JP3486214B2

JP3486214B2 - パターン認識装置

Info

Publication number: JP3486214B2
Application number: JP30662693A
Authority: JP
Inventors: 晴義豊田; 更治市江; 成浩吉田; 直久向坂; 祐二小林; 勉原
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 1993-12-07
Filing date: 1993-12-07
Publication date: 2004-01-13
Anticipated expiration: 2019-01-13
Also published as: JPH07159822A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光相関演算を行ってパ
ターンの認識を行うパターン認識装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】パターンの相関を光演算を用いて行う方
法がいくつか提案されている。例えば、ホログラムを用
いた方法（Vander-Lugt 型の光相関器）や、空間光変調
器を２つ用いた合同変換相関法（Joint Transform Corr
elation:ＪＴＣ）などが報告されている。この内、ホロ
グラムを用いた方法はホログラムマスクの波長精度に正
確な位置合わせが必要であるといった欠点を持つため、
ＪＴＣシステムの方が実用的である。

【０００３】図９は、合同変換相関法を用いて入力パタ
ーンと参照パターンの光相関演算を行う従来のパターン
認識装置の構成を示すブロック図である。同図に示す認
識装置は、高解像度の空間光変調器（ＳＬＭ）２００，
２０１を用いており、入力パターンと参照パターンとか
らなる入力像２１０を液晶投影器２０２に描画させて、
両パターンの一致を検出するものである。入力パターン
と参照パターンはＳＬＭ２００に書き込まれ、レンズ２
０３でフーリエ変換されて、ＳＬＭ２０１上にフーリエ
パターン２１１を形成する。このフーリエパターン２１
１はレンズ２０４によって、もう一度フーリエ変換され
て、入力パターンと参照パターンの相関値に応じた相関
信号像２１２がＣＣＤカメラ２０５に与えられる。ＣＣ
Ｄカメラ２０５に与えられた相関信号像２１２は、画像
計測装置２０６で画像処理され、入力パターンと参照パ
ターンが同一のパターンであるか検出される。

【０００４】入力パターンと参照パターンが一致してい
る場合には、ＣＣＤカメラ２０５に与えられた相関信号
像２１２は、原パターンの強度に応じた０次光の点が中
央に現れ、２つの輝度の高い±１次光の点が入力パター
ン，参照パターンの距離に対応して左右に現れた像とな
る。ここで、この相関信号像２１２の０次光点と−１次
光点の距離ｄは、入力パターンと参照パターンとの距離
ｄ１に比例する。

【０００５】このようなＪＴＣ装置を用いた従来のパタ
ーン認識装置は、特願昭５６−２３９２５公報、特開平
３−２０４６２５公報，特開平３−２８０１７９公報，
特開平４−１１６７１０公報、特開平４−１１５２４１
公報、特開平４−１５８３３２公報などの文献に記載さ
れている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、従来のパタ
ーン認識装置は、２度のフーリエ変換を行うために、Ｓ
ＬＭとフーリエ変換レンズを２組必要とする。そのた
め、システムの規模が大きくなり、問題であった。

【０００７】本発明は、このような問題を解決して、簡
単なシステム構成で動作するコンパクトでローコストな
パターン認識装置を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明のパターン認識装置は、（ａ）コヒーレント
光をフーリエ変換するフーリエ変換レンズと、（ｂ）入
力パターンと少なくとも１つ以上の参照パターンを入力
して、これらのパターンの情報を持った第１のコヒーレ
ント光をフーリエ変換レンズに入射させる第１の空間光
変調手段と、（ｃ）第１のコヒーレント光をフーリエ変
換レンズで変換して得られる第１のフーリエ変換像を入
力して、この第１のフーリエ変換像の情報を持った第２
のコヒーレント光を、この第２のコヒーレント光の光軸
が第１のコヒーレント光の光軸と一致しないように、第
１のコヒーレント光と異なる入射角度で且つ第１のコヒ
ーレント光と同じ側からフーリエ変換レンズに入射させ
る第２の空間光変調手段と、（ｄ）第２のコヒーレント
光をフーリエ変換レンズで変換して得られる第２のフー
リエ変換像を入力して、入力パターンと参照パターンが
同一のパターンであるか検出する検出手段とを備え、第
１の空間光変調手段は、フーリエ変換レンズの光軸上で
且つ光軸と所定の出力面とが垂直になるように配置さ
れ、出力面から第１のコヒーレント光を出力する第１の
空間光変調器と、第１の空間光変調器の出力面と反対側
の面に入力パターンと少なくとも１つ以上の参照パター
ンを入力する入力装置とを備え、第２の空間光変調手段
は、第１の空間光変調器とフーリエ変換レンズとの間の
光軸上で且つ光軸と４５度傾くように配置され、第１の
コヒーレント光を透過させると共に第２のコヒーレント
光を反射させるハーフミラーと、ハーフミラーの面と垂
直な光軸を含む面に沿った、ハーフミラーの面上で光軸
と垂直に交差する直線上に配置され、所定の出力面がこ
の直線と垂直な面に対してわずかに傾くように調整され
た、出力面から第２のコヒーレント光を出力する第２の
空間光変調器とを備え、さらに、パターン認識装置は、
フーリエ変換レンズを通過した第１のコヒーレント光を
第２の空間光変調器の出力面と反対側の面に入力させ、
且つフーリエ変換レンズを通過した第２のコヒーレント
光を検出手段の所定の検出面に入力させる光学系を備え
る。

【０００９】

【作用】本発明のパターン認識装置によれば、入力パタ
ーンと少なくとも１つ以上の参照パターンが第１の空間
光変調手段に入力され、これらのパターンの情報を持っ
た第１のコヒーレント光が出射される。第１のコヒーレ
ント光はフーリエ変換レンズに入射され、第１のフーリ
エ変換像が形成される。この第１のフーリエ変換像が第
２の空間光変調手段に入力され、この第１のフーリエ変
換像の情報を持った第２のコヒーレント光が出射され
る。第２のコヒーレント光は再びフーリエ変換レンズに
入射され、第２のフーリエ変換像が形成される。この第
２のフーリエ変換像が検出手段に入力され、第２のフー
リエ変換像上に現れる相関パターンから入力パターンと
参照パターンが同一のパターンであるか検出される。

【００１０】このように、第１のコヒーレント光と第２
のコヒーレント光は同一のフーリエ変換レンズに入射さ
れる。しかし、これらのコヒーレント光のフーリエ変換
レンズへの入射角度は異なるので、第１のコヒーレント
光がフーリエ変換して得られる第１のフーリエ変換像
と、第２のコヒーレント光がフーリエ変換して得られる
第２のフーリエ変換像の結像点は異なった位置となる。
このため、第２のフーリエ変換像は第１のフーリエ変換
像と分離して取り出すことができる。

【００１１】

【実施例】以下、本発明の一実施例について添付図面を
参照して説明する。図１は本実施例に係るパターン認識
装置の概要を示すブロック図である。同図より、本実施
例のパターン認識装置は、入力パターンと参照パターン
を入力して、これらのパターンの情報を持ったコヒーレ
ント光１１に変換する空間光変調器（以下、ＳＬＭとい
う）１０と、コヒーレント光１１，３１を光学的にフー
リエ変換するフーリエ変換レンズ２０と、フーリエ変換
像２１を入力して、このフーリエ変換像２１の情報を持
ったコヒーレント光３１に変換するＳＬＭ３０とを備え
る。また、コヒーレント光３１がフーリエ変換レンズ２
０で変換されたフーリエ変換像２２を入力して、フーリ
エ変換像２２上に現れる相関パターンから相関値データ
を検出する光検出器４０と、光検出器４０で検出された
相関値に基づいて入力パターンと参照パターンが同一の
パターンであるか判定する制御装置５０とを備える。さ
らに、入力パターンと参照パターンを表示するＣＲＴ６
０と、ＣＲＴ６０に表示された入力パターンと参照パタ
ーンをＳＬＭ１０の入力面１０ａに結像させる書き込み
レンズ７０とを備える。

【００１２】次に、本実施例のパターン認識装置の動作
について説明する。ＣＲＴ６０には、制御装置５０の指
示により入力パターンと参照パターンとが並べて表示さ
れる。このときの表示画像の例を図２（ａ）に示す。図
２（ａ）は指紋パターンを用いた表示例であり、左側の
像が入力パターン、右側の像が参照パターンである。

【００１３】図示したような入力パターンと参照パター
ンからなる入力像は、書き込みレンズ７０によりＳＬＭ
１０の入力面１０ａに結像され、入力像の情報が書き込
まれる。そして、ＳＬＭ１０への読み出しレーザ光の照
射によって、入力像の情報を持ったコヒーレント光１１
が出射される。このコヒーレント光１１は、フーリエ変
換レンズ２０に入射してフーリエ変換像２１に変換され
る。このフーリエ変換像２１は、ＳＬＭ３０の入力面３
０ａに結像され、フーリエ変換像２１の情報が書き込ま
れる。このフーリエ変換像２１の例を図２（ｂ）に示
す。

【００１４】そして、ＳＬＭ３０への読み出しレーザ光
の照射によって、フーリエ変換像の情報を持ったコヒー
レント光３１が出射される。このコヒーレント光３１
は、フーリエ変換レンズ２０に再び入射してフーリエ変
換像２２に変換される。このフーリエ変換像２２上に
は、入力パターンと参照パターンの相関パターンが現れ
る。このフーリエ変換像２２の例を図２（ｃ）に示す。
ここで、コヒーレント光３１は、コヒーレント光１１と
入射角度を変えている。このため、フーリエ変換像２２
の結像位置は、フーリエ変換像１１の結像位置であるＳ
ＬＭ３０の入力面３０ａと異なった位置となる。この結
像位置には光検出器４０が備えられていて、フーリエ変
換像２２上に現れる相関パターンの相関値データが光強
度として検出される。相関値データは、制御装置５０に
与えられ、例えばしきい値処理によって、入力パターン
と参照パターンが同一のパターンであるか判定される。
つまり、相関を示す強度値があらかじめ定められたしき
い値以上の場合は同一パターンであると判断するのであ
る。この判定結果は、ＣＲＴなどに表示され、操作者に
パターン認識結果として知らせることができる。

【００１５】次に、本実施例を詳細に示した具体例につ
いて図３を用いて説明する。この具体例に係るパターン
認識装置は、ＳＬＭ１０とフーリエ変換レンズ２０が対
向して配置されており、ＳＬＭ１０とフーリエ変換レン
ズ２０の間にフーリエ変換レンズ２０の光軸と４５度の
角度でハーフミラー８０が配置されている。さらに、フ
ーリエ変換レンズ２０の光軸と直交する線上の一端にＳ
ＬＭ３０が、他端にレーザ光源９０およびコリメータレ
ンズ９１が配置されている。したがって、レーザ光源９
０から出射した読み出しレーザ光の内、ハーフミラー８
０を透過したレーザ光がＳＬＭ３０に照射され、ハーフ
ミラー８０で反射したレーザ光がＳＬＭ１０に照射され
る。そして、ＳＬＭ１０へのレーザ光の照射によって読
み出された（出射した）コヒーレント光１１はハーフミ
ラー８０を透過してフーリエ変換レンズ２０に与えられ
る。さらに、ＳＬＭ３０へのレーザ光の照射によって読
み出された（出射した）コヒーレント光３１はハーフミ
ラー８０で反射してフーリエ変換レンズ２０に与えられ
る。

【００１６】フーリエ変換レンズ２０で変換されたフー
リエ変換像２１は、反射ミラー８１〜８３を介して、Ｓ
ＬＭ３０の入力面３０ａに結像する。ここで、ＳＬＭ１
０はフーリエ変換レンズ２０の光軸に対して出射面１０
ｂが垂直になるように配置されている。これに対して、
ＳＬＭ３０はフーリエ変換レンズ２０の光軸と直交する
線分に対してある角度だけ傾けて配置されている。この
ため、ＳＬＭ１０から出射したコヒーレント光１１がフ
ーリエ変換レンズ２０に入射する角度と、ＳＬＭ３０か
ら出射したコヒーレント光３１がフーリエ変換レンズ２
０に入射する角度とは異なった角度になる。本具体例で
は、反射ミラー８１，８２に比べて反射ミラー８３は、
面積の小さなミラーを用いている。このため、フーリエ
変換レンズ２０を透過したコヒーレント光３１は、反射
ミラー８３で反射されずに反射ミラー８３の横を通過
し、光検出器４０の検出面４０ａ上にフーリエ変換像２
２が結像される。このように、本具体例では、ＳＬＭ３
０を傾けて配置することにより、フーリエ変換像２１と
フーリエ変換像２２の結像位置を分離させることができ
る。このため、従来の相関値の検出ではフーリエ変換レ
ンズを２枚必要としていたが、本具体例（および本実施
例）ではフーリエ変換レンズ２０を１枚しか必要としな
い。このように、本具体例（および本実施例）は従来に
比べて、システム構成が簡単になり、コンパクトで、ロ
ーコストなパターン認識装置が提供できる。

【００１７】ところで、フーリエ変換レンズを１個用い
てＪＴＣを行う従来のシステムは、既に平４−３２３６
２３公報の文献において考案されている。しかしなが
ら、この従来のシステムでは、フーリエ変換レンズの両
側にＳＬＭをそれぞれ配置され、各ＳＬＭからのコヒー
レント光がフーリエ変換レンズの両側から入射する。こ
のため、フーリエ変換レンズの両側にフーリエ変換像が
できることとなり、フーリエ変換レンズの両側にそれぞ
れ焦点距離ｆだけの空間が必要となる。よって、レンズ
は１枚で構成できるが、装置の大きさをコンパクトにす
ることができない。

【００１８】さらに、フーリエ変換レンズには、精度向
上や焦点距離の短縮（望遠タイプのレンズを利用）のた
めに、組合せレンズを用いることが多い。こうした組み
合わせレンズは、光入射方向を決めた上で、収差が最小
に最適化されて設計されている。ところが、両方向から
の光入射がある従来のシステムでは、収差が大きくなる
ために、こうした高性能フーリエ変換レンスを利用する
ことができない。また、この従来のシステムでは、波長
の異なった２つのレーザを必要としており、複雑なシス
テム構成となる。本具体例（および本実施例）は、この
ような問題の生じない優れた装置である。

【００１９】図３の具体例では、ＳＬＭ１０及びＳＬＭ
３０に、光アドレス型のＳＬＭを用いている。図４に、
代表的な光アドレス型のＳＬＭ１００の構成を示す。同
図より、ＳＬＭ１００は、内面に透明電極１０１が形成
された２枚のガラス基板１０２の間に、アモルファスシ
リコン（ａ−Ｓｉ）層１０３、誘電体ミラー１０４及び
液晶層１０５を挟んだサンドイッチ構造を有している。
そして、ａ−Ｓｉ層１０３側に書き込み光１０６が、液
晶層１０５側に読み出し光１０７がそれぞれ入射され
る。書き込み光１０６が与えられない状態では、ａ−Ｓ
ｉ層１０３のインピーダンスは非常に高く、電圧を透明
電極１０１間に印加しても液晶層１０５に与えられる電
圧は僅かである。書き込み光１０６を与えるとａ−Ｓｉ
層１０３のインピーダンスは下がり、液晶層１０５に加
わる電圧は書き込み光１０６に応じて上昇し、液晶分子
が動く。ここで読み出し光１０７を液晶層１０５側に照
射することにより読み出し光１０７は変調され、コヒー
レント光像が得られる。

【００２０】一般の液晶ＴＶ等に用いられているのはツ
イストネマティック液晶であり、この液晶を用いたＴＮ
ＬＣ−ＳＬＭが、ＳＬＭ１０，３０に利用できる。ま
た、ＦＬＣ（強誘電性液晶）を光変調材料として用いた
ＦＬＣ−ＳＬＭを用いれば高速な応答が実現できる。さ
らに、回析効率を向上させることを目的として液晶軸を
平行に配向したネマティック液晶ＳＬＭ（位相変調型Ｓ
ＬＭ）を利用することによってシステムの高機能化が可
能である。この場合、位相変調であるため明るいフーリ
エ変換像が得られる。これによって、認識時のＳ／Ｎが
向上できると同時に、高速応答（１０ミリ秒以下）が達
成できる。これは、位相変調型ＳＬＭの駆動電圧に対す
る感度と応答速度の関係を示す図５のグラフからも判る
ように、位相変調型ＳＬＭの動作特性は、駆動電圧を上
げるほど応答速度が速くなるが、感度が劣化する特性を
持つからである。そのため、明るいフーリエ変換像が得
られている場合には、駆動電圧を上げることができ、シ
ステムの応答速度が向上する。図５のグラフの横軸は駆
動電圧であり、縦軸は感度と上昇時間である。ここで、
感度とは位相をπ変調するのに必要な光量（単位μＷ／
ｃｍ²、波長６８０ｎｍ）をいい、上昇時間とは位相を
π変調した場合の１０％〜９０％の上昇に必要な時間
（強度変調で測定、単位ｍｓｅｃ）をいう。

【００２１】ＳＬＭ１０は、電気アドレス型のＳＬＭ
（例えば液晶ＴＶ）によっても構成できる。その具体例
を図６に示す。同図のシステム構成が図３のシステム構
成と異なるのは、制御装置５０からの入力像（入力パタ
ーン＋参照パターン）の信号が直接、電気アドレス型の
ＳＬＭ１１０に入力されている点である。それ以外の構
成は図３のシステム構成と同じである。したがって、こ
の具体例の処理は、制御装置５０からの入力像の信号が
ＳＬＭ１１０に電気的に書き込まれる以外は、図３のシ
ステムと同様の処理が行われる。本具体例では、反射型
電気アドレスＳＬＭの代わりに、透過型の液晶ＴＶを用
いてもよい。この場合には透過像がフーリエ変換系に入
力されるように、読み出し光学系（レーザ光源、コリメ
ータレンズ）を配置する必要がある。

【００２２】さらに、このＳＬＭとして、入出力特性が
非線形なものを用いた場合に、入力光強度の影響の少な
い相関器が実現できる。図７に、ａ−Ｓｉ（アモルファ
スシリコン）とネマティック液晶を用いたＳＩＭの入出
力特性の例を示す（縦軸：位相変調度、横軸：入力光強
度）。この図より、ＳＬＭの位相変調度は入力光強度の
対数にほぼ比例した特性を持つことが判る。

【００２３】この特性を持つＳＬＭを用いて、相関器を
構成した場合の相関強度と入力光強度の関係を図８に示
す。この図より、最大相関強度の５０％が得られる領域
は、１５μＷ／ｃｍ²〜１ｍＷ／ｃｍ²程度であること
が判る。

【００２４】これまで、光相関器では、入力光強度が変
化すると、それに比例して相関強度が変化したが、この
ような非線形的な入出力特性を持つＳＬＭを用いること
で、入力光強度の変化の影響の少ない光相関器が実現で
きる。

【００２５】なお、本実施例では、ＣＲＴ６０の代わり
に、液晶ディスプレイやプラズマディスプレイなどのそ
の他のディスプレイ装置を用いてもよい。

【００２６】

【発明の効果】本発明のパターン認識装置は、１枚のフ
ーリエ変換レンズでフーリエ変換を２回行って、相関パ
ターンを検出している。このため、２枚のフーリエ変換
レンズを必要とした従来の装置に比べてシステム構成が
簡単になり、装置の小型化および製造コストの低減が図
れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施例に係るパターン認識装置の概要を示す
ブロック図である。

【図２】入力像、フーリエ変換像を示す図である。

【図３】本実施例の具体的な構成を示す図である。

【図４】ＳＬＭの構造を示す断面図である。

【図５】位相変調型ＳＬＭの駆動電圧に対する感度と応
答速度の関係を示す図である。

【図６】本実施例の具体的な構成を示す図である。

【図７】位相変調型ＳＬＭの入出力特性を示す図であ
る。

【図８】入力光強度の変化による相関強度への影響を示
す図である。

【図９】従来のパターン認識装置の構成を示すブロック
図である。

【符号の説明】

１０，３０，１００，１１０…空間光変調器、１１，３
１…コヒーレント光、２０…フーリエ変換レンズ、２
１，２２…フーリエ変換像、４０…光検出器、５０…制
御装置、６０…ＣＲＴ、７０…書き込みレンズ、８０…
ハーフミラー、８１〜８３…反射ミラー、９０…レーザ
光源、９１…コリメータレンズ、１０１…透明電極、１
０２…ガラス基板、１０３…アモルファスシリコン層、
１０４…誘電体ミラー、１０５…液晶層、１０６…書き
込み光、１０７…読み出し光。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者向坂直久静岡県浜松市市野町1126番地の１浜松ホトニクス株式会社内 (72)発明者小林祐二静岡県浜松市市野町1126番地の１浜松ホトニクス株式会社内 (72)発明者原勉静岡県浜松市市野町1126番地の１浜松ホトニクス株式会社内 (56)参考文献特開平４−116710（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−185719（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G02F 3/00 502

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】コヒーレント光をフーリエ変換するフー
リエ変換レンズと、入力パターンと少なくとも１つ以上の参照パターンを入
力して、これらのパターンの情報を持った第１のコヒー
レント光を前記フーリエ変換レンズに入射させる第１の
空間光変調手段と、前記第１のコヒーレント光を前記フーリエ変換レンズで
変換して得られる第１のフーリエ変換像を入力して、こ
の第１のフーリエ変換像の情報を持った第２のコヒーレ
ント光を、この第２のコヒーレント光の光軸が前記第１
のコヒーレント光の光軸と一致しないように、前記第１
のコヒーレント光と異なる入射角度で且つ前記第１のコ
ヒーレント光と同じ側から前記フーリエ変換レンズに入
射させる第２の空間光変調手段と、前記第２のコヒーレ
ント光を前記フーリエ変換レンズで変換して得られる第
２のフーリエ変換像を入力して、入力パターンと参照パ
ターンが同一のパターンであるか検出する検出手段とを
備え、前記第１の空間光変調手段は、前記フーリエ変換レンズ
の光軸上で且つ前記光軸と所定の出力面とが垂直になる
ように配置され、前記出力面から前記第１のコヒーレン
ト光を出力する第１の空間光変調器と、前記第１の空間
光変調器の前記出力面と反対側の面に入力パターンと少
なくとも１つ以上の参照パターンを入力する入力装置と
を備え、前記第２の空間光変調手段は、前記第１の空間光変調器
と前記フーリエ変換レンズとの間の前記光軸上で且つ前
記光軸と４５度傾くように配置され、前記第１のコヒー
レント光を透過させると共に前記第２のコヒーレント光
を反射させるハーフミラーと、前記ハーフミラーの面と
垂直な前記光軸を含む面に沿った、前記ハーフミラーの
面上で前記光軸と垂直に交差する直線上に配置され、所
定の出力面がこの直線と垂直な面に対してわずかに傾く
ように調整された、前記出力面から前記第２のコヒーレ
ント光を出力する第２の空間光変調器とを備え、さらに、前記フーリエ変換レンズを通過した前記第１の
コヒーレント光を前記第２の空間光変調器の前記出力面
と反対側の面に入力させ、且つ前記フーリエ変換レンズ
を通過した前記第２のコヒーレント光を検出手段の所定
の検出面に入力させる光学系を備えることを特徴とする
パターン認識装置。
【請求項２】前記第１の空間光変調器および前記第２
の空間光変調器の少なくとも一方が位相変調型空間光変
調器であることを特徴とする請求項１に記載のパターン
認識装置。