光変調
層７と第２の光変調層８に相当する。図３（ｂ）を用い
て、光変調部としての光書き込み型強誘電性液晶ライト
バルブの構成および動作を説明する。まず構成について
説明する。液晶分子を狭持するガラスやプラスティック
などの透明基板１および第２の透明基板２１は、表面に
透明電極層１６ａ、１６ｂ、各透明基板の法線方向から
７５度から８５度の範囲の角度で一酸化珪素を斜方蒸着
した配向膜層１７ａ、１７ｂが設けられている。

【００２３】また、第２の透明基板２１側の透明電極層
１６ａ上には光導電層２０、誘電体ミラー１９が配向膜
層１７ａとの間に積層形成され、第２の透明基板２１の
セル外面には、無反射コーティング２３が形成されてい
る。光導電層２０としては、カルコゲナイド系半導体薄
膜や有機光導電膜やシリコン系半導体薄膜を用いること
ができるが、光感度や使用波長など様々な特性面におい
て優れている水素化アモルファスシリコンを用いるのが
好ましい。さらに、誘電体ミラー１９としては、屈折率
の異なる複数の誘電体あるいは高抵抗半導体材料の薄膜
を所定の膜厚で周期的に積層形成した誘電体多層膜ミラ
ーがよく使われているが、その光透過率は所定の光量が
強誘電性液晶層１８側から光導電層２０に到達するよう
に設計されている。誘電体ミラー１９がなくても、充分
な強度の光画像を読み出すことができるならば、誘電体
ミラー１９は省略してもよい。

【００２４】次に、上記構造を持つ光変調部を初期化す
る方法を示す。第１の方法は、一度光書き込み型強誘電
性液晶ライトバルブの読み出し面（あるいは書き込み
面）全面を光照射し、その明時の動作閾値電圧よりも充
分に高いパルス電圧あるいは直流バイアス電圧あるいは
１００Ｈｚ〜５０ｋＨｚの交流電圧を重畳した直流バイ
アス電圧を透明電極層１６ａと１６ｂとの間に印加し
て、強誘電性液晶分子を一方向の安定状態に揃え、その
状態をメモリさせる方法である。第２の方法は、光照射
があるなしに関わらず、暗時の動作閾値電圧よりも充分
に高いパルス電圧あるいは直流バイアス電圧あるいは１
００Ｈｚ〜５０ｋＨｚの交流電圧を重畳した直流バイア
ス電圧を透明電極層１６ａと１６ｂとの間に印加して強
誘電性液晶分子を一方向の安定状態に揃え、その状態を
メモリさせる方法である。

【００２５】さらに、光書き込み型強誘電性液晶ライト
バルブを上記のように初期化した後の動作について説明
する。暗時の動作閾値電圧よりも低く、光照射時の動作
閾値電圧よりも高い、初期化したときと逆極性のパルス
電圧あるいは直流バイアス電圧あるいは１００Ｈｚ〜５
０ｋＨｚの交流電圧を重畳した直流バイアス電圧を透明
電極層１６ａと１６ｂとの間に印加しながら、図２に示
す入力像書き込み光１０ａ、１０ｂや第１のコヒーレン
ト光１１や第２のコヒーレント光１２を照射して書き込
みを行う。光導電層２０として水素化アモルファスシリ
コンを用いた場合は、照射される書き込み光の波長が９
００ｎｍ以下であるならば、書き込み光の照射を受けた
領域の光導電層にはキャリアが発生し、発生したキャリ
アは印加電圧により電界方向にドリフトし、その結果動
作閾値電圧が下がり、読み出し光照射を受けた領域には
動作閾値電圧以上で初期化のときと逆極性のバイアス電
圧が印加され、強誘電性液晶分子は自発分極の反転に伴
う分子の反転が起こり、もう一方の安定状態に移行する
ので画像が二値化処理されて記憶される。この記憶され
た画像は、駆動電圧がゼロになっても記憶されたままに
なっている。

【００２６】二値化されて記憶された画像は、初期化に
よって揃えられた強誘電性液晶分子の配列の方向（また
はそれに直角方向）に偏光軸を合わせた直線偏光の読み
出し光の照射、および、誘電体ミラー１９（誘電体ミラ
ーがない場合は、光導電層２０）による反射光の偏光方
向に対し、偏光軸が直角（あるいは平行）になるように
配置された検光子を通すことにより、ポジ状態またはネ
ガ状態で読み出すことができる。

【００２７】図３（ａ）で示された光変調部に光書き込
み型強誘電性液晶ライトバルブを用いた本発明の光パタ
ーン認識素子は、図２を用いて説明したのと同様の動作
工程で動作する。そのとき第１の光変調部１４と第２の
光変調部１５への入力像やジョイントフーリエ変換像の
記録・読み出しは、上記に説明した光書き込み型強誘電
性液晶ライトバルブの駆動方法に従って行う。

【００２８】次に、本発明の光パターン認識素子に、相
関画像に含まれる相関ピーク検出手段を形成する方法の
１実施例について説明する。図４は、相関函数読み出し
光学系を有する本発明の光パターン認識素子の構成を示
す断面図であり、２４は偏光ビームスプリッタ、２５は
保護透明基板、２６は第３の透明基板、２７は結像ホロ
グラフィックレンズ（以下ＨＬ：Holgraphic Lens と略
す）、２８は第４の透明基板、２９はフォトダイオード
アレイ、３０は接着剤層である。なお、図１と同一の構
成要素に対しては、同一の番号を付しその説明を省略す
る。偏光ビームスプリッタ２４、保護透明基板２５、第
３の透明基板２６、結像ＨＬ２７、第４の透明基板２
８、フォトダイオードアレイ２９は、各々接着剤層３０
を介して、図１または図３で示される光パターン認識素
子上に接着されている。また、図４では省略されている
が、番号２４から３０で示された光学部品も、接着剤で
互いに接着されている。偏光ビームスプリッタ２４、保
護透明基板２５、第３の透明基板２６、結像ＨＬ２７、
第４の透明基板２８、フォトダイオードアレイ２９は、
相関係数読み出し光学系を形成しており、これは保護透
明基板２５とともに、本発明の光パターン認識素子上に
形成されている平面光学素子を保護し、また、ゴミやほ
こりなどから生ずるノイズを低減する役割を持ってい
る。

【００２９】相関函数読み出し光１３は、偏光ビームス
プリッタ２４を透過して、そのｐ偏光成分だけが第１の
光変調層７を照射する。この第１の光変調層７を照射す
る相関函数読み出し光１３の偏光方向は、偏光ビームス
プリッタ２４を相関函数読み出し光の光軸の回りに適当
な角度回転させた配置で接着することにより、任意に決
めることができる。第１の光変調層７には、これまでの
実施例で説明したのと同様にして被相関画像と参照画像
との相関函数に対応する相関画像が記録されているもの
とする。この相関画像は、前記相関函数読み出し光で読
み出され、再び偏光ビームスプリッタ２４に達する。こ
の相関画像を読み出した光は、上述したように、相関画
像に対応する空間分布で偏光面が回転し、偏光ビームス
プリッタ２４に対してｓ偏光成分を持って入射する。

【００３０】このようにして、光振幅画像に変換された
相関画像は、結像ＨＬ２７でフォトダイオードアレイ２
９上に結像される。フォトダイオードアレイ２９は、結
像された被相関画像と参照画像との相関函数に含まれる
相関ピークを光電変換し、外部の電気処理系に伝送す
る。このフォトダイオードアレイ２９は、少なくとも前
記相関函数に含まれる相関ピークの個数の半数の光電変
換面を有している必要がある。例えば、被相関画像と参
照画像とが各々１つずつ入力像として第１の光変調層７
に入力された場合は、それに対する相関画像には相関ピ
ークが２個現れるため、フォトダイオードアレイ２９と
しては、単一の光電変換面を持ったフォトダイオードも
しくは２分割フォトダイオードを用いる。しかし、一般
的には、被相関画像または参照画像の個数は複数で用い
る場合が多く、そのとき、それらに対する相関函数に対
応する相関画像に含まれる相関ピークの数は複数となる
からである。もちろん、フォトダイオードアレイ２９の
代わりにＣＣＤ（Charge Coupled Device ）を用いて、
相関函数に対応する相関画像を検出し、これをビデオ信
号に変換してＣＲＴやビデオモニターで観察したり、前
記相関画像をデジタル信号に変換し、コンピュータ等を
用いたデジタル画像処理に用いてもよいことは言うまで
もない。

【００３１】また、結像ＨＬ２７の代わりにセルフォッ
クレンズや小型の球面レンズを用いてもよいことは言う
までもない。ところで、これまで説明した本発明の光パ
ターン認識素子の実施例では、光変調層が分離して形成
されているため、特にこれを液晶を用いて構成しようと
すると、液晶のセル作製や液晶注入が行いにくかった。
そこで、この問題点を解決するための実施例の１例を説
明する。図９は、光書き込み型強誘電性液晶ライトバル
ブの読み出し側基板に平面光学素子を形成した本発明の
光パターン認識素子の構成を示す断面図であり、１６ｃ
は透明電極層、１７ｃは配向膜層、１８ａ、１８ｂは強
誘電性液晶層である。なお、図１と同一の構成要素に対
しては、同一の番号を付しその説明を省略する。

【００３２】この素子が従来の光書き込み型強誘電性液
晶ライトバルブの構造と異なっている点は、第２の透明
基板２１側に形成されている透明電極が２分割されてい
る点と、誘電体多層膜ミラー１９が素子の中央部のみに
形成されている点と、強誘電性液晶層の層厚が制御され
ている領域が２分割されている点と、透明基板１の表面
に図１で示した平面光学素子が形成されている点であ
る。誘電体多層膜ミラー１９は分割する必要はないが、
分割しないと高い反射率の誘電体多層膜ミラーを形成す
ると、透明基板１側からジョイントフーリエ変換像や相
関函数を書き込むことができなくなること、二値化ジョ
イント変換相関器においては、光変調領域に誘電体多層
膜ミラーを必要とするほどの強い読み出し光が必要とな
る場合は少ないからである。

【００３３】このような構成にすることによって、強誘
電性液晶の注入・配向工程が簡素化し、また、第１の光
変調層と第２の光変調層とを同時に作製することができ
るようになった。第１の光変調層と第２の光変調層とを
独立に動作させるためには、透明電極層１６ｂを接地し
ておき、透明電極層１６ａ、１６ｂに各々独立に駆動電
圧を印加することにより、強誘電性液晶層１８ａ、１８
ｂを各々独立に励起させて行う。

【００３４】もちろん、図９に示す構成に図４に示した
ような相関函数読み出し光学系を形成してもよいことは
言うまでもない。また、図９に示す光パターン認識装置
の動作方法は、図２や図３で説明した実施例における光
パターン認識素子の動作方法と同様であることは言うま
でもない。

【００３５】なお、これまで説明してきた実施例におい
て、透明基板１の上面に形成された第１の偏光ビームス
プリッタ３と第２の偏光ビームスプリッタ５のいづれか
一方は、単なるミラーでもかまわないことは言うまでも
ない。以上説明した光パターン認識素子を用いて、アル
ファベット文字のパターン認識を行ったところ、ビデオ
レート以上の動作速度で認識できることを確認した。ま
た、６文字以下のアルファベット文字を同時に互いに隣
接させて参照画像として用いても正確な文字認識ができ
ることがわかった。本発明の光パターン認識素子のパタ
ーン認識能力は、認識すべき画像の持っている空間周波
数分布によって異なり、文字認識を行う場合よりも、医
療画像や風景写真などに含まれる被相関画像を識別する
場合はパターン認識能力が悪くなるため、この場合は被
相関画像と参照画像は１つずつ用いたほうが好ましい。

【００３６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の光パター
ン認識素子は、互いに平行な表面を持つ透明基板の少な
くとも１方の表面上に、外部光導入用の回折格子あるい
はプリズムと、所要の目標を含む少なくとも１つの参照
画像と新たに入力する少なくとも１つの被相関画像とを
含む外部からの画像情報を記録表示する第１の光書き込
み型の光変調層と、平面状フーリエ変換レンズと、前記
第１の光書き込み型の光変調層に記録表示された前記外
部からの画像情報のフーリエ変換を記録表示する第２の
光書き込み型の光変調層と、第２の光書き込み型の光変
調層に記録表示された前記外部からの画像情報のフーリ
エ変換を、再びフーリエ変換することによって得られた
前記参照画像と被相関画像との相関函数を表す相関画像
を記録表示する第３の光書き込み型の光変調層と、光学
多層膜からなる偏光ビームスプリッタと、これら全ての
平面光学素子を光学的に結合する光反射層とを具備して
なる構成とし、特に、第１の光書き込み型の光変調層と
第２の光書き込み型の光変調層として光書き込み型強誘
電性液晶ライトバルブ構造を用いることによって、光学
系を小型化すると同時に、光学系の調整を容易にし、ま
た、ビデオレート以上の高速パターン認識を実現するこ
とができ、自動組立機械などに用いられるマシーンビジ
ョンや医療画像診断システムやその他様々なパターン認
識システムに関する効果は大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光パターン認識素子の１例の構成図
で、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。

【図２】本発明の光パターン認識素子の動作工程を示す
工程図であり、（ａ）は入力像書き込み工程、（ｂ）は
ジョイントフーリエ変換書き込み工程、（ｃ）は相関函
数書き込み工程、（ｄ）は相関函数読み出し工程であ
る。

【図３】光変調部に光書き込み型強誘電性液晶ライトバ
ルブを用いた本発明の光パターン認識素子の構成を示す
断面図であり、（ａ）は全体の構成断面図、（ｂ）は光
変調部の拡大断面図である。

【図４】相関函数読み出し光学系を有する本発明の光パ
ターン認識素子の構成を示す断面図である。

【図５】従来の光相関器の１例を示す構成図であり、
（ａ）はジョイント変換相関器の１例、（ｂ）はヴァン
ダー・ルクト型光相関器の１例を示す構成図である。

【図６】ジョイント変換相関器における入力像の１例を
示す図である。

【図７】ジョイント変換相関器における相関ピークの１
例を示す図である。

【図８】ヴァンダー・ルクト型相関器における相関ピー
クの１例を示す図である。

【図９】光書き込み型強誘電性液晶ライトバルブの読み
出し側基板に平面光学素子を形成した本発明の光パター
ン認識素子の１例の構成を示す断面図である。

【符号の説明】

１透明基板２第１のＨＧ３第１の偏光ビームスプリッタ４ＨＦＬ５第２の偏光ビームスプリッタ６第２のＨＧ７第１の光変調層８第２の光変調層９誘電体多層膜ミラー１０ａ、１０ｂ入力像書き込み光１１第１のコヒーレント光１２第２のコヒーレント光１３相関函数読み出し光１４第１の光変調部１５第２の光変調部１６ａ、１６ｂ、１６ｃ透明電極層１７ａ、１７ｂ、１７ｃ配向膜層１８、１８ａ、１８ｂ強誘電性液晶層１９誘電体ミラー２０光導電層２１第２の透明基板２２スペーサ２３無反射コーティング２４偏光ビームスプリッタ２５保護透明基板２６第３の透明基板２７結像ＨＬ２８第４の透明基板２９フォトダイオードアレイ３０接着層３１レーザ３２ビームエキスパンダ３３ビームスプリッタ３４入力像３５第１のフーリエ変換像３６光書き込み型液晶ライトバルブ３７偏光ビームスプリッタ３８第２のフーリエ変換レンズ３９ＣＣＤカメラ４０、４１ミラー４２マッチドフィルタ４３ＤＣ成分４４相関ピーク４５畳込み

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩＧ０６Ｋ 9/74 Ｇ０２Ｆ 3/00 (56)参考文献特開平２−301703（ＪＰ，Ａ) 特開平４−335317（ＪＰ，Ａ) 特開平４−344611（ＪＰ，Ａ) 特開平３−233433（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G06G 7/19 G02B 27/46 G02F 3/00 502 G06E 3/00 G06F 1/035 G06K 9/74

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】互いに平行な表面を持つ透明基板の１方
の表面上に、１つの平面状フーリエ変換レンズを中心と
した対称の位置に配置された、一対の外部光導入用の回
折格子あるいはプリズム、および光学多層膜からなる一
対の偏光ビームスプリッタと、前記透明基板の他方の表面上に、前記平面状フーリエ変
換レンズを中心として対称であり、前記平面状フーリエ
変換レンズの焦点面の位置に配置された、書き込み方向
と読み出し方向とが前記透明基板の内部に面した一対の
メモリ性を有する光書き込み型の光変調層と、これら全ての平面光学素子を光学的に結合する光反射層
とを具備してなることを特徴とする光パターン認識素
子。
【請求項２】前記全ての平面光学素子が、透明基板、
光導電層、液晶配向層、光反射率と印加電圧の間に双安
定メモリ性を有する強誘電性液晶層、電圧印加手段から
なる光書き込み型液晶ライトバルブの読み出し側基板表
面上に形成されていることを特徴とする請求項１記載の
光パターン認識素子。
【請求項３】前記書き込み方向と読み出し方向とが前
記透明基板の内部に面した一対のメモリ性を有する光書
き込み型の光変調層が、透明基板、光導電層、液晶配向
層、光反射率と印加電圧の間に双安定メモリ性を有する
強誘電性液晶層、電圧印加手段からなる光書き込み型液
晶ライトバルブであることを特徴とする請求項１記載の
光パターン認識素子。
【請求項４】前記互いに平行な表面を持つ透明基板の
上に、少なくとも偏光ビームスプリッタ、結像レンズ、
光検出器からなる前記相関画像に含まれる相関ピークの
検出手段を接着形成したことを特徴とする請求項２また
は３記載の光パターン認識素子。
【請求項５】前記平面光学素子が形成された透明基板
の表面をもう１つの透明基板を接着することにより保護
されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか
一項に記載の光パターン認識素子。