JP4278870B2 - 折返された光軸を有し、グレイスケール空間光変調器を使用する高出力反射型光学的相関器 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の背景】
【発明の分野】
この発明は一般的に、光学的相関器システムの改良に関し、より特定的には、未知の物体の向上した光検出を提供するための新しい改良された光学的相関器構造に関する。
【０００２】
【関連技術の説明】
目標または異常の場所をつきとめかつ識別することが可能な、小型で低電力で低コストのパターン認識システムは、軍用、医療用および安全用を含む多くの応用において要求される。光学的相関器は、寸法、電力および／または重量において匹敵するデジタルシステムよりも、高速で２次元のパターン認識を行なうことができる。
【０００３】
軍用および商業用の両方において、実時間パターン認識またはパターン解析の現在の問題の多くは、相関を使用することで解決され得る。軍隊の任務は、目標検出、目標認識、弾薬誘導および他の多くの応用のために実時間パターン認識機能を要求する。商業の応用は、医療用、情報用、法律の執行、保安、ロボット工学および工場検査の、多くの応用のためにパターン解析機能を要求する。特定的には、頑丈で低コストであり、低電力の構成を有し、非常にコンパクトで、温度に影響されず軽量である光学的相関パターン認識システムが要求される。実時間速度におけるロバストなパターン認識への処理要求は非常に高い。現在および短期的なデジタル的な解決法は、コスト、寸法、重量および電力要求に関して、多くの応用に対してまだ実用的ではない。
【０００４】
この発明の譲受人に譲渡される米国特許第５３１１３５９号の、折返された非対称の軸を有する反射型光学的相関器は、実時間速度で要求される処理力を提供する、小さく軽量で、より低電力なパッケージの光学的相関パターン認識システムを開示する。
【０００５】
図１は、米国特許第５３１１３５９号の反射型光学的相関器システムを示す。光学的相関器システム１０は、面状の支持本体１２を有し、該支持本体１２は不規則な周辺１４および、該支持本体の不規則な周辺１４に沿って選択された場所に形成される複数のシステムステーション１６、１８および２４を備える。複数の反射光学成分(component)は能動１６および受動１８の両方であり、選択されたシステムステーションに位置決めされる。電磁放射ソース２０が第１のシステムステーションに位置決めされる。電磁放射ソース２０は、たとえばコヒーレント光ビームを発してもよく、該コヒーレント光ビームは、反射光学成分１６および１８によって拘束されるか、または定められる、面状の本体１２内の折返された非対称的な光軸または光路２２を進む。光路２２は、最後のシステムステーションに位置決めされる検出器２４において終わる。
【０００６】
図２は、中で図１の光学的相関器１０が使用可能である光学的相関器システムを示す。光学的相関器１０の特に好ましい構造は米国特許第５３１１３５９号に開示される。米国特許第５３１１３５９号の全体の開示がここに引用により援用される。
【０００７】
図２のシステム図によって、光学的相関器１０の動作の基本的な概念が例示される。光学的相関器システムによって処理されるべき像４６は入力センサ４４によって検知されてもよく、該入力センサ４４は外部のデジタルカメラまたは処理されるべき像／信号データの他のいかなるソースであってもよい。検知されたデータは像プリプロセッサであるデータフォーマッタ４２に与えられ、これはデータを入力センサ４４から取入れ、空間光変調器（ＳＬＭ）２８の入力駆動電子部品３４のためにフォーマットする。ＳＬＭ２８は、レーザダイオードであってもよい放射ソース２０からのコヒーレント光のビームにより照射される。入力電子部品３４によってＳＬＭ２８に与えられるデータは、レーザ２０からの偏光レンズ２４を通過した光ビームをパターン化する。ＳＬＭ２８は、パターン化された光ビームを第１の凹面鏡２６に反射し、これは受取ったパターン化された情報を第１の偏光子２７を通して第２の空間光変調器（ＳＬＭ）３０へパターン化されたフーリエ変換ビームとして反射する。この第２のＳＬＭ３０はまた、フィルタ駆動電子部品３６内のフィルタ記憶装置からポストプロセッサ４０によって指示される、期待される(anticipated)像を表わすフィルタデータも受取る。このフィルタデータは、前処理されたフーリエ変換パターンの形である。第２のＳＬＭ３０は、パターン化されたフーリエ変換ビームを、フィルタデータベース３６からの既知のフィルタのフーリエ変換パターンで変換されると同時に受取る。これは整合が起こるところで２つのフーリエパターンの乗算を引起こし、整合しないところでは０をもたらす。第２のＳＬＭ３０の組合されたパターンは、第２の凹面鏡２９に反射される。第２の凹面鏡２９は、ＳＬＭ３０の組合されたパターンのフーリエ変換を反射し、第２の偏光子３１を通してＣＣＤアレイのような高速光検出器アレイ上に焦点を合わせる。パターン化ビームＣＣＤ検出器アレイ３２は結果として生じる像を捕らえる。検出器電子部品３８およびポストプロセッサ４０は検出した情報を使用して出力４８を生成し、これはデータベースからのフィルタ像によって定められた原入力像４６の位置を表示する。表示の振幅は、相関の程度を示す。
【０００８】
空間光変調器およびフーリエ変換レンズを使用する光学的相関器システムおよび構造のさらなる詳細な例および説明は、米国特許第５４１８３８０号を参照されたい。
【０００９】
この発明は、これらの先行技術のシステムから改良された折返され分割される光学的像プロセッサを提供する。
【００１０】
【発明の概要】
パターン認識プロセッサは、改良された折返され分割された像プロセッサを使用して、面状の支持本体の中の折返された光路の中で受動成分と改良された能動成分とを組合せ、グレイスケール入力空間光変調器からの電磁放射のパターンを制御する。入力空間光変調器は、像情報を受光した電磁放射または可視コヒーレント光の上にパターン化し、これを相関フィルタは既知のグレイスケールフィルタパターンとの相関のために第２のグレイスケール空間光変調器である相関フィルタに与える。相関された入力センサパターンおよびフィルタパターンは電荷結合素子である検出器上に焦点を合わされ、空間情報として検出されるが、ここでは光点の位置がマッチドフィルタパターンに対する原パターンの相関を識別し、さらに光の振幅が相関の程度を識別する。
【００１１】
この発明の正確な性質およびその目的と利点は、関連の図面と合わせて以下の詳細な説明を考慮することにより容易に明らかになるものである。図面はその全体を通して同じ部分には同じ符号が付される。
【００１２】
【好ましい実施例の説明】
以下の説明は、当業者に対しこの発明の実施を可能にし、この発明を実行するために発明者によって企図される最適な方法を明らかにするものである。しかしながら、この発明の一般的な原則は、ここにこの発明の光学的相関器５２の好ましい実施例を提供するために特定的に規定されるので、当業者にはさまざまな修正例が簡単に明らかになるであろう。光学的相関器５２は面状の支持本体５０を含み、これは、すべての受動および能動光学成分が、振動および温度変動を有するさまざまな厳しい環境の中で、互いに対して固定され安定した構成に保たれるように、好ましくは、透明溶融石英（ＳｉＯ₂）またはゼロデュア（Zerodure）として知られるガラスセラミックまたはそれに類似の素材から形成される。。
【００１３】
非対称であり折返された光路７０は、電磁エネルギソース５５から始まるいくつかの連続的な経路線分を有し、該エネルギソース５５は好ましくはダイオードレーザまたは類似の装置であり、光路７０はＣＣＤ平面アレイ６７のようなピクセル検出器で終わる。レーザ５５からのエネルギビームは、好ましくは２５６×２５６平面ピクセルアレイを備えるグレイスケール空間光変調器である第１のＳＬＭ５３に向けられる。
【００１４】
米国特許第５１４８４９６号に記載のように、アレイ寸法は光路長２２に寄与する機能である。中心から中心までの一定のピクセル間隔とエネルギビーム波長とを想定すると、アレイ寸法は直接焦点長に比例する。したがって、１２８×１２８アレイは、２５６×２５６アレイで使用される折返された非対称本体５０の折返された光路長の半分を使用するであろう。
【００１５】
グレイスケール空間光変調器技術は、アナログ強誘電性液晶（ＦＬＣ）材料またはアナログ空間光変調器に基づく。ＦＬＣ材料はその準ミリ秒の応答時間のために、ネマティック材よりも一般的である。
【００１６】
２値およびアナログ空間光変調器技術は、空間光変調器に入射する光のような電磁放射の出入りの流路を定める(channels)。２値空間光変調技術は、２値振幅（０：１）または２値位相（−１：１）技術に基づく。後者はバイポーラ振幅変調器のデジタル版である。２値技術は、振幅および位相のいずれであっても、信号の一括(full swing)変調または段階的な(stop-to-stop)変調に基づく。米国特許第５３８６３１３号は、反射型光磁気空間光変調器（Ｒ／ＭＯＳＬＭ）に基づく３値位相技術を記載する。この装置は３つの状態（−１：０：１）の変調を有する。３値技術もまた段階的な変調（−１：１）であるが、中心合わせまたはオフポジション（０）を備える。
【００１７】
アナログ技術は、正と負（−１…１）の両方を合わせた範囲である変調深さの制御されたティルトに基づく。現在の動作速度では、１６と同等またはそれより多いグレイレベル（４ビット）を得ることができる。速度は、ＦＬＣ材料の純度および設計された動作温度の関数である。いくつかの要素がアナログ空間光変調技術に適合する。それらはティルト範囲制御、変調深さおよびティルト精度である。ティルト範囲制御は、空間光変調器副成分の整関数であり、製造に依存する。この関数は所与の入力信号の組にマッピングされたティルト値のテーブルである。変調深さはＦＬＣ材料選択の関数である。変調深さの値が高ければ、他の２つの要素（ティルト範囲制御およびティルト精度）のよりよい制御をもたらす。さらにティルト精度は、ティルト範囲制御において、同じ組立に対する同じ信号に対してまた他の組立にわたっても求められる同じティルト値を繰返す能力である。この発明の光学的相関器は２つの空間光変調器を使用するため、それらは整合していなければならない。したがって、アナログ空間光変調器の各々は、３つの要素すべてに基づく整合要求を有する。要素は既知の制御を用いて組立に予め設計されてもよいし、組立後の測定値の結果であってもよい。
【００１８】
ＳＬＭ５３は、入力像データを受取り、受取ったエネルギビーム７０を、像データでパターン化し、第１のトーリック鏡５７に反射する。凹面や球面とは異なり、トーリック鏡は２つの曲率半径を有する。トーリック鏡と凹面鏡または球面鏡とは正方形と方形とに類似し、球面鏡（Ｒｘ＝Ｒｙ）はトーリック鏡（Ｒｘ≠Ｒｙ）の特別な場合である。これらの半径（Ｒｘ、Ｒｙ）はメリジオナル平面（ｘ−ｚ）に対する曲率半径であり、メリジオナル平面に対する曲率半径はサジタル平面（ｙ−ｚ）に沿った曲率半径とは異なる（図５）。違いの理由は、光路長を折返す機能である鏡の反射角にある。サジタル平面は、ジグザグ経路を見下ろして観察したビーム経路の面、図６である。メリジオナル平面は、ビーム経路に沿って観察したビーム経路の面、図７である。
【００１９】
球面鏡に垂直なビームは、メリジオナル平面および図６のサジタル平面において同じ焦点長を有する。しかし、球面鏡に垂直な角度から外れる入射角のビームは、２つの半径が同じであるとき、すなわちＲ_x＝Ｒ_yであるとき、より短い焦点長ｆ_x＜ｆ_yを有する（図７）。入射角θを計算に入れると以下のとおりである。
【００２０】
【数１】

【００２１】
トーリック鏡がなければ、メリジオナル平面の像情報は、次のステーションの像平面において完全なフーリエ変換になるであろうし、ビームのサジタル平面部分は像平面に先だって起こるであろう（図７）。後者は、像平面において不適切なフーリエ変換をもたらすであろう。トーリック鏡に対し球面鏡を使用することを規定する最適および最小の角度（θ_min）がある。その値は鏡の半径の延長可能性(producibility)と、２つの半径を区別(differentiate)する能力との関数である。
【００２２】
トーリック鏡５７は、その上に入射するパターン化されたエネルギビームの第１のフーリエ変換を生成し、そのフーリエ変換されたエネルギビームを偏光子６７を通してこれもまたグレイスケール空間光変調器である第２のＳＬＭ５９に反射する。第２のグレイスケールＳＬＭ５９はフーリエ変換されたエネルギビームに加え、フィルタデータベースからの既知のグレイスケールフィルタパターンのフーリエ変換を受取る。入力像パターンおよびフィルタパターンの２つのフーリエパターンの組合せは、ピクセルごとに整合したフーリエ信号の乗算をもたらす。第２のＳＬＭすなわちフィルタＳＬＭ５９は、組合されたパターンを第２のトーリック鏡６１に反射し、これは組合されたパターンビームに第２のフーリエ変換を行ない、それを平坦な鏡６３に反射する。平坦な鏡６３は受取ったエネルギビームを第３のトーリック鏡６５へ反射する。２つのトーリック鏡６１および６５および平坦な鏡６３は合わせて第２のトーリック鏡６１からのパターン化されたエネルギビームをＣＣＤ検出器６７のピクセルアレイ上に収束するように機能する。この組合せは、パターン化されたビームのメリジオナル部分およびサジタル部分の完全なフーリエ変換を４：１縮小(reduction)で完成させる。
【００２３】
メリジオナル長さ（ｆｘ_61-63＋ｆｘ_63-65＋ｆｘ_65-67）＝サジタル長さ
（ｆｙ_61-63＋ｆｙ_63-65＋ｆｙ_65-67）
２つのトーリック鏡を使用することは、延長可能性の問題である。トーリック鏡６１および６５の代わりに単一のトーリック鏡を使用すると、トーリック鏡６１および６５のいずれかのサジタル半径およびメリジオナル半径が２倍となるであろう。現在では、単一のトーリック鏡の延長可能性の質は、２つのトーリック鏡の場合よりもはるかに危ういものである。この発明の原則は、単一、２重、３重のトーリック設計によっては達成されないであろう。
【００２４】
偏光子６９は、トーリック鏡６１および平坦な鏡６３の間のパターン化されたビームの中に置かれる。この偏光子６９は、第２のＳＬＭ５９の後ろであればどこに置かれてもよい。ＣＣＤピクセルアレイは一般的に、ＳＬＭ５３およびＳＬＭ５９のアレイよりも小さい。
【００２５】
図４に、パターン認識システムの中で光プロセッサとして使用され、便宜的に電子光学的プロセッサと呼ばれるこの発明の光学的相関器５２が示される。光学的相関器５２の中で起こる光学的処理の他に、電子部品部分で電子的処理が起こって一般的な前処理および一般的な後処理を与え、さらに光学的相関器５２を外部システムとインターフェイスさせる。図４に示される電子光学的プロセッサの電子部品部分は、入力センサ７７を使用して入力パターン８１を検出し、入力パターンに関する情報を像プリプロセッサ７９に与える。像プリプロセッサ７９は、像情報にアルゴリズムとデータフォーマッティングとを使用し、その後これをグレイスケールＳＬＭ５３に対する入力として入力駆動電子部品６９に与える。グレイスケールＳＬＭ５３は、２５６×２５６ピクセルアレイであってもよい。加えて、ポストプロセッサ回路７５は、フィルタ選択および相関解析能力を含み、十分な数のグレイスケールフィルタを記憶するために十分なメモリを有する。これらのフィルタはフィルタ駆動電子部品７１に与えられ、次いで第２のグレイスケールフィルタＳＬＭ５９に与えられる。
【００２６】
前述のように空間光変調器は、位相または振幅のいずれかである。使用されるフィルタの型は空間光変調器技術と整合しなければならない。したがって、２値位相空間光変調器は、正確な比較を得るために２値位相専用フィルタ（ＢＰＯＦ）を使用しなければならない。相関器は位相または振幅のいずれかであり得るので、使用されるフィルタも位相（ＢＰＯＦ）または振幅（ＢＡＯＦ）でなければならない。この発明以前には、相関結果はｘｙ平面の周波数情報に類似の位相説明であった。鋭い端縁を備える形状（たとえば正方形）は高い周波数を有し、緩やかな端縁を有する形状（たとえば円形）は低い周波数を有する。直線は最も低い周波数を有する。２値フィルタは変調の１つにしか対処しないが、アナログは両方に対処する。
【００２７】
グレイスケール空間光変調器は、振幅（大きさ）および位相情報の両方を提供する。したがって関連するフィルタも振幅および位相の両方でなければならない。振幅の要素を加えることにより、フィルタはｚ平面周波数情報（たとえば振幅）を含む。黒から白に変化する形状（またはその逆）は高いｚ平面周波数を有する。黒から白への緩やかな遷移を有する形状はｚ平面において低い周波数を有する。一定の振幅レベル（たとえば全面黒、全面白または全面グレイ）は最も低いｚ平面周波数を有する。フィルタにしきい値限度を適用することにより、その効果はプリプロセッサのエッジ検出と同じになる。使用されるフィルタは、２値空間光変調器の場合と同じく、特定の類似の空間光変調器に対して最適化されねばならないが、振幅および位相の両方が考慮されるであろう。
【００２８】
検出電子部品７３は、ＣＣＤ６７から検出された信号を受信して、制御回路を使用するが、これはＣＣＤアレイ６７での相関平面の低ノイズの読出とデジタル化された検出とを支持する。
【００２９】
アナログ空間光変調器は、像プリプロセッサ７９の役割をする。図２では、像プリプロセッサの役割は空間光変調器の入力駆動電子部品に対するデータフォーマッティングであり、これらのフォーマットは、そのような要素をダイナミックレンジ、像回転、像寸法、エッジ検出などの要素として達成するアルゴリズムである。グレイスケールの実現化は、エッジ検出要求を廃することにより像プリプロセッサ７９の役割を改めた。グレイスケールは観察される入力およびフィルタの大きな区別を提供する。しかし、グレイスケールの鍵となる要素とは、２値相関ではシステムはフィルタシルエットの領域整合であることである。したがって、内部の弁別器は相関の要素ではない。グレイスケールにおいては、領域整合は相関における内部の弁別器に対して２次的なものとなる。これによりエッジ検出の要求が分散される。フィルタは、輪郭ではなく切抜きテンプレートになる。しかし、切抜きはオーバーラップするか否かに関わらず、さまざまなグレイのレベルであり得る。たとえば、ピラミッドは単なる三角形の輪郭ではなく、ピラミッドを組上げる四角い石の集積である。
【００３０】
当業者においては、この発明の範囲および精神から逸脱することなく、これまで説明された好ましい実施例の各々クレームの適合例や修正例を構成できるだろう。したがって、付属の請求項の範囲の中で、この発明はここに特定的に説明される実施例以外にも実施され得ることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 先行技術の非対称反射型光学的相関器の斜視図である。
【図２】 像認識システムのブロック図で使用される反射型光学的相関器を示す図である。
【図３】 この発明の折返され分割された光学的相関器の斜視図である。
【図４】 像認識システムまたはパターン認識システムで使用される図３の光学的相関器の部分斜視図および部分ブロック図を示す図である。
【図５】 球面鏡を使用した折返されたビーム経路の斜視図である。
【図６】 ｙ−ｚ平面における図５のビーム経路の平面図である。
【図７】 ｘ−ｚ平面における図５のビーム経路の平面図である。
【図８】 トーリック鏡を使用したｘ−ｚ平面における図５のビーム経路の平面図である。

Claims (2)

1. 未知の物体の検出および識別に使用する改良された光学的相関器であって、
   未知の物体の前処理された画像データを受取り、前記未知の物体の画像データにしたがって電磁ビームをパターン化する第１のグレイスケール空間光変調器（ＳＬＭ）と、
   前記第１のグレイスケールＳＬＭからの電磁ビームに第１のフーリエ変換を行なうための第１のトーリック鏡と、
   既知の物体の前処理されたフーリエ変換パターンを受取り、前記第１のトーリック鏡からの電磁ビームを既知の物体のフーリエ変換パターンにしたがってパターン化する第２のグレイスケール空間光変調器（ＳＬＭ）と、
   前記第２のグレイスケールＳＬＭからの電磁ビームに第２のフーリエ変換を行なうための第２のトーリック鏡と、
   電荷結合素子（ＣＣＤ）と、
   前記第２のトーリック鏡からの電磁ビームを反射するための反射面と、
   前記反射面からの電磁ビームを前記ＣＣＤ上に収束させるため、前記反射面と前記ＣＣＤとの間の電磁ビーム経路上に配置される第３のトーリック鏡とを含む、改良された光学的相関器。
2. 前記第２および前記第３のトーリック鏡および前記反射面は前記電磁ビームの４：１収束を提供する、請求項１に記載の改良された光学的相関器。

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