JPH0651361A - 光相関演算処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】複数の認識対象画像についてその演算効率を一
定とすることにより、相関の有無を精度よく判別するこ
とのできる光相関演算処理装置を提供することである。 【構成】フーリエ変換光学系および４光波混合による位
相共役光を用いて二次元相関演算を行なうようにした光
相関演算処理装置において、コヒーレント光が入射され
る空間変調器１４内の指示画像ｇ_a を後段のフーリエ変
換レンズの光軸上に配置し、且つこのフーリエ変換レン
ズの光軸を中心とした半径Ｒの同心円上に複数の認識対
象画像ｇ_b ，ｇ_c ，ｇ_d ，ｇ_e をそれぞれ配置するよう
にしたものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光情報処理の分野にお
いて利用される光相関演算処理装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図３は、従来における４光波混合による
位相共役を利用した光相関演算処理装置の概略構成を示
す図である。同図において、光源１から発せられたコヒ
ーレントな光束Ｅ₀ は、ビームスプリッタ２ａおよび２
ｂにおいて各々２方向に分離された後、それぞれビーム
エクスパンダ３ａ，３ｂおよび３ｃに入射され、ここで
適当な大きさの光束に変換されて三つの平面波Ｅ₁ ，Ｅ
₂ およびＥ₃ とされる。このうち平面波Ｅ₁ およびＥ₂
は、図示のごとくミラー４ａにより互いが平行光束とさ
れ、この状態でミラー４ｂにより方向を変えられたの
ち、空間変調器５を通過してフーリエ変換レンズ６へ入
射される。

【０００３】空間変調器５は複数の画素（Ｍ×Ｎ）を有
しており、例えば図４に示すごとく一つの指示画像ｇ₁
と、複数の認識対象画像ｇ₂₁，ｇ₂₂，ｇ₂₃，ｇ₂₄とが各
々書込まれている。上記平面波Ｅ₁ は、指示画像ｇ₁ を
透過してコヒーレント画像ｇ₁ ′に変換され、このコヒ
ーレント画像ｇ₁ ′が上記フーリエ変換レンズ６でフー
リエ変換されてＧ₁ となり、フォトリフラクティブ結晶
７へ入射される。また平面波Ｅ₂ は上記認識対象画像ｇ
₂₁〜ｇ₂₄を透過してコヒーレント画像ｇ₂₁′〜ｇ₂₄′に
変換され、更にこのコヒーレント画像ｇ₂₁′〜ｇ₂₄′が
上記フーリエ変換レンズ６でフーリエ変換されてＧ₂₁，
Ｇ₂₂，Ｇ₂₃，Ｇ₂₄となり、これらがフォトリフラクティ
ブ結晶７へ所定の入射角度で入射される。この時、指示
画像ｇ₁の中心位置から認識対象画像ｇ₂₁〜ｇ₂₄の各中
心位置までの距離をそれぞれｒ₁，ｒ₂ ，ｒ₃ ，ｒ₄ と
すると、これらの認識対象画像ｇ₂₁〜ｇ₂₄を通過したコ
ヒーレント画像ｇ₂₁〜ｇ₂₄がフーリエ変換レンズ６を介
してフォトリフラクティブ結晶７に入射する際の交差角
度θ₁ 〜θ₄ は、θ_n ＝ｒ_n ／ｆ（ｎ＝１〜４）とな
り、認識対象画像ごとに異なった入射角度を持つ。なお
ｆは空間変調器５とフーリエ変換レンズ６との間、およ
びフーリエ変換レンズ６とフォトリフラクティブ結晶７
との間の距離であり、フーリエ変換レンズ６の焦点距離
に等しい。

【０００４】ここでフォトリフラクティブ（photorefra
ctive ；光誘起屈折率）結晶とは、フォトリフラクティ
ブ効果（光の照射により物質内部に電荷の不均一な分布
が生じ、屈折率が変化する現象）を有する結晶のことで
あり、この現象を利用するとホログラムの記録・再生を
実時間に行なうことができ、これによって画像の相関演
算を実時間で実行することが可能となる。

【０００５】一方、平面波Ｅ₃ はミラー４ｃによりその
方向を変えられて、上記平面波Ｅ₁と対向するようにフ
ォトリフラクティブ結晶７へ入射される。Ｅ₃ は平面波
であるので、振幅分布および位相分布はなくＥ₃ ＝１と
みなすことができる。すなわち、コヒーレントな光波Ｅ
（ｘ，ｙ）の空間伝搬は光波の振幅をＡ（ｘ，ｙ）、位
相をφ（ｘ，ｙ）で表わすと、 Ｅ（ｘ，ｙ）＝Ａ（ｘ，ｙ）・ｅｘｐφ（ｘ，ｙ） となる。平面波では振幅はどの位置でも一定の値をとる
ためＡ（ｘ，ｙ）＝ｋ（ｋは定数）であり、また位相も
一定の値φ（ｘ，ｙ）＝Ｐである。したがって、 Ｅ（ｘ，ｙ）＝ｋ・ｅｘｐ（Ｐ）＝ｋ₂ となる。ｋ₂ は定数であり、正規化することにより１と
なる。以上により平面波ではＥ＝１となる。

【０００６】さて、以上のようなコヒーレント画像およ
び平面波Ｅ₃ が入射されたフォトリフラクティブ結晶に
おいては、 Ｇ_out ＝Ｇ₁ （Ｇ₂₁＋Ｇ₂₂＋Ｇ₂₃＋Ｇ₂₄）・１ なる演算がなされ、上記コヒーレント画像Ｇ₂₁〜Ｇ₂₄の
複素共役に比例する位相共役光Ｇ_out が生成される。そ
して、この位相共役光Ｇ_out はフーリエ変換レンズ６で
逆フーリエ変換され、指示画像ｇ₁ と認識対象画像ｇ₂₁
〜ｇ₂₄とが一致した場合に相関のピーク値がスクリーン
８に現れる。このように４光波混合による位相共役光の
発生過程を利用した光相関演算装置では、相関ピーク値
の有無により、実時間処理で画像の一致性の判別を行な
うことができる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、このような
フーリエ変換光学系およびフォトリフラクティブ結晶を
用いた光相関演算装置においては、指示画像ｇ₁ を通過
した光と、認識対象画像ｇ₂₁〜ｇ₂₄を通過した光との交
差角度θ_n に応じて相関演算効率が変化することが知ら
れている。これは、指示画像ｇ₁ と、認識対象画像ｇ₂₁
〜ｇ₂₄との相対距離ｒ_n が異なると、相関演算効率も異
なることを示している。図５は、光相関演算装置におけ
る交差角度θに対する相関演算効率ηの変化の様子を示
した図である。図示のごとく、ある特定の最適交差角度
θ_max において相関演算効率ηが最大（η_max ）となる
特性があり、この場合には相関演算のピーク値も最大と
なる。

【０００８】一方前述した光相関演算装置では、空間変
調器５内の複数の認識対象画像ｇ₂₁〜ｇ₂₄は、それぞれ
指示画像ｇ₁ との相対距離が互いに異なる任意の位置に
設けられている。このため各々の認識対象画像ｇ₂₁〜ｇ
₂₄についてその演算効率は同一ではなく、この場合には
仮に等しい画像であっても相関演算のピーク値は異なっ
てくる。したがって図６に示すごとく、相関ピーク値が
所定のしきい値を越えたか否かにより相関の有無を判別
する場合には、認識対象画像の配置によっては相関の有
無を精度よく判別できないことがあった。

【０００９】本発明は上記事情を考慮してなされたもの
であり、その目的とするところは、複数の認識対象画像
の演算効率を一定とすることにより、相関の有無を精度
よく判別することのできる光相関演算処理装置を提供す
ることにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明は、光源と、この光源から発せられるコヒーレン
ト光の透過位置に設けられ、上記コヒーレント光を空間
変調して所定のコヒーレント画像に変換するための指示
画像および少なくとも一つの認識対象画像が表示された
空間光変調器と、この空間光変調器からのコヒーレント
画像を光学的にフーリエ変換するためのフーリエ変換レ
ンズと、このフーリエ変換レンズから入射されるコヒー
レント画像の光相関演算を行なうとともに、上記指示画
像を透過したコヒーレント画像と対向するように上記光
源から入射されるコヒーレント光を受光して、上記認識
対象画像を透過したコヒーレント画像に対する位相共役
光を発生するフォトリフラクティブ結晶と、このフォト
リフラクティブ結晶から発せられる位相共役光を検出す
るための光検出器とを備えた光相関演算処理装置におい
て、上記空間光変調器は、上記フーリエ変換レンズの光
軸上に上記指示画像を配置し、且つ上記フーリエ変換レ
ンズの光軸を中心とした所定半径の同心円上に上記認識
対象画像を配置するようにした。

【００１１】

【作用】上記手段を講じた結果、次のような作用が生じ
る。すなわち、空間光変調器内の指示画像をフーリエ変
換レンズの光軸上に配置し、且つこのフーリエ変換レン
ズのの光軸を中心とした所定半径の同心円上に認識対象
画像を配置するようにしたことにより、認識対象画像が
複数ある場合でも各認識対象画像と指示画像との相対距
離は一定となり、このためフォトリフラクティブ結晶に
入射する際の交差角度も一定となって同一の演算効率を
得ることができる。したがって、複数の認識対象画像に
ついてその相関を求める場合でも、従来のような認識対
象画像の配置による相関ピーク値のばらつきはなくなっ
て相関の有無を精度よく判別することが可能となる。

【００１２】

【実施例】図１は、本発明の一実施例に係わる４光波混
合による位相共役光の発生を利用した光相関演算処理装
置の概略構成を示す図である。同図において、光源１０
から発せられたコヒーレントな光束Ｅ_a は、まずビーム
スプリッタ１１ａにおいて２方向に分離された後、その
うちの一方がミラー１２ａを介してビームエクスパンダ
１３ａに入射され、ここで適当な大きさの光束に変換さ
れて平面波Ｅ_b となり、空間変調器１４へ入射される。

【００１３】一方上記ビームスプリッタ１１ａにおいて
分離された他の光束は、ミラー１２ｂおよび１２ｃによ
り上記平面波Ｅ_b と対向するように方向を換えられてビ
ームエクスパンダ１３ｂに入射され、ここで適当な大き
さの光束に変換されて平面波Ｅ_c となり、フォトリフラ
クティブ結晶１６へ入射される。この平面波Ｅ_c は、フ
ォトリフラクティブ結晶１６における位相共役光の生成
に用いられる。１５は入射光を光学的にフーリエ変換す
るためのフーリエ変換レンズであり、空間変調器１４と
フーリエ変換レンズ１５との間、およびフーリエ変換レ
ンズ１５とフォトリフラクティブ結晶１６との間の距離
はそれぞれ上記フーリエ変換レンズ１５の焦点距離ｆ′
となっている。またフーリエ変換レンズ１５の中心軸
は、上記平面波Ｅ_b およびＥ_c の光軸と一致している。

【００１４】図２は、複数の画素を有する上記空間変調
器１４を示しており、この空間変調器１４には指示画像
ｇ_a と、この指示画像ｇ_a の中心位置から半径Ｒの同心
円上に配置される複数の認識対象画像ｇ_b ，ｇ_c ，
ｇ_d ，ｇ_e とが書込まれている。

【００１５】１８は制御装置であり、上記空間変調器１
４への指示画像および認識対象画像の書込み制御を行な
う機能を有している。すなわち制御装置１８は、上記空
間変調器１４の複数の画素に対応した画像メモリ（不図
示）を持っており、この画像メモリを書換えることで空
間変調器１４の表示を書換えることができる。空間変調
器１４上の光軸の通過する位置は決まっているので、指
示画像ｇ_a の中心位置を計算により求め、この中心位置
を光軸通過位置に一致させるように画像メモリを書換え
ることにより指示画像ｇ_a を空間変調器１４上に配置す
る。また上述のごとく空間変調器１４上の光軸の通過す
る位置は決まっているので、これより半径Ｒの位置も決
まっている。したがって認識対象画像ｇ_b ，ｇ_c ，
ｇ_d ，ｇ_e の各中心位置を計算により決定し、これらの
中心位置が光軸を中心とした半径Ｒの同心円上に位置す
るように画像メモリを書換えることにより各認識対象画
像を空間変調器１４上に配置する。なお半径Ｒは交差角
度θに比例し、本実施例ではこの半径Ｒを相関演算効率
ηが最大となる最適交差角度θ_max となるような値に設
定している。このθ_max は光相関演算装置にそれぞれ固
有の値として存在し、半径Ｒはθ_max ＝Ｒ／ｆ′の関係
から計算により求めることができる。

【００１６】さて上記平面波Ｅ_b は、上述のごとく配置
された指示画像ｇ_a および認識対象画像ｇ_b ，ｇ_c ，ｇ
_d ，ｇ_e をそれぞれ透過してコヒーレント画像ｇ_a ′お
よびｇ_b ′〜ｇ_e ′に変換され、更にこれらのコヒーレ
ント画像が上記フーリエ変換レンズ１５でフーリエ変換
されてＧ_a およびＧ_b ，Ｇ_c ，Ｇ_d ，Ｇ_e となり、この
状態でフォトリフラクティブ結晶１６へ入射される。以
上のようなコヒーレント画像および平面波Ｅ_c が入射さ
れたフォトリフラクティブ結晶においては、Ｅ_c ＝１と
して、 Ｇ′_out ＝Ｇ_a （Ｇ_b ＋Ｇ_c ＋Ｇ_d ＋Ｇ_e ）・１ なる演算がなされ、上記コヒーレント画像Ｇ_b 〜Ｇ_e の
複素共役に比例する位相共役光Ｇ′_out が生成される。
そして、この位相共役光Ｇ′_out はフーリエ変換レンズ
１５で逆フーリエ変換されて光検出器１７で検出され
る。そして、指示画像ｇ_a と認識対象画像ｇ_b 〜ｇ_e と
が一致した場合に相関のピーク値が現れる。このとき、
コヒーレント画像Ｇ_a と、コヒーレント画像Ｇ_b ，
Ｇ_c ，Ｇ_d ，Ｇ_eとの各交差角度θは一定となってお
り、更にその交差角度θは最適交差角度θ_max となって
いる。したがって、フォトリフラクティブ結晶１６にお
ける相関演算の演算効率は全ての認識対象画像ｇ_b 〜ｇ
_e について一定となり、且つ最大効率η_max で行なわれ
ることになる。この結果、複数の認識対象画像の各々異
なる配置による相関ピーク値のばらつきはなくなるとと
もに、相関結果は常に最大ピークとなって出力されるこ
とになり、これにより例えば相関ピーク値が所定のしき
い値を越えたか否かにより相関の有無を判別する場合で
も、相関の有無を精度よく判別することが可能となる。

【００１７】このように本実施例であれば、制御装置１
８の制御により、空間変調器１４の指示画像ｇ_a をフー
リエ変換レンズ１５の光軸上に配置し、且つこのフーリ
エ変換レンズ１５の光軸を中心とした半径Ｒの同心円上
に複数の認識対象画像ｇ_b ，ｇ_c ，ｇ_d ，ｇ_e を配置し
たことにより、各認識対象画像と指示画像との相対距離
はどれも一定となり、これによりフォトリフラクティブ
結晶１６に入射するコヒーレント画像Ｇ_a とコヒーレン
ト画像Ｇ_b ，Ｇ_c ，Ｇ_d ，Ｇ_e との各交差角度θも一定
となって同一の演算効率を得ることができる。したがっ
て、複数の認識対象画像ｇ_b ，ｇ_c ，ｇ_d ，ｇ_e につい
てその相関を求める場合でも、従来のような認識対象画
像の配置による相関ピーク値のばらつきをなくすことが
可能となる。また、指示画像ｇ_a と各認識対象画像
ｇ_b ，ｇ_c ，ｇ_d ，ｇ_e との距離、すなわち上記フーリ
エ変換レンズ１５の光軸を中心とした同心円の半径Ｒを
相関演算効率ηが最大となる最適交差角度θ_max になる
ような値に設定しているため、相関結果は常に最大ピー
クとなって出力されることになる。以上のことから、例
えば相関ピーク値が所定のしきい値を越えたか否かによ
り相関の有無を判別する場合でも、相関の有無を精度よ
く判別することが可能となる。

【００１８】なお本発明は上記実施例に限定されるもの
ではない。例えば上記実施例では、指示画像ｇ_a および
認識対象画像ｇ_b 〜ｇ_e の空間変調器１４上における配
置位置を制御装置１８による計算により決定し、空間変
調器１４に表示させるようにしたが、予め固定的に指示
画像および認識対象画像を空間変調器１４上に配置させ
るようにしてもよい。また、外部制御により指示画像お
よび認識対象画像を実時間に切替えられるようにした
り、又しきい値の設定を自由に替えられるように構成す
ることも可能である。その他、本発明の要旨を逸脱しな
い範囲で種々変形して実施できる。

【００１９】

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、空
間光変調器内の指示画像をフーリエ変換レンズの光軸上
に配置し、且つこのフーリエ変換レンズの光軸を中心と
した所定半径の同心円上に認識対象画像を配置するよう
にしたので、複数の認識対象画像についてその演算効率
を一定とすることができ、これにより相関の有無を精度
よく判別することのできる光相関演算処理装置を提供で
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係わる４光波混合による位
相共役を利用した光相関演算処理装置の概略構成を示す
図。

【図２】空間変調器内の指示画像および認識対象画像の
配置を示す図。

【図３】従来例に係わる４光波混合による位相共役を利
用した光相関演算処理装置の概略構成を示す図。

【図４】空間変調器内の指示画像および認識対象画像を
示す図。

【図５】交差角度に対する相関演算効率の変化の様子を
示す図。

【図６】形状判別しきい値を示す図。

【符号の説明】

１０…光源、１１ａ…ビームスプリッタ、１２ａ，１２
ｂ，１２ｃ…ミラー、１３ａ，１３ｂ…ビームエクスパ
ンダ、１４…空間変調器、１５…フーリエ変換レンズ、
１６…フォトリフラクティブ結晶、１７…光検出器、１
８…制御装置。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光源と、この光源から発せられるコヒー
   レント光の透過位置に設けられ、前記コヒーレント光を
   空間変調して所定のコヒーレント画像に変換するための
   指示画像および少なくとも一つの認識対象画像が表示さ
   れた空間光変調器と、この空間光変調器からのコヒーレ
   ント画像を光学的にフーリエ変換するためのフーリエ変
   換レンズと、このフーリエ変換レンズから入射されるコ
   ヒーレント画像の光相関演算を行なうとともに、前記指
   示画像を透過したコヒーレント画像と対向するように前
   記光源から入射されるコヒーレント光を受光して、前記
   認識対象画像を透過したコヒーレント画像に対する位相
   共役光を発生するフォトリフラクティブ結晶と、このフ
   ォトリフラクティブ結晶から発せられる位相共役光を検
   出するための光検出器とを備えた光相関演算処理装置に
   おいて、 前記空間光変調器は、前記フーリエ変換レンズの光軸上
   に前記指示画像を配置し、且つ上記フーリエ変換レンズ
   の光軸を中心とした所定半径の同心円上に前記認識対象
   画像を配置することを特徴とする光相関演算処理装置。