JPH04354076A - Optical pattern recognition element - Google Patents
Optical pattern recognition elementInfo
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- JPH04354076A JPH04354076A JP3129355A JP12935591A JPH04354076A JP H04354076 A JPH04354076 A JP H04354076A JP 3129355 A JP3129355 A JP 3129355A JP 12935591 A JP12935591 A JP 12935591A JP H04354076 A JPH04354076 A JP H04354076A
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Abstract
Description
【0001】0001
【産業上の利用分野】本発明は、光情報処理や光計測の
分野において、CCDカメラなどの撮像装置から得られ
る二次元画像や、物体から直接入力される画像に対して
光学的相関処理を施すことによりパターン認識や計測を
自動的に行う光学素子に関する。[Industrial Application Field] The present invention applies optical correlation processing to two-dimensional images obtained from an imaging device such as a CCD camera or images directly input from an object in the fields of optical information processing and optical measurement. The present invention relates to an optical element that automatically performs pattern recognition and measurement when applied.
【0002】0002
【従来の技術】従来より、フーリエ相関光学を用いた光
パターン認識装置としては、ヴァンダー・ルクト型相関
器(VanderLugt Correlator :
以下VLCと略す)やジョイント変換相関器(Join
t Transform Correlator:以下
JTCと略す)が良く知られている。図5にこれら相関
器の1例を示す。図5(a)は、従来のJTCの1例で
ある。この方法においては、認識の基準となる参照画像
と認識の対象である被相関画像を同時に隣接して配置し
た画像を入力像34とする。レーザ31から出射された
光束はビームエキスパンダー32で拡大された後、ビー
ムスプリッタ33で2光束に分岐される。ビームスプリ
ッタ33を透過した光束は入力像34を照射し、入力像
34をコヒーレント画像に変換する。このコヒーレント
画像を第1のフーリエ変換レンズ35を用いてフーリエ
変換し、その変換面上に配置した光書き込み型液晶ライ
トバルブ36に参照画像と被相関画像のジョイントフー
リエ変換像の光強度分布を表示させる。2. Description of the Related Art Conventionally, as an optical pattern recognition device using Fourier correlation optics, a VanderLugt correlator (VanderLugt Correlator) has been used.
(hereinafter abbreviated as VLC) and joint transform correlator (Join
tTransform Correlator (hereinafter abbreviated as JTC) is well known. FIG. 5 shows an example of these correlators. FIG. 5(a) is an example of a conventional JTC. In this method, the input image 34 is an image in which a reference image serving as a reference for recognition and a correlated image serving as a recognition target are placed adjacent to each other at the same time. The beam emitted from the laser 31 is expanded by a beam expander 32 and then split into two beams by a beam splitter 33. The light beam transmitted through the beam splitter 33 illuminates the input image 34, converting the input image 34 into a coherent image. This coherent image is Fourier transformed using the first Fourier transform lens 35, and the light intensity distribution of the joint Fourier transform image of the reference image and the correlated image is displayed on the optical writing type liquid crystal light valve 36 placed on the transform surface. let
【0003】次に、ビームスプリッタ33で反射された
光束は、ミラー40、41、偏光ビームスプリッタ37
で反射されて光書き込み型液晶ライトバルブ36を照射
し、記憶されているジョイントフーリエ変換像の光強度
分布をコヒーレント画像に変換する。このコヒーレント
画像は検光子として作用する偏光ビームスプリッタ37
を透過することによってネガ像あるいはポジ像として読
み出され、第2のフーリエ変換レンズ38でフーリエ変
換され、その変換面上に配置されたCCDカメラ39で
受光される。このようにすると、参照画像と被相関画像
の2次元の相関係数を表す相関ピークを得ることができ
る。Next, the light beam reflected by the beam splitter 33 passes through mirrors 40 and 41 and a polarizing beam splitter 37.
The light is reflected by the optical writing type liquid crystal light valve 36, and the light intensity distribution of the stored joint Fourier transform image is converted into a coherent image. This coherent image is generated by a polarizing beam splitter 37 which acts as an analyzer.
The light is read out as a negative or positive image by passing through the light, subjected to Fourier transformation by a second Fourier transformation lens 38, and received by a CCD camera 39 disposed on the transformation surface. In this way, a correlation peak representing a two-dimensional correlation coefficient between the reference image and the correlated image can be obtained.
【0004】図5(b)は、従来のVLCの1例を示す
図である。この方法においては、認識の対象である被相
関画像のみを入力像34として用いる。レーザ31から
出射された光束はビームエキスパンダ32で拡大された
後、入力像34を照射し、被相関画像をコヒーレント画
像に変換する。このコヒーレント画像を第1のフーリエ
変換レンズ35を用いてフーリエ変換し、その変換面上
に配置したマッチドフィルタ42を照射する。マッチド
フィルタ42は、一般に参照画像のフーリエ変換の複素
共役成分と所定の搬送波成分を含んだホログラフィー画
像として、銀塩写真乾板やフォトレジスト乾板などの感
光媒体上に形成される。この作製方法としては、参照平
面波と参照画像との2光束干渉法を用いて感光媒体上に
ホログラムを形成したり、コンピュータで計算した計算
機合成ホログラム(Computer Generat
ed Hologram:CGH )を電子ビーム露光
などでフォトレジスト上に描画してホログラムを形成し
たりして形成する。このようにして形成されたマッチド
フィルタに上述のようにコヒーレントな被相関画像のフ
ーリエ変換を照射し、これから回折された回折光を再び
第2のフーリエ変換レンズ38でフーリエ変換すると、
そのフーリエ変換面に配置されたCCDカメラ39から
は被相関画像と参照画像の相関ピークとこれらの畳み込
みが検出される。従って、当該相関ピークの強度を測定
してやることにより、被相関画像と参照画像がどの程度
似ているかを知ることができる。FIG. 5(b) is a diagram showing an example of a conventional VLC. In this method, only the correlated image to be recognized is used as the input image 34. The light beam emitted from the laser 31 is expanded by a beam expander 32 and then illuminates an input image 34 to convert the correlated image into a coherent image. This coherent image is subjected to Fourier transformation using the first Fourier transformation lens 35, and a matched filter 42 placed on the transformation surface is irradiated. The matched filter 42 is generally formed as a holographic image containing a complex conjugate component of the Fourier transform of a reference image and a predetermined carrier wave component on a photosensitive medium such as a silver salt photographic plate or a photoresist dry plate. This manufacturing method includes forming a hologram on a photosensitive medium using a two-beam interference method using a reference plane wave and a reference image, or using a computer generated hologram calculated by a computer.
ed hologram (CGH) on a photoresist using electron beam exposure or the like to form a hologram. The thus formed matched filter is irradiated with the Fourier transform of the coherent correlated image as described above, and the diffracted light is then Fourier transformed again by the second Fourier transform lens 38.
A CCD camera 39 placed on the Fourier transform plane detects the correlation peaks between the correlated image and the reference image and their convolution. Therefore, by measuring the intensity of the correlation peak, it is possible to know how similar the correlated image and the reference image are.
【0005】VLCにおけるマッチドフィルタ42とし
ては、強誘電性液晶ライトバルブやサーモプラスティッ
クなど解像度の高い光書き込み型空間光変調器を用いる
ことができる。図6にJTCにおける入力像の1例を示
し、図7にCCDカメラ39から得られる被相関画像と
参照画像との2次元の相関係数を表す1対の相関ピーク
を示す。As the matched filter 42 in the VLC, a high-resolution optical writing type spatial light modulator such as a ferroelectric liquid crystal light valve or thermoplastic can be used. FIG. 6 shows an example of an input image in the JTC, and FIG. 7 shows a pair of correlation peaks representing a two-dimensional correlation coefficient between the correlated image and the reference image obtained from the CCD camera 39.
【0006】また、図8に、VLCにおける入力像とし
て、アルファベットのAを用いたときに、CCDカメラ
39から得られる被相関画像と参照画像との相関ピーク
と畳み込みの1例を示す。FIG. 8 shows an example of the correlation peak and convolution between the correlated image obtained from the CCD camera 39 and the reference image when the alphabet A is used as an input image in VLC.
【0007】[0007]
【発明が解決しようとする課題】以上説明したように、
フーリエ相関光学を用いた光パターン認識装置としての
JTCやVLCは、画像情報を並列に処理して、被相関
画像と相関画像との相関係数に対応する相関ピークを容
易に得ることができる優れた光パターン認識装置である
。しかしながら、従来のJTCやVLCは、それを構成
している光学部品がバルクのレンズやプリズム部品を用
いているために、これら光パターン認識装置を小型化し
ようとしても、前記光学部品をより精密に調整しなけれ
ばならないために極めて困難な作業を要するという欠点
を有していた。[Problem to be solved by the invention] As explained above,
JTC and VLC, which are optical pattern recognition devices using Fourier correlation optics, have the advantage of processing image information in parallel and easily obtaining a correlation peak corresponding to the correlation coefficient between the correlated image and the correlated image. This is an optical pattern recognition device. However, since conventional JTCs and VLCs use bulk lenses and prism components as their constituent optical components, it is difficult to miniaturize these optical pattern recognition devices by making the optical components more precise. This has the disadvantage that it requires extremely difficult work because adjustments must be made.
【0008】[0008]
【課題を解決するための手段】本発明の光パターン認識
素子は、互いに平行な表面を持つ透明基板の少なくとも
1方の表面上に、外部光導入用の回折格子あるいはプリ
ズムと、所要の目標を含む少なくとも1つの参照画像と
新たに入力する少なくとも1つの被相関画像とを含む外
部からの画像情報を記録表示する第1の光書き込み型の
光変調層と、平面状フーリエ変換レンズと、前記第1の
光書き込み型の光変調層に記録された外部からの画像情
報のフーリエ変換を記録表示する第2の光書き込み型の
光変調層と、前記第2の光書き込み型の光変調層に記録
表示された前記外部からの画像情報のフーリエ変換を、
再びフーリエ変換することによって得られた前記参照画
像と被相関画像との相関函数を表す相関画像を記録表示
する第3の光書き込み型の光変調層と、光学多層膜から
なる偏光ビームスプリッタと、これら全ての平面光学素
子を光学的に結合する光反射層とを具備してなることを
特徴とする光パターン認識素子構造とすることによって
、半導体プロセスに代表される微細加工技術を用いてミ
クロンオーダーの精度で光学系の調整が可能な小型の光
パターン認識装置を実現可能ならしめ、JTCに関する
上記課題を解決した。[Means for Solving the Problems] The optical pattern recognition element of the present invention includes a diffraction grating or prism for introducing external light and a required target on at least one surface of a transparent substrate having surfaces parallel to each other. a first optical writing type light modulation layer for recording and displaying external image information including at least one reference image and at least one newly input correlated image; a planar Fourier transform lens; a second optical writing type light modulation layer for recording and displaying Fourier transform of external image information recorded in the first optical writing type light modulation layer; and recording on the second optical writing type light modulation layer. The Fourier transform of the displayed image information from the outside,
a third optical writing type light modulation layer for recording and displaying a correlation image representing a correlation function between the reference image and the correlated image obtained by Fourier transformation again; a polarizing beam splitter made of an optical multilayer film; By creating an optical pattern recognition element structure characterized by comprising a light reflection layer that optically couples all of these planar optical elements, microfabrication can be achieved using microfabrication technology typified by semiconductor processing. The above-mentioned problems regarding JTC have been solved by realizing a compact optical pattern recognition device that can adjust the optical system with an accuracy of .
【0009】[0009]
【作用】本発明の光パターン認識素子に用いた光学素子
における回折格子は、光パターン認識で用いられるコヒ
ーレント光の光路を折り曲げて当該コヒーレント光を所
定の光学素子に導く作用を有しており、平面状フーリエ
変換レンズは目的とする画像情報を含んだコヒーレント
光を所定の光学素子上にフーリエ変換する作用を有して
いる。これら回折格子や平面状フーリエ変換レンズは、
フォトレジストや銀塩感光膜などの感光材料上に、あら
かじめ計算機で計算された干渉パターンを電子線で走査
・記録したり、所定の波面を持つコヒーレント光を二光
束干渉露光させたりして作製したホログラフィック光学
素子であるため、作製する位置を極めて精密に制御する
ことができる上に、その厚みも薄い。[Function] The diffraction grating in the optical element used in the optical pattern recognition element of the present invention has the function of bending the optical path of coherent light used in optical pattern recognition and guiding the coherent light to a predetermined optical element. The planar Fourier transformation lens has the function of Fourier transforming coherent light containing target image information onto a predetermined optical element. These diffraction gratings and planar Fourier transform lenses are
It is created by scanning and recording an interference pattern calculated in advance on a computer with an electron beam on a photosensitive material such as a photoresist or a silver salt photosensitive film, or by performing two-beam interference exposure using coherent light with a predetermined wavefront. Since it is a holographic optical element, the position at which it is manufactured can be controlled extremely precisely, and it is also thin.
【0010】また、第1の光書き込み型の光変調層は、
所要の目標を含む少なくとも1つの参照画像と新たに入
力する少なくとも1つの被相関画像とを含む外部からの
画像情報を光学的に書き込んで表示する作用を有し、第
2の光書き込み型の光変調層は前記外部からの画像情報
のフーリエ変換を光学的に書き込んで表示する作用を有
し、第3の光書き込み型の光変調層は前記第2の光書き
込み型の光変調層に書き込まれた前記外部からの画像情
報のフーリエ変換を、再びフーリエ変換することによっ
て得られた前記参照画像と被相関画像との相関函数を表
す相関画像を記録表示する作用を有する。[0010] Furthermore, the first optical writing type light modulation layer is
The second optical writing type light has the function of optically writing and displaying external image information including at least one reference image including a desired target and at least one newly input correlated image. The modulation layer has a function of optically writing and displaying the Fourier transform of image information from the outside, and the third optical writing type light modulation layer is written in the second optical writing type light modulation layer. It has the function of recording and displaying a correlation image representing a correlation function between the reference image and the correlated image obtained by Fourier transforming the image information from the outside.
【0011】さらに、これらの平面光学素子は極めて面
精度と平行度のよい透明基板上に形成されているので、
光軸の調整はこれらの平面光学素子を平面上で動かして
調整するだけで容易に行うことができる。Furthermore, since these planar optical elements are formed on transparent substrates with extremely good surface precision and parallelism,
The optical axis can be easily adjusted by simply moving these planar optical elements on a plane.
【0012】0012
【実施例】以下に本発明の光パターン認識素子の実施例
を図面に基づいて説明する。図1は、本発明の光パター
ン認識素子の1例を示す構成図(図1(a)は平面図、
図1(b)は側断面図)であり、1は透明基板、2は第
1のホログラフィック・グレーティング(以下HG:H
olographic Gratingと略す)、3は
第1の偏光ビームスプリッタ、4はホログラフィック・
フーリエ変換レンズ(以下HFL:Holograph
ic Fourier Transform Lens
と略す)、5は第2の偏光ビームスプリッタ、6は第2
のHG、7は第1の光変調層、8は第2の光変調層、9
は誘電体多層膜ミラーである。互いに平行な表面を持つ
透明基板は透明基板1であり、外部光導入用の回折格子
は第1のHGおよび第2のHGであり、所要の目標を含
む少なくとも1つの参照画像と新たに入力する少なくと
も1つの被相関画像とを含む外部からの画像情報を記録
表示する第1の光書き込み型の光変調層は第1の光変調
層7であり、平面状フーリエ変換レンズはHFL4であ
り、前記第1の光書き込み型の光変調層に記録された外
部からの画像情報のフーリエ変換を記録表示する第2の
光書き込み型の光変調層は第2の光変調層8であり、前
記第2の光書き込み型の光変調層に記録表示された前記
外部からの画像情報のフーリエ変換を、再びフーリエ変
換することによって得られた前記参照画像と被相関画像
との相関函数を表す相関画像を記録表示する第3の光書
き込み型の光変調層は第1の光変調層7であり、光学多
層膜からなる偏光ビームスプリッタは第1の偏光ビーム
スプリッタ3および第2の偏光ビームスプリッタ5であ
り、これら全ての平面光学素子を光学的に結合する光反
射層は誘電体多層膜ミラー9である。以下説明を容易に
するために、透明基板1の第1のHG2、第1の偏光ビ
ームスプリッタ3、HFL4、第2の偏光ビームスプリ
ッタ5、第2のHG6が形成されている面を上面、第1
の光変調層7、第2の光変調層8、誘電体多層膜ミラー
9が形成されている面を下面と呼ぶことにする。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Examples of the optical pattern recognition device of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a configuration diagram showing an example of the optical pattern recognition element of the present invention (FIG. 1(a) is a plan view,
FIG. 1(b) is a side sectional view), in which 1 is a transparent substrate, 2 is a first holographic grating (hereinafter HG: H
(abbreviated as holographic grating), 3 is the first polarizing beam splitter, and 4 is the holographic grating.
Fourier transform lens (HFL: Holograph)
ic Fourier Transform Lens
), 5 is the second polarizing beam splitter, and 6 is the second polarizing beam splitter.
HG, 7 is the first light modulation layer, 8 is the second light modulation layer, 9
is a dielectric multilayer mirror. The transparent substrate with surfaces parallel to each other is a transparent substrate 1, the diffraction gratings for introducing external light are a first HG and a second HG, and at least one reference image including a desired target is newly inputted. The first optical writing type light modulation layer that records and displays image information from the outside including at least one correlated image is the first light modulation layer 7, the planar Fourier transform lens is HFL4, and the A second optical writing type light modulation layer that records and displays the Fourier transform of external image information recorded in the first optical writing type light modulation layer is the second optical modulation layer 8; recording a correlation image representing a correlation function between the reference image and the correlated image obtained by performing Fourier transform again on the Fourier transform of the external image information recorded and displayed on the optical writing type light modulation layer; The third optical writing type light modulation layer to be displayed is the first light modulation layer 7, the polarization beam splitters made of optical multilayer films are the first polarization beam splitter 3 and the second polarization beam splitter 5, A light reflecting layer that optically couples all these planar optical elements is a dielectric multilayer mirror 9. In order to facilitate the explanation below, the surface on which the first HG2, first polarizing beam splitter 3, HFL4, second polarizing beam splitter 5, and second HG6 of the transparent substrate 1 are formed is referred to as the upper surface, and 1
The surface on which the light modulating layer 7, the second light modulating layer 8, and the dielectric multilayer mirror 9 are formed will be referred to as the lower surface.
【0013】図1からわかるように、第1のHG2、第
1の偏光ビームスプリッタ3、HFL4、第2の偏光ビ
ームスプリッタ5、第2のHG6、第1の光変調層7、
第2の光変調層8、誘電体多層膜ミラー9などの平面光
学素子は、透明基板1の表面に、HFL4を中心として
対称な位置に配置されている。第1のHG2、HFL4
、第2のHG6は、透明基板1上にレジストを塗布し、
電子ビーム描画露光装置により、各々所定の回折格子を
書き込んで形成した。もちろん、これらは光学的干渉露
光法で形成してもよい。As can be seen from FIG. 1, the first HG 2, the first polarizing beam splitter 3, the HFL 4, the second polarizing beam splitter 5, the second HG 6, the first light modulating layer 7,
Planar optical elements such as the second light modulation layer 8 and the dielectric multilayer mirror 9 are arranged on the surface of the transparent substrate 1 at symmetrical positions with the HFL 4 at the center. 1st HG2, HFL4
, the second HG6 coats a resist on the transparent substrate 1,
Each predetermined diffraction grating was written and formed using an electron beam drawing exposure device. Of course, these may be formed by optical interference exposure.
【0014】透明基板1としては、板厚10〜30mm
の石英ガラスを平行度5秒以下、平面度λ/10以上の
精度に研磨加工したものを用いた。もちろん、透明基板
1の材質としては、フリントガラスやクラウンガラスな
どの光学ガラスを用いてもよいし、特殊な場合は透明な
プラスティックを用いてもよい。また、第1の偏光ビー
ムスプリッタ3、第2の偏光ビームスプリッタ5、誘電
体多層膜ミラー9は、屈折率の大きなTiO2やZrO
2やSiや、屈折率の小さなSiO2やMgF2や、そ
れらの中間の屈折率のAl2O3 やY2O3などを、
所定の膜厚と組合せで周期的に積層形成して構成されて
いる。The transparent substrate 1 has a thickness of 10 to 30 mm.
A piece of quartz glass polished to an accuracy of parallelism of 5 seconds or less and flatness of λ/10 or more was used. Of course, as the material for the transparent substrate 1, optical glass such as flint glass or crown glass may be used, or in special cases, transparent plastic may be used. Furthermore, the first polarizing beam splitter 3, the second polarizing beam splitter 5, and the dielectric multilayer mirror 9 are made of TiO2 or ZrO2 having a large refractive index.
2, Si, SiO2 and MgF2 with small refractive index, Al2O3 and Y2O3 with intermediate refractive index, etc.
It is constructed by periodically laminating layers with predetermined film thicknesses and combinations.
【0015】光変調層7および8としては、透明基板1
上に形成された、光導電層、液晶配向層、液晶層、電圧
印加手段からなる光書き込み型液晶ライトバルブやBS
O(Bi12SiO20 )単結晶を絶縁膜を介して透
明電極でサンドイッチした構造の光書き込み型電気光学
結晶空間光変調器を用いることができる。本実施例では
、前記液晶層として、光反射率と印加電圧との間に双安
定メモリ性を有する強誘電性液晶層を用いた光書き込み
型強誘電性液晶ライトバルブを光変調層として用いた。As the light modulation layers 7 and 8, the transparent substrate 1
An optical writing type liquid crystal light valve or BS formed on the photoconductive layer, a liquid crystal alignment layer, a liquid crystal layer, and a voltage application means.
An optical writing type electro-optic crystal spatial light modulator having a structure in which an O (Bi12SiO20) single crystal is sandwiched between transparent electrodes with an insulating film interposed therebetween can be used. In this example, an optical writing type ferroelectric liquid crystal light valve using a ferroelectric liquid crystal layer having a bistable memory property between light reflectance and applied voltage was used as the light modulation layer as the liquid crystal layer. .
【0016】次に、図2を用いて図1で示した本発明の
光パターン認識素子の動作を説明する。図2は、本発明
の光パターン認識素子の動作工程を示す工程図であり、
10a、10bは入力像書き込み光、11は第1のコヒ
ーレント光、12は第2のコヒーレント光、13は相関
函数読み出し光である。図2(a)は入力像書き込み工
程、(b)はジョイントフーリエ変換書き込み工程、(
c)は相関函数書き込み工程、(d)は相関函数読み出
し工程である。なお、図1と同一の構成要素に対しては
、同一の番号を付しその説明を省略する。Next, the operation of the optical pattern recognition element of the present invention shown in FIG. 1 will be explained using FIG. 2. FIG. 2 is a process diagram showing the operation steps of the optical pattern recognition element of the present invention,
10a and 10b are input image writing lights, 11 is a first coherent light, 12 is a second coherent light, and 13 is a correlation function reading light. 2(a) shows the input image writing process, (b) shows the joint Fourier transform writing process, (
c) is a correlation function writing step, and (d) is a correlation function reading step. Note that the same components as in FIG. 1 are given the same numbers and their explanations will be omitted.
【0017】入力像書き込み工程(a)では、まず第1
の光変調層7と第2の光変調層8を一様に消去した後、
素子外部の結像光学系により、入力像を前記第1の光変
調層7に結像する。入力像の結像方向は、入力像書き込
み光10aを素子の下面から照射して行ってもよいし、
入力像書き込み光10bを素子の上面から照射して行っ
てもよい。このようにして第1の光変調層7に結像され
た入力像は、当該第1の光変調層7に光学的に記録され
る。このとき記録される入力像は、図6で示されるよう
に、被相関画像と参照画像が同時に隣接して配置された
ものである。In the input image writing step (a), the first
After uniformly erasing the light modulation layer 7 and the second light modulation layer 8,
An input image is formed on the first light modulation layer 7 by an imaging optical system outside the element. The direction in which the input image is formed may be determined by irradiating the input image writing light 10a from the bottom surface of the element.
The input image writing light 10b may be irradiated from the top surface of the element. The input image thus formed on the first light modulation layer 7 is optically recorded on the first light modulation layer 7. The input image recorded at this time is an image in which a correlated image and a reference image are placed adjacent to each other at the same time, as shown in FIG.
【0018】ジョイントフーリエ変換書き込み工程(b
)では、まず第1のコヒーレント光11が、第1のHG
2に所定の方向から所定のビーム広がり角を持って照射
される。第1のHG2に照射された第1のコヒーレント
光11は、第1のHG2によって回折されて平行な読み
出し光束となり第1の光変調層7に照射され、入力像書
き込み工程(a)によって書き込まれた入力像を読み出
し、スネルの法則に従って反射され第1の偏光ビームス
プリッタ3を照射する。このとき照射される読み出し光
束は、第1の光変調層7に対してp偏光(あるいはs偏
光)となるようにあらかじめ第1のコヒーレント光11
の偏光方向を定めておくものとする。光書き込み型液晶
ライトバルブやBSO結晶を用いた空間光変調素子など
多くの光変調層は、光の偏光面を空間的に変調する。こ
のような空間光変調素子を第1の光変調層7として用い
ると、第1の偏光ビームスプリッタ3に照射される直前
の読み出し光束は、入力像の情報を反映して空間的に偏
光面が変調されているため、第1の偏光ビームスプリッ
タ3で反射された後の読み出し光束は入力像をポジ画像
(あるいはネガ画像)として含んでいる。この入力像を
ポジ画像(あるいはネガ画像)として含んだ読み出し光
束は、誘電体多層膜ミラー9で反射された後、HFL4
で集光され、誘電体多層膜ミラー9、第2の偏光ビーム
スプリッタ5で次々と反射され、第2の光変調層8上に
フーリエ変換されて被相関画像と参照画像とのジョイン
トフーリエ変換像を形成する。このジョイントフーリエ
変換像は、第2の光変調層8に光学的に記録される。そ
の後、第1の光変調層7に記録された入力像は消去され
る。Joint Fourier transform writing process (b
), first, the first coherent light 11 is transmitted to the first HG
2 is irradiated from a predetermined direction with a predetermined beam spread angle. The first coherent light 11 irradiated onto the first HG 2 is diffracted by the first HG 2 and becomes a parallel readout beam, which is irradiated onto the first light modulation layer 7 and written in the input image writing step (a). The input image is read out, reflected according to Snell's law, and irradiated onto the first polarizing beam splitter 3. The readout light flux irradiated at this time is preliminarily arranged so that it becomes p-polarized light (or s-polarized light) with respect to the first light modulating layer 7.
Let us determine the polarization direction of . Many light modulation layers, such as optical writing type liquid crystal light valves and spatial light modulation elements using BSO crystals, spatially modulate the polarization plane of light. When such a spatial light modulation element is used as the first light modulation layer 7, the readout light beam just before being irradiated onto the first polarization beam splitter 3 has a spatial polarization plane reflecting the information of the input image. Since it is modulated, the readout light beam after being reflected by the first polarizing beam splitter 3 contains the input image as a positive image (or negative image). The readout light beam containing this input image as a positive image (or negative image) is reflected by the dielectric multilayer mirror 9, and then reflected by the HFL 4.
The light is focused by the dielectric multilayer mirror 9 and the second polarizing beam splitter 5, and is Fourier transformed onto the second light modulating layer 8 to form a joint Fourier transformed image of the correlated image and the reference image. form. This joint Fourier transform image is optically recorded on the second light modulating layer 8. Thereafter, the input image recorded on the first light modulation layer 7 is erased.
【0019】相関函数書き込み工程(c)は、ジョイン
トフーリエ変換像書き込み工程と同様の工程である。ま
ず第2のコヒーレント光12が、第2のHG6に所定の
方向から所定のビーム広がり角を持って照射される。第
2のHG6に照射された第2のコヒーレント光12は、
第2のHG6によって回折されて平行な読み出し光束と
なり第2の光変調層8に照射され、ジョイントフーリエ
変換像書き込み工程(b)によって書き込まれたジョイ
ントフーリエ変換像を読み出し、スネルの法則に従って
反射され第2の偏光ビームスプリッタ5を照射する。こ
のとき照射される読み出し光束は、第2の光変調層8に
対してp偏光(あるいはs偏光)となるようにあらかじ
め第2のコヒーレント光12の偏光方向を定めておくも
のとする。前述した偏光面を空間的に変調するような空
間光変調素子を第2の光変調層8として用いると、第2
の偏光ビームスプリッタ5に照射される直前の読み出し
光束は、ジョイントフーリエ変換像の情報を反映して空
間的に偏光面が変調されているため、第2の偏光ビーム
スプリッタ5で反射された後の読み出し光束はジョイン
トフーリエ変換像をポジ画像(あるいはネガ画像)とし
て含んでいる。このジョイントフーリエ変換像をポジ画
像(あるいはネガ画像)として含んだ読み出し光束は、
誘電体多層膜ミラー9で反射された後、HFL4で集光
され、誘電体多層膜ミラー9、第1の偏光ビームスプリ
ッタ3で次々と反射され、第1の光変調層7上にフーリ
エ変換されて被相関画像と参照画像との相関係数を表す
相関ピークを含んだ相関函数を形成する。この被相関画
像と参照画像との相関係数を表す相関ピークを含んだ相
関函数としての相関画像は、第1の光変調層7に光学的
に記録される。その後、第2の光変調層8に記録された
ジョイントフーリエ変換像は消去される。The correlation function writing step (c) is similar to the joint Fourier transform image writing step. First, the second coherent light 12 is irradiated onto the second HG 6 from a predetermined direction with a predetermined beam spread angle. The second coherent light 12 irradiated to the second HG 6 is
It is diffracted by the second HG 6 and becomes a parallel readout light beam, which is irradiated onto the second light modulation layer 8, reads out the joint Fourier transform image written in the joint Fourier transform image writing step (b), and is reflected according to Snell's law. The second polarizing beam splitter 5 is irradiated. The polarization direction of the second coherent light 12 is determined in advance so that the readout beam irradiated at this time becomes p-polarized light (or s-polarized light) with respect to the second light modulation layer 8 . When the above-described spatial light modulation element that spatially modulates the plane of polarization is used as the second light modulation layer 8, the second
The readout beam just before being irradiated onto the second polarizing beam splitter 5 has its plane of polarization spatially modulated reflecting the information of the joint Fourier transform image. The readout light beam includes the joint Fourier transform image as a positive image (or negative image). The readout light beam containing this joint Fourier transform image as a positive image (or negative image) is
After being reflected by the dielectric multilayer mirror 9, the light is focused by the HFL 4, reflected one after another by the dielectric multilayer mirror 9 and the first polarizing beam splitter 3, and then Fourier transformed onto the first light modulation layer 7. A correlation function including a correlation peak representing a correlation coefficient between the correlated image and the reference image is formed. A correlated image as a correlation function including a correlation peak representing a correlation coefficient between the correlated image and the reference image is optically recorded on the first light modulation layer 7. Thereafter, the joint Fourier transform image recorded on the second light modulation layer 8 is erased.
【0020】相関函数読み出し工程(d)では、相関函
数読み出し光13を素子の上面から照射して、第1の光
変調層7に記録された相関函数を読み出す。この読み出
された相関函数は、素子外部の光学系に設定された偏光
子を介して強度分布画像に変換され、光検出器あるいは
撮像デバイスによって検出される。入力像書き込み光1
0a、10bおよび相関函数読み出し光13としては、
インコヒーレント光を用いるのが好ましいが、コヒーレ
ント光を用いてもよいことは言うまでもない。In the correlation function readout step (d), the correlation function readout light 13 is irradiated from the top surface of the element to read out the correlation function recorded in the first light modulation layer 7. This read correlation function is converted into an intensity distribution image via a polarizer set in an optical system outside the element, and detected by a photodetector or an imaging device. Input image writing light 1
0a, 10b and the correlation function readout light 13,
Although it is preferable to use incoherent light, it goes without saying that coherent light may also be used.
【0021】次に、図1に示した本発明の光パターン認
識素子において、第1の光変調層7と第2の光変調層8
として光書き込み型強誘電性液晶ライトバルブを用いた
場合の実施例について説明する。図3は、光変調部に光
書き込み型強誘電性液晶ライトバルブを用いた本発明の
光パターン認識素子の構成を示す断面図であり、(a)
は全体の構成断面図、(b)は光変調部の拡大断面図で
ある。図3において、14は第1の光変調部、15は第
2の光変調部であり、16a、16bは透明電極層、1
7a、17bは配向膜層、18は強誘電性液晶層、19
は誘電体ミラー、20は光導電層、21は第2の透明基
板、22はスペーサ、23は無反射コーティングである
。なお、図1と同一の構成要素に対しては、同一の番号
を付しその説明を省略する。Next, in the optical pattern recognition element of the present invention shown in FIG.
An example in which an optical writing type ferroelectric liquid crystal light valve is used will be described. FIG. 3 is a cross-sectional view showing the configuration of the optical pattern recognition element of the present invention using an optical writing type ferroelectric liquid crystal light valve in the light modulation section, and (a)
(b) is an enlarged sectional view of the light modulation section. In FIG. 3, 14 is a first light modulation section, 15 is a second light modulation section, 16a and 16b are transparent electrode layers, 1
7a and 17b are alignment film layers; 18 is a ferroelectric liquid crystal layer; 19
20 is a dielectric mirror, 20 is a photoconductive layer, 21 is a second transparent substrate, 22 is a spacer, and 23 is a non-reflective coating. Note that the same components as in FIG. 1 are given the same numbers and their explanations will be omitted.
【0022】図3(a)における第1の光変調部14と
第2の光変調部15は、各々図1における第1の光変調
層7と第2の光変調層8に相当する。図3(b)を用い
て、光変調部としての光書き込み型強誘電性液晶ライト
バルブの構成および動作を説明する。まず構成について
説明する。液晶分子を狭持するガラスやプラスティック
などの透明基板1および第2の透明基板21は、表面に
透明電極層16a、16b、各透明基板の法線方向から
75度から85度の範囲の角度で一酸化珪素を斜方蒸着
した配向膜層17a、17bが設けられている。The first light modulation section 14 and the second light modulation section 15 in FIG. 3A correspond to the first light modulation layer 7 and the second light modulation layer 8 in FIG. 1, respectively. The structure and operation of an optical writing type ferroelectric liquid crystal light valve as a light modulating section will be explained using FIG. 3(b). First, the configuration will be explained. A transparent substrate 1 and a second transparent substrate 21 made of glass or plastic, which sandwich liquid crystal molecules, have transparent electrode layers 16a and 16b on their surfaces, and are formed at an angle of 75 degrees to 85 degrees from the normal direction of each transparent substrate. Alignment film layers 17a and 17b formed by obliquely vapor-depositing silicon monoxide are provided.
【0023】また、第2の透明基板21側の透明電極層
16a上には光導電層20、誘電体ミラー19が配向膜
層17aとの間に積層形成され、第2の透明基板21の
セル外面には、無反射コーティング23が形成されてい
る。光導電層20としては、カルコゲナイド系半導体薄
膜や有機光導電膜やシリコン系半導体薄膜を用いること
ができるが、光感度や使用波長など様々な特性面におい
て優れている水素化アモルファスシリコンを用いるのが
好ましい。さらに、誘電体ミラー19としては、屈折率
の異なる複数の誘電体あるいは高抵抗半導体材料の薄膜
を所定の膜厚で周期的に積層形成した誘電体多層膜ミラ
ーがよく使われているが、その光透過率は所定の光量が
強誘電性液晶層18側から光導電層20に到達するよう
に設計されている。誘電体ミラー19がなくても、充分
な強度の光画像を読み出すことができるならば、誘電体
ミラー19は省略してもよい。Furthermore, a photoconductive layer 20 and a dielectric mirror 19 are laminated on the transparent electrode layer 16a on the second transparent substrate 21 side between the alignment film layer 17a and the cells of the second transparent substrate 21. A non-reflective coating 23 is formed on the outer surface. As the photoconductive layer 20, a chalcogenide-based semiconductor thin film, an organic photoconductive film, or a silicon-based semiconductor thin film can be used, but it is preferable to use hydrogenated amorphous silicon, which is excellent in various characteristics such as photosensitivity and wavelength of use. preferable. Furthermore, as the dielectric mirror 19, a dielectric multilayer mirror in which a plurality of dielectrics having different refractive indexes or thin films of high-resistance semiconductor materials are periodically laminated at a predetermined thickness is often used. The light transmittance is designed so that a predetermined amount of light reaches the photoconductive layer 20 from the ferroelectric liquid crystal layer 18 side. The dielectric mirror 19 may be omitted if an optical image with sufficient intensity can be read out even without the dielectric mirror 19.
【0024】次に、上記構造を持つ光変調部を初期化す
る方法を示す。第1の方法は、一度光書き込み型強誘電
性液晶ライトバルブの読み出し面(あるいは書き込み面
)全面を光照射し、その明時の動作閾値電圧よりも充分
に高いパルス電圧あるいは直流バイアス電圧あるいは1
00Hz〜50kHzの交流電圧を重畳した直流バイア
ス電圧を透明電極層16aと16bとの間に印加して、
強誘電性液晶分子を一方向の安定状態に揃え、その状態
をメモリさせる方法である。第2の方法は、光照射があ
るなしに関わらず、暗時の動作閾値電圧よりも充分に高
いパルス電圧あるいは直流バイアス電圧あるいは100
Hz〜50kHzの交流電圧を重畳した直流バイアス電
圧を透明電極層16aと16bとの間に印加して強誘電
性液晶分子を一方向の安定状態に揃え、その状態をメモ
リさせる方法である。Next, a method for initializing the light modulation section having the above structure will be described. The first method is to irradiate the entire reading surface (or writing surface) of an optically writable ferroelectric liquid crystal light valve with light, and apply a pulse voltage or DC bias voltage sufficiently higher than the operating threshold voltage during the bright state, or
Applying a DC bias voltage superimposed with an AC voltage of 00Hz to 50kHz between the transparent electrode layers 16a and 16b,
This method aligns ferroelectric liquid crystal molecules into a stable state in one direction and stores that state in memory. The second method is to apply a pulse voltage or DC bias voltage sufficiently higher than the operating threshold voltage in the dark, regardless of whether there is light irradiation or not.
In this method, a DC bias voltage superimposed with an AC voltage of Hz to 50 kHz is applied between the transparent electrode layers 16a and 16b to align the ferroelectric liquid crystal molecules in a stable state in one direction, and to store this state in memory.
【0025】さらに、光書き込み型強誘電性液晶ライト
バルブを上記のように初期化した後の動作について説明
する。暗時の動作閾値電圧よりも低く、光照射時の動作
閾値電圧よりも高い、初期化したときと逆極性のパルス
電圧あるいは直流バイアス電圧あるいは100Hz〜5
0kHzの交流電圧を重畳した直流バイアス電圧を透明
電極層16aと16bとの間に印加しながら、図2に示
す入力像書き込み光10a、10bや第1のコヒーレン
ト光11や第2のコヒーレント光12を照射して書き込
みを行う。光導電層20として水素化アモルファスシリ
コンを用いた場合は、照射される書き込み光の波長が9
00nm以下であるならば、書き込み光の照射を受けた
領域の光導電層にはキャリアが発生し、発生したキャリ
アは印加電圧により電界方向にドリフトし、その結果動
作閾値電圧が下がり、読み出し光照射を受けた領域には
動作閾値電圧以上で初期化のときと逆極性のバイアス電
圧が印加され、強誘電性液晶分子は自発分極の反転に伴
う分子の反転が起こり、もう一方の安定状態に移行する
ので画像が二値化処理されて記憶される。この記憶され
た画像は、駆動電圧がゼロになっても記憶されたままに
なっている。Furthermore, the operation of the optically written ferroelectric liquid crystal light valve after initialization as described above will be described. A pulse voltage or DC bias voltage of the opposite polarity to that at initialization, lower than the operating threshold voltage in the dark and higher than the operating threshold voltage during light irradiation, or 100 Hz to 5
While applying a DC bias voltage superimposed with an AC voltage of 0 kHz between the transparent electrode layers 16a and 16b, the input image writing lights 10a and 10b, the first coherent light 11, and the second coherent light 12 shown in FIG. Write by irradiating. When hydrogenated amorphous silicon is used as the photoconductive layer 20, the wavelength of the irradiated writing light is 9.
00 nm or less, carriers are generated in the photoconductive layer in the area irradiated with the write light, and the generated carriers drift in the direction of the electric field due to the applied voltage.As a result, the operating threshold voltage decreases, and the read light irradiation A bias voltage with a polarity opposite to that during initialization is applied to the region above the operating threshold voltage, and the ferroelectric liquid crystal molecules undergo molecular inversion due to the reversal of spontaneous polarization, and shift to the other stable state. Therefore, the image is binarized and stored. This stored image remains stored even when the drive voltage goes to zero.
【0026】二値化されて記憶された画像は、初期化に
よって揃えられた強誘電性液晶分子の配列の方向(また
はそれに直角方向)に偏光軸を合わせた直線偏光の読み
出し光の照射、および、誘電体ミラー19(誘電体ミラ
ーがない場合は、光導電層20)による反射光の偏光方
向に対し、偏光軸が直角(あるいは平行)になるように
配置された検光子を通すことにより、ポジ状態またはネ
ガ状態で読み出すことができる。The binarized and stored image is generated by irradiation with linearly polarized readout light whose polarization axis is aligned with the alignment direction of the ferroelectric liquid crystal molecules aligned through initialization (or in a direction perpendicular thereto), and , by passing the reflected light through an analyzer arranged so that the polarization axis is perpendicular (or parallel) to the polarization direction of the light reflected by the dielectric mirror 19 (or the photoconductive layer 20 if there is no dielectric mirror). Can be read in positive or negative state.
【0027】図3(a)で示された光変調部に光書き込
み型強誘電性液晶ライトバルブを用いた本発明の光パタ
ーン認識素子は、図2を用いて説明したのと同様の動作
工程で動作する。そのとき第1の光変調部14と第2の
光変調部15への入力像やジョイントフーリエ変換像の
記録・読み出しは、上記に説明した光書き込み型強誘電
性液晶ライトバルブの駆動方法に従って行う。The optical pattern recognition element of the present invention using an optical writing type ferroelectric liquid crystal light valve in the light modulation section shown in FIG. It works. At this time, the input image and the joint Fourier transform image are recorded and read out to the first light modulator 14 and the second light modulator 15 according to the method for driving the optical writing type ferroelectric liquid crystal light valve described above. .
【0028】次に、本発明の光パターン認識素子に、相
関画像に含まれる相関ピーク検出手段を形成する方法の
1実施例について説明する。図4は、相関函数読み出し
光学系を有する本発明の光パターン認識素子の構成を示
す断面図であり、24は偏光ビームスプリッタ、25は
保護透明基板、26は第3の透明基板、27は結像ホロ
グラフィックレンズ(以下HL:Holgraphic
Lens と略す)、28は第4の透明基板、29は
フォトダイオードアレイ、30は接着剤層である。なお
、図1と同一の構成要素に対しては、同一の番号を付し
その説明を省略する。偏光ビームスプリッタ24、保護
透明基板25、第3の透明基板26、結像HL27、第
4の透明基板28、フォトダイオードアレイ29は、各
々接着剤層30を介して、図1または図3で示される光
パターン認識素子上に接着されている。また、図4では
省略されているが、番号24から30で示された光学部
品も、接着剤で互いに接着されている。偏光ビームスプ
リッタ24、保護透明基板25、第3の透明基板26、
結像HL27、第4の透明基板28、フォトダイオード
アレイ29は、相関係数読み出し光学系を形成しており
、これは保護透明基板25とともに、本発明の光パター
ン認識素子上に形成されている平面光学素子を保護し、
また、ゴミやほこりなどから生ずるノイズを低減する役
割を持っている。Next, an embodiment of a method for forming correlation peak detection means included in a correlation image in the optical pattern recognition element of the present invention will be described. FIG. 4 is a cross-sectional view showing the configuration of an optical pattern recognition element of the present invention having a correlation function readout optical system, in which 24 is a polarizing beam splitter, 25 is a protective transparent substrate, 26 is a third transparent substrate, and 27 is a coupling element. Image holographic lens (hereinafter referred to as HL)
28 is a fourth transparent substrate, 29 is a photodiode array, and 30 is an adhesive layer. Note that the same components as in FIG. 1 are given the same numbers and their explanations will be omitted. The polarizing beam splitter 24, the protective transparent substrate 25, the third transparent substrate 26, the imaging HL 27, the fourth transparent substrate 28, and the photodiode array 29 are connected to each other via an adhesive layer 30 as shown in FIG. 1 or 3. It is glued onto the optical pattern recognition element. Further, although not shown in FIG. 4, optical components indicated by numbers 24 to 30 are also bonded to each other with adhesive. polarizing beam splitter 24, protective transparent substrate 25, third transparent substrate 26,
The imaging HL 27, the fourth transparent substrate 28, and the photodiode array 29 form a correlation coefficient reading optical system, which, together with the protective transparent substrate 25, is formed on the optical pattern recognition element of the present invention. Protects planar optics,
It also has the role of reducing noise generated from dirt and dust.
【0029】相関函数読み出し光13は、偏光ビームス
プリッタ24を透過して、そのp偏光成分だけが第1の
光変調層7を照射する。この第1の光変調層7を照射す
る相関函数読み出し光13の偏光方向は、偏光ビームス
プリッタ24を相関函数読み出し光の光軸の回りに適当
な角度回転させた配置で接着することにより、任意に決
めることができる。第1の光変調層7には、これまでの
実施例で説明したのと同様にして被相関画像と参照画像
との相関函数に対応する相関画像が記録されているもの
とする。この相関画像は、前記相関函数読み出し光で読
み出され、再び偏光ビームスプリッタ24に達する。こ
の相関画像を読み出した光は、上述したように、相関画
像に対応する空間分布で偏光面が回転し、偏光ビームス
プリッタ24に対してs偏光成分を持って入射する。The correlation function readout light 13 passes through the polarization beam splitter 24, and only its p-polarized light component illuminates the first light modulation layer 7. The polarization direction of the correlation function readout light 13 that irradiates the first light modulation layer 7 can be set arbitrarily by attaching the polarization beam splitter 24 in a position rotated by an appropriate angle around the optical axis of the correlation function readout light. can be decided. It is assumed that a correlated image corresponding to the correlation function between the correlated image and the reference image is recorded on the first light modulation layer 7 in the same manner as described in the previous embodiments. This correlation image is read out by the correlation function reading light and reaches the polarization beam splitter 24 again. As described above, the light from which this correlation image has been read has its plane of polarization rotated with a spatial distribution corresponding to the correlation image, and enters the polarization beam splitter 24 with an s-polarized component.
【0030】このようにして、光振幅画像に変換された
相関画像は、結像HL27でフォトダイオードアレイ2
9上に結像される。フォトダイオードアレイ29は、結
像された被相関画像と参照画像との相関函数に含まれる
相関ピークを光電変換し、外部の電気処理系に伝送する
。このフォトダイオードアレイ29は、少なくとも前記
相関函数に含まれる相関ピークの個数の半数の光電変換
面を有している必要がある。例えば、被相関画像と参照
画像とが各々1つずつ入力像として第1の光変調層7に
入力された場合は、それに対する相関画像には相関ピー
クが2個現れるため、フォトダイオードアレイ29とし
ては、単一の光電変換面を持ったフォトダイオードもし
くは2分割フォトダイオードを用いる。しかし、一般的
には、被相関画像または参照画像の個数は複数で用いる
場合が多く、そのとき、それらに対する相関函数に対応
する相関画像に含まれる相関ピークの数は複数となるか
らである。もちろん、フォトダイオードアレイ29の代
わりにCCD(Charge Coupled Dev
ice )を用いて、相関函数に対応する相関画像を検
出し、これをビデオ信号に変換してCRTやビデオモニ
ターで観察したり、前記相関画像をデジタル信号に変換
し、コンピュータ等を用いたデジタル画像処理に用いて
もよいことは言うまでもない。The correlation image thus converted into a light amplitude image is sent to the photodiode array 2 at the imaging HL 27.
The image is formed on 9. The photodiode array 29 photoelectrically converts the correlation peak included in the correlation function between the formed correlated image and the reference image, and transmits it to an external electrical processing system. This photodiode array 29 must have at least half the number of photoelectric conversion surfaces as the number of correlation peaks included in the correlation function. For example, if one correlated image and one reference image are each input to the first light modulation layer 7 as input images, two correlation peaks appear in the corresponding correlated image, so the photodiode array 29 uses a photodiode with a single photoelectric conversion surface or a two-split photodiode. However, in general, a plurality of correlated images or reference images are often used, and in that case, a plurality of correlation peaks are included in the correlated images corresponding to the correlation functions therefor. Of course, instead of the photodiode array 29, a CCD (Charge Coupled Dev)
ice) to detect a correlation image corresponding to the correlation function, convert it into a video signal and observe it on a CRT or video monitor, or convert the correlation image into a digital signal and perform digital processing using a computer, etc. Needless to say, it may also be used for image processing.
【0031】また、結像HL27の代わりにセルフォッ
クレンズや小型の球面レンズを用いてもよいことは言う
までもない。ところで、これまで説明した本発明の光パ
ターン認識素子の実施例では、光変調層が分離して形成
されているため、特にこれを液晶を用いて構成しようと
すると、液晶のセル作製や液晶注入が行いにくかった。
そこで、この問題点を解決するための実施例の1例を説
明する。図9は、光書き込み型強誘電性液晶ライトバル
ブの読み出し側基板に平面光学素子を形成した本発明の
光パターン認識素子の構成を示す断面図であり、16c
は透明電極層、17cは配向膜層、18a、18bは強
誘電性液晶層である。なお、図1と同一の構成要素に対
しては、同一の番号を付しその説明を省略する。Furthermore, it goes without saying that a Selfoc lens or a small spherical lens may be used in place of the imaging HL 27. By the way, in the embodiments of the optical pattern recognition element of the present invention described so far, the light modulation layer is formed separately, so if you try to configure this using liquid crystal, it will be difficult to prepare a liquid crystal cell or inject liquid crystal. It was difficult to do. Therefore, one example of an embodiment for solving this problem will be described. FIG. 9 is a cross-sectional view showing the configuration of an optical pattern recognition element of the present invention in which a planar optical element is formed on the read-out side substrate of an optical writing type ferroelectric liquid crystal light valve, and 16c
17c is an alignment film layer, and 18a and 18b are ferroelectric liquid crystal layers. Note that the same components as in FIG. 1 are given the same numbers and their explanations will be omitted.
【0032】この素子が従来の光書き込み型強誘電性液
晶ライトバルブの構造と異なっている点は、第2の透明
基板21側に形成されている透明電極が2分割されてい
る点と、誘電体多層膜ミラー19が素子の中央部のみに
形成されている点と、強誘電性液晶層の層厚が制御され
ている領域が2分割されている点と、透明基板1の表面
に図1で示した平面光学素子が形成されている点である
。誘電体多層膜ミラー19は分割する必要はないが、分
割しないと高い反射率の誘電体多層膜ミラーを形成する
と、透明基板1側からジョイントフーリエ変換像や相関
函数を書き込むことができなくなること、二値化ジョイ
ント変換相関器においては、光変調領域に誘電体多層膜
ミラーを必要とするほどの強い読み出し光が必要となる
場合は少ないからである。The structure of this element differs from the conventional optical writing type ferroelectric liquid crystal light valve in that the transparent electrode formed on the second transparent substrate 21 side is divided into two parts, and the dielectric The multilayer film mirror 19 is formed only in the center of the device, the area where the thickness of the ferroelectric liquid crystal layer is controlled is divided into two, and the surface of the transparent substrate 1 has the structure shown in FIG. The point is that the planar optical element shown in is formed. Although it is not necessary to divide the dielectric multilayer mirror 19, if a dielectric multilayer mirror with a high reflectivity is formed without dividing it, it becomes impossible to write a joint Fourier transform image or a correlation function from the transparent substrate 1 side. This is because, in the binarization joint transform correlator, it is rare that a readout light strong enough to require a dielectric multilayer mirror in the light modulation region is required.
【0033】このような構成にすることによって、強誘
電性液晶の注入・配向工程が簡素化し、また、第1の光
変調層と第2の光変調層とを同時に作製することができ
るようになった。第1の光変調層と第2の光変調層とを
独立に動作させるためには、透明電極層16bを接地し
ておき、透明電極層16a、16bに各々独立に駆動電
圧を印加することにより、強誘電性液晶層18a、18
bを各々独立に励起させて行う。[0033] By adopting such a structure, the injection and alignment process of the ferroelectric liquid crystal can be simplified, and the first light modulation layer and the second light modulation layer can be manufactured at the same time. became. In order to operate the first light modulation layer and the second light modulation layer independently, the transparent electrode layer 16b is grounded, and driving voltages are applied to each of the transparent electrode layers 16a and 16b independently. , ferroelectric liquid crystal layers 18a, 18
This is carried out by independently exciting each of b.
【0034】もちろん、図9に示す構成に図4に示した
ような相関函数読み出し光学系を形成してもよいことは
言うまでもない。また、図9に示す光パターン認識装置
の動作方法は、図2や図3で説明した実施例における光
パターン認識素子の動作方法と同様であることは言うま
でもない。Of course, it goes without saying that a correlation function reading optical system as shown in FIG. 4 may be formed in the configuration shown in FIG. It goes without saying that the operating method of the optical pattern recognition device shown in FIG. 9 is the same as the operating method of the optical pattern recognition element in the embodiments described in FIGS. 2 and 3.
【0035】なお、これまで説明してきた実施例におい
て、透明基板1の上面に形成された第1の偏光ビームス
プリッタ3と第2の偏光ビームスプリッタ5のいづれか
一方は、単なるミラーでもかまわないことは言うまでも
ない。以上説明した光パターン認識素子を用いて、アル
ファベット文字のパターン認識を行ったところ、ビデオ
レート以上の動作速度で認識できることを確認した。ま
た、6文字以下のアルファベット文字を同時に互いに隣
接させて参照画像として用いても正確な文字認識ができ
ることがわかった。本発明の光パターン認識素子のパタ
ーン認識能力は、認識すべき画像の持っている空間周波
数分布によって異なり、文字認識を行う場合よりも、医
療画像や風景写真などに含まれる被相関画像を識別する
場合はパターン認識能力が悪くなるため、この場合は被
相関画像と参照画像は1つずつ用いたほうが好ましい。Note that in the embodiments described so far, either the first polarizing beam splitter 3 or the second polarizing beam splitter 5 formed on the upper surface of the transparent substrate 1 may be a simple mirror. Needless to say. When pattern recognition of alphabetic characters was performed using the optical pattern recognition element described above, it was confirmed that recognition could be performed at an operating speed higher than the video rate. It has also been found that accurate character recognition can be achieved even when six or fewer alphabetic characters are placed adjacent to each other and used as a reference image. The pattern recognition ability of the optical pattern recognition element of the present invention varies depending on the spatial frequency distribution of the image to be recognized, and is better able to identify correlated images included in medical images, landscape photographs, etc. than when performing character recognition. In this case, the pattern recognition ability deteriorates, so in this case, it is preferable to use one correlated image and one reference image.
【0036】[0036]
【発明の効果】以上説明したように、本発明の光パター
ン認識素子は、互いに平行な表面を持つ透明基板の少な
くとも1方の表面上に、外部光導入用の回折格子あるい
はプリズムと、所要の目標を含む少なくとも1つの参照
画像と新たに入力する少なくとも1つの被相関画像とを
含む外部からの画像情報を記録表示する第1の光書き込
み型の光変調層と、平面状フーリエ変換レンズと、前記
第1の光書き込み型の光変調層に記録表示された前記外
部からの画像情報のフーリエ変換を記録表示する第2の
光書き込み型の光変調層と、第2の光書き込み型の光変
調層に記録表示された前記外部からの画像情報のフーリ
エ変換を、再びフーリエ変換することによって得られた
前記参照画像と被相関画像との相関函数を表す相関画像
を記録表示する第3の光書き込み型の光変調層と、光学
多層膜からなる偏光ビームスプリッタと、これら全ての
平面光学素子を光学的に結合する光反射層とを具備して
なる構成とし、特に、第1の光書き込み型の光変調層と
第2の光書き込み型の光変調層として光書き込み型強誘
電性液晶ライトバルブ構造を用いることによって、光学
系を小型化すると同時に、光学系の調整を容易にし、ま
た、ビデオレート以上の高速パターン認識を実現するこ
とができ、自動組立機械などに用いられるマシーンビジ
ョンや医療画像診断システムやその他様々なパターン認
識システムに関する効果は大きい。As explained above, the optical pattern recognition element of the present invention has a diffraction grating or prism for introducing external light on at least one surface of a transparent substrate having surfaces parallel to each other, and a required amount of light. a first optical writing type light modulation layer for recording and displaying external image information including at least one reference image including a target and at least one newly input correlated image; a planar Fourier transform lens; a second optical writing type optical modulation layer for recording and displaying a Fourier transform of the external image information recorded and displayed on the first optical writing type optical modulation layer; and a second optical writing type optical modulation layer. third optical writing for recording and displaying a correlated image representing a correlation function between the reference image and the correlated image obtained by Fourier transforming the external image information recorded and displayed on the layer; The structure includes a light modulation layer of the type, a polarizing beam splitter made of an optical multilayer film, and a light reflection layer that optically couples all of these planar optical elements. By using an optically written ferroelectric liquid crystal light valve structure as the light modulation layer and the second optically written light modulation layer, the optical system can be miniaturized, the optical system can be easily adjusted, and the video rate can be increased. The above-described high-speed pattern recognition can be achieved, and the present invention has great effects on machine vision used in automatic assembly machines, medical image diagnosis systems, and various other pattern recognition systems.
【図1】本発明の光パターン認識素子の1例の構成図で
、(a)は平面図、(b)は断面図である。FIG. 1 is a configuration diagram of an example of an optical pattern recognition element of the present invention, in which (a) is a plan view and (b) is a cross-sectional view.
【図2】本発明の光パターン認識素子の動作工程を示す
工程図であり、(a)は入力像書き込み工程、(b)は
ジョイントフーリエ変換書き込み工程、(c)は相関函
数書き込み工程、(d)は相関函数読み出し工程である
。FIG. 2 is a process diagram showing the operation steps of the optical pattern recognition element of the present invention, in which (a) is an input image writing step, (b) is a joint Fourier transform writing step, (c) is a correlation function writing step, ( d) is a correlation function reading step.
【図3】光変調部に光書き込み型強誘電性液晶ライトバ
ルブを用いた本発明の光パターン認識素子の構成を示す
断面図であり、(a)は全体の構成断面図、(b)は光
変調部の拡大断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view showing the configuration of an optical pattern recognition element of the present invention using an optical writing type ferroelectric liquid crystal light valve in the light modulation section, (a) is a cross-sectional view of the overall configuration, and (b) is a cross-sectional view of the overall configuration. FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view of the light modulation section.
【図4】相関函数読み出し光学系を有する本発明の光パ
ターン認識素子の構成を示す断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view showing the configuration of an optical pattern recognition element of the present invention having a correlation function reading optical system.
【図5】従来の光相関器の1例を示す構成図であり、(
a)はジョイント変換相関器の1例、(b)はヴァンダ
ー・ルクト型光相関器の1例を示す構成図である。FIG. 5 is a configuration diagram showing an example of a conventional optical correlator;
FIG. 2A is a configuration diagram showing an example of a joint transform correlator, and FIG. 1B is a configuration diagram showing an example of a Vander Lucht type optical correlator.
【図6】ジョイント変換相関器における入力像の1例を
示す図である。FIG. 6 is a diagram showing an example of an input image in a joint transform correlator.
【図7】ジョイント変換相関器における相関ピークの1
例を示す図である。[Figure 7] One of the correlation peaks in the joint transform correlator
It is a figure which shows an example.
【図8】ヴァンダー・ルクト型相関器における相関ピー
クの1例を示す図である。FIG. 8 is a diagram showing an example of a correlation peak in a Vander Lucht type correlator.
【図9】光書き込み型強誘電性液晶ライトバルブの読み
出し側基板に平面光学素子を形成した本発明の光パター
ン認識素子の1例の構成を示す断面図である。FIG. 9 is a cross-sectional view showing the structure of an example of an optical pattern recognition element of the present invention in which a planar optical element is formed on the readout side substrate of an optical writing type ferroelectric liquid crystal light valve.
1 透明基板
2 第1のHG
3 第1の偏光ビームスプリッタ
4 HFL
5 第2の偏光ビームスプリッタ
6 第2のHG
7 第1の光変調層
8 第2の光変調層
9 誘電体多層膜ミラー
10a、10b 入力像書き込み光
11 第1のコヒーレント光
12 第2のコヒーレント光
13 相関函数読み出し光
14 第1の光変調部
15 第2の光変調部
16a、16b、16c 透明電極層17a、17b
、17c 配向膜層
18、18a、18b 強誘電性液晶層19 誘電
体ミラー
20 光導電層
21 第2の透明基板
22 スペーサ
23 無反射コーティング
24 偏光ビームスプリッタ
25 保護透明基板
26 第3の透明基板
27 結像HL
28 第4の透明基板
29 フォトダイオードアレイ
30 接着層
31 レーザ
32 ビームエキスパンダ
33 ビームスプリッタ
34 入力像
35 第1のフーリエ変換像
36 光書き込み型液晶ライトバルブ37 偏光ビ
ームスプリッタ
38 第2のフーリエ変換レンズ
39 CCDカメラ
40、41 ミラー
42 マッチドフィルタ
43 DC成分
44 相関ピーク
45 畳込み1 Transparent substrate 2 First HG 3 First polarizing beam splitter 4 HFL 5 Second polarizing beam splitter 6 Second HG 7 First light modulating layer 8 Second light modulating layer 9 Dielectric multilayer mirror 10a , 10b Input image writing light 11 First coherent light 12 Second coherent light 13 Correlation function reading light 14 First light modulator 15 Second light modulator 16a, 16b, 16c Transparent electrode layers 17a, 17b
, 17c alignment film layers 18, 18a, 18b ferroelectric liquid crystal layer 19 dielectric mirror 20 photoconductive layer 21 second transparent substrate 22 spacer 23 anti-reflection coating 24 polarizing beam splitter 25 protective transparent substrate 26 third transparent substrate 27 Imaging HL 28 Fourth transparent substrate 29 Photodiode array 30 Adhesive layer 31 Laser 32 Beam expander 33 Beam splitter 34 Input image 35 First Fourier transform image 36 Optically written liquid crystal light valve 37 Polarizing beam splitter 38 Second Fourier transform lens 39 CCD camera 40, 41 Mirror 42 Matched filter 43 DC component 44 Correlation peak 45 Convolution
Claims (6)
なくとも1方の表面上に、外部光導入用の回折格子ある
いはプリズムと、所要の目標を含む少なくとも1つの参
照画像と新たに入力する少なくとも1つの被相関画像と
を含む外部からの画像情報を記録表示する第1の光書き
込み型の光変調層と、平面状フーリエ変換レンズと、前
記第1の光書き込み型の光変調層に記録表示された前記
外部からの画像情報のフーリエ変換を記録表示する第2
の光書き込み型の光変調層と、第2の光書き込み型の光
変調層に記録表示された前記外部からの画像情報のフー
リエ変換を、再びフーリエ変換することによって得られ
た前記参照画像と被相関画像との相関函数を表す相関画
像を記録表示する第3の光書き込み型の光変調層と、光
学多層膜からなる偏光ビームスプリッタと、これら全て
の平面光学素子を光学的に結合する光反射層とを具備し
てなることを特徴とする光パターン認識素子。1. A diffraction grating or prism for introducing external light, at least one reference image including a desired target, and at least one newly inputted image on at least one surface of a transparent substrate having surfaces parallel to each other. a first optical writing type light modulation layer for recording and displaying external image information including two correlated images; a planar Fourier transform lens; A second device that records and displays the Fourier transform of the image information from the outside.
The reference image obtained by Fourier transforming the external image information recorded and displayed on the second optical writing type light modulation layer and the second optical writing type optical modulation layer is A third optical writing type light modulation layer that records and displays a correlation image representing a correlation function with the correlation image, a polarizing beam splitter made of an optical multilayer film, and a light reflection that optically couples all these planar optical elements. An optical pattern recognition element characterized by comprising a layer.
第3の光書き込み型の光変調層とが同一の光変調層であ
り、前記全ての平面光学素子が1つの平面状フーリエ変
換レンズを中心とした対称の位置に配列されていること
を特徴とする請求項1記載の光パターン認識素子。2. The first optically writable light modulating layer and the third optically writable light modulating layer are the same light modulating layer, and all the planar optical elements have one planar Fourier transform. 2. The optical pattern recognition element according to claim 1, wherein the optical pattern recognition element is arranged at symmetrical positions with respect to the lens.
、光導電層、液晶配向層、光反射率と印加電圧の間に双
安定メモリ性を有する強誘電性液晶層、電圧印加手段か
らなる光書き込み型液晶ライトバルブの読み出し側基板
表面上に形成されていることを特徴とする請求項1また
は2記載の光パターン認識素子。3. All of the planar optical elements include a transparent substrate, a photoconductive layer, a liquid crystal alignment layer, a ferroelectric liquid crystal layer having bistable memory property between light reflectance and applied voltage, and voltage application means. 3. The optical pattern recognition element according to claim 1, wherein the optical pattern recognition element is formed on a surface of a read-out side substrate of an optical writing type liquid crystal light valve.
光変調層が、透明基板、光導電層、液晶配向層、光反射
率と印加電圧の間に双安定メモリ性を有する強誘電性液
晶層、電圧印加手段からなる光書き込み型液晶ライトバ
ルブであることを特徴とする請求項1または2記載の光
パターン認識素子。4. The first to third optically writable light modulation layers include a transparent substrate, a photoconductive layer, a liquid crystal alignment layer, and a ferroelectric material having bistable memory property between light reflectance and applied voltage. 3. The optical pattern recognition element according to claim 1, wherein the optical pattern recognition element is an optical writing type liquid crystal light valve comprising a liquid crystal layer and voltage applying means.
の上に、少なくとも偏光ビームスプリッタ、結像レンズ
、光検出器からなる前記相関画像に含まれる相関ピーク
の検出手段を接着形成したことを特徴とする請求項3ま
たは4記載の光パターン認識素子。5. A means for detecting a correlation peak included in the correlation image, which includes at least a polarizing beam splitter, an imaging lens, and a photodetector, is adhesively formed on the transparent substrate having surfaces parallel to each other. The optical pattern recognition element according to claim 3 or 4.
板の表面をもう1つの透明基板を接着することにより保
護されていることを特徴とする請求項1、2、3、4ま
たは5記載の光パターン認識素子。6. The optical device according to claim 1, wherein the surface of the transparent substrate on which the planar optical element is formed is protected by adhering another transparent substrate. Optical pattern recognition element.
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