(57)【要約】　　　（修正有）【課題】全長を短縮した相関演算光学装置を提供すること。【解決手段】コヒーレント光を発する光源１１と、フーリエ変換光学系と、被識別パターンを表示する第１の空間変調素子２１と、前記フーリエ変換光学系によって生成される前記被識別パターンのフーリエ像の相関演算を行なう第２の空間変調素子２３と、逆フーリエ変換用光学系と、前記第２の空間変調素子による相関演算の結果に応じた信号を出力する読出部３２とを備えた相関演算光学装置であって、前記フーリエ変換光学系及び前記第１の空間変調部の間に配置された前段第２反射板４１と、前記フーリエ変換光学系及び前記第２の空間変調素子の間に配置された前段第１反射板４２と、前記逆フーリエ変換用光学系及び前記第２の空間変調素子の間に配置された後段第２反射板４３と、前記逆フーリエ変換用光学系及び前記読出部の間に配置された後段第１反射板４４とを備える。【選択図】　図１
2004029421.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コヒーレント光を発する光源、
フーリエ変換光学系と、該フーリエ変換光学系の前方焦点位置に配置されて被識別パターンを表示する第１の空間変調素子とを装備した前段演算部、
前記フーリエ変換光学系の後方焦点位置に配置されて前記フーリエ変換光学系によって生成される前記被識別パターンのフーリエ像の相関演算を行なう第２の空間変調素子と、該第２の空間変調素子が前方焦点位置に位置するように配置された逆フーリエ変換用光学系とを装備した後段演算部、
前記逆フーリエ変換用光学系の後方焦点位置に配置され前記第２の空間変調素子による相関演算の結果に応じた信号を出力する読出部、及び
前記第１の空間変調素子から前記読出部に至る光路中に配置された反射装置を備えた相関演算光学装置であって、
前記反射装置は、
ｉ）　前記第１及び第２の空間変調素子の間に配置された前段第１反射面及び前段第２反射面、並びに
ｉｉ）前記第２の空間変調素子及び前記読出部の間に配置された後段第１反射面、及び後段第２反射面の内、
前記ｉ）及びｉｉ）の少なくとも一方を備えており、
前記ｉ）の前記前段第２反射面は、前記第１の空間変調素子から前記前段第１反射面に向かう光を透過させる透過機能と、前記前段第１反射面で反射された光を該前段第１反射面側へ反射する反射機能とを備え、前記前段第１反射面は、前記第１の空間変調素子を経て前記前段第２反射面を透過した光を反射する反射機能と、該反射光が前記前段第２反射面により反射された光を透過させる透過機能とを備えたものであり、
前記ｉｉ）の前記後段第２反射面は、前記第２の空間変調素子から前記後段第１反射面に向かう光を透過させる透過機能と前記後段第１反射面で反射された光を該後段第１反射面側へ反射する反射機能とを備え、前記後段第１反射面は、前記第２の空間変調素子を経て前記後段第２反射面を透過した光を反射する反射機能と、該反射光が前記後段第２反射面により反射された光を透過させる透過機能とを備えたものであることを特徴とする相関演算光学装置。
【請求項２】
前記反射装置の反射面は、光学的なパワーを有する曲面を有することを特徴とする請求項１に記載の相関演算光学装置。
【請求項３】
前記反射装置は、前記前段第１反射面又は前記後段第１反射面が偏光選択反射面であり、前記透過機能及び反射機能を得るために、前記光源と前記前段第２反射面との間及び前記フーリエ変換光学系と前段第１反射面との間に各々配置され光の偏光面を回転させるλ／４位相板、又は、前記第２の空間変調素子と前記後段第２反射面との間及び前記逆フーリエ変換用光学系と後段第１反射面との間に各々配置され光の偏光面を回転させるλ／４位相板を備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載の相関演算光学装置。
【請求項４】
前記反射装置は、前記透過機能及び反射機能を得るために、前記フーリエ変換光学系の光軸付近が透光部とされその周囲部の前記第２の空間変調素子の側の面が鏡面とされた前記前段第２反射面、及び前記フーリエ変換光学系の光軸付近であって前記第１の空間変調素子の側の面が鏡面とされその周囲部が透光部とされた前記前段第１反射面、又は、
前記逆フーリエ変換用光学系の光軸付近であって前記読出部の側の面が鏡面とされその周囲部が透光部とされた前記後段第２反射面、及び前記逆フーリエ変換光学系の光軸付近が透光部とされその周囲部の前記第２の空間変調素子の側の面が鏡面とされた前記後段第１反射面を備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載の相関演算光学装置。
【請求項５】
前記反射装置が、前記前段第１反射面及び前段第２反射面、並びに前記後段第１反射面及び後段第２反射面の双方を備え、
前記第１の空間変調素子及び前記第２の空間変調素子は反射型であり、間にフーリエ変換光学系を置いて配置されており、
前記光源は、前記フーリエ変換光学系に対して前記第２の空間変調素子と同じ側に配置され、
前記光源から発せられるコヒーレント光は、前記前段第１反射面及び前段第２反射面によって反射され前記第１の空間変調素子に入射し、
該第１の空間変調素子に入射した光は、該第１の空間変調素子によって反射され、さらに前記前段第２反射面及び前段第１反射面によって反射され、前記フーリエ変換光学系を経ることによりフーリエ像を前記第２の空間変調素子に生成し、
該フーリエ像を生成した光は、前記第２の空間変調素子によって反射され、前記前段第１反射面及び前段第２反射面は、該反射光に対して各々前記後段第２反射面及び後段第１反射面として作用して反射を行ない、前記フーリエ変換光学系は該反射光に対して逆フーリエ変換用光学系として作用し、逆フーリエ変換光は前記読出部に入射することを特徴とする請求項１、２又は４に記載の相関演算光学装置。
【請求項６】
複数の前記光源が前記フーリエ変換光学系の光軸の回りに配置され、
前記フーリエ変換光学系、前記前段第１反射面及び前段第２反射面は、前記光源から発せられた光が共通の第１の空間変調素子に到達するように配置され、且つ前記第１の空間変調素子で反射された光が、前記各光源に対応して前記フーリエ変換光学系の光軸の回りに配置された前記第２の空間変調素子に到達するように配置されていることを特徴とする請求項５に記載の相関演算光学装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はフーリエ変換光学系を用いてパターン相関演算を行う光学装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、フーリエ変換レンズ、相関演算素子を使用するパターン認識装置が研究開発されている。このパターン認識装置においては、フーリエ変換レンズの前方焦点位置に表示された図形などの被識別パターンを、位相の揃ったコヒーレント光で照射することによって、フーリエ変換レンズの後方焦点位置に配置された相関演算素子上に被識別パターンのフーリエ像を形成し、このフーリエ像と相関演算素子に予め記録されている基準パターンに対する情報との相関演算を実行し、その演算結果によってパターン認識が行われる。ここで、前方焦点とは光学系に対して右側から入射する平行光が集光する点であり、後方焦点とは光学系に対して左側から入射する平行光が集光する点である。
【０００３】
図７は、従来の相関演算光学装置の概略構成を示す断面図である。この相関演算光学装置は、光源１１及び光源からの光を平行光とするコリメータレンズ１２を備えた照明部１と、第１の空間変調素子２１及びフーリエ変換レンズ２２を備えた前段演算部２と、相関演算を行う第２の空間変調素子２３及び逆フーリエ変換用レンズである集光レンズ３１を備えた後段演算部３と、読出部３２とを備えて構成されている。第１の空間変調素子２１は、被識別パターンを表示し、フーリエ変換レンズ２２の前側焦点位置における光軸に垂直な平面内に配置されており、例えば透過型の液晶表示パネルなどが使用され得る。第２の空間変調素子２３は、フーリエ変換レンズ２２の後方焦点位置における光軸に垂直な平面内に配置されている。
【０００４】
光源１１から発せられたコヒーレント光は、コリメータレンズ１２によって平行光にされ、第１の空間変調素子２１に照射され、第１の空間変調素子２１に表示された被識別パターンを反映した光としてフーリエ変換レンズ２２に照射される。フーリエ変換レンズ２２は、照射された光のフーリエ変換を行う。即ち、フーリエ変換レンズ２２は、第１の空間変調素子２１に表示された被識別パターンのフーリエ像を第２の空間変調素子２３上に生成する。第２の空間変調素子２３は、生成されたフーリエ像に対して、その位相、周波数、又は位相及び周波数による空間周波数フィルタリングなどを用いた相関演算を行う。この演算結果は、第２の空間変調素子２３から平行光として出力され、集光レンズ３１によって、第２の空間変調素子２３に対して第１の空間変調素子２１と共役な平面に配置されている読出部３２に投影される。読出部３２には、例えばＣＣＤ素子が使用され、投影された光の輝度、空間的広がりに応じた電気信号が読出部３２によって観測される。
【０００５】
第２の空間変調素子２３は所定の文字、図形などのパターンに対応して生成されており、第１の空間変調素子２１上に表示される被識別パターンが、第２の空間変調素子２３に対応する所定のパターンに一致又は近似する場合、高輝度の点として読出部３２に観測される。読出部３２としてＣＣＤ素子を使用した場合、ＣＣＤ素子から鋭いピークの電気信号が出力される。第１の空間変調素子２１上に表示される被識別パターンが、第２の空間変調素子２３に対応する所定のパターンと異なる場合、その類似度に応じて、比較的低輝度の広がった領域として観測され、これによって、ＣＣＤ素子から比較的なだらかな低レベルの信号が出力される。従って、例えばＣＣＤ素子からの出力信号レベルを基準レベルと比較することによって、第１の空間変調素子２１上に表示される被識別パターンが所望のパターンであるか否かを判断すること、即ちパターン認識が可能となる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、第１の空間変調素子２１上に表示された被識別パターンのフーリエ像を相関演算を行う第２の空間変調素子２３上に生成するためには、第１の空間変調素子２１と第２の空間変調素子２３との距離が、フーリエ変換レンズ２２の焦点距離の２倍であることが必要である。同様に、第２の空間変調素子２３と読出部３２との距離は、集光レンズ３１の焦点距離の２倍であることが必要である。従って、集光レンズ３１の焦点距離がフーリエ変換レンズ２２の焦点距離と同程度の場合、第１の空間変調素子２１と読出部３２との距離は、フーリエ変換レンズ２２の焦点距離の約４倍と長くなり、問題となる。
【０００７】
この問題を改善するために、特開平８−１２９１４８号公報には、フーリエ変換レンズを用いた相関光学系において、空間変調素子とフーリエ変換レンズの間に縮小光学系が配置され、小型化された相関光学系の構成が開示されている。
【０００８】
一方、特開平１０−１０４６７１号公報においては、反射型の空間変調素子、相関演算素子を使用し、フーリエ変換レンズを半瞳に分割して使用し、光路が折り返されるようにコヒーレント照明部、フーリエ変換光学系を含む前段演算部及び逆フーリエ変換光学系を含む後段演算部を配置することによって、光学系をフーリエ変換レンズの焦点距離の約２倍の長さに収めた多重相関光学系の構成が開示されている。
【０００９】
しかし、何れも、フーリエ変換光学系を含む前段演算部の全長として、フーリエ変換レンズの焦点距離の約２倍の長さが必要であり、十分に小型化されたものではない。
【００１０】
本発明の目的は、上記の課題を解決するために、対向して配置した反射板によって光路を折り返すことによって、全長を短縮したフーリエ変換光学系を用いてパターン相関演算を行う相関演算光学装置を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の目的は、以下の手段によって達成される。
【００１２】
即ち本発明の一態様によれば、コヒーレント光を発する光源、フーリエ変換光学系と、該フーリエ変換光学系の前方焦点位置に配置されて被識別パターンを表示する第１の空間変調素子とを装備した前段演算部、前記フーリエ変換光学系の後方焦点位置に配置されて前記フーリエ変換光学系によって生成される前記被識別パターンのフーリエ像の相関演算を行なう第２の空間変調素子と、該第２の空間変調素子が前方焦点位置に位置するように配置された逆フーリエ変換用光学系とを装備した後段演算部、前記逆フーリエ変換用光学系の後方焦点位置に配置され前記第２の空間変調素子による相関演算の結果に応じた信号を出力する読出部、及び前記第１の空間変調素子から前記読出部に至る光路中に配置された反射装置を備えた相関演算光学装置であって、前記反射装置は、ｉ）　前記第１及び第２の空間変調素子の間に配置された前段第１反射面及び前段第２反射面、並びにｉｉ）前記第２の空間変調素子及び前記読出部の間に配置された後段第１反射面、及び後段第２反射面の内、前記ｉ）及びｉｉ）の少なくとも一方を備えており、前記ｉ）の前記前段第２反射面は、前記第１の空間変調素子から前記前段第１反射面に向かう光を透過させる透過機能と、前記前段第１反射面で反射された光を該前段第１反射面側へ反射する反射機能とを備え、前記前段第１反射面は、前記第１の空間変調素子を経て前記前段第２反射面を透過した光を反射する反射機能と、該反射光が前記前段第２反射面により反射された光を透過させる透過機能とを備えたものであり、前記ｉｉ）の前記後段第２反射面は、前記第２の空間変調素子から前記後段第１反射面に向かう光を透過させる透過機能と前記後段第１反射面で反射された光を該後段第１反射面側へ反射する反射機能とを備え、前記後段第１反射面は、前記第２の空間変調素子を経て前記後段第２反射面を透過した光を反射する反射機能と、該反射光が前記後段第２反射面により反射された光を透過させる透過機能とを備えたものであることを特徴とする相関演算光学装置を提供することができる。
【００１３】
前記反射装置の反射面は、光学的なパワーを有する曲面を有するものとすることができる。
【００１４】
前記反射装置は、前記前段第１反射面又は前記後段第１反射面が偏光選択反射面であり、前記透過機能及び反射機能を得るために、前記光源と前記前段第２反射面との間及び前記フーリエ変換光学系と前段第１反射面との間に各々配置され光の偏光面を回転させるλ／４位相板、又は、前記第２の空間変調素子と前記後段第２反射面との間及び前記逆フーリエ変換用光学系と後段第１反射面との間に各々配置され光の偏光面を回転させるλ／４位相板を備えているものとすることができる。
【００１５】
前記反射装置は、前記透過機能及び反射機能を得るために、前記フーリエ変換光学系の光軸付近が透光部とされその周囲部の前記第２の空間変調素子の側の面が鏡面とされた前記前段第２反射面、及び前記フーリエ変換光学系の光軸付近であって前記第１の空間変調素子の側の面が鏡面とされその周囲部が透光部とされた前記前段第１反射面、又は、前記逆フーリエ変換用光学系の光軸付近であって前記読出部の側の面が鏡面とされその周囲部が透光部とされた前記後段第２反射面、及び前記逆フーリエ変換光学系の光軸付近が透光部とされその周囲部の前記第２の空間変調素子の側の面が鏡面とされた前記後段第１反射面を備えているものとすることができる。
【００１６】
前記反射装置が、前記前段第１反射面及び前段第２反射面、並びに前記後段第１反射面及び後段第２反射面の双方を備え、前記第１の空間変調素子及び前記第２の空間変調素子は反射型であり、間にフーリエ変換光学系を置いて配置されており、前記光源は、前記フーリエ変換光学系に対して前記第２の空間変調素子と同じ側に配置され、前記光源から発せられるコヒーレント光は、前記前段第１反射面及び前段第２反射面によって反射され前記第１の空間変調素子に入射し、該第１の空間変調素子に入射した光は、該第１の空間変調素子によって反射され、さらに前記前段第２反射面及び前段第１反射面によって反射され、前記フーリエ変換光学系を経ることによりフーリエ像を前記第２の空間変調素子に生成し、該フーリエ像を生成した光は、前記第２の空間変調素子によって反射され、前記前段第１反射面及び前段第２反射面は、該反射光に対して各々前記後段第２反射面及び後段第１反射面として作用して反射を行ない、前記フーリエ変換光学系は該反射光に対して逆フーリエ変換用光学系として作用し、逆フーリエ変換光は前記読出部に入射するものとすることができる。
【００１７】
複数の前記光源が前記フーリエ変換光学系の光軸の回りに配置され、前記フーリエ変換光学系、前記前段第１反射面及び前段第２反射面は、前記光源から発せられた光が共通の第１の空間変調素子に到達するように配置され、且つ前記第１の空間変調素子で反射された光が、前記各光源に対応して前記フーリエ変換光学系の光軸の回りに配置された前記第２の空間変調素子に到達するように配置されているものとすることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００１９】
（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る相関演算光学装置の概略構成を示す断面図である。本実施の形態に係る相関演算光学装置は、光源１１及びコリメータレンズ１２を備えた照明部１と、第１の空間変調素子２１、フーリエ変換レンズ２２、前段第２反射板４１、前段第１反射板４２、第１位相板５１及び第２位相板５２を備えた前段演算部２と、相関演算を行う第２の空間変調素子２３と、逆フーリエ変換用レンズである集光レンズ３１、後段第２反射板４３、後段第１反射板４４、第３位相板５３及び第４位相板５４を備えた後段演算部３と読出部３２とを備えて構成されている。ここで、前段第１反射板４１及び後段第１反射板４３は、半透過反射板であり、前段第２反射板４２及び後段第２反射板４４は、特定の偏光方向の光のみを選択的に透過させる偏光選択反射板である。
【００２０】
また、第１位相板５１〜第４位相板５４は、光の波長λを用いてλ／４位相板と呼ばれる、入射光の偏光面を４５°回転させて出力する位相板であり、ここでは同じ方向に回転させる位相板が使用されている。光源１１、コリメータレンズ１２、第１の空間変調素子２１、フーリエ変換レンズ２２、第２の空間変調素子２３、集光レンズ３１及び読出部３２は、それぞれ上記した従来技術における説明と同様に機能する。本実施の形態に係る相関演算光学装置は、前段演算部２に対向する２枚の反射板を配置し、光路を折り返すことによって、装置を小型化したことを特徴とする。以下、本実施の形態の特徴である光路の折り返しに関して説明する。
【００２１】
図１において、光源１１から発せられたコヒーレント光は、コリメータレンズ１２を通して第１の空間変調素子２１に垂直に入射する。第１の空間変調素子２１を通過した光は、第１位相板５１を通過することによって、光の偏光面が４５°回転する。前段第２反射板４１、フーリエ変換レンズ２２を通過した光は、第２位相板５２を通過することによって偏光面が同じ方法にさらに４５°回転する。従って、第２位相板５２を通過した光は、最初の第１位相板５１への入射光に対して、偏光面が９０°回転した光となっており、前段第１反射板４２の偏光方向が第２位相板５２を通過した光の偏光面と直交するように前段第１反射板４２を配置しておくことによって、光は前段第１反射板４２によって反射されることとなる。前段第１反射板４２によって反射された光は、第２位相板５２、フーリエ変換レンズ２２を通過し、前段第２反射板４１によって反射され、再度フーリエ変換レンズ２２、第２位相板５２を通過して、前段第１反射板４２に入射する。この過程において、第２位相板５２を通過する度に、偏光面が同方向に４５°回転する。従って、前段第２反射板４１で反射された後に前段第１反射板４２に入射する光は、最初に照明部１から前段第２反射板４１に入射する光と比較して、偏光面が１８０°回転した光となっており、この光の偏光面は前段第１反射板４２の偏光方向と平行であることから、光は前段第１反射板４２を通過することができ、第２の空間変調素子２３に照射される。
【００２２】
次に、後段演算部３における光路に関しては、前段演算部２と同様の光路となる。即ち、第１位相板５１、前段第２反射板４１、第２位相板５２及び前段第１反射板４２を、それぞれ第３位相板５３、後段第２反射板４３、第４位相板５４及び後段第１反射板４４とみなせば、第２の空間変調素子２３を通過した光は、上記と同様に、後段演算部３において２回反射された後に、読出部３２に入射する。
【００２３】
以上のことから、フーリエ変換レンズ２２、集光レンズ３１をそれぞれ前段演算部２、後段演算部３の中央に配置すれば、光源１１から第１の空間変調素子２１に照射されたコヒーレント光は、フーリエ変換レンズ２２によるフーリエ変換、第２の空間変調素子２３による相関演算を受けた後、集光レンズ３１によって集光されて読取部３２に入射し、読出部３２から対応する電気信号が出力される。配置設計においては、位相板５１〜５４及び反射板４１〜４４の厚さ、第１の空間変調素子２１と前段第２反射板４１との距離、第２の空間変調素子２３と前段第１反射板４２及び後段第２反射板４３との距離、読出部３２と後段第１反射板４４との距離などを考慮して設計することが望ましい。これによって、フーリエ変換光学系の前方焦点位置にある第１の空間変調素子２１と後方焦点位置にある第２の空間変調素子２３との距離（前段演算部２の長さ）、逆フーリエ変換光学系の前方焦点位置にある第２の空間変調素子２３と後方焦点位置にある読出部３２との距離（後段演算部３の長さ）を、従来の光学系（図７参照）におけるそれぞれに対応する距離の約１／２にすることができる。
【００２４】
上記したように、第２位相板５２を通過した光の偏光面と前段第１反射板４２の偏光方向とが直交するように前段第１反射板４２を配置することによって、適正にパターン認識に使用され得る正規光束ではない直接透過光が第２の空間変調素子２３に入射することを防止することができる。
【００２５】
上記において、第１位相板５１が、第１の空間変調素子２１と前段第２反射板４１との間に配置されている場合を説明したが、光源１１と第１の空間変調素子との間に配置されていてもよい。即ち、第１位相板５１が、第１の空間変調素子２１とコリメータレンズ１２との間、又はコリメータレンズ１２と光源１１との間に配置されていてもよい。
【００２６】
垂直入射光に対して選択的に透過、反射を行う偏光選択反射板（前段第１反射板４２及び後段第１反射板４４）として、光学異方性物質を１層又は複数積層したもの、例えば３Ｍ社製ＤＢＥＦなどを使用することができる。
【００２７】
以上においては、前段演算部２及び後段演算部３に、反射板及び位相板を装備する場合を説明したが、前段演算部２又は後段演算部３の何れか一方のみに、反射板及び位相板を備えた構成とし、その他の部分は従来のままとすることも可能である。その場合にも、本実施の形態に係る相関演算光学装置の全長は、従来の光学系（図７参照）の全長よりも短縮され得る。
【００２８】
また、前段第２反射板４１又は後段第２反射板４３として偏光選択反射板を使用し、各々の反射板への入射光が位相板を通過した回数に応じて、入射光を透過又は反射するように各々の反射板の偏光方向を適切に配置することによって、上記と同様の効果を奏することが可能である。
【００２９】
（実施の形態２）
図２は、本発明の第２の実施の形態に係る相関演算光学装置の概略構成を示す断面図である。本実施の形態に係る相関演算光学装置は、光源１１及びコリメータレンズ１２を備えた照明部１と、第１の空間変調素子２１、フーリエ変換レンズ２２、前段第２反射板４５及び前段第１反射板４６を備えた前段演算部２と、第２の空間変調素子２３、逆フーリエ変換用レンズである集光レンズ３１、後段第２反射板４７及び後段第１反射板４８を備えた後段演算部３と、読出部３２とを備えて構成されている。ここで前段第２反射板４５は、中心付近に中空部分を有する同心円のドーナツ形状であり、フーリエ変換レンズ２２に対向する面が鏡面である。前段第１反射板４６、後段第２反射板４７は、円形状であり、それぞれフーリエ変換レンズ２２、集光レンズ３１に対向する面が鏡面である。後段第１反射板４８は、中心付近に中空部分を有する同心円のドーナツ形状であり、集光レンズ３１に対向する面が鏡面である。光源１１、コリメータレンズ１２、第１の空間変調素子２１、フーリエ変換レンズ２２、第２の空間変調素子２３、集光レンズ３１及び読出部３２は、それぞれ上記した従来技術における説明と同様に機能する。本実施の形態に係る相関演算光学系装置は、前段演算部２に対向する２枚の反射板を配置し、中心軸から外れた軸外光の光路を折り返すことによって、装置を小型化したことを特徴とする。以下、本実施の形態の特徴である光路の折り返しに関して説明する。
【００３０】
図２において、光源１１から発射されたコヒーレント光は、コリメータレンズ１２を通して第１の空間変調素子２１に垂直に入射する。第１の空間変調素子２１を通過した光は、前段第２反射板４５の中空部分、フーリエ変換レンズ２２を通過し、前段第１反射板４６の鏡面で反射される。反射された光は、再びフーリエ変換レンズ２２を通過し、前段第２反射板４５の鏡面によって反射され、さらに再びフーリエ変換レンズ２２を通過する。ここで、前段第１反射板４６の直径は、所定値以下であることから、このフーリエ変換レンズ２２を３回通過した光が、前段第１反射板４６によって遮蔽されることなく第２の空間変調素子２３に入射するように決められる。
【００３１】
次に、第２の空間変調素子２３を通過した光は、後段演算部３において、第２の空間変調素子２３の位置で前段演算部２の光路を折り返した光路を通過する。即ち、第２の空間変調素子２３を通過した光は、前段第２反射板４５及び前段第１反射板４６を、それぞれ後段第１反射板４８及び後段第２反射板４７とみなせば、上記と逆の光路を通り、読出部３２に入射する。
【００３２】
以上のことから、フーリエ変換レンズ２２、集光レンズ３１をそれぞれ前段演算部２、後段演算部３の中央に配置すれば、光源１１からの第１の空間変調素子２１に照射されたコヒーレント光は、フーリエ変換レンズ２２によるフーリエ変換、第２の空間変調素子２３による相関演算を受けた後、集光レンズ３１によって集光され、読出部３２から電気信号として出力されることが可能となる。
【００３３】
配置設計においては、第１の空間変調素子２１と前段第２反射板４５との距離、第２の空間変調素子２３と前段第１反射板４６及び後段第２反射板４７との距離、読出部３２と後段第１反射板４８との距離などを考慮して設計することが望ましい。これによって、実施の形態１の場合と同様に、前段演算部２の長さ、後段演算部３の長さを、従来の光学系（図７参照）におけるそれぞれの長さの約１／２にすることができる。
【００３４】
また、前段第２反射板４５の中空部分の直径（以下、内径と記す）は、第１の空間変調素子２１に入射する平行光によって第１の空間変調素子２１に表示される被識別パターンを表わす光が、できるだけ多く通過できる大きさであることが望ましい。後段第２反射板４７の直径、後段第１反射板４８の内径に関しても、それぞれ前段第１反射板４６の直径、前段第２反射板４５の内径と同様の条件を満たすように設計されることが望ましい。
【００３５】
本実施の形態においては、半透過反射板、偏光選択反射板を使用する実施の形態１と比較して、反射面での光量損失を無くすことが可能となる。
【００３６】
上記した反射板４５〜４８は、円形に限らず、多角形などの任意形状とすることが可能である。
【００３７】
以上においては、前段演算部２及び後段演算部３に反射板を装備する場合を説明したが、前段演算部２又は後段演算部３の何れか一方のみに反射板を備え、その他の部分は従来のままとすることも可能である。その場合にも、本実施の形態に係る相関演算光学装置の全長は従来の光学系（図７参照）の全長よりも短縮され得る。
【００３８】
また、前段第２反射板４５の内外径及び前段第１反射板４６の直径を調節することによって、第１の空間変調素子２１を通過した光が、前段第２反射板４５及び前段第１反射板４６の間で更に反射を繰り返した後に第２の空間変調素子２３に到達するようにすることが可能である。同様に、後段第２反射板４７の直径及び後段第１反射板４８の内外径を調節することによって、第２の空間変調素子２３を透過した光が、後段第２反射板４７及び後段第１反射板４８の間で更に反射を繰り返した後に読出部３２に到達するようにすることが可能である。これによって、相関演算光学装置をさらに小型化することが可能となる。
【００３９】
（実施の形態３）
図３の（ａ）、（ｂ）は、本発明の第３の実施の形態に係る相関演算光学装置の概略構成を示す断面図であり、図４は、この相関演算光学装置と、照明装置９０、撮像装置９１及びＣＣＤカメラ９２との位置関係を示す配置図である。
【００４０】
本実施の形態に係る相関演算光学装置は、光源１１、第１レンズ６１〜第３レンズ６３、前段第１反射板４９、前段第２反射板４１０、半透過板７０、第１の空間変調素子２１、第２の空間変調素子２３及び読出部３２とを備えて構成されている。本実施の形態に係る相関演算光学装置は、多重相関光学系の構成をしており、光源１１及び第２の空間変調素子２３は、図３の（ｂ）に示すように、光軸を中心とした１つの円周上に同数配置され、半円周上に第２の空間変調素子２３が３２個配置され、残りの半円周上に光源１１が第２の空間変調素子２３と同数配置されている。これによって、一度に複数の異なる基準パターンとの比較を並行して実行する多重相関光学装置が可能となる。光源１１には、例えばピンホールを背面から照明装置で照射することによって提供される点光源を使用することができる。
【００４１】
前段第１反射板４９は、上記した実施の形態２の前段第２反射板４５と同様に、中心付近が中空のドーナツ形状であり、第１レンズ６１に対向する面が鏡面である。前段第２反射板４１０は、円形状であり、第２レンズ６２に対向する面が鏡面である。半透過板７０は、光の一部を透過させ残りの部分を反射させる半透過性の板である。第２の空間変調素子２３の表面は反射面となっており、表面の微細な凹凸形状によって入射光の位相を変化させる位相変換フィルタであり、これによって相関演算が行われることとなる。
【００４２】
ここで、第１レンズ６１〜第３レンズ６３が、上記した実施の形態２のフーリエ変換レンズ２２及び逆フーリエ変換用レンズである集光レンズ３１として機能し、光源１１、第１の空間変調素子２１、第２の空間変調素子２３及び読出部３２は、それぞれ上記した従来技術における説明と同様に機能する。本実施の形態に係る相関演算光学系装置は、対向する２枚の反射板及び反射型の第２の空間変調素子２３を使用し、中心軸から外れた軸外光の光路を折り返すことによって装置を小型化したことを特徴とする。以下、本実施の形態の特徴である光路の折り返しに関して説明する。
【００４３】
図３の（ａ）において、光源１１から発せられたコヒーレント光は、第３レンズ６３、第２レンズ６２、第１レンズ６１の順に通過し、前段第１反射板４９によって反射される。反射された光は、第１レンズ６１及び第２レンズ６２を通過し、前段第２反射板４１０によって反射され、再び第２レンズ６２及び第１レンズ６１を通過し、半透過板７０を通過して第１の空間変調素子２１に入射する。
この光路（図３の（ａ）の短い破線）が、実施の形態１、２における照明部１の光路に相当する。この過程において、第１レンズ６１〜第３レンズ６３はコリメータレンズ１２（図７参照）として機能する。
【００４４】
第１の空間変調素子２１を通過した光は、第１の空間変調素子２１に備えられた反射板（図示せず）によって反射され、半透過板７０を通過し、第１レンズ６１及び第２レンズ６２を通過して前段第２反射板４１０によって反射され、再び第２レンズ６２及び第１レンズ６１を通過して前段第１反射板４９によって反射され、三度第１レンズ６１〜第３レンズ６３を通過して第２の空間変調素子２３に入射する。この光路（図３の（ａ）の長い破線）が、実施の形態１、２における、前段演算部２の光路に相当する。この過程において、第１レンズ６１〜第３レンズ６３はフーリエ変換レンズとして機能する。
【００４５】
第２の空間変調素子２３に入射した光は、第２の空間変調素子２３の表面で反射された後、第３レンズ６３〜第１レンズ６１を通過し、前段第２反射板４１０及び前段第１反射板４９によって反射され、上記と逆の光路を通って半透過板７０に到達する。半透過板７０に到達した光は、半透過板７０によって反射され、読出部３２に照射される。この光路（図３の（ａ）の長い破線）が、実施の形態１、２における、後段演算部３の光路に相当する。この過程において、第１レンズ６１〜第３レンズ６３は逆フーリエ変換用レンズである集光レンズとして機能する。また、前段第１反射板４９、前段第２反射板４１０は、それぞれ上記した実施の形態２における後段第１反射板４８、後段第２反射板４７として機能する。
【００４６】
以上によって、光源１１から第１の空間変調素子２１に照射されたコヒーレント光は、第１レンズ６１〜第３レンズ６３によるフーリエ変換、第２の空間変調素子２３による相関演算を受けた後、第１レンズ６１〜第３レンズ６３によって集光され、読出部３２から電気信号として出力される。
【００４７】
図３の（ａ）は、第１の空間変調素子２１の画像表示領域が２０×２０ｍｍ、入射瞳径が２８．２８４ｍｍ、前段演算部２に含まれているフーリエ変換光学系の焦点距離が２００ｍｍである場合における設計の一例を示す図でもある。第１の空間変調素子２１と第２の空間変調素子２３及び光源１１の配置された面との距離は約２０５ｍｍである。これと同じ条件で従来技術を使用して設計した多重相関光学系構成の一例を図８の（ａ）に示す。図８には、比較のために同じ縮尺で図３の（ａ）を（ｂ）として示している。図８の（ａ）においては、第１の空間変調素子２１と第２の空間変調素子２３及び光源１１の配置された面との距離は約４００ｍｍである。従って、本実施の形態に係る相関演算光学装置によって、多重相関光学系の長さが約１／２になっていることが分かる。
【００４８】
図５の（ａ）、（ｂ）は、実施の形態３に係る相関演算光学装置の別の実施例を示す断面図である。ここで、相関演算素子２３及び光源１１は、図５の（ｂ）に示すように、２つの同心円上に各々１４個ずつ配置されている。読出部３２として１／３インチＣＣＤカメラを使用し、前段演算部２の焦点距離を７０ｍｍとして設計する場合、第１の空間変調素子２１と第２の空間変調素子２３及び光源１１の配置された面との距離を約７３ｍｍにすることができる。
【００４９】
以上において、第２の空間変調素子２３を半周上にまとめて配置し、光源１１を残りの半周上にまとめて配置する場合を説明したが、光軸を中心として点対称となる位置に光源１１と第２の空間変調素子２３とを各々１対１に対応させて配置してもよい。
【００５０】
また、相関演算素子２３は、表面の微細な凹凸を形成した位相変換フィルタに限らず、厚さが空間分布を持つ透過性の位相変換フィルタを使用することや、光の輝度変化を利用する振幅変調フィルタ、光の輝度変化及び位相変化を利用する振幅位相変調フィルタを使用することも可能である。
【００５１】
また、実施の形態１〜３において、反射板４１〜４１０の表面形状を光学的なパワーを有する曲面形状、即ちレンズとして機能する曲面形状とすることによって、フーリエ変換レンズ、集光レンズを使用せずに構成することが可能である。
図６は、その一例を示す図であり、反射板４１１〜４１４が曲面形状をしており、フーリエ変換レンズ及び集光レンズの役割を担っている。図６の光学系を実施の形態２（図２）の光学系と比較すると、前段第２反射板４１１、前段第１反射板４１２は、それぞれ、反射機能の点で前段第２反射板４５、前段第１反射板４６に相当し、且つ両者でフーリエ変換レンズ２２の機能を担っている。即ち、第１の空間変調素子２１、第２の空間変調素子２３はそれぞれ、前段第１反射板４１２、前段第２反射板４１１によって構成されるフーリエ変換光学系の前方焦点位置、後方焦点位置に配置されている。同様に、後段第２反射板４１３、後段第１反射板４１４は、それぞれ、反射機能の点で後段第２反射板４７、後段第１反射板４８に相当し、且つ両者で集光レンズ３１の機能を担っている。即ち、第２の空間変調素子２３、読出部３２はそれぞれ、後段第２反射板４１３、後段第１反射板４１４によって構成される逆フーリエ変換光学系の前方焦点位置、後方焦点位置に配置されている。従って、図６の光学系によっても、実施の形態２と同様の効果を奏することができる。
【００５２】
さらに、実施の形態１〜３において、反射板４１〜４１０に光の収差を補正する機能を持たせるために、反射板４１〜４１０の表面形状を局所的に光学的なパワーを有する曲面形状、即ち局所的に凸レンズ、凹レンズとして機能する曲面が分布する形状とすることも可能である。これによって、光の収差を補正することができ、相関演算の精度を向上することが可能となる。
【００５３】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、前段演算部、後段演算部に反射板を備え、光路を折り返すことによって、全長を短縮した小型の相関演算光学装置を実現することが可能となる。
【００５４】
また、多重相関演算光学装置に本発明を適用し、光路を折り返すことによって、人の手のひらサイズの多重の反射型相関演算光学装置を実現することが可能となる。
【００５５】
これによって、相関演算システムの小型化、軽量化が可能となり、可搬可能なシステムの構築が可能となる。また、相関演算システムを車両やロボットの頭部に搭載することも可能となり、パターン認識の実用化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る相関演算光学装置の概略構成を示す断面図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態に係る相関演算光学装置の概略構成を示す断面図である。
【図３】本発明の第３の実施の形態に係る相関演算光学装置の概略構成を示す断面図である。
【図４】本発明の第３の実施の形態に係る相関演算光学装置と、周辺装置との位置関係を示す配置図である。
【図５】本発明の第３の実施の形態に係る相関演算光学装置の実施例を示す断面図である。
【図６】本発明に係る曲面形状の反射板を備えた相関演算光学装置を示す断面図である。
【図７】従来の相関演算光学装置の概略構成を示す断面図である。
【図８】従来の多重相関演算光学装置の概略構成を示す断面図である。
【符号の説明】
１　　　照明部
２　　　前段演算部
３　　　後段演算部
１１　　光源
１２　　コリメータレンズ
２１　　第１の空間変調素子
２２　　フーリエ変換レンズ
２３　　第２の空間変調素子
３１　　集光レンズ
３２　　読出部
４１、４５、４１０、４１１　　　前段第２反射板
４２、４６、４９、４１２　　前段第１反射板
４３、４７、４１３　　後段第２反射板
４４、４８、４１４　　後段第１反射板
５１〜５４　　第１〜第４位相板
【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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【図７】
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【図８】
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