JPH0546062A

JPH0546062A - 計算機ホログラムの作成方法および光学的情報処理装置

Info

Publication number: JPH0546062A
Application number: JP20168691A
Authority: JP
Inventors: Masaya Ito; 正弥伊藤; Kanji Nishii; 完治西井; Koji Fukui; 厚司福井
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1991-08-12
Filing date: 1991-08-12
Publication date: 1993-02-26

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】空間光変調素子の少ない絵素数でも、良好な
光情報処理が行える計算機ホログラムの作成方法を提供
するとともに、この計算機ホログラムを用いて良好な光
情報処理が行える光学的情報処理装置を提供する。【構成】まず、２次元にサンプリングされた入力画像
の情報ｇを作成する。次に、２つ以上の隣接したサンプ
リング点から構成されたｎ個のサンプリング点群を作成
し、少なくとも隣接する１つのサンプリング点群とは位
相が異なるように、サンプリング点群毎に位相を付加す
る。そして、同一サンプリング点群内のサンプリング点
には同一の位相を与えることによって位相情報ｒを作成
する。また、入力画像の情報ｇと位相情報ｒとを掛け合
わせ情報ｇ×ｒを作成する。そして、この情報ｇ×ｒを
ＦＦＴを用いてフーリエ変換して複素振幅情報を作成す
る。最後に、この複素振幅情報を基に計算機ホログラム
を作成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、空間光変調素子に印加
する電圧を制御し、絵素の透過率あるいは反射率を空間
的に変調することで計算機ホログラムを表示し視覚認識
等の光情報処理を実行する計算機ホログラムの作成方法
及び計算機ホログラムを用いた光学的情報処理装置に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の計算機ホログラムの作成方法につ
いて以下説明する。

【０００３】従来の計算機ホログラムの作成は、次の様
にして行なわれている。まず、２次元にサンプリングさ
れた入力画像の情報ｇを作成する（サンプリング点ｎ×
ｍ）。この情報ｇをフーリエ変換して複素振幅情報を作
成する（フーリエ変換の具体的な手法としては、ＦＦ
Ｔ：高速フーリエ変換を用いる。）。そして、この振幅
成分と位相成分からなる複素振幅情報を基にして、計算
機ホログラムを作成する。

【０００４】ここでは、一般にLohmann 型と呼ばれてい
る計算機ホログラムの作成方法について説明する。図８
は、Lohmann 型計算機ホログラムの構成図である。１３
は空間光変調素子１１のＩ×Ｊの複数個（この従来例で
は８×８個）の絵素１２から構成されたセルであり、対
応するサンプリング点での複素振幅値をこのセル１４内
の絵素１２を用いて表わす。１４はセル１３中に設けら
れた開口であり、図８では、開口１４のみが透過率１で
ありセルの他の部分の透過率は０の状態を表わしてい
る。

【０００５】このようなLohmann 型計算機ホログラムに
おける振幅成分は、開口１４の面積で表わすが、一般に
横幅Ｗは一定とするので、実際には高さＡで表わす。ま
た位相成分は開口１４の中心のセル中心からの離心量△
Ｐで表わす。ここで、△Ｐは、計算機ホログラムの位相
成分をΨ（−π＜Ψ＜π）とすると、下式で与えられ
る。

【０００６】△Ｐ＝Ｉ・Ψ／２π （ここで、Ｉはセルの横方向の構成絵素数）正方形を入力画像としてLohmann 型計算機ホログラムを
作成し、空間光変調素子１１に表示すると、図９（ａ）
のようになる。図９（ａ）において、黒色の部分が開口
１４を示している。また、図９（ａ）に示す計算機ホロ
グラムを再生シミュレーションした結果を、図９（ｂ）
に示した。図９（ｂ）において、ドットの大きさは光強
度の大きさを示している。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の計算機ホロ
グラムの作成方法では、絵素の利用効率が悪い。例えば
図９（ａ）では、情報として使用している絵素数（透過
率１の絵素数）は、全体の絵素数の約０．５％であり、
絵素数を有効に利用していない。これは、空間光変調素
子を計算機ホログラムの表示媒体としているため、絵素
数に限定があり、高周波成分を表示できないために生じ
ている。従って、図９（ｂ）の再生シミュレーションか
らわかるように、高周波成分である輪郭部が欠落し、画
像が劣化している。また、非常に多くのノイズが発生し
ている。

【０００８】本発明は上記課題に鑑み、空間光変調素子
の少ない絵素数でも、良好な光情報処理が行える計算機
ホログラムの作成方法を提供するとともに、この計算機
ホログラムを用いて良好な光情報処理が行える光学的情
報処理装置を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の計算機ホログラムの作成方法では、フーリ
エ変換に先立ち、まず入力画像の情報ｇとランダムな位
相情報ｒとを掛け合わせ、しかる後に、この情報ｇ×ｒ
をフーリエ変換して複素振幅情報を作成し、前記複素振
幅情報の振幅成分を空間光変調素子の絵素の透過率ある
いは反射率で表現し、前記複素振幅情報の位相成分を入
射光の透過あるいは反射する前記絵素の位置で表現する
ことで計算機ホログラムを作成することを特徴とするも
のである。

【００１０】あるいは、２次元にサンプリングされた入
力画像の情報ｇを作成し、２つ以上の隣接したサンプリ
ング点から構成されたｎ個のサンプリング点群を作成
し、少なくとも隣接する１つの前記サンプリング点群と
は位相が異なるよう前記サンプリング点群毎に位相を付
加し同一の前記サンプリング点群を構成しているサンプ
リング点には同一の位相を与えることによって位相情報
ｒを作成し、前記入力画像の情報ｇと位相情報ｒとを掛
け合わせ情報ｇ×ｒを作成し、前記情報ｇ×ｒをフーリ
エ変換して複素振幅情報を作成し、前記複素振幅情報の
振幅成分を空間光変調素子の絵素の透過率あるいは反射
率で表現し、前記複素振幅情報の位相成分を入射光の透
過あるいは反射する前記絵素の位置で表現することで計
算機ホログラムを作成することを特徴とするものであ
る。

【００１１】また、本発明の光学的情報処理装置は、２
次元にサンプリングされた入力画像の情報を表示する第
１の空間光変調素子と透過あるいは反射光の位相が位相
情報ｒとなる光学素子の２つの要素からなる入力部と、
前記入力部を照射する光源と、前記入力部の中で前記光
源からの光路長が長いいずれかの構成要素をその前側焦
点面とする第１のレンズと、前記第１のレンズの後側焦
点面に配置され標準画像の情報ｈと位相情報ｒとを掛け
合わせた情報ｈ×ｒをフーリエ変換して得られる複素振
幅情報を基にして計算機ホログラムの形で表示する第２
の空間光変調素子と、前記第２の空間光変調素子をその
前側焦点面とする第２のレンズと、前記第１のレンズの
後側焦点面に配置された光検出器とを具備するものであ
る。

【００１２】

【作用】上記の方法によれば、複素振幅情報の強度分布
が平坦化されるので、その結果、空間光変調素子の絵素
を有効に使うことができ、再生像の画質を著しく向上す
ることができ、良好な光情報処理を行なうことができ
る。

【００１３】

【実施例】

（第１実施例）第１の発明の計算機ホログラムの作成方
法の第１の実施例について図１〜図４を用いて説明す
る。

【００１４】図１は本実施例の計算機ホログラムの作成
方法の一実施例における、ホログラムの作成方法の流れ
を示す流れ図（フローチャート）である。図１に示す如
く、まず、２次元にサンプリングされた入力画像の情報
ｇを作成する（サンプリング点ｎ×ｍ）。次に、各サン
プリング点に対してランダムな位相を与えることによっ
て位相情報ｒを作成する。また、入力画像の情報ｇとラ
ンダムな位相情報ｒとを掛け合わせ情報ｇ×ｒを作成す
る。そして、この情報ｇ×ｒをフーリエ変換して複素振
幅情報を作成する（フーリエ変換の具体的な手法として
は、ＦＦＴ：高速フーリエ変換を用いる。）。最後に、
この複素振幅情報を基にして、計算機ホログラムを作成
する。

【００１５】本実施例では、ホログラムには、従来例と
同様にLohmann型を用いており、正方形を入力画像の情
報ｇとして、上述の方法により計算機ホログラムを作成
し、空間光変調素子に表示すると図２（ａ）のようにな
る。図２（ａ）において、黒色の部分が開口を示してい
る。また、図２（ａ）に示した計算機ホログラムを再生
シミュレーションした結果を図２（ｂ）に示した。図２
（ｂ）において、ドットの大きさは光強度の大きさを示
している。

【００１６】以上のようにこの実施例によれば、入力画
像の情報ｇにランダムな位相情報ｒを付加することによ
って、複素振幅情報の強度分布が平坦化され、図２
（ａ）に示すように絵素を有効に使うことができ、光の
利用効率が高い。図２（ｂ）に示した１次再生像の強度
は、従来例に示した１次再生像の強度の５０倍である。
また、図２（ｂ）に示すように、１次再生像の画質を従
来例と比べて、向上することができるとともに、ノイズ
を著しく減少することができる。

【００１７】なお、この実施例では、Lohmann 型計算機
ホログラムを用いたが、Lee 型計算機ホログラム等の他
の計算機ホログラムを用いても良いことは言うまでもな
い。

【００１８】（第２実施例）以上に示した実施例では、
図２（ｂ）からわかるように、１次再生像の中に光強度
の低い部分（ノイズ）がランダムに発生している。この
ノイズが発生する原因は、各サンプリング点に対してラ
ンダムな位相を付加しているため、複素振幅情報を作成
するＦＦＴの段階で公知のごとくエリアジングが生じる
ためである。

【００１９】この点を解決し、良好な光情報処理を行な
うことのできる本発明の第２の実施例について説明す
る。

【００２０】図３は、本実施例の計算機ホログラムの作
成方法の第２の実施例を示すフローチャートである。ま
ず、２次元にサンプリングされた入力画像の情報ｇを作
成する（サンプリング点ｎ×ｍ）。次に、エリアジング
の発生を防ぐために、２つ以上の隣接したサンプリング
点から構成された複数個のサンプリング点群を作成し、
少なくとも隣接する１つのサンプリング点群とは位相が
異なるように、サンプリング点群毎に位相を付加する。
そして、同一のサンプリング点群を構成しているサンプ
リング点には同一の位相を与えることによって位相情報
ｒを作成する。この実施例では、４×４のサンプリング
点によって複数個のサンプリング群を作成し、各サンプ
リング群に対してランダムな位相を与えることとする。
また、入力画像の情報ｇとランダムな位相情報ｒとを掛
け合わせ情報ｇ×ｒを作成する。そして、この情報ｇ×
ｒをＦＦＴを用いてフーリエ変換して複素振幅情報を作
成する。最後に、この複素振幅情報を基にして、計算機
ホログラムを作成する。

【００２１】本実施例のホログラム作成方法において、
従来例と同様にLohmann 型計算機ホログラムを用い、正
方形を入力画像の情報ｇとして、計算機ホログラムを作
成し、液晶空間光変調素子１に表示すると図４（ａ）の
ようになる。図４（ａ）において、黒色の部分が開口を
示している。また、図４（ａ）に示した計算機ホログラ
ムを再生シミュレーションした結果を図４（ｂ）に示し
た。図４（ｂ）において、ドットの大きさは光強度の大
きさを示している。

【００２２】以上のようにこの実施例によれば、入力画
像の情報ｇにランダムな位相情報ｒを付加することによ
って、複素振幅情報の強度分布が平坦化され、図４
（ａ）に示すように絵素を有効に使うことができ、光の
利用効率が高い。（図４（ｂ）に示した１次再生像の光
強度は、従来例に示した１次再生像の光強度の１０倍で
ある。）また、本実施例では、空間周波数的に帯域制限
がされているために、図４（ｂ）に示すように、エリア
ジングによるノイズの影響を除去することができ、１次
再生像の画質、特に振幅のばらつきを第１の実施例と比
べて、著しく向上することができる。従って、良好な光
情報処理を実現できる。

【００２３】なお、この実施例では、Lohmann 型計算機
ホログラムを用いたが、Lee 型計算機ホログラム等の他
の計算機ホログラムを用いても良いことは言うまでもな
い。

【００２４】また、以上述べた２つの実施例では、ラン
ダムな位相を用いたが、佐藤勳、電子情報通信学会論文
誌ＣVol.J71-C,No3,pp417-424 記載の疑似ランダム位相
等を用いても良いことは言うまでもない。

【００２５】（第３実施例）図５は、本発明の一実施例
における光学的情報処理装置の構成図である。図５にお
いて、１はＴＶカメラ、２はＴＶ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、３は半導
体レーザ、４は半導体レーザ３からの光を平行光化する
コリーメータレンズ、５は第１の液晶ディスプレイ２に
隣接して置かれ、反射光の位相が位相情報ｒとなる光学
素子である（位相情報ｒの作成方法は、上記第２実施例
に記載の方法を用いる。）。この光学素子５は、例えば
ガラス基板上に位相情報ｒと等価な膜厚の透明膜を塗布
することにより作成する。

【００２６】６は第１のレンズであり、第１の液晶ディ
スプレイ２はこの第１のレンズ６の前側焦点面に配置さ
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６の後側焦点面に配置されている。８は第２の液
晶ディスプレイ７上の各絵素をサンプリング点として予
め計算された計算機ホログラムのデータ、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
加電圧データを書き込んだメモリである。

【００２７】９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７が配置されている。１０は
第２のレンズ９の後側焦点面に配置された光検出器であ
る。

【００２８】以上のように構成されたこの実施例の光学
的情報処理装置において、以下その動作を説明する。

【００２９】まず、ＴＶ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２上に表
示される。光学素子５と第１の液晶ディスプレイ２は、
コリメータレンズ４により平行光化された半導体レーザ
３からのコヒーレント光により照射される。従って、位
相情報ｒと第１の液晶ディスプレイ２上に表示された対
象物体の入力画像の情報ｇとが、第１の液晶ディスプレ
イ２上で重畳されて光学的に掛け合わされ、情報ｇ×ｒ
となる。

【００３０】また、この第１の液晶ディスプレイ２は、
第１のレンズ６の前側焦点面に配置されているので、第
１のレンズ６の後側焦点面すなわち第２の液晶ディスプ
レイ７上に、第１のレンズ６により光学的にフーリエ変
換されたフーリエ変換像Ｇ（＝ＦＴ（ｇ×ｒ）：ここ
で、ＦＴはフーリエ変換を示す）が形成される。

【００３１】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標準画像の情報ｈと位相情
報ｒとを掛け合わせた情報ｈ×ｒをフーリエ変換して得
られるフーリエ変換像Ｈ｛＝ＦＴ（ｇ×ｒ）｝が、メモ
リ８に書き込まれたデータ入力信号となり、情報が第２
の液晶ディスプレイ７の各絵素毎の透過率を空間的に変
調することで、計算機ホログラムの形で表示される（計
算機ホログラムの作成方法は上記第２実施例による方法
を用いる）。

【００３２】従って、位相情報ｒと対象物体の入力画像
の情報ｇとが掛け合わされた情報ｇ×ｒをフーリエ変換
して得られるフーリエ変換像Ｇと、特定の標準画像の情
報ｈと位相情報ｒとを掛け合わせた情報ｈ×ｒをフーリ
エ変換して得られるフーリエ変換像Ｈが第２の液晶ディ
スプレイ７上で重畳される。

【００３３】また、この第２の液晶ディスプレイ７は、
第２のレンズ９の前側焦点面に配置されているので、情
報Ｇと情報Ｈとを光学的に掛け合わせた情報Ｇ×Ｈが第
２のレンズ９によりフーリエ変換されると、光学的パタ
ーンマッチングとして知られているように、もし、対象
物体と標準画像、すなわち、両者が同一物体の時、第２
のレンズ９の後側焦点面に輝点が発生し、光検出器１０
で検出される。この輝点を検出することで、対象物体の
標準画像に対する識別が可能となる。

【００３４】しかし、上記第１実施例記載の位相情報ｒ
を用いると、計算機ホログラムを作成するＦＦＴの段階
でエリアジングが生じるため、入力画像と標準画像が同
一であっても、フーリエ変換像ＧとＨが同一とならな
い。従って、第２のレンズ９の後側焦点面に輝点が発生
せず、正確な認識が行えない。よって、本実施例では、
ＦＦＴの段階でエリアジングが発生しない上記第２実施
例に記載の位相情報ｒを用いることにする。

【００３５】図６（ａ）は、入力画像ｇを文字Ｆ、標準
画像ｈを文字Ｆとし、本実施例の光学的情報処理装置に
より処理した場合の光学的パターンマッチングシミュレ
ーション結果を示している。図６（ｂ）は、入力画像ｇ
を文字Ａ、標準画像ｈを文字Ｆとし、本実施例の光学的
情報処理装置により処理した場合の光学的パターンマッ
チングシミュレーション結果を示している。

【００３６】また、図７（ａ）は、入力画像ｇを文字
Ｆ、標準画像ｈを文字Ｆとし、従来の光学的情報処理装
置により処理した場合の光学的パターンマッチングシミ
ュレーション結果を示している（従来の光学的パターン
マッチングとは、本実施例の位相情報ｒを含まないもの
を示す）。図７（ｂ）は、入力画像ｇを文字Ａ、標準画
像ｈを文字Ｆとし、従来の光学的情報処理装置により処
理した場合の光学的パターンマッチングシミュレーショ
ン結果を示している。ただし、図６（ｂ）および図７
（ｂ）の輝度信号は、各々、図６（ａ）および図７
（ａ）の輝度信号により正規化を行なった。

【００３７】図６（ａ）と図７（ａ）の比較、および、
図６（ｂ）と図７（ｂ）の比較からわかるように、本実
施例による光学的情報処理装置を用いる方が、相互相関
演算の輝度信号がＳ／Ｎ的に向上する。

【００３８】以上のようにこの実施例によれば、位相情
報ｒを付加するとともに、エリアジングの影響を除去す
ることにより、相互相関演算の輝度信号がＳ／Ｎ的に向
上し、精度良い光学的パターンマッチングすなわち視覚
認識が行える。

【００３９】

【発明の効果】以上のように本発明は、２次元にサンプ
リングされた入力画像の情報ｇを作成し、２つ以上の隣
接したサンプリング点から構成されたｎ個のサンプリン
グ点群を作成し、少なくとも隣接する１つの前記サンプ
リング点群とは位相が異なるよう前記サンプリング点群
毎に位相を付加し同一の前記サンプリング点群を構成し
ているサンプリング点には同一の位相を与えることによ
って位相情報ｒを作成し、前記入力画像の情報ｇと位相
情報ｒとを掛け合わせ情報ｇ×ｒを作成し、前記情報ｇ
×ｒをフーリエ変換して複素振幅情報を作成し、前記複
素振幅情報を基に計算機ホログラムを作成することによ
り、複素振幅情報の強度分布が平坦化され、空間光変調
素子の絵素を有効に使うことができる。また、エリアジ
ングによるノイズの影響を除去することができるため、
再生像の画質を著しく向上することができ、良好な光情
報処理を行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の計算機ホログラム作成方法の第１の実
施例における流れ図

【図２】（ａ）は、同実施例における正方形形状の計算
機ホログラムを示す図（ｂ）は、同実施例における正方形形状の計算機ホログ
ラムの再生シミュレーションによる再生図

【図３】本発明の計算機ホログラム作成方法の第２の実
施例における流れ図

【図４】（ａ）は、同実施例における正方形形状の計算
機ホログラム。（ｂ）は、同実施例における正方形形状の計算機ホログ
ラムの再生シミュレーションによる再生図

【図５】本発明の光学的情報処理装置の実施例を示す構
成図

【図６】（ａ）は、同実施例装置における文字Ｆと文字
Ｆの光学的パターンマッチングシミュレーション結果図（ｂ）は、同実施例装置における文字Ｆと文字Ａの光学
的パターンマッチングシミュレーション結果図

【図７】（ａ）は、従来の光学的パターンマッチングに
おける文字Ｆと文字Ｆの光学的パターンマッチングシミ
ュレーション結果図（ｂ）は、従来の光学的パターンマッチングにおける文
字Ｆと文字Ａの光学的パターンマッチングシミュレーシ
ョン結果図

【図８】Lohmann 型計算機ホログラムの構成図

【図９】（ａ）は、従来例における正方形の計算機ホロ
グラムを示す図（ｂ）は、従来例における正方形の計算機ホログラム再
生シミュレーション結果図

【符号の説明】

１ＴＶカメラ２第１の液晶ディスプレイ３半導体レーザ４コリメータレンズ５光学素子６第１のレンズ７第２の液晶ディスプレイ８メモリ９第２のレンズ 10 光検出器 11 空間光変調素子 12 絵素 13 セル 14 開口部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】入力画像の情報ｇと不均一な位相情報ｒと
を掛け合わせた情報ｇ×ｒをフーリエ変換して複素振幅
情報を作成し、前記複素振幅情報の振幅成分を空間光変
調素子の絵素の透過率あるいは反射率で表現し、前記複
素振幅情報の位相成分を入射光の透過あるいは反射する
前記絵素の位置で表現することで計算機ホログラムを作
成することを特徴とする計算機ホログラムの作成方法。
【請求項２】２次元にサンプリングされた入力画像の情
報ｇを作成し、２つ以上の隣接したサンプリング点から
構成されたｎ個のサンプリング点群を作成し、少なくと
も隣接する１つの前記サンプリング点群とは位相が異な
るよう前記サンプリング点群毎に位相を付加し同一の前
記サンプリング点群を構成しているサンプリング点には
同一の位相を与えることによって位相情報ｒを作成し、
前記入力画像の情報ｇと位相情報ｒとを掛け合わせ情報
ｇ×ｒを作成し、前記情報ｇ×ｒをフーリエ変換して複
素振幅情報を作成し、前記複素振幅情報の振幅成分を空
間光変調素子の絵素の透過率あるいは反射率で表現し、
前記複素振幅情報の位相成分を入射光の透過あるいは反
射する前記絵素の位置で表現することで計算機ホログラ
ムを作成することを特徴とする計算機ホログラムの作成
方法。
【請求項３】２次元にサンプリングされた入力画像の情
報を表示する第１の空間光変調素子と透過あるいは反射
光の位相が位相情報ｒとなる光学素子の２つの要素から
なる入力部と、前記入力部を照射する光源と、前記入力
部の中で前記光源からの光路長がより長い構成要素をそ
の前側焦点面とする第１のレンズと、前記第１のレンズ
の後側焦点面に配置され標準画像の情報ｈと位相情報ｒ
とを掛け合わせた情報ｈ×ｒをフーリエ変換して得られ
る複素振幅情報を基にして計算機ホログラムの形で表示
する第２の空間光変調素子と、前記第２の空間光変調素
子をその前側焦点面とする第２のレンズと、前記第１の
レンズの後側焦点面に配置された光検出器とを備えたこ
とを特徴とする光学的情報処理装置。
【請求項４】請求項３記載の第１の空間光変調素子およ
び第２の空間光変調素子を、液晶ディスプレイで構成し
たことを特徴とする光学的情報処理装置。
【請求項５】請求項３記載の位相情報ｒを、２つ以上の
隣接したサンプリング点から構成されたｎ個のサンプリ
ング点群を作成し、少なくとも隣接する１つの前記サン
プリング点群とは位相が異なるよう前記サンプリング点
群毎に位相を付加し同一の前記サンプリング点群を構成
しているサンプリング点には同一の位相を与えることに
よって作成することを特徴とする光学的情報処理装置。