JP3634493B2 - アクティブなゲインを有する非線形媒体を用いた光学的画像処理装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学的画像処理装置に関し、特に、画像情報がゲインを有する非線形媒体に格納される、光学的画像処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光学的画像処理装置が多様な光学的処理を行い得ることは、従来から知られている。例えば、画像コリレータは、パターン認識のために用いることのできる種類の画像処理装置である。
【０００３】
第１の種類の画像コリレータは、「結合（ジョイント）フーリエ変換型画像処理装置」として知られている。図１に従来例として示したように、この装置では、フーリエ変換レンズ８０が、リファレンスＲと未知の対象Ｓをそれぞれ表す一組のコヒーレントな画像を処理する。そして、フーリエ変換レンズの焦点面で得られる光学強度分布は、非線形媒体２５に記録される。ここで、このような非線形媒体は、典型的には、光学的な屈折性を有する材料から成る。そのコリレータからの出力は、同図中にレンズ８０で示されるフーリエ変換レンズが、記録されたパターンを処理することにより得られる。出力された画像の両側のそれぞれ（中心から、ＲとＳの間の距離だけ離れて、中心から対称にずれている）は、ＲとＳの間のクロスコリレーションに対応する強度分布を有する。コリレーションピークの位置は、Ｓに類似しているＲの、特徴部の位置を示す。また、そのピークの高さは類似の程度を示す。
【０００４】
このような種類のコリレータは、例えば、Ｈ．Ｒａｊｂｅｎｂａｃｈらによる、アプライドオプティックス誌第３１巻（１９９２年）第５６６６−５６７４頁の「Ｃｏｍｐａｃｔ Ｐｈｏｔｏｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ ｃｏｒｒｅｌａｔｏｒ ｆｏｒ ｒｏｂｏｔｉｃ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」において、記述されている。このシステムでは、光学的な屈折性を有する媒体として、Ｂｉ_１２ＳｉＯ_２０（ＢＳＯ）の結晶が用いられている。この材料により、典型的な応答時間として、約５０ｍｓが達成されている。また、約１ｍｍの厚さを有する結晶を用いて、０．１％から１％の回折効率が得られている。
【０００５】
一方、第２の種類のコリレータは、「Ｖａｎｄｅｒｌｕｇｔ型光学２５コリレータ」として知られている。この装置は、例えば、Ｄ．Ｔ．Ｈ．Ｌｉｕらによる、アプライドオプティクス誌第３１巻（１９９２年）第５６７５−５６８０頁の「Ｒｅａｌ−ｔｉｍｅ Ｖａｎｄｅｒｌｕｇｔ ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｒｒｅｌａｔｏｒ ｔｈａｔ ｕｓｅｓ ｐｈｏｔｏｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ ＧａＡｓ」において記述されている。図２に従来例として示したように、このコリレータでは、例えば、Ｓの画像のフーリエ変換は、リファレンス光５と干渉させることにより、非線形媒体２５に書き込まれる。ここで、リファレンス光５は、通常は、平面波である。コリレータからの出力は、レンズ８４を用いてＲの画像のフーリエ変換を行い、媒体に照射することにより、得られる。図に示したように、レンズ８２は、Ｓの画像のフーリエ変換と、非線形媒体からの出力の逆フーリエ変換の両方を行うために用いられる。
【０００６】
Ｄ．Ｔ．Ｈ．Ｌｉｕらにより記述されたシステムは、光学的な屈折性を有する媒体として５ｍｍの厚さのＧａＡｓ結晶を用いている。０．１％以下の回折効率が得られている。また、測定した最小応答時間は、レーザ出力が約１．５Ｗ／ｃｍ^２で、０．８ｍｓであった。
【０００７】
米国特許出願（出願人の整理番号：Ｃｈｉｕ２−２７−１、必要によっては、後日明細書を提出する用意がある）には、半絶縁性の多重量子井戸（ＳＩ−ＭＱＷ）型構造の有する非線形光学特性を利用した光学的画像コリレータが開示されている。このシステムは、３％またはそれより低い回折効率で、１μｓ以下でコリレーションを行うことができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
以上説明した従来の光学的画像処理装置の有するひとつの制限は、用いられている非線形材料がパッシブな構造であり、かなりの量の光エネルギーを吸収するということである。その結果として、画像処理装置からの出力は、入力信号の大きさに比べて、しばしば２桁も小さい。光吸収を低減するためにはより効率的な光屈折性材料を使うこともできるが、応答時間が犠牲にされることとなる。したがって、大量のデータを処理できるように迅速な応答時間を有し、同時に、入力信号を低下させずむしろ増幅するような光学画像処理装置を提供することが望まれる。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、コヒーレント光の入力ソースと出力ソースを含むような種類の光学画像処理装置に関する。ここで、「光」という用語は、赤外放射のように、目に見えない電磁波の波長領域も含むものとして用いられる。入力ソースは、制御用の光線と信号光線を含み得る、入力光線である。処理装置は、さらに、少なくともひとつの入力画像に対応する入力光の空間的強度変調パターンに重ねる手段と、前記変調パターンのフーリエ変換を生ずるためのレンズと、前記フーリエ変換を吸収の変調または屈折率の変調として記録し、記録されたパターンに従って出力光を変調するための非線形媒体とを備える。
【００１０】
従来の処理装置と異なり、本発明の処理装置の有する非線形媒体は、垂直型キャビティを有する面発光型レーザや光ポンプ増幅媒体のようなアクティブ増幅媒体を含む。アクティブな媒体を用いることにより得られる処理装置は、応答時間をそれほど犠牲にすることなく、従来の処理装置よりも出力強度の損失を小さくすることができる。その結果として、パワーの低下を考えることなく、複数のこのような処理装置を直列につなげることができる。さらに、異なる場所から、増幅媒体を通して複数回にわたり光信号をフィードバックすることにより、さまざまな処理ができるようになる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明による処理装置は、結合（ジョイント）フーリエ変換コリレータとしてもＶａｎｄｅｒｌｕｇｔ型コリレータとしても実施することができる。いずれの場合も、処理装置の一般的な特徴は良く知られている。結合（ジョイント）フーリエ変換コリレータは、前述のように、例えば、Ｈ．Ｒａｊｂｅｎｂａｃｈらにより説明されている。また、Ｖａｎｄｅｒｌｕｇｔ型コリレータは、前述のように、例えば、 Ｄ．Ｔ．Ｈ．Ｌｉｕらにより説明されている。図１を参照して、実験的な試みにより成功をおさめた結合（ジョイント）フーリエ変換コリレータについて、簡単に説明する。このシステムを改良して、替わりにＶａｎｄｅｒｌｕｇｔ型コリレータとすることは、当業者にとって、きわめて自明であろう。
【００１２】
入射光の光線は、レーザ１０により供給される。そのレーザは、垂直偏向型で出力１５０ｍＷ、発振波長８３０ｎｍの単一ＬＯモードダイオードレーザである。出力光の光線は、レーザ２０により供給される。そのレーザは、垂直偏向型で、発振波長８５０ｎｍの単一ＬＯモードダイオードレーザである。レーザ２０は、通常は、約１０ｍＷの出力レベルで動作する。その発振波長は、光学的屈折性媒体２５からの回折効率を最大にするために温度によるチューニングをすることができる。レーザ１０とレーザ２０のそれぞれからの光線は、レンズと、アナモルフィックプリズムペアと、ビームエキスパンダから成る副光学系３０または４０を通過する。これらの副光学系は、レーザ光線をエキスパンドし、コリメートする。
【００１３】
変調器５０は、典型的には、エプソン株式会社により「エプソンクリスタルイメージビデオプロジェクタ」として販売されているような、液晶である。この変調器は、開口が２．０ｃｍｘ２．６ｃｍで、画素分解能が３２０ｘ２２０である。この変調器は、購入時に偏光フィルムを含み、それは変調器をコリレータに組み込む前に取り除かれる。その変調器は、ビデオソース６０からのビデオ信号により駆動され、制御光線と、特定のコリレータの場合にはＲとＳのとなり合った一組の画像に対応する信号光線とを、それぞれ発生させる。（この段階では、画像は、単に偏光回転としてのみ存在するので、目では識別できない。）偏光ビームスプリッタキューブ７０は、偏光回転のパターンを強度変調のパターンに変換する。レンズ８０は、典型的には、焦点距離２６ｃｍのレンズ対であり、入射光線を受けて入力画像のフーリエ変換を行う。より正確に説明すると、レンズ８０のフーリエ面に位置する非線形媒体２５は、それぞれの入力画像のフーリエ変換の重ね合わせに対応する干渉パターンを記録する。
【００１４】
出力光線は、非線形媒体を通過することにより、記録されたパターンを読みとる。出力光線は、それからレンズ８０を通過し、その結果として記録されたパターンの逆フーリエ変換が出力光線によって伝達される。出力光線は、それからレンズ８０の背面焦点面に位置するＣＣＤカメラ１００に入射する。カメラ１００の出力は、フレーム読み取り器１０５に記録される。８３０ｎｍ（即ち、入射光の波長）のスプリアス光を除去するため、中心波長８５０ｎｍ（即ち、出力光の波長）のバンドパス干渉フィルタが、レンズ８０とカメラ１００の間に配置される。カメラ１００に入射する光の強度を抑えるために、ＮＤ（ニュートラルデンシティ）フィルタ１２０（典型的には、デンシティが１である）も、レンズとカメラの間に配置される。空間的波長がゼロ（無回折の０次ビーム）の出力光線の成分を除外するため、ビームブロック１３０がレンズとカメラの間に配置される。
【００１５】
従来技術による処理装置と異なり、本発明の処理装置の非線形媒体２５は入力光を増幅する光ポンプ半導体材料である。この種類の素子で本発明に用いることのできるものとしては、Ｙ．Ｙａｍａｍｏｔｏらによる「Ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ、Ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｉｎ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｌａｓｅｒｓ」Ｃｈ．１３、１９９１年、Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ ＆Ｓｏｎｓ、Ｉｎｃ．に概説的に述べられている。従来技術による処理装置が、非線形処理のために光学的屈折性を有する材料を用いているのに対し、本発明による処理装置は、半導体材料に固有の非線形特性を利用している。
【００１６】
本発明に用いることのできる光ポンプ半導体材料のひとつとして、発振しきい値以下で動作する垂直キャビティ型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）がある。ＶＣＳＥＬは、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ多層構造のようにアクティブなゲインを有する材料から成り、そのＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ多層構造は２つのミラーの間に配置されてファブリーペローキャビティを形成する。この構造は、電子的な注入により増幅作用を生ずる。このキャビティは、入力信号にフィードバックすることにより素子の効率を向上させ、アクティブゲイン材料自身による分だけ全体のゲインが増加する。ＶＣＳＥＬ素子の非線形性は、Ｊｉａｎｇらの、Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｌａｓｅｒｅｓ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｏｏｐｔｉｃｓ第８巻第２２４−２２５頁１９８４年、ＯＳＡ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｄｉｇｅｓｔ Ｓｅｒｉｅｓ、Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａにおいて、４波合成を実証するために利用されている。しかし、この例ではＶＣＳＥＬ構造の光学画像処理装置での利用については示されていない。
【００１７】
以下に図面を参照しながら、本発明による処理装置に用いることのできるＶＣＳＥＬ素子について簡単に説明する。この素子は、本願と同日に米国特許商標庁に出願された、「Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ Ｈａｖｉｎｇ Ｉｍｐｒｏｖｅｄ Ｐｏｍｐｉｎｇ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ」という名称の特許出願（出願人の整理番号：ＩＤＳ１０９１５４ 必要によっては、後日明細書を提出する用意がある）においてより詳細に説明されている。
【００１８】
図３は、波長８７０ｎｍで動作するように設計されたＶＣＳＥＬ構造を示す。上部ミラー１９は、Ａｌ_０．１１Ｇａ_０．８９Ａｓ（７３７Å）層とＡｌＡｓ（６２５Å）層が交互に２５ペアー積層された構造により形成される。また、下部ミラーは、２９．５ペアーのＡｌ_０．１１Ｇａ_０．８９Ａｓ（７１９Å）層とＡｌＡｓ（６０８Å）層により形成される。増幅媒体は、３つのＧａＡｓ（６０９Å）活性層により構成され、それぞれの活性層は、Ａｌ_０．１１Ｇａ_０．８９Ａｓ（６２５Å）バリア層によって分離されている。また、活性層と上下のミラーの間には、Ａｌ_０．１１Ｇａ_０．８９Ａｓ（３１２Å）バリア層が、挿入されている。これらの活性層は、効率を最大にするために、ミラー１３と１９の間に生ずる定在波のはら（ａｎｔｉｎｏｄｅｓ）の場所に位置する。
【００１９】
下部ミラー１３が高い反射率を生ずる波長は、上部ミラー１９と比較して相対的に約１４ｎｍほどずらされている。ミラー１３と１９は、例えば米国特許４９９９８４２号に定義されている用語によれば、「アンバランス」である。即ち、下部ミラー１３は、上部ミラー１９よりも多くの積層を有する。その結果として、設計波長における、下部ミラー１３の反射率は、上部ミラー１９の反射率よりも高い。そして、反射率が下部ミラー１３よりも低いために、出力光線は上部ミラー１９から放射される。
【００２０】
ここで、このような半導体材料は必ずしもＩＩＩ−Ｖ材料系に限定されない点は、明記される必要がある。例えば、ＩＩ−ＶＩ系材料もアクティブゲイン材料として同様に用いることができる。
【００２１】
【発明の効果】
本発明による、アクティブな媒体を用いることにより得られる処理装置は、応答時間をそれほど犠牲にすることなく、従来の処理装置よりも出力強度の損失を小さくすることができるという効果を有する。その結果として、パワーの低下を考えることなく、複数のこのような処理装置を直列につなげることができる。さらに、異なる場所から、増幅媒体を通して複数回にわたり光信号をフィードバックすることにより、さまざまな処理ができるようになるという効果も有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】結合（ジョイント）フーリエ変換型光学的画像コリレータの概略ブロックダイアグラム図である。
【図２】Ｖａｎｄｅｒｌｕｇｔ型光学的画像コリレータの概略ブロックダイアグラム図である。
【図３】本発明による、画像処理装置のアクティブゲイン材料として利用することのできるＶＣＳＥＬ構造の一例を示す構造図である。

Claims (9)

1. ａ）コヒーレントな入力光線の光源と、ｂ）コヒーレントな出力光線の光源と、ｃ）少なくとも第１の入力画像に対応した空間的な強度変調パターンを前記入力光線に重ね合わせる手段と、ｄ）前記変調パターンのフーリエ変換を得るレンズと、ｅ）前記フーリエ変換の結果を強度変調パターンとして記録し、記録されたパターンに従って前記出力光線を変調する非線形媒体とからなり、該非線形媒体が光ポンプ増幅媒体であることを特徴とする光学的画像処理装置。
2. 前記光ポンプ増幅媒体は、真性ＩＩＩ−Ｖ族材料を含むことを特徴とする請求項１記載の装置。
3. 前記光ポンプ増幅媒体は、真性ＩＩ−ＶＩ族材料を含むことを特徴とする請求項１記載の装置。
4. 前記光ポンプ増幅媒体は、垂直キャビティ型面発光レーザ構造を含むことを特徴とする請求項１記載の装置。
5. 前記真性ＩＩＩ−Ｖ族材料は、ＧａＡｓとＡｌｘＧａ１−ｘＡｓを含むものであり、前記ｘは０と１の間の値であることを特徴とする請求項２記載の装置。
6. 前記強度変調パターンを重ね合わせる手段は、真性多重量子井戸型素子を含むことを特徴とする請求項１記載の装置。
7. 前記重ね合わせる手段は、第１および第２の入力画像にそれぞれ対応する２つの空間的強度変調パターンを入力光線に重ね合わせる手段を含むことを特徴とする請求項１記載の装置。
8. 第２の入力画像に対応する空間的強度変調パターンを出力光線に重ね合わせる手段を含むことを特徴とする請求項１記載の装置。
9. 前記入力光線は、制御光線と信号光線を含むことを特徴とする請求項１記載の装置。

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