(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学レンズを用いた入射光学像のフーリエ変換を行う光学空間フィルター装置において、
前記入射光学像の光学レンズの焦点位置であるフーリエ変換面に光学プリズムの全反射面が位置するように配置し、
前記光学プリズムを構成するガラスと同じ材質のガラス棒の先端を微細に加工したものであり、かつ、前記全反射面に近接あるいは密着して、前記入射光像のフーリエ変換像の一部を透過または散乱する光学手段を配置し、
前記フーリエ変換像に強度変調を与えることで、前記全反射面にて反射された入射光像のフーリエ変換像は強度変調を受けた空間周波数成分を失って、再び、フーリエ変換されて２次元画像読み取り装置に入射し、電気信号に変換された後、読み取り画像の記憶・表示を行うことを特徴とする光学空間フィルター装置。
【請求項２】
請求項１記載の光学空間フィルター装置において、前記ガラス棒の先端を円板状または四角板に平に加工したものを用いることを特徴とする光学空間フィルター装置。
【請求項３】
光学レンズを用いた入射光学像のフーリエ変換を行う光学空間フィルター装置において、
前記入射光学像の光学レンズの焦点位置であるフーリエ変換面に光学プリズムの全反射面が位置するように配置し、
前記光学プリズムを構成するガラスと同じ屈折率を有する可塑性の高い透明プラスチックであって、該プラスチックの先端を前記光学プリズムに押し付けることで、その形状が変形するものであり、かつ、前記全反射面に近接あるいは密着して、前記入射光像のフーリエ変換像の一部を透過または散乱する光学手段を配置し、
前記フーリエ変換像に強度変調を与えることで、前記全反射面にて反射された入射光像のフーリエ変換像は強度変調を受けた空間周波数成分を失って、再び、フーリエ変換されて２次元画像読み取り装置に入射し、電気信号に変換された後、読み取り画像の記憶・表示を行うことを特徴とする光学空間フィルター装置。
【請求項４】
請求項１から３のうちいずれか１項記載の光学空間フィルター装置において、前記全反射面に近接あるいは密着して配置した前記光学手段が前記全反射面上を２次元的に、任意の位置に移動・配置可能である２次元走査装置を具備することを特徴とする光学空間フィルター装置。
【請求項５】
請求項１から４のうちいずれか１項記載の光学空間フィルター装置において、前記全反射面に近接あるいは密着して配置した光学手段が、全反射面上を２次元的に、任意の位置に複数存在し、それぞれが移動・配置可能であることを特徴とする光学空間フィルター装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プリズムなどの光学素子の表面に発生したエバネッセント光からなる光学的近接場に、光学材料を近接させることで起こる近接場相互作用を、フーリエ光学に重要なフィルターの基本現象として用いることを特徴としたフーリエ光学空間フィルター装置に関するものである。
【０００２】
よって、光学コンピューティングや、画像の光演算などの分野に関する。
【０００３】
【従来の技術】
従来の光学的空間フィルターとしては、透明なガラス板を光学画像のフーリエ面に配置し、そのガラス板に、光を反射または吸収する材料を塗布することで、不必要とする空間周波数成分を取り除き、空間フィルターとしたり、あるいは、金属板にピンホールを空けて、これをフーリエ面に配置することで、必要とする空間周波数成分のみを透過させるようにしていた。
【０００４】
最近では、空間光変調素子として、液晶パネルを用いて、そのパネルをフーリエ面に配置し、液晶により透過できるところと、できないところを２次元的に発生させることで、光学的空間フィルターとしてきた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来の光学的空間フィルターは、フーリエ変換像の一部または多くの部分を吸収・散乱または反射させるため、フィルター動作をさせないときの、フーリエ面での場は乱されていることとなる。
【０００６】
また、フィルター作用をさせる空間の大きさがかなり大きい。
といった問題があった。
【０００７】
本発明は、上記問題点を除去し、フィルター作用をさせる空間の大きさが微小であり、フーリエ像の光成分のみと相互作用し、その伝搬方向のみを変え、吸収しない光学空間フィルター装置を提供することを目的とする。
【０００８】
また、フーリエ面における近接場相互作用を用いて、そのフィルター作用をさせる空間の大きさが最低１０ナノメートル程度の狭い空間周波数のみを、高精度にて選択可能な光学空間フィルター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】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕光学レンズを用いた入射光学像のフーリエ変換を行う光学空間フィルター装置において、前記入射光学像の光学レンズの焦点位置であるフーリエ変換面に光学プリズムの全反射面が位置するように配置し、前記光学プリズムを構成するガラスと同じ材質のガラス棒の先端を微細に加工したものであり、かつ、前記全反射面に近接あるいは密着して、前記入射光像のフーリエ変換像の一部を透過または散乱する光学手段を配置し、前記フーリエ変換像に強度変調を与えることで、前記全反射面にて反射された入射光像のフーリエ変換像は強度変調を受けた空間周波数成分を失って、再び、フーリエ変換されて２次元画像読み取り装置に入射し、電気信号に変換された後、読み取り画像の記憶・表示を行うようにしたものである。
【００１０】
したがって、フーリエ面における近接場相互作用を用いるため、そのフィルター作用をさせる空間の大きさが最低１０ナノメートル程度と、これまでにない、狭い空間周波数のみを高い精度にて選択することができる。
【００１１】
また、フィルター現像が近接場相互作用であるため、フーリエ像の光成分のみと相互作用し、その伝搬方向のみを変え、吸収しないので、入射光像全体に直接変調を与える構造でない。もし、光学手段であるガラス棒や円板や四角の板や可塑性のプラスチックをプリズムの全反射面に近接させなければ、入射光像に何ら変調を与えない。
【００１２】
更に、通常の近接場相互作用では、入射光像の全反射条件を崩し、完全透過とすることができるため、そのいわゆる消光比は、従来の液晶などの１，０００対１に比べ、遙に高い消光比となる。
【００１３】
よって、フィルターとしての精度の向上を図ることができる。
【００１４】
〔２〕上記〔１〕記載の光学空間フィルター装置において、前記ガラス棒の先端を円板状または四角板に平に加工したものを用いるようにしたものである。
【００１５】
したがって、上記〔１〕の作用効果に加えて、フーリエ変換のフィルターにおいて、特定の空間周波数のみを精度良く取り除くことができる。
【００１６】
〔３〕光学レンズを用いた入射光学像のフーリエ変換を行う光学空間フィルター装置において、前記入射光学像の光学レンズの焦点位置であるフーリエ変換面に光学プリズムの全反射面が位置するように配置し、前記光学プリズムを構成するガラスと同じ屈折率を有する可塑性の高い透明プラスチックであって、このプラスチックの先端を前記光学プリズムに押し付けることで、その形状が変形するものであり、前記全反射面に近接あるいは密着して、前記入射光像のフーリエ変換像の一部を透過または散乱する光学手段を配置し、前記フーリエ変換像に強度変調を与えることで、前記全反射面にて反射された入射光像のフーリエ変換像は強度変調を受けた空間周波数成分を失って、再び、フーリエ変換されて２次元画像読み取り装置に入射し、電気信号に変換された後、読み取り画像の記憶・表示を行うようにしたものである。
【００１７】
したがって、上記〔１〕の作用効果に加えて、フーリエ変換のフィルターにおいて、特定の空間周波数を中心に、このプラスチック部を光学プリズムに押し付けることで、その形状が変形し、任意の空間周波数領域を精度良く取り除くことができる。
【００１８】
〔４〕上記〔１〕から〔３〕のうちいずれか１項記載の光学空間フィルター装置において、前記全反射面に近接あるいは密着して配置した前記光学手段が前記全反射面上を２次元的に、任意の位置に移動・配置可能である２次元走査装置を具備するようにしたものである。
【００１９】
したがって、前記全反射面に近接あるいは密着して配置した光学手段により、全反射面から透過したフーリエ変換像のみを２次元画像読み取り装置に取り込むことができる。
【００２０】
２次元的に光学手段を移動あるいは走査することは、近年の２次元走査機構からすれば容易であり、高速な移動を可能とするので、フィルターの空間周波数を時事刻々と変化させることができる。
【００２１】
〔５〕上記〔１〕から〔４〕のうちいずれか１項記載の光学空間フィルター装置において、前記全反射面に近接あるいは密着して配置した光学手段が、全反射面上を２次元的に、任意の位置に複数存在し、それぞれが移動・配置可能であるようにしたものである。
【００２２】
したがって、フーリエ画像の反射と透過成分に分離することができ、必要に応じて、容易に、一部の空間周波数を取り除いた画像を用いたり、逆に、その一部の空間周波数のみを用いることが可能である。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００２４】
図１は本発明の第１実施例を示す光学空間フィルター装置の構成図である。
【００２５】
この図に示すように、入射光像１を、フーリエ変換レンズを介して、その焦点面にフーリエ変換像を作製する通常のフーリエ光学系がある。その入射光学像１のフーリエ変換面（光学レンズの焦点位置）に、光学プリズム（ここでは直角プリズム）３の全反射面３ａに、ここでは、直角プリズム３の最も長い面が位置するように配置している。
【００２６】
さらに、その全反射面３ａに近接あるいは密着して、前記入射光像１の一部を透過または散乱する光学的な手段、ここでは、２次元走査装置５に取り付けたガラス棒６を配置している。
【００２７】
直角プリズムの全反射面３ａの表面に発生したエバネッセント光からなる光学的近接場に、このような光ガラス材料からなるガラス棒６を近接させると、フーリエ変換像に透過、反射または、散乱により、強度変調を与えることができる。
【００２８】
このフーリエ変換像は、その反射方向には強度変調を受けた空間周波数成分を失って、再び、フーリエ変換される。その出力画像は、直角プリズムの出射位置に配置した２次元画像読み取り装置４に入射し、電気信号に変換された後、読み取り画像の記憶・表示を行うことが可能な制御装置７に導かれる。
【００２９】
この一連のフーリエ光学的流れは、以下のようなフーリエ変換関係がある。
【００３０】
入射光像１の２次元分布関数をＴ（ｘ，ｙ）とし、フーリエ変換レンズに完全に入射したとすると、その焦点面には、Ｆ〔Ｔ（ｘ，ｙ）〕なるフーリエ変換像が現れる。ここでＦ〔Ｔ（ｘ，ｙ）〕は、２次元画像に対するフーリエ変換を表す。そこに、近接場相互作用により、Ｃ（ｘ，ｙ）なる空間フィルター関数が掛けられる。このＣ（ｘ，ｙ）なる関数は、ガラス棒６などの光学手段の形状と、全反射面３ａ上に形成されている変換像のどこに配置されるか、さらに、この変換像の作る近接場に、どの程度近付いているかによって決まる相互作用の強さにより決定される関数である。
【００３１】
その結果、このフーリエ面では、Ｆ〔Ｔ（ｘ，ｙ）〕・Ｃ（ｘ，ｙ）なる画像関数の積が生成する。そして、この反射像であるフィルターされた像Ｔ′（ｘ，ｙ）は、Ｔ（ｘ，ｙ）＊Ｆ〔Ｃ（ｘ，ｙ）〕で表される関数となる。ここで、＊は、画像同志のコンボリュージョンを現す。
【００３２】
一方、全反射面にて反射せず、光学手段であるガラス棒６により透過させられた成分は、フーリエ面ではＦ〔Ｔ（ｘ，ｙ）〕・〔１−Ｃ（ｘ，ｙ）〕なる演算によりフィルターされ、その結果、フィルターされた像Ｔ′（ｘ，ｙ）は、Ｔ（ｘ，ｙ）＊Ｆ〔１−Ｃ（ｘ，ｙ）〕で現される関数となる。
【００３３】
図１に示す第１実施例によれば、２次元画像読み取り装置４に入射し、電気信号に変換された後、記憶・表示および制御装置７により、読み取り画像の記憶・表示を行うことにより、特定の空間周波数成分を取り除いた像を得ることができる。
【００３４】
次に、光学的手段により透過させる結果を、フーリエ変換する装置の構成を図２に示した。
【００３５】
図２は本発明の第２実施例を示す光学空間フィルター装置の構成図である。
【００３６】
この実施例では、全反射面３ａの後方に配置され、ガラス棒などの光学手段６により透過した成分の像を、２次元画像読み取り装置１１に入射し、電気信号に変換された後、記憶・表示および制御装置１２により、読み取り画像の記憶・表示を行うことができる。
【００３７】
次に、本発明の光学的に近接場のエバネッセント光を透過または、散乱させる光学手段の構造につき、以下に述べる。
【００３８】
図３は本発明の光学空間フィルター装置の光学手段の先端構造を示す図（その１）である。ここでは、３種類の異なる先端形状を有する光学手段を示している。
【００３９】
〔１〕図３（ａ）では、光学手段２１の先端の構造が尖っており、その先端の曲率半径は５０ナノメートル以下である。材質としては、プリズムの材料と同様なガラスが有効であるが、吸収の少ない光学材料であれば、光ファイバーでも、ガラス棒の先端を細くしたものでも構わない。
【００４０】
〔２〕図３（ｂ）では、光学手段３１の先端の構造を円板状にしたものである。
【００４１】
したがって、この形状のフィルターは、従来のピンホールやアパーチャーなどと対応した形状である。
【００４２】
〔３〕図３（ｃ）では、光学手段４１の先端の構造を四角にした場合を示したものであり、この向き合う辺の長さのどちらかが長いと、従来のスリットによるフィルターに対応する構造である。
【００４３】
ただし、その形状には、特に制限はなく、フィルターによる効果として、水平方向と垂直方向の空間周波数のみに影響を与え、斜め方向の成分には異なる影響を示す。図３（ｂ）に示した構造を用いることにより得られるＴ′（ｘ，ｙ）では、入射画像に、ベッセル関数をコンボルーションした画像が得られるのに対して、図３（ｃ）では、入射画像に２次元的なＳＩＮＣ関係をコンボルーションすることになる。
【００４４】
図４は本発明の光学空間フィルター装置の光学手段の先端構造を示す図（その２）である。
【００４５】
図４（ａ）では、全反射面に近接あるいは密着して入射光像のフーリエ変換像の一部を透過または、散乱する光学手段５１として、可塑性プラスチック５２を先端に取付けた構造を有する。この図では、直角プリズムに押し付ける前の状態を示しており、図４（ｂ）では、前記可塑性プラスチック５２を直角プリズムに押し付けた結果、その形状が変形し、接触面積が増加している可塑性プラスチック５２′を模式的に示した。ここで用いる材質としては、例えばゴムの固まりでできたボールのような可塑性の高いもので、押し付けた時のみ変形し、離すと、もとに復元するものを用いる。
【００４６】
このような可塑性物質の構造は、球形のみでなく、四角でも、あるいは、図４（ｃ）に示すように、中心部が膨らんだ提灯形状となる、可塑性プラスチック５２″でもよい。
【００４７】
以上の光学手段によるフィルターにより、特定の空間周波数成分を取り除いた像を得たり、逆にフィルター成分のみを用いた画像を得ることが、本発明により、容易に可能であることを示した。
【００４８】
更に、これらの光学的に空間周波数を選択する光学手段の数は、ひとつである必要はなく、多数であっても構わない。特に一定の周期にて配列した構造では、図５に示すように、光学手段６１は、コム形状体６２とすることにより、フーリエ変換面で相互作用すると、出力面では、同様に、周期構造を生じるコム関数として動作する。
【００４９】
更に、本発明が実現可能であることを証明するために基礎実験を行い、その動作を確認した。その実験の構成は、第１実施例（図１参照）と同様である。ただし、ガラス棒の代わりに、プラスチックの可塑性のある球状のもの（図４参照）を用い、さらに、その２次元走査のためには、送り精度が０．５ミクロンのｘｙｚステージを用いた。
【００５０】
図６（ａ）に示すように、入射光像として用いた「ゆ」という文字を示し、直角プリズムに入射させた時に発生する近接場に、上記のプラスチック球は近付けていないので、これは、入射した原画像に当たる。その「ゆ」に対して、そのフーリエ面の中心近傍に、プラスチック球を近接させたことにより、低い空間周波数成分がこの球により散乱された結果発生した、高い空間周波数の強調された「ゆ」を図６（ｂ）に示した。
【００５１】
いずれにせよ、実験的にも、本発明に開示されたフーリエ変換の効果が得られたので、本発明としての実現性は高いものと考えてよい。
【００５２】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００５３】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、次のような効果を奏することができる。
【００５４】
（Ａ）フーリエ面における近接場相互作用を用いるため、そのフィルター作用をさせる空間の大きさが最低１０ナノメートル程度と、これまでにない、狭い空間周波数のみを高い精度にて選択することができる。
【００５５】
（Ｂ）フィルター現像が近接場相互作用であるため、フーリエ像の光成分のみと相互作用し、その伝搬方向のみを変え吸収しないので、入射光像全体に直接変調を与える構造でない。もし、光学的な手段であるガラス棒や円板や四角の板や可塑性のプラスチックをプリズムの全反射面に近接させなければ、入射光像に何ら変調を与えない。これに対し、従来技術は、フーリエ変換像の一部または多くの部分を吸収・散乱または反射させるため、フィルター動作をさせないときの、フーリエ面での場は乱されていることとなる。
【００５６】
（Ｃ）通常の近接場相互作用では、入射光像の全反射条件を崩し、完全透過とすることができるため、そのいわゆる消光比は、従来の液晶などの１，０００対１に比べ、遙に高い消光比となる。
【００５７】
よって、フィルターとしての精度の向上を図ることができる。
【００５８】
（Ｄ）２次元的に光学手段を移動あるいは走査することは、近年の２次元走査機構からすれば容易であり、高速な移動を可能とするので、フィルターの空間周波数を時事刻々と変化させたい場合などは、従来の液晶に比べても、引けはとらないし、機構によっては、液晶のオン・オフの応答速度に比べ、高速なものが作製可能である。
【００５９】
（Ｅ）フーリエ画像の反射と透過成分に分離することができ、必要に応じて、容易に、一部の空間周波数を取り除いた画像を用いたり、逆に、その一部の空間周波数のみを用いることが可能であり、容易である。
【００６０】
（Ｆ）もし、光学手段を２次元走査する必要がない応用の場合は、従来のフーリエ光学の系に、プリズムと光学手段を取り付けた簡単なｘｙステージのようなものを用いるだけで、高い精度の計測を、安価な装置で提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１実施例を示す光学空間フィルター装置の構成図である。
【図２】  本発明の第２実施例を示す光学空間フィルター装置の構成図である。
【図３】  本発明の光学空間フィルター装置の光学手段の先端構造を示す図（その１）である。
【図４】  本発明の光学空間フィルター装置の光学手段の先端構造を示す図（その２）である。
【図５】  本発明の光学空間フィルター装置の光学手段の先端構造を示す図（その３）である。
【図６】  本発明の光学空間フィルター装置を用いた実験例を示す写真である。
【符号の説明】
１    入射光像
３    光学プリズム（直角プリズム）
３ａ    全反射面
４，１１    ２次元画像読み取り装置
５    ２次元走査装置
６    ガラス棒（光学手段）
７，１２    記憶・表示および制御装置
２１，３１，４１，５１，６１    光学手段
５２，５２′，５２″    可塑性プラスチック
６２    コム形状体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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