JPH05210139A - 光情報処理装置および非球面フーリエ変換レンズ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 第１の空間光変調素子と第２の空間光変調素
子間の間隔を短縮することで光情報処理装置の小型化を
図る。 【構成】 入力像を表示する第１の空間光変調素子（第
１の液晶ディスプレー５）と、その近傍に配置された凸
レンズ４と、この第１のレンズの後側焦点面近傍に配置
された第２の空間光変調素子（第２の液晶ディスプレー
７）と、この第２の空間光変調素子（第２の液晶ディス
プレー７）の近傍に配置された第２のレンズ６とを備え
た構成とする。 【効果】 上記構成により、第１の空間光変調素子（第
１の液晶ディスプレー５）と第２の空間光変調素子（第
２の液晶ディスプレー７）の距離が短縮され、光情報処
理装置の小型化が可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ロボット等の視覚認識
装置において、画像処理あるいは画像認識を光学的に実
行する光情報処理装置および、それに用いられるレンズ
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】画像処理あるいは画像認識技術に対し
て、近年、より大画素数をより高速処理することが要求
されてきている。そこで、光の高速並列演算機能を活用
することで上記の要求に答える光情報処理装置の開発が
盛んになってきている。

【０００３】以下図面を参照しながら、従来の光情報処
理装置の一例として、特願昭６３−２８７０１６号記載
の光情報処理装置について説明する。

【０００４】図８は、従来の光情報処理装置の構成を示
すものである。図８において、２０はＴＶカメラ、２１
はＴＶカメラ２０により撮像された画像を表示する第１
の液晶ディスプレイ、２２は半導体レ−ザ、２３は半導
体レ−ザ２２からの光を平行光化するコリメ−タレン
ズ、２４は第１のレンズであり第１の液晶ディスプレイ
２１はこの第１のレンズ２４の前側焦点面に配置されて
いる。２５は第２の液晶ディスプレイであり第１のレン
ズ２４の後側焦点面に配置されている。

【０００５】２６は複数の標準パタ−ンに対して第２の
液晶ディスプレイ上の各絵素をサンプリング点として予
め計算されたフ−リエ変換計算機ホログラムのデ−タ、
すなわち第２の液晶ディスプレイ２５の各絵素毎の透過
率に対応する印加電圧のデ−タを書き込んだリ−ドオン
リ−メモリ（以下ＲＯＭと称す）、２７は第２のレンズ
でありその前側焦点面に第２の液晶ディスプレイ２５が
配置されている。２８は第２のレンズ２７の後側焦点面
に配置された光検出器である。

【０００６】以上のように構成された従来の光情報処理
装置について、以下その動作を説明する。まず、ＴＶカ
メラ２０により対象物体が撮像されると、その画像が第
１の液晶ディスプレイ２１上に表示される。この第１の
液晶ディスプレイ２１はコリメ−タレンズ２３により平
行光化された半導体レ−ザ２２からのコヒ−レント光に
より照射される。この第１の液晶ディスプレイ２１は第
１のレンズ２４の前側焦点面に配置されているので、第
１のレンズ２４の後側焦点面すなわち第２の液晶ディス
プレイ２５上に対象物体の第１のレンズ２４により光学
的に変換されたフ−リエ変換像が形成される。

【０００７】この時、第２の液晶ディスプレイ２５に
は、光学的フィルタとして特定の標準パタ−ンのフ−リ
エ変換像が、ＲＯＭ２６に書き込まれたデ−タが入力信
号となり第２の液晶ディスプレイ２５の各絵素毎に透過
率を空間的に変調することで、フ−リエ変換計算機ホロ
グラムの形で表示される。

【０００８】従って、第１の液晶ディスプレイ２１上に
表示された対象物体の入力像を第１のレンズ２４により
光学的に変換したフ−リエ変換像と、特定の標準パタ−
ンに対して予め計算されたフ−リエ変換像が第２の液晶
ディスプレイ２５上で重畳される。

【０００９】また、この第２の液晶ディスプレイ２５は
第２のレンズ２７の前側焦点面に配置されているので、
対象物体と特定の標準パタ−ンの２つのフ−リエ変換像
が一致した時、すなわち両者が同一物体の時、第２のレ
ンズ２７の後側焦点面に輝点が発生し、光検出器２８で
検出される。このようにして、第２の液晶ディスプレイ
２５上に表示された計算機ホログラムによる光学的フィ
ルタが、マッチトフィルタとして作用する光学的画像処
理が実行される。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記のよ
うな構成では、以下の理由から光路長が長くなり装置が
大型化するという問題点を有していた。すなわち、半導
体レ−ザ２２の波長をλ、第１の液晶ディスプレイ２１
の絵素ピッチをＰ、第２の液晶ディスプレイ２５に表示
されているフ−リエ変換像の直径をＤとすると、第１の
レンズ２４の焦点距離をｆは、ｆ＝Ｄ×Ｐ／λで与えら
れる。従って、例えばＰ＝５０μｍとし、λ＝０．８μ
ｍ、Ｄ＝６０ｍｍとすると、ｆ＝３１２５ｍｍのレンズ
を必要とする。このため、図８に示した如く第１の液晶
ディスプレイ２１と第２の液晶ディスプレイ２５間の距
離は、２×ｆ＝６２５０ｍｍと極めて長大なものとなる
という問題点を有していた。

【００１１】本発明は上記問題点に鑑み、その第１の液
晶ディスプレイと第２の液晶ディスプレイ間の距離を短
縮した光情報処理装置、および、その構成レンズの一部
を非球面化する事で第１の液晶ディスプレイと第２の液
晶ディスプレイ間の距離の短縮化を図り、かつ、結像特
性を向上したフ−リエ変換レンズを提供することを目的
とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
めに本発明の請求項１記載の光情報処理装置は、入力像
を表示する第１の空間光変調素子と、その近傍に配置さ
れた凸レンズと、この第１のレンズの後側焦点面近傍に
配置された第２の空間光変調素子と、この第２の空間光
変調素子の近傍に配置された第２のレンズとを備えたこ
とを特徴とする光情報処理装置である。

【００１３】また、本発明の請求項２記載の光情報処理
装置は、入力像を表示する第１の空間光変調素子と、そ
の近傍に配置された第１の凸レンズと、この第１の凸レ
ンズの後方に配置された凹レンズと、前記第１の凸レン
ズと凹レンズの後側合成焦点面近傍に配置された第２の
空間光変調素子と、この第２の空間光変調素子の近傍に
配置された第２の凸レンズとを備えたことを特徴とする
光情報処理装置である。

【００１４】また、請求項３記載の光情報処理装置は、
入力像を表示する第１の空間光変調素子と、その近傍に
配置された第１の凸レンズと、この第１の凸レンズの後
方に配置された凹レンズと、前記第１の凸レンズと凹レ
ンズの後側合成焦点面近傍に配置された第２の空間光変
調素子と、この第２の空間光変調素子の近傍に配置され
た第２の凸レンズとを備え、かつ、この第１および第２
の凸レンズの片面を平面とし、各々、第１および第２の
空間光変調素子と密着配置したことを特徴とする光情報
処理装置である。

【００１５】また、本発明の請求項４記載の非球面フ−
リエ変換レンズは、物体面側から順に第１の凸レンズ、
凹レンズ、第２の凸レンズから構成されかつ、前記第２
の凸レンズの少なくとも１面を非球面で構成したことを
特徴とする非球面フ−リエ変換レンズである。

【００１６】

【作用】本発明の請求項１記載の光情報処理装置は、入
力像を表示する第１の空間光変調素子と、その近傍に配
置された凸レンズと、この第１のレンズの後側焦点面近
傍に配置された第２の空間光変調素子と、この第２の空
間光変調素子の近傍に配置された第２のレンズとを備え
たことで、第１の空間光変調素子と第２の空間光変調素
子の距離を短縮し、光情報処理装置の小型化を可能とす
るものである。

【００１７】また、本発明の請求項２記載の光情報処理
装置は、入力像を表示する第１の空間光変調素子と、そ
の近傍に配置された第１の凸レンズと、この第１の凸レ
ンズの後方に配置された凹レンズと、前記第１の凸レン
ズと凹レンズの後側合成焦点面近傍に配置された第２の
空間光変調素子と、この第２の空間光変調素子の近傍に
配置された第２の凸レンズとを備えたことにより請求項
１記載の光情報処理装置よりもさらに第１の空間光変調
素子と第２の空間光変調素子の距離を短縮し、光情報処
理装置の小型化を可能とするものである。

【００１８】また、請求項３記載の光情報処理装置は、
入力像を表示する第１の空間光変調素子と、その近傍に
配置された第１の凸レンズと、この第１の凸レンズの後
方に配置された凹レンズと、前記第１の凸レンズと凹レ
ンズの後側合成焦点面近傍に配置された第２の空間光変
調素子と、この第２の空間光変調素子の近傍に配置され
た第２の凸レンズとを備え、かつ、この第１および第２
の凸レンズの片面を平面とし、各々、第１および第２の
空間光変調素子と密着配置したことを特徴とすることで
第１の空間光変調素子と第２の空間光変調素子の距離の
短縮化を図り、かつ、空間光変調素子に於ける多重反射
を防止したものである。

【００１９】また、本発明の請求項４記載の非球面フ−
リエ変換レンズは、物体面側から順に第１の凸レンズ、
凹レンズ、第２の凸レンズから構成されかつ、前記第２
の凸レンズの少なくとも１面を非球面で構成したことに
より第１の空間光変調素子と第２の空間光変調素子の距
離を短縮し、光情報処理装置の小型化を可能とするとと
もに、主光線とマ−ジナル光線、すなわち、瞳の結像と
物体の結像に対する収差補正を独立化し、結像特性の向
上を図った非球面フ−リエ変換レンズである。

【００２０】

【実施例】以下、本発明の請求項１記載の光情報処理装
置について、図面を参照しながら説明する。図１は本発
明の請求項１記載の光情報処理装置における１実施例の
構成図である。図１において、１はＴＶカメラ、５はＴ
Ｖカメラ１により撮像された画像を表示する第１の液晶
ディスプレイ、２は半導体レ−ザ、３は半導体レ−ザ２
からの光を平行光化するコリメ−タレンズ、４は第１の
レンズであり第１の液晶ディスプレイ５はこの第１のレ
ンズ４の近傍に配置されている。７は第２の液晶ディス
プレイであり第１のレンズ４の後側焦点面近傍に配置さ
れている。

【００２１】１０は複数の参照パタ−ンに対して第２の
液晶ディスプレイ上の各絵素をサンプリング点として予
め計算されたフ−リエ変換計算機ホログラムのデ−タ、
すなわち第２の液晶ディスプレイ７の各絵素毎の透過率
に対応する印加電圧のデ−タを書き込んだメモリ、６は
第２のレンズであり、この第２のレンズ６と第１のレン
ズ４との合成焦点位置に第２の液晶ディスプレイ７が配
置されている。８は第３のレンズであり、その前側焦点
面に第２の液晶ディスプレイ７が配置されている。ま
た、９は光検出器であり第３のレンズ８の後方に配置さ
れている。

【００２２】以上のように構成された本実施例の光情報
処理装置について、以下その動作を説明する。まず、Ｔ
Ｖカメラ１により対象物体が撮像されると、その画像が
第１の液晶ディスプレイ５上に表示される。この第１の
液晶ディスプレイ５はコリメ−タレンズ３により平行光
化された半導体レ−ザ２からのコヒ−レント光により照
射されるが、この第１の液晶ディスプレイ５に表示され
た入力像は第１のレンズ４によって収束光により照射さ
れる。

【００２３】この収束光によるフ−リエ変換は、従来例
の２ｆ系、すなわち、第１の空間光変調素子と第２の空
間光変調素子間の距離が２ｆである系で行われる完全な
フ−リエ変換と比較して、ｅｘｐ［ｉ（ｋ／２ｄ）（Ｘ
ｆ²＋Ｙｆ²）］の位相項が付加される。ここで、ｋは波
数、ｄは第１の液晶ディスプレイ５と第１のレンズ４の
後側焦点面間の距離、ＸｆとＹｆは焦点面での座標を各
々示している。この付加された位相項ｅｘｐ［ｉ（ｋ／
２ｄ）（Ｘｆ²＋Ｙｆ²）］は、第１の液晶ディスプレイ
５と第１のレンズ４の後側焦点面間の距離ｄでのフレネ
ル回折に起因するものである。

【００２４】一方、レンズの機能を波動光学的にとらえ
ると、位相変換作用と考える事ができる。この位相変換
機能は、その焦点距離をｆとすると、 ｅｘｐ［−ｉ（ｋ／２ｆ）（Ｘｆ²＋Ｙｆ²）］ と書ける。従って、第２のレンズ６の焦点距離ｆ₂を第
１の液晶ディスプレイ５と第１のレンズ４の後側焦点面
間の距離ｄと等しくすれば、距離ｄでのフレネル回折に
起因する余計な位相項ｅｘｐ［ｉ（ｋ／２ｄ）（Ｘｆ²
＋Ｙｆ²）］と第２のレンズ６の位相変換機能ｅｘｐ
［−ｉ（ｋ／２ｆ）（Ｘｆ²＋Ｙｆ²）］とが打ち消し合
い完全なフ−リエ変換が実現できる。また、ｄ＝ｆとし
たので、第１の液晶ディスプレイ５上の回折光をコリメ
−トする事も可能となる。

【００２５】従って、第１のレンズ４と第２のレンズ６
の合成焦点面すなわち第２の液晶ディスプレイ７上に対
象物体の光学的に変換されたフ−リエ変換像が形成され
る。

【００２６】この時、第２の液晶ディスプレイ７には、
光学的フィルタとして特定の参照パタ−ンのフ−リエ変
換像が、メモリ１０に書き込まれたデ−タが入力信号と
なり第２の液晶ディスプレイ７の各絵素毎に透過率を空
間的に変調することで、フ−リエ変換計算機ホログラム
の形で表示される。

【００２７】従って、第１の液晶ディスプレイ５上に表
示された対象物体の入力像を第１のレンズ４と第２のレ
ンズ６により光学的に変換したフ−リエ変換像と、特定
の参照パタ−ンに対して予め計算されたフ−リエ変換像
が第２の液晶ディスプレイ７上で重畳される。また、こ
の第２の液晶ディスプレイ７は第３のレンズ８の前側焦
点面に配置されているので、対象物体と特定の参照パタ
−ンの２つのフ−リエ変換像が一致した時、すなわち両
者が同一物体の時、第３のレンズ８の後側焦点面に輝点
が発生し、光検出器９で検出される。このようにして、
第２の液晶ディスプレイ７上に表示された計算機ホログ
ラムによる光学的フィルタが、マッチトフィルタとして
作用する光情報処理が実行される。

【００２８】以上のように本実施例によれば、距離ｄが
おおよそ第１のレンズの焦点距離ｆに等しく、また、第
２レンズ６焦点距離を距離ｄと等しく構成したので、第
１の液晶ディスプレイ５と第２の液晶ディスプレイ７間
の距離ｌは、第１のレンズ４の焦点距離ｆとほぼ等しく
できる。すなわち、従来例と比較して距離Ｌを約１／２
とすることができ、光情報処理装置の大幅な小型化が可
能となる。

【００２９】次に、本発明の請求項２記載の光情報処理
装置について、その実施例の構成を表わす図面を参照し
ながら説明する。図２は本発明の請求項２記載の光情報
処理装置における第１の実施例の側面図である。図２に
おいて、１１はＴＶカメラ、１５はＴＶカメラ１１によ
り撮像された画像を表示する第１の液晶ディスプレイ、
１２は半導体レ−ザ、１３は半導体レ−ザ２からの光を
平行光化するコリメ−タレンズ、１４は第１の凸レンズ
であり第１の液晶ディスプレイ１５はこの第１の凸レン
ズ１４の後側近傍に配置されている。１６は凹レンズで
あり、１８は第２の液晶ディスプレイであり、第１の凸
レンズ１４と凹レンズ１６の合成焦点面近傍に配置され
ている。

【００３０】２１は複数の参照パタ−ンに対して第２の
液晶ディスプレイ１８上の各絵素をサンプリング点とし
て予め計算されたフ−リエ変換計算機ホログラムのデ−
タ、すなわち第２の液晶ディスプレイ１８の各絵素毎の
透過率に対応する印加電圧のデ−タを書き込んだメモ
リ、１７は第２の凸レンズであり、この第２の凸レンズ
１７と第１の凸レンズ１４と凹レンズ１６との合成焦点
位置に第２の液晶ディスプレイ１８が配置されている。
１９は第４のレンズであり、その前側焦点面に第２の液
晶ディスプレイ１８が配置されている。また、２０は光
検出器であり第４のレンズ１９の後方に配置されてい
る。

【００３１】以下に第１の凸レンズ１４、凹レンズ１
６、および第２の凸レンズ１７について、それらの焦点
距離並びにレンズ間隔が満たすべき関係式を図３を用い
て説明する。

【００３２】図３において、ａは第１の凸レンズ１４と
凹レンズ１６の間隔、ｂは凹レンズ１６と第２の凸レン
ズ１７との間隔、Ｓ１は第１の凸レンズ１４と第１の液
晶ディスプレイ１５との間隔、Ｓ２は第２の凸レンズ１
７と第２の液晶ディスプレイ１８との間隔、ｆｓは第１
の凸レンズ１４と凹レンズ１６で構成されるテレフォト
系の合成焦点距離、ｋは前記テレフォト系のテレフォト
比、ｍは前記テレフォト系の後群すなわち凹レンズ１６
の倍率を各々しめしている。また、ｆ１、ｆ２、ｆ３は
各々、第１の凸レンズ１４、凹レンズ１６、および第２
の凸レンズ１７の焦点距離を示し、ｈ１は第１の凸レン
ズ１４への入射光線高を示している。

【００３３】さらに図３中の実線は瞳の結像、すなわ
ち、系の主光線であり、第１の液晶ディスプレイ１５上
に表示された入力像の光学的なフ−リエ変換機能を示し
ている。一方、破線は物体の結像、すなわち、系のマ−
ジナル光線であり、第１の液晶ディスプレイ１５上の回
折光を集光して平行光にする機能を示している。

【００３４】ここで、第２の液晶ディスプレイ１８は、
第１の凸レンズ１４と凹レンズ１６の合成焦点位置の近
傍に配置されている。従って、ｋ・ｆｓは第１の凸レン
ズ１４、凹レンズ１６、および第２の凸レンズ１７の全
系合成焦点距離とほぼ等しい。

【００３５】以上のように構成した光学系において、瞳
の結像と物体の結像の両方を満足するためには、第２の
凸レンズ１７の位相変換作用により第１の凸レンズ１４
と凹レンズ１６とで発生する位相項を補正するととも
に、凹レンズ１６と第２の凸レンズ１７とで第１の液晶
ディスプレイ１５からの回折光を平行光化する機能を満
足する必要がある。この両機能を満足する条件は以下の
関係式で表される。

【００３６】 1/f1+(f1-a)/(f1・f2)+(k・fs-a-b)(f1-a)/(f3・(k・fs-a)・f1)=1/(fs・h1)…(1式) fs=(k・fs-a)S2・f1/((f1-a)(k・fs-a-b)) …(2式) f2=(f1-a)(k・fs-a)/(f1-k・fs) …(3式) f3=b+f2(a-S1)/(a-S1+f2) …(4式) 第１の凸レンズ１４、凹レンズ１６、および第２の凸レ
ンズ１７ならびに第１の液晶ディスプレイ１５、第２の
液晶ディスプレイ１８は上記の４つの式を満足するよう
構成配置されている。

【００３７】以上のように構成された本実施例の光情報
処理装置について、以下その動作を説明する。まず、Ｔ
Ｖカメラ１１により対象物体が撮像されると、その画像
が第１の液晶ディスプレイ１５上に表示される。この第
１の液晶ディスプレイ１５はコリメ−タレンズ１３によ
り平行光化された半導体レ−ザ１２からのコヒ−レント
光により照射される。この第１の液晶ディスプレイ１５
に表示された入力像は第１の凸レンズ１４、凹レンズ１
６および第２の凸レンズ１７とにより完全にフ−リエ変
換され第２の液晶ディスプレイ１８上に対象物体の光学
的に変換されたフ−リエ変換像が形成される。

【００３８】この時、第２の液晶ディスプレイ１８に
は、光学的フィルタとして特定の参照パタ−ンのフ−リ
エ変換像が、メモリ２１に書き込まれたデ−タが入力信
号となり第２の液晶ディスプレイ１８の各絵素毎に透過
率を空間的に変調することで、フ−リエ変換計算機ホロ
グラムの形で表示される。

【００３９】従って、第１の液晶ディスプレイ１５上に
表示された対象物体の入力像を第１の凸レンズ１４と凹
レンズ１６と第２の凸レンズ１７により光学的に変換し
たフ−リエ変換像と、特定の参照パタ−ンに対して予め
計算されたフ−リエ変換像が第２の液晶ディスプレイ１
８上で重畳される。

【００４０】また、この第２の液晶ディスプレイ１８は
第４のレンズ１９の前側焦点面に配置されているので、
対象物体と特定の参照パタ−ンの２つのフ−リエ変換像
が一致した時、すなわち両者が同一物体の時、第４のレ
ンズ１９の後側焦点面に輝点が発生し、光検出器２０で
検出される。

【００４１】このようにして、第２の液晶ディスプレイ
１８上に表示された計算機ホログラムによる光学的フィ
ルタが、マッチトフィルタとして作用する光情報処理が
実行される。

【００４２】以上のように本実施例によれば、第１の凸
レンズ１４と凹レンズ１６とでテレフォト比ｋのテレフ
ォト系を構成したため、例えばｋ＝０．３と設定すると
第１の液晶ディスプレイ１５、第２の液晶ディスプレイ
１８の間隔はおおよそ０．３ｆとなり、従来例と比較し
て間隔を約１／６とすることができ、光情報処理装置の
大幅な小型化が可能となる。

【００４３】次に本発明の請求項２記載の光情報処理装
置の第２の実施例について図４を用いて説明する。図４
は本発明の請求項２記載の光情報処理装置における第２
の実施例の構成図である。図４において、３１はＴＶカ
メラ、３５はＴＶカメラ３１により撮像された画像を表
示する第１の液晶ディスプレイ、３２は半導体レ−ザ、
３３は半導体レ−ザ３２からの光を平行光化するコリメ
−タレンズ、３４は第１の凸レンズであり第１の液晶デ
ィスプレイ３５はこの第１の凸レンズ３４の前側近傍に
配置されている。３６は凹レンズであり、３８は第２の
液晶ディスプレイであり第１の凸レンズ３４と凹レンズ
３６の合成焦点面近傍に配置されている。

【００４４】４１は複数の参照パタ−ンに対して第２の
液晶ディスプレイ３８上の各絵素をサンプリング点とし
て予め計算されたフ−リエ変換計算機ホログラムのデ−
タ、すなわち第２の液晶ディスプレイ３８の各絵素毎の
透過率に対応する印加電圧のデ−タを書き込んだメモ
リ、３７は第２の凸レンズであり、この第２の凸レンズ
３７と第１の凸レンズ３４と凹レンズ３６との合成焦点
位置に第２の液晶ディスプレイ３８が配置されている。
３９は第４のレンズであり、その前側焦点面に第２の液
晶ディスプレイ３８が配置されている。また、４０は光
検出器であり第４のレンズ３９の後方に配置されてい
る。

【００４５】以下に第１の凸レンズ３４、凹レンズ３
６、および第２の凸レンズ３７について、それらの焦点
距離並びにレンズ間隔が満たすべき関係式を図５を用い
て説明する。

【００４６】図５で、ａは第１の凸レンズ３４と凹レン
ズ３６の間隔、ｂは凹レンズ３６と第２の凸レンズ３７
との間隔、Ｓ１は第１の凸レンズ３４と第１の液晶ディ
スプレイ３５との間隔、Ｓ２は第２の凸レンズ３７と第
２の液晶ディスプレイ３８との間隔、ｆｓは第１の凸レ
ンズ３４と凹レンズ３６で構成されるテレフォト系の合
成焦点距離、ｋは前記テレフォト系のテレフォト比、ｍ
は前記テレフォト系の後群すなわち凹レンズ３６の倍率
を各々しめしている。また、ｆ１、ｆ２、ｆ３は各々、
第１の凸レンズ３４、凹レンズ３６、および第２の凸レ
ンズ３７の焦点距離を示し、ｈ１は第１の凸レンズ３４
への入射光線高を示している。

【００４７】さらに図５中の実線は瞳の結像、すなわ
ち、系の主光線であり、第１の液晶ディスプレイ３５上
に表示された入力像の光学的なフ−リエ変換機能を示し
ている。一方、破線は物体の結像、すなわち、系のマ−
ジナル光線であり、第１の液晶ディスプレイ３５上の回
折光を集光して平行光にする機能を示している。ここ
で、第２の液晶ディスプレイ３８は、第１の凸レンズ３
４と凹レンズ３６の合成焦点位置の近傍に配置されてい
る。従って、ｋ・ｆｓは第１の凸レンズ３４、凹レンズ
３６、および第２の凸レンズ３７の全系合成焦点距離と
ほぼ等しい。

【００４８】以上のように構成した光学系において、瞳
の結像と物体の結像の両方を満足するためには第２の凸
レンズ３７の位相変換作用により第１の凸レンズ３４と
凹レンズ３６とで発生する位相項を補正するとともに、
凹レンズ３６と第２の凸レンズ３７とで第１の液晶ディ
スプレイ３５からの回折光を平行光化する機能を満足す
る必要がある。この両機能を満足する条件は以下の関係
式で表される。

【００４９】 1/f1+(f1-a)/(f1・f2)+(k・fs-a-b)(f1-a)/(f3・(k・fs-a)・f1)=1/(fs・h1)…(5式) fs=(k・fs-a)S2・f1/((f1-a)(k・fs-a-b)) …(6式) f2=(f1-a)(k・fs-a)/(f1-k・fs) …(7式) f3=b+f2(f1・S1-a・f1-a・S1)/(f1・S1-a・f1-a・S1-f1・f2-f2・S1) …(8式) 第１の凸レンズ３４、凹レンズ３６、および第２の凸レ
ンズ３７ならびに第１の液晶ディスプレイ３５、第２の
液晶ディスプレイ３８は上記の（５式）から（８式）の
４つの式を満足するよう構成配置されている。

【００５０】以上のように構成された本実施例の光情報
処理装置について、以下その動作を説明する。まず、Ｔ
Ｖカメラ３１により対象物体が撮像されると、その画像
が第１の液晶ディスプレイ３５上に表示される。この第
１の液晶ディスプレイ３５はコリメ−タレンズ３３によ
り平行光化された半導体レ−ザ３２からのコヒ−レント
光により照射される。この第１の液晶ディスプレイ３５
に表示された入力像は第１の凸レンズ３４、凹レンズ３
６および第２の凸レンズ３７とにより完全にフ−リエ変
換され第２の液晶ディスプレイ３８上に対象物体の光学
的に変換されたフ−リエ変換像が形成される。

【００５１】この時、第２の液晶ディスプレイ３８に
は、光学的フィルタとして特定の参照パタ−ンのフ−リ
エ変換像が、メモリ４１に書き込まれたデ−タが入力信
号となり第２の液晶ディスプレイ３８の各絵素毎に透過
率を空間的に変調することで、フ−リエ変換計算機ホロ
グラムの形で表示される。

【００５２】従って、第１の液晶ディスプレイ３５上に
表示された対象物体の入力像を第１の凸レンズ３４と凹
レンズ３６と第２の凸レンズ３７により光学的に変換し
たフ−リエ変換像と、特定の参照パタ−ンに対して予め
計算されたフ−リエ変換像が第２の液晶ディスプレイ３
８上で重畳される。

【００５３】また、この第２の液晶ディスプレイ３８は
第４のレンズ３９の前側焦点面に配置されているので、
対象物体と特定の参照パタ−ンの２つのフ−リエ変換像
が一致した時、すなわち両者が同一物体の時、第４のレ
ンズ３９の後側焦点面に輝点が発生し、光検出器４０で
検出される。このようにして、第２の液晶ディスプレイ
３８上に表示された計算機ホログラムによる光学的フィ
ルタが、マッチトフィルタとして作用する光情報処理が
実行される。

【００５４】以上のように本実施例によれば、第１の凸
レンズ３４と凹レンズ３６とでテレフォト比ｋのテレフ
ォト系を構成したため、例えばｋ＝０．３と設定すると
第１の液晶ディスプレイ３５、第２の液晶ディスプレイ
３８の間隔はおおよそ０．３ｆとなり、従来例と比較し
て間隔を約１／６とすることができ、光情報処理装置の
大幅な小型化が可能となる。

【００５５】次に、本発明の請求項３記載の光情報処理
装置について、図面を参照しながら説明する。図６は本
発明の請求項３記載の光情報処理装置における１実施例
の構成図である。図６において、５１はＴＶカメラ、５
５はＴＶカメラ５１により撮像された画像を表示する第
１の液晶ディスプレイ、５２は半導体レ−ザ、５３は半
導体レ−ザ５２からの光を平行光化するコリメ−タレン
ズ、５４は第１の凸レンズであり第１の液晶ディスプレ
イ５５はこの第１の凸レンズ５４の前側近傍に配置され
ている。

【００５６】また第１の凸レンズ５４の第１面は平面で
構成されており、第１の液晶ディスプレイ５５に密着配
置されている。また、５６は凹レンズであり、５８は第
２の液晶ディスプレイであり、第１の凸レンズ５４と凹
レンズ５６の合成焦点面近傍に配置されている。５１は
複数の参照パタ−ンに対して第２の液晶ディスプレイ５
８上の各絵素をサンプリング点として予め計算されたフ
−リエ変換計算機ホログラムのデ−タ、すなわち第２の
液晶ディスプレイ５８の各絵素毎の透過率に対応する印
加電圧のデ−タを書き込んだメモリ、５７は第２の凸レ
ンズであり、この第２の凸レンズ５７と第１の凸レンズ
５４と凹レンズ５６との合成焦点位置に第２の液晶ディ
スプレイ５８が配置されている。

【００５７】また、第２の凸レンズ５７の第２面は平面
で構成されており、第２の液晶ディスプレイ５８と密着
配置されている。５９は第４のレンズであり、その前側
焦点面に第２の液晶ディスプレイ５８が配置されてい
る。また、６０は光検出器であり第４のレンズ５９の後
方に配置されている。

【００５８】以下に第１の凸レンズ５４、凹レンズ５
６、および第２の凸レンズ５７について、それらの焦点
距離並びにレンズ間隔が満たすべき関係式は、本発明の
請求項２記載の第２の実施例と同様に、上記の（５式）
から（８式）の４つの式で表される。

【００５９】第１の凸レンズ５４、凹レンズ５６、およ
び第２の凸レンズ５７ならびに第１の液晶ディスプレイ
５５、第２の液晶ディスプレイ５８は上記の４つの式を
満足するよう構成配置されている。

【００６０】以上のように構成された本実施例の光情報
処理装置について、以下その動作を説明する。まず、Ｔ
Ｖカメラ５１により対象物体が撮像されると、その画像
が第１の液晶ディスプレイ５５上に表示される。この第
１の液晶ディスプレイ５５はコリメ−タレンズ５３によ
り平行光化された半導体レ−ザ５２からのコヒ−レント
光により照射される。この第１の液晶ディスプレイ５５
に表示された入力像は第１の凸レンズ５４、凹レンズ５
６および第２の凸レンズ５７とにより完全にフ−リエ変
換され第２の液晶ディスプレイ５８上に対象物体の光学
的に変換されたフ−リエ変換像が形成される。

【００６１】この時、第２の液晶ディスプレイ５８に
は、光学的フィルタとして特定の参照パタ−ンのフ−リ
エ変換像が、メモリ６１に書き込まれたデ−タが入力信
号となり第２の液晶ディスプレイ５８の各絵素毎に透過
率を空間的に変調することで、フ−リエ変換計算機ホロ
グラムの形で表示される。

【００６２】従って、第１の液晶ディスプレイ５５上に
表示された対象物体の入力像を第１の凸レンズ５４と凹
レンズ５６と第２の凸レンズ５７により光学的に変換し
たフ−リエ変換像と、特定の参照パタ−ンに対して予め
計算されたフ−リエ変換像が第２の液晶ディスプレイ５
８上で重畳される。

【００６３】また、この第２の液晶ディスプレイ５８は
第４のレンズ５９の前側焦点面に配置されているので、
対象物体と特定の参照パタ−ンの２つのフ−リエ変換像
が一致した時、すなわち両者が同一物体の時、第４のレ
ンズ５９の後側焦点面に輝点が発生し、光検出器６０で
検出される。このようにして、第２の液晶ディスプレイ
５８上に表示された計算機ホログラムによる光学的フィ
ルタが、マッチトフィルタとして作用する光情報処理が
実行される。

【００６４】以上のように本実施例によれば、第１の凸
レンズ５４と凹レンズ５６とでテレフォト比ｋのテレフ
ォト系を構成したため、例えばｋ＝０．３と設定すると
第１の液晶ディスプレイ５５、第２の液晶ディスプレイ
５８の間隔はおおよそ０．３ｆとなり、従来例と比較し
て間隔を約１／６とすることができ、光情報処理装置の
大幅な小型化が可能となる。

【００６５】さらに、本実施例では、第１の凸レンズ５
４と第２の凸レンズ５７は、各々、第１の液晶ディスプ
レイ５５および第２の液晶ディスプレイ５８と密着配置
されている。その結果、第１の液晶ディスプレイ５５お
よび第２の液晶ディスプレイ５８の表面が直接、空気に
接する事を防止できる。

【００６６】これにより、第１の液晶ディスプレイ５５
および第２の液晶ディスプレイ５８の表面での光の反射
率を低減できるので、第１の液晶ディスプレイ５５と第
１の凸レンズ５４の表面間、および第２の液晶ディスプ
レイ５８の表面と第２の凸レンズ５７表面間での多重反
射を防止できる。

【００６７】その結果、第１の液晶ディスプレイ５５お
よび第２の液晶ディスプレイ５８の表面に、多重反射に
起因する干渉縞が局在することで不所望な明暗縞が発生
することを防止できる。すなわち、このような不所望な
明暗縞により入力像、あるいは光学的フィルタの透過率
分布が乱されることが無いので、光情報処理装置の認識
精度を向上できる。

【００６８】また、第１の液晶ディスプレイ５５および
第２の液晶ディスプレイ５８の構成は、屈折率の異なる
多層構造である。従って、液晶ディスプレイ内部でも多
重反射が発生する可能性がある。この内部多重反射に対
しても第１の凸レンズ５４と第２の凸レンズ５７の屈折
率あるいは、その表面に蒸着等により成膜した光学薄膜
の屈折率を適宜設定することで反射防止効果を得る事が
できる。これにより、多重反射に起因する干渉縞が局在
し、不所望な明暗が発生することを防止できるので、光
情報処理装置の認識精度を向上できる。

【００６９】なお、本実施例では、一般にオプチカルコ
ンタクトと呼ばれる密着法を用いたが、第１の凸レンズ
５４と第１の液晶ディスプレイ５５、および第２の凸レ
ンズ５７と第２の液晶ディスプレイ５８間を例えば、シ
リコンオイル等の媒質を介して密着させる構造としても
よい。

【００７０】次に本発明の請求項４記載の非球面フ−リ
エ変換レンズの１実施例について図７を用いて説明す
る。図７は本発明の請求項４記載の非球面フ−リエ変換
レンズにおける１実施例の側面図である。図７におい
て、７１はＴＶカメラ、７５はＴＶカメラ７１により撮
像された画像を表示する第１の液晶ディスプレイ、７２
は半導体レ−ザ、７３は半導体レ−ザ７２からの光を平
行光化するコリメ−タレンズ、７４は第１の凸レンズで
あり第１の液晶ディスプレイ７５はこの第１の凸レンズ
７４の前側近傍に配置されている。７６は凹レンズであ
り、７８は第２の液晶ディスプレイであり第１の凸レン
ズ７４と凹レンズ７６の合成焦点面近傍に配置されてい
る。

【００７１】８１は複数の参照パタ−ンに対して第２の
液晶ディスプレイ７８上の各絵素をサンプリング点とし
て予め計算されたフ−リエ変換計算機ホログラムのデ−
タ、すなわち第２の液晶ディスプレイ７８の各絵素毎の
透過率に対応する印加電圧のデ−タを書き込んだメモ
リ、７７は第２の凸レンズであり、その第１面は非球面
で構成されており、この第２の凸レンズ７７と第１の凸
レンズ７４と凹レンズ７６との合成焦点位置に第２の液
晶ディスプレイ７８が配置されている。７９は第４のレ
ンズであり、その前側焦点面に第２の液晶ディスプレイ
７８が配置されている。また、８０は光検出器であり第
４のレンズ７９の後方に配置されている。

【００７２】以上のように構成した光学系において、瞳
の結像と物体の結像の両方を満足するためには第２の凸
レンズ７７の位相変換作用により第１の凸レンズ７４と
凹レンズ７６とで発生する余計な位相項を補正するとと
もに、凹レンズ７６と第２の凸レンズ７７とで第１の液
晶ディスプレイ７５からの回折光を平行光化する機能を
満足する必要がある。この両機能を満足する条件は本発
明の請求項２記載の第２の実施例および請求項３記載の
１実施例と同様に、上記の（５式）から（８式）の関係
式で表される。

【００７３】第１の凸レンズ７４、凹レンズ７６、およ
び第２の凸レンズ７７ならびに第１の液晶ディスプレイ
７５、第２の液晶ディスプレイ７８は上記の（５式）か
ら（８式）の関係式を満足するよう構成配置されてい
る。

【００７４】この４つの式は薄肉近軸光線追跡により得
られたパワ−配置を決定する諸式であり、具体的な各レ
ンズの面曲率、硝材、厚みは、このパワ−配置に基づき
実光線追跡を実行して得られる収差を最適化すること
で、初めて決定できる。

【００７５】さて、本実施例における第２の凸レンズ５
７は瞳の結像と物体の結像、すなわち、系の主光線と系
のマ−ジナル光線という２つの異なる結像を受け持つ。
従って、第２の凸レンズ５７は物体の結像に対しては、
いわゆるザイデル収差と呼ばれる、球面収差、コマ収
差、非点収差、歪曲収差、像面湾曲の５収差を最適化
し、瞳の結像に対しては瞳収差を最適化する必要があ
る。これらの２つの異なる収差補正は、主光線とマ−ジ
ナル光線に各々対応するものである。従って、本実施例
における第２の凸レンズ５７のように非球面レンズとす
ることで、主光線とマ−ジナル光線に対して、各々、最
適な面曲率を設定できる。

【００７６】以上のように構成された本実施例につい
て、以下その動作を説明する。まず、ＴＶカメラ７１に
より対象物体が撮像されると、その画像が第１の液晶デ
ィスプレイ７５上に表示される。この第１の液晶ディス
プレイ７５はコリメ−タレンズ７３により平行光化され
た半導体レ−ザ７２からのコヒ−レント光により照射さ
れる。この第１の液晶ディスプレイ７５に表示された入
力像は第１の凸レンズ７４、凹レンズ７６および第２の
凸レンズ７７とにより完全にフ−リエ変換され第２の液
晶ディスプレイ７８上に対象物体の光学的に変換された
フ−リエ変換像が形成される。

【００７７】この時、第２の液晶ディスプレイ７８に
は、光学的フィルタとして特定の参照パタ−ンのフ−リ
エ変換像が、メモリ８１に書き込まれたデ−タが入力信
号となり第２の液晶ディスプレイ７８の各絵素毎に透過
率を空間的に変調することで、フ−リエ変換計算機ホロ
グラムの形で表示される。

【００７８】従って、第１の液晶ディスプレイ７５上に
表示された対象物体の入力像を第１の凸レンズ７４と凹
レンズ７６と第２の凸レンズ７７により光学的に変換し
たフ−リエ変換像と、特定の参照パタ−ンに対して予め
計算されたフ−リエ変換像が第２の液晶ディスプレイ７
８上で重畳される。

【００７９】また、この第２の液晶ディスプレイ７８は
第４のレンズ７９の前側焦点面に配置されているので、
対象物体と特定の参照パタ−ンの２つのフ−リエ変換像
が一致した時、すなわち両者が同一物体の時、第４のレ
ンズ７９の後側焦点面に輝点が発生し、光検出器８０で
検出される。このようにして、第２の液晶ディスプレイ
７８上に表示された計算機ホログラムによる光学的フィ
ルタが、マッチトフィルタとして作用する光情報処理が
実行される。

【００８０】以上のように本実施例によれば、第１の凸
レンズ７４と凹レンズ７６とでテレフォト比ｋのテレフ
ォト系を構成したため、例えばｋ＝０．３と設定すると
第１の液晶ディスプレイ７５、第２の液晶ディスプレイ
７８の間隔はおおよそ０．３ｆとなり、従来例と比較し
て間隔を約１／６とすることができ、光情報処理装置の
大幅な小型化が可能となる。

【００８１】さらに、第２の凸レンズ７７を非球面レン
ズとする事で物体の結像と瞳の結像に対する収差補正の
最適化が可能となり、良好な結像特性を有するフ−リエ
変換レンズを提供できる。

【００８２】なお、上記の５つの実施例において各レン
ズは単レンズとしたが、これらはダブレットあるいは他
の複数枚のレンズにより構成してもよい。また、上記の
５つの実施例において各空間光変調素子は透過型液晶デ
ィスプレイにより構成したが、反射型液晶ディスプレイ
等他の空間光変調素子を用いてもよい。

【００８３】

【発明の効果】以上のように本発明の請求項１記載の光
情報処理装置は、入力像を表示する第１の空間光変調素
子と、その近傍に配置された凸レンズと、この第１のレ
ンズの後側焦点面近傍に配置された第２の空間光変調素
子と、この第２の空間光変調素子の近傍に配置された第
２のレンズとを備えたことで、第１の空間光変調素子と
第２の空間光変調素子の距離を短縮し、光情報処理装置
の小型化を可能とすることができる。

【００８４】また、本発明の請求項２記載の光情報処理
装置は、入力像を表示する第１の空間光変調素子と、そ
の近傍に配置された第１の凸レンズと、この第１の凸レ
ンズの後方に配置された凹レンズと、前記第１の凸レン
ズと凹レンズの後側合成焦点面近傍に配置された第２の
空間光変調素子と、この第２の空間光変調素子の近傍に
配置された第２の凸レンズとを備えたことにより請求項
１記載の光情報処理装置よりもさらに第１の空間光変調
素子と第２の空間光変調素子の距離を短縮し、光情報処
理装置の小型化を可能とすることができる。

【００８５】また、本発明の請求項３記載の光情報処理
装置は、入力像を表示する第１の空間光変調素子と、そ
の近傍に配置された第１の凸レンズと、この第１の凸レ
ンズの後方に配置された凹レンズと、前記第１の凸レン
ズと凹レンズの後側合成焦点面近傍に配置された第２の
空間光変調素子と、この第２の空間光変調素子の近傍に
配置された第２の凸レンズとを備え、かつ、この第１お
よび第２の凸レンズの片面を平面とし、各々、第１およ
び第２の空間光変調素子と密着配置したことを特徴とす
ることで第１の空間光変調素子と第２の空間光変調素子
の距離を短縮をし、光情報処理装置の小型化を可能とす
ることができる。さらに、空間光変調素子に於ける多重
反射を防止でき、光情報処理装置の特性を向上できる。

【００８６】また、本発明の請求項４記載の非球面フ−
リエ変換レンズは、物体面側から順に第１の凸レンズ、
凹レンズ、第２の凸レンズから構成されかつ、前記第２
の凸レンズの少なくとも１面を非球面で構成したことに
より第１の空間光変調素子と第２の空間光変調素子の距
離を短縮し、光情報処理装置の小型化を可能とするとと
もに、主光線とマ−ジナル光線、すなわち、瞳の結像と
物体の結像に対する収差補正を独立化し、その結像特性
を向上できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の請求項１記載の光情報処理装置の一実
施例装置の構成図

【図２】本発明の請求項２記載の光情報処理装置の第１
の実施例装置の構成図

【図３】図２の実施例装置に於けるレンズ光学系の説明
図

【図４】本発明の請求項２記載の光情報処理装置の第２
の実施例装置の構成図

【図５】図４の実施例装置に於けるレンズ光学系の説明
図

【図６】本発明の請求項３記載の光情報処理装置の一実
施例装置の構成図

【図７】本発明の請求項４記載の非球面フ−リエ変換レ
ンズの一実施例の構成図

【図８】従来の光情報処理装置の構成図

【符号の説明】

１ ＴＶカメラ ２ 半導体レ−ザ ３ コリメ−タレンズ ４ 第１のレンズ ５ 第１の液晶ディスプレイ ６ 第２のレンズ ７ 第２の液晶ディスプレイ ８ 第３のレンズ ９ 光検出器 10 メモリ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】入力像を表示する第１の空間光変調素子
   と、その近傍に配置された凸レンズと、この第１のレン
   ズの後側焦点面近傍に配置された第２の空間光変調素子
   と、この第２の空間光変調素子の近傍に配置された第２
   のレンズとを備えたことを特徴とする光情報処理装置。
2. 【請求項２】入力像を表示する第１の空間光変調素子
   と、その近傍に配置された第１の凸レンズと、この第１
   の凸レンズの後方に配置された凹レンズと、前記第１の
   凸レンズと凹レンズの後側合成焦点面近傍に配置された
   第２の空間光変調素子と、この第２の空間光変調素子の
   近傍に配置された第２の凸レンズとを備えたことを特徴
   とする光情報処理装置。
3. 【請求項３】入力像を表示する第１の空間光変調素子
   と、その近傍に配置された第１の凸レンズと、この第１
   の凸レンズの後方に配置された凹レンズと、前記第１の
   凸レンズと凹レンズの後側合成焦点面近傍に配置された
   第２の空間光変調素子と、この第２の空間光変調素子の
   近傍に配置された第２の凸レンズとを備え、かつ、この
   第１および第２の凸レンズの片面を平面とし、各々、第
   １および第２の空間光変調素子と密着配置したことを特
   徴とする光情報処理装置。
4. 【請求項４】物体面側から順に第１の凸レンズ、凹レン
   ズ、第２の凸レンズから構成されかつ、前記第２の凸レ
   ンズの少なくとも１面を非球面で構成したことを特徴と
   する非球面フ−リエ変換レンズ。