JP4610084B2 - 折返された光軸を有し、強誘電性液晶空間光変調器を使用する高出力反射型光学的相関器 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の背景】
【発明の分野】
この発明は一般的に、光学的相関器システムの改良に関し、より特定的には、未知の物体の向上した光検出を提供するための新しい改良された光学的相関器構造に関する。
【０００２】
【関連技術の説明】
目標または異常の場所をつきとめかつ識別することが可能な、小型で低電力で低コストのパターン認識システムは、軍用、医療用および安全用を含む多くの応用において要求される。光学的相関器は、寸法、電力および／または重量において匹敵するデジタルシステムよりも、高速で２次元のパターン認識を行なうことができる。
【０００３】
軍用および商業用の両方において、実時間パターン認識またはパターン解析の現在の問題の多くは、相関を使用することで解決され得る。軍隊の任務は、目標検出、目標認識、弾薬誘導および他の多くの応用のために実時間パターン認識機能を要求する。商業の応用は、医療用、情報用、法律の執行、保安、ロボット工学および工場検査の、多くの応用のためにパターン解析機能を要求する。特定的には、頑丈で低コストであり、低電力の構成を有し、非常にコンパクトで、温度に影響されず軽量である光学的相関パターン認識システムが要求される。実時間速度におけるロバストなパターン認識への処理要求は非常に高い。現在および短期的なデジタル的な解決法は、コスト、寸法、重量および電力要求に関して、多くの応用に対してまだ実用的ではない。
【０００４】
この発明の譲受人に譲渡される米国特許第５３１１３５９号の、折返された非対称の軸を有する反射型光学的相関器は、実時間速度で要求される処理力を提供する、小さく軽量で、より低電力なパッケージの光学的相関パターン認識システムを開示する。
【０００５】
図１は、米国特許第５３１１３５９号の反射型光学的相関器システムを示す。光学的相関器システム１０は、面状の支持本体１２を有し、該支持本体１２は不規則な周辺１４および、該支持本体の不規則な周辺１４に沿って選択された場所に形成される複数のシステムステーション１６を備える。複数の反射光学成分(component)は能動１６および受動１８の両方であり、選択されたシステムステーション１に位置決めされる。電磁放射ソース２０が第１のシステムステーションに位置決めされる。電磁放射ソース２０は、たとえばコヒーレント光ビームを発してもよく、該コヒーレント光ビームは、反射光学成分１６および１８によって拘束されるか、または定められる、面状の本体１２内の折返された非対称的な光軸または光路２２を進む。光路２２は、最後のシステムステーションに位置決めされる検出器２４において終わる。
【０００６】
図２は、中で図１の光学的相関器１０が使用可能である光学的相関器システムを示す。光学的相関器１０の特に好ましい構造は米国特許第５３１１３５９号に開示される。米国特許第５３１１３５９号の全体の開示がここに引用により援用される。
【０００７】
図２のシステム図によって、光学的相関器１０の動作の基本的な概念が例示される。光学的相関器システムによって処理されるべき像４６は入力センサ４４によって検知されてもよく、該入力センサ４４は外部のデジタルカメラまたは処理されるべき像／信号データの他のいかなるソースであってもよい。検知されたデータは像プリプロセッサであるデータフォーマッタ４２に与えられ、これはデータを入力センサ４４から取入れ、空間光変調器（ＳＬＭ）２８の入力駆動電子部品３４のためにフォーマットする。ＳＬＭ２８が、たとえばレーザダイオードであってもよい放射ソース２０からのコヒーレント光のビームにより照射された場合、入力電子部品３４によってＳＬＭ２８に与えられるデータは、レーザダイオード２０からの偏光レンズ２５を通過した光ビームをパターン化する。ＳＬＭ２８は、パターン化された光ビームを第１の凹面鏡２６に反射し、これは受取ったパターン化された情報を第１の偏光子２９を通して第２の空間光変調器（ＳＬＭ）３０へパターン化されたフーリエ変換ビームとして反射する。この第２のＳＬＭ３０はまた、フィルタ駆動電子部品３６からポストプロセッサ４０によって指示される、期待される(anticipated)像を表わすフィルタデータも受取る。このフィルタデータは、前処理されたフーリエ変換パターンの形である。第２のＳＬＭ３０は、パターン化されたフーリエ変換ビームを、フィルタデータベース３６からの既知のフィルタのフーリエ変換パターンで変換されると同時に受取り、それによりフーリエ信号の乗算によって２つのフーリエパターンの組合わせを引起こす。結果として生じた組合されたパターンは、第２のＳＬＭ３０によって第２の凹面鏡２７に反射され、これはＳＬＭ３０で組合されたパターンのフーリエ変換を、第２の偏光子３１を通してたとえばＣＣＤアレイのような高速光検出器アレイ上に焦点を合わせる。パターン化ビームＣＣＤ検出器アレイ３２は結果として生じる像を捕らえ、検出器電子部品３８およびポストプロセッサ４０はその情報を使用して出力４８を生成し、これはデータベースからのフィルタ像によって定められた原入力像４６の位置を表示する。出力４８の振幅は、相関の程度を示す。
【０００８】
空間光変調器およびフーリエ変換レンズを使用する光学的相関器システムおよび構造のさらなる詳細な例および説明は、米国特許第５４１８３８０号を参照されたい。
【０００９】
この発明は、これらの先行技術のシステムから改良された折返され分割される光学的像プロセッサを提供する。
【００１０】
【発明の概要】
パターン認識プロセッサは、改良された折返され分割された像プロセッサを使用して、面状の支持本体の中の折返された光路の中で受動成分と改良された能動成分とを組合せ、強誘電性液晶空間光変調器のような入力空間光変調器（ＳＬＭ）からの電磁放射のパターンを制御する。入力ＳＬＭは、像情報を受光した電磁放射または可視コヒーレント光の上にパターン化し、これを相関フィルタは既知のフィルタパターンとの相関のために強誘電性液晶空間光変調器のような第２のＳＬＭである相関フィルタに与える。相関された入力センサパターンおよびフィルタパターンは電荷結合素子である検出器上に焦点を合わされ、空間情報として検出されるが、ここでは光点の位置がマッチドフィルタパターンに対する原パターンの相関を識別し、さらに光の振幅が相関の程度を識別する。
【００１１】
この発明の正確な性質およびその目的と利点は、関連の図面と合わせて以下の詳細な説明を考慮することにより容易に明らかになるものである。図面はその全体を通して同じ部分には同じ符号が付される。
【００１２】
【好ましい実施例の説明】
以下の説明は、当業者に対しこの発明の実施を可能にし、この発明を実行するために発明者によって企図される最適な方法を明らかにするものである。しかしながら、この発明の一般的な原則は、図３に示されるように、ここにこの発明の光学的相関器の好ましい実施例を提供するために特定的に規定されるので、当業者にはさまざまな修正例が簡単に明らかになるであろう。図３では、光学的相関器４８は面状の支持本体５０を含み、これは、すべての受動および能動光学成分が、振動および温度変動を有するさまざまな厳しい環境の中で、互いに対して固定され安定した構成に保たれるように、好ましくは、溶融石英（ＳｉＯ₂）またはゼロデュア（Zerodur）として知られるガラスセラミックまたはそれに類似の素材から形成される。
【００１３】
非対称であり折返された光路７３は、電磁エネルギソース５２から始まるいくつかの連続的な経路線分を有し、該エネルギソース５２は好ましくはダイオードレーザまたは類似の装置であり、光路７３はＣＣＤ平面アレイ７０のようなピクセル検出器で終わる。レーザ５２からのエネルギビームは、好ましくは２５６×２５６平面ピクセルアレイを備える強誘電性液晶空間光変調器（ＦＬＣ）ＳＬＭである第１の空間光変調器（ＳＬＭ）５４に向けられる。ＳＬＭ５４は、入力像データを受取り、受取ったエネルギビームを、像データでパターン化し、第１のトーリック鏡５６に反射する。凹面または球面とは異なり、トーリック鏡は２つの曲率半径を有するが、メリジオナル平面に対する曲率半径はサジタル平面に沿った曲率半径とは異なる。このトーリック鏡は、その上に入射するパターン化されたエネルギビームの第１のフーリエ変換を生成し、そのフーリエ変換されたエネルギビームを偏光子６６を通して、これもまた強誘電性液晶ＳＬＭである第２のＳＬＭ５８に反射する。第２のＦＬＣＳＬＭ５８はフーリエ変換されたエネルギビームに加え、フィルタデータベースからの既知の２次元フィルタパターンのフーリエ変換を受取る。入力像パターンおよびフィルタパターンの２つのフーリエパターンの組合せは、ピクセルごとに整合したフーリエ信号の乗算をもたらす。第２のＳＬＭすなわちフィルタＳＬＭ５８は、組合されたパターンを第２のトーリック鏡６０に反射し、これは組合されたパターンビームに第２のフーリエ変換を行ない、それを鏡６２に反射する。平坦な鏡６２は受取ったエネルギビームを第３のトーリック鏡６４へ反射する。２つのトーリック鏡６０および６４および平坦な鏡６２は合わせてトーリック鏡からのパターン化されたエネルギビームをＣＣＤ検出器７０のピクセルアレイ上に収束するように機能する。偏光子６８は、トーリック鏡６０および平坦な鏡６２の間のパターン化されたビームの中に置かれる。この偏光子６８は、第２のＳＬＭ５８の後ろのビーム経路内であればどこに置かれてもよい。ＣＣＤピクセルアレイは一般的に、空間光変調器５４および空間光変調器５８のアレイよりも小さい。
【００１４】
図４に、パターン認識システムの中で光プロセッサとして使用され、便宜的に電子光学的プロセッサと呼ばれるこの発明の光学的相関器４８が示される。光学的相関器４８の中で起こる光学的処理の他に、電子部品部分で電子的処理が起こって一般的な前処理および一般的な後処理を与え、さらに光学的相関器４８を外部システムとインターフェイスさせる。図４に示される電子光学的プロセッサの電子部品部分は、入力センサ８２を使用して入力パターン８４を検出し、入力パターンに関する情報を像プリプロセッサ８０に与える。像プリプロセッサ８０は、像情報にアルゴリズムとデータフォーマッティングとを使用し、その後これをＦＬＣ空間光変調器５４に対する入力として入力駆動電子部品７４に与える。ＦＬＣ空間光変調器５４は、２５６×２５６ピクセルアレイであってもよい。加えて、ポストプロセッサ回路８３は、フィルタ選択および相関解析能力を含み、少なくとも各々が２５６×２５６ピクセルアレイである４０００個の２値位相専用フィルタ（ＢＰＯＦ）を記憶するために、十分なメモリを有する。これらの２値フィルタはフィルタ駆動電子部品７６に与えられ、次いで第２のフィルタＦＬＣ空間光変調器５８に与えられる。
【００１５】
検出電子部品７８は、ＣＣＤ７０から検出された信号を受信して、制御回路を使用するが、これはＣＣＤアレイ７０での相関平面の低ノイズの読出とデジタル化された検出とを支持する。
【００１６】
結果として生じるシステムによって、ＦＬＣ空間光変調器を備えたより簡単な駆動電子部品を入力およびフィルタＳＬＭとして使用することが可能になる。加えて、ＦＬＣ空間光変調器の実質的に増大した光効率は、相関信号対雑音比を相当に改良し、それによってシステムの全体が毎秒１９２５フレームのフレームレートで動作することを可能にする。これらの改良点の全てが検出性能の顕著な増大に加わる。
【００１７】
当業者においては、この発明の範囲および精神から逸脱することなく、これまで説明された好ましい実施例の各々クレームの適合例や修正例を構成できるだろう。したがって、付属の請求項の範囲の中で、この発明はここに特定的に説明される実施例以外にも実施され得ることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 先行技術の非対称反射型光学的相関器の斜視図である。
【図２】 像認識システムのブロック図で使用される反射型光学的相関器を示す図である。
【図３】 この発明の折返され分割された光学的相関器の斜視図である。
【図４】 像認識システムまたはパターン認識システムで使用される図３の光学的相関器の部分斜視図および部分ブロック図を示す図である。

Claims (3)

1. 未知の物体の検出および識別に使用する改良された光学的相関器であって、前記相関器は、面状の支持本体（５０）を有し、前記本体（５０）は、前記本体（５０）の周囲に沿った選択された位置に光学部品を有し、
   前記本体（５０）上の第１の位置にあり、前記本体（５０）へエネルギーを向ける電磁エネルギーソース（５２）と、
   画像情報を未知の物体を表わす電気的信号の形で受取り、前記電磁エネルギーソース（５２）から受取った電磁ビームを受取った画像情報に従ってパターン化する第１の強誘電性液晶（ＦＬＣ）空間光変調器（ＳＬＭ）（５４）と、
   前記本体（５０）上の第２の位置にあり、前記第１のＦＬＣＳＬＭ（５４）からの電磁ビームのフーリエ変換を生成する第１のトーリック鏡（５６）と、
   前記本体（５０）上の第３の位置にあり、既知の物体を表わすフーリエ変換パターンを電気的信号の形で受取り、前記第１のトーリック鏡（５６）から受取った電磁ビームを前記既知の物体のフーリエ変換パターンに従ってパターン化する第２の強誘電性液晶（ＦＬＣ）空間光変調器（ＳＬＭ）（５８）と、
   前記本体（５０）上の第４の位置にあり、前記第２のＦＬＣＳＬＭ（５８）から電磁ビームを受取り、前記第２のＦＬＣＳＬＭ（５８）からの電磁ビームのフーリエ変換を生成する第２のトーリック鏡（６０）と、
   前記本体（５０）上の第５の位置にあり、電荷結合素子（ＣＣＤ）（７０）と、
   前記本体（５０）上の第６の位置にあり、前記第２のトーリック鏡（６０）からの電磁ビームを受取る平面鏡（６２）と、
   前記本体（５０）上の第７の位置にあり、前記平面鏡（６２）から前記電磁ビームを受取り、前記本体（５０）上の第５の位置にある前記ＣＣＤ（７０）の像平面上にそれを収束する第３のトーリック鏡（６４）とを備えた、改良された光学的相関器。
2. 前記ＣＣＤ（７０）は、前記第１および第２のＦＬＣＳＬＭ（５６，５８）の各々よりも少ない画素数を有する、請求項１に記載の改良された光学的相関器。
3. 前記第１のトーリック鏡（５６）と前記第２のＦＬＣＳＬＭ（５８）の間の前記電磁ビーム経路に置かれた第１の偏光子（６６）と、
   前記第２のトーリック鏡（６０）と前記平面鏡（６２）の間の前記電磁ビーム経路に置かれた第２の偏光子（６８）とをさらに備えた、請求項１に記載の改良された光学的相関器。

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