(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
空間強度分布によりそれぞれ方向の異なる線分画像情報を保持する複数の信号光を、それぞれに対する参照光の偏光角またはそれぞれの信号光の偏光角を前記方向に応じて変えて、それぞれホログラムとして光記録媒体の同一領域に記録する特徴抽出フィルタ作成方法。
【請求項２】
空間強度分布によりそれぞれ方向の異なる線分画像情報を保持する複数の信号光が、それぞれに対する参照光の偏光角またはそれぞれの信号光の偏光角が前記方向に応じて変えられて、それぞれホログラムとして光記録媒体の同一領域に記録された特徴抽出フィルタ。
【請求項３】
空間強度分布によりそれぞれ方向の異なる線分画像情報を保持する複数の信号光が、それぞれに対する参照光の偏光角またはそれぞれの信号光の偏光角が前記方向に応じて変えられて、それぞれホログラムとして同一領域に記録されている光記録媒体に、空間強度分布により特徴抽出対象の画像情報を保持する信号光を照射して、前記光記録媒体から前記参照光の光路上にホログラム回折光を読み出し、その回折光の各偏光成分を抽出して、その空間強度分布を検出する特徴抽出方法。
【請求項４】
コヒーレント光を発する光源と、
特徴抽出対象の画像情報に応じて前記光源からの光を強度変調して、空間強度分布により前記画像情報を保持する信号光を得る空間光変調器と、
この空間光変調器から得られた信号光を、空間強度分布によりそれぞれ方向の異なる線分画像情報を保持する複数の信号光が、それぞれに対する参照光の偏光角またはそれぞれの信号光の偏光角が前記方向に応じて変えられて、それぞれホログラムとして同一領域に記録されている光記録媒体に照射する結像光学系と、
前記空間光変調器から得られた信号光が、前記結像光学系により前記光記録媒体に照射されることによって、前記光記録媒体から前記参照光の光路上に読み出されたホログラム回折光から、その各偏光成分を抽出する回折光光学系と、
その抽出された各偏光成分の空間強度分布を検出する光検出器と、
を備える特徴抽出装置。
【請求項５】
コヒーレント光を発する光源と、
線分画像情報または特徴抽出対象の画像情報に応じて前記光源からの光を強度変調して、空間強度分布により前記線分画像情報または前記特徴抽出対象の画像情報を保持する信号光を得る空間光変調器と、
この空間光変調器から得られた信号光を光記録媒体に照射する結像光学系と、
前記光源からの光から参照光を得て、前記光記録媒体に照射する参照光光学系と、
前記参照光または前記信号光の偏光角を回転させる偏光回転素子と、
前記特徴抽出対象の画像情報を保持する信号光が前記光記録媒体に照射されることによって、前記光記録媒体から前記参照光の光路上に読み出されたホログラム回折光から、その各偏光成分を抽出する回折光光学系と、
その抽出された各偏光成分の空間強度分布を検出する光検出器と、
を備える光記録特徴抽出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、光学的なＨｏｕｇｈ変換によって画像の特徴を抽出する方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
画像の特徴を抽出する方法としては、電気的な方法や光学的な方法が知られている。特に最近では、２次元の入出力用の電子デバイスの発達と、光学の並列性による高速処理への期待から、光学的な方法が注目されている。光学的な方法としては、ホログラムを空間フィルタとして用いるホログラフィックフィルタリングがあり、フィルタに各種機能を持たせることによって、様々な画像処理を行うことが提案されている。
【０００３】
また、ウェーブレット変換の一種であるＨｏｕｇｈ変換は、直線や曲線の検出に対して有用なツールであり、画像処理や対象認識に関係する分野で利用されている。そこで、Ｈｏｕｇｈ変換を光学的に行う方法が研究されている。
【０００４】
具体的に、文献「Ｄｏｎｇ−Ｈａｋ  Ｓｈｉｎ  ａｎｄ  Ｊｕ―Ｓｅｏｇ  Ｊａｎｇ：Ｏｐｔｉｃａｌ  ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｉｏｎ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｈｏｕｇｈ  ｔｒａｎｓｆｏｒｍ  ｂｙ  ｕｓｅ  ｏｆ  ｒｏｔａｔｉｏｎａｌｌｙ  ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｄ  ｈｏｌｏｇｒａｍｓ，ＡＰＰＬＩＥＤ  ＯＰＴＩＣＳＶｏｌ．３７，Ｎｏ．２（１９９８）３２９−３３３」には、ホログラムを利用してＨｏｕｇｈ変換を光学的に行う方法が提案されている。
【０００５】
図７に、その方法を示す。この方法では、同図（Ａ）に示すように、平行光５２をスリット５３を透過させて信号光５４を形成し、この信号光５４をレンズ５５によってフーリエ変換してホログラム媒体５１に照射すると同時に、参照光５６をホログラム媒体５１に照射するが、スリット５３を回転させて信号光５４の線分画像のホログラム媒体５１上における角度θを１０度ずつ回転させ、これに合わせて参照光５６のホログラム媒体５１上における照射方向を１０度ずつ回転させて、複数の線分画像のホログラムをホログラム媒体５１に多重記録する。
【０００６】
このようにホログラムが回転多重記録されたホログラム媒体５１は、線分の方向と位置を検出するのに用いることができる。この場合には、図７（Ｂ）に示すように、平行光６２によって入力画像６１を照明して信号光６３を形成し、その信号光６３をレンズ６４によってフーリエ変換してホログラム媒体５１に照射する。これによってホログラム媒体５１はＨｏｕｇｈ変換フィルタとして機能して、ホログラム媒体５１を通過した光をレンズ６５によって逆フーリエ変換して検出面６６に照射することによって、検出面６６上には入力画像６１に含まれる線分の方向と位置に応じて光ピーク６７が得られ、これをＣＣＤカメラなどにより検出することによって、入力画像６１に含まれる線分の方向と位置を検出することができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の特徴抽出方法では、図７（Ｃ）に示すように、検出面６６上において、光ピーク６７が現れる方向θが、入力画像６１に含まれる線分の方向に応じて変化するとともに、光ピーク６７が現れる径方向位置Ｒも、入力画像６１に含まれる線分の位置に応じて変化する。そのため、この方法では、光ピーク６７が離散的に広い範囲に渡って現れることになり、装置の小型化が難しく、それによって装置の低コスト化も難しいという問題がある。
【０００８】
光ピーク６７が検出面６６の中心寄りの位置に現れるようにすることも考えられるが、そうすると、隣り合う角度位置での光ピークが重なり合って、光ピークの方向および径方向位置を精度よく検出することができなくなる。そのため、装置の小型化・低コスト化と特徴抽出の高精度化を両立させることが困難である。
【０００９】
そこで、この発明は、光学的なＨｏｕｇｈ変換によって画像の特徴を抽出する方法において、特徴抽出の高精度化と装置の小型化・低コスト化を実現することができるようにしたものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この発明の特徴抽出フィルタ作成方法では、
空間強度分布によりそれぞれ方向の異なる線分画像情報を保持する複数の信号光を、それぞれに対する参照光の偏光角またはそれぞれの信号光の偏光角を前記方向に応じて変えて、それぞれホログラムとして光記録媒体の同一領域に記録する。
【００１１】
この発明の特徴抽出方法では、
空間強度分布によりそれぞれ方向の異なる線分画像情報を保持する複数の信号光が、それぞれに対する参照光の偏光角またはそれぞれの信号光の偏光角が前記方向に応じて変えられて、それぞれホログラムとして同一領域に記録されている光記録媒体に、空間強度分布により特徴抽出対象の画像情報を保持する信号光を照射して、前記光記録媒体から前記参照光の光路上にホログラム回折光を読み出し、その回折光の各偏光成分を抽出して、その空間強度分布を検出する。
【００１２】
【作用】
光誘起複屈折性（光誘起異方性、光誘起２色性）を示す材料は、これに入射する光の偏光状態に感応し、入射光の偏光角（偏光方向）を記録することができる。例えば、側鎖に光異性化する基を有する高分子または高分子液晶、または光異性化する分子を分散させた高分子は、直線偏光を照射すると、光異性化が誘起されて、直線偏光の方向に応じて屈折率の異方性を生じ、偏光方向を記録し、保存することができる。このとき、同時に参照光を照射すれば、信号光の偏光角をホログラムとして記録することができる。
【００１３】
通常のホログラムは、信号光と参照光の偏光方向を同一（平行）にして記録する。これに対して、光誘起複屈折性を示す材料は、信号光と参照光の偏光方向を互いに変えてホログラムを記録することができる。
【００１４】
この点に着目して、出願人は先に、特開平１０−３４０４７９号によって、それぞれ空間的な強度分布により２次元データ情報を保持する複数の信号光を、それぞれに対する参照光の偏光角、またはそれぞれの信号光の偏光角を変えて、それぞれホログラムとして、光記録媒体の同一領域に記録し、同一領域から再生する方法を提案した。
【００１５】
これを利用して、この発明の特徴抽出フィルタ作成方法では、上述したように、空間強度分布によりそれぞれ方向の異なる線分画像情報を保持する複数の信号光を、それぞれに対する参照光の偏光角またはそれぞれの信号光の偏光角を前記方向に応じて変えて、それぞれホログラムとして光記録媒体の同一領域に記録する。
【００１６】
このように作成された特徴抽出フィルタ、すなわち光記録媒体の、各ホログラムが多重記録されている領域に、空間強度分布により特徴を抽出しようとする画像の情報を保持する信号光を照射すると、光記録媒体に多重記録されている各ホログラムはＨｏｕｇｈ変換フィルタとして機能して、各ホログラムの記録時の参照光の光路上に、ホログラム回折光として、対象画像に含まれる線分の方向に応じた偏光角の、かつ対象画像に含まれる線分の位置に応じた空間的位置で光ピークを示す回折光が得られる。
【００１７】
例えば、線分の方向に応じて参照光の偏光角が変えられて各ホログラムが多重記録された場合、対象画像に０度の方向（ある定められた方向を０度の方向とする）の線分が含まれているときには、０度の方向の線分が記録されたホログラムから、そのホログラムの記録時の参照光と同じ偏光角の回折光が得られ、対象画像に１０度の方向の線分が含まれているときには、１０度の方向の線分が記録されたホログラムから、そのホログラムの記録時の参照光と同じ偏光角の回折光が得られ、というように、対象画像に含まれる線分の方向と同じ方向の線分が記録されたホログラムから、そのホログラムの記録時の参照光と同じ偏光角の回折光が得られるとともに、それぞれの偏光角の回折光は、対象画像に含まれる線分の位置に応じた空間的位置で光ピークを示すものとなる。
【００１８】
したがって、検光子などによって、そのホログラム回折光の各偏光成分を抽出し、光検出器によって、各偏光成分の空間強度分布を検出することによって、対象画像に含まれる線分の方向と位置を検出することができる。
【００１９】
この場合、各ホログラムは同一光路の参照光によって記録されているので、いずれの方向の線分が記録されたホログラムからの、いずれの偏光角の回折光も、同一の方向に得られ、光ピークも、その方向の限られた範囲内に現れるので、装置の小型化が可能となり、装置の低コスト化を実現することができる。また、対象画像に含まれる線分の方向は回折光の偏光角によって検出されるので、光ピークが限られた範囲内に現れても、特徴抽出を高精度に行うことができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
〔光記録媒体の例〕
図１は、この発明の方法に用いる光記録媒体の一例を示し、ガラス基板などの透明基板１１の一面側に偏光感応層１２を形成したものである。
【００２１】
偏光感応層１２は、光誘起複屈折性を示し、偏光情報をホログラムとして記録できる材料であれば、どのようなものでもよいが、好ましい例として、側鎖に光異性化する基を有する高分子または高分子液晶、または光異性化する分子を分散させた高分子を用いることができる。また、その光異性化する基または分子としては、例えば、アゾベンゼン骨格を含むものが好適である。
【００２２】
偏光感応層１２の好ましい例の一つとして、図２に示す化学式で表される、側鎖にシアノアゾベンゼンを有するポリエステルを用いることができる。この材料は、特開平１０−３４０４７９号に詳細に記載されているように、側鎖のシアノアゾベンゼンの光異性化による光誘起異方性によって、偏光情報を有するホログラムの記録、再生、消去が可能である。
【００２３】
ホログラムを体積的（３次元）に記録するには、偏光感応層１２の厚みは、少なくとも１０μｍ程度必要であり、厚みを大きくするほど、記憶容量を大きくすることができる。なお、光記録媒体１０全体を光誘起複屈折性を示す偏光感応層として形成することもできる。
【００２４】
〔特徴抽出装置と特徴抽出フィルタ作成方法および特徴抽出方法の一例〕
図３は、この発明の特徴抽出装置の一例を示し、特徴抽出フィルタ作成装置である光記録装置を兼ねる場合である。
【００２５】
光源２１としては、光記録媒体１０の偏光感応層１２に感度のあるコヒーレント光を発するものを用いる。例えば、偏光感応層１２として、図２に示した側鎖にシアノアゾベンゼンを有するポリエステルを用いる場合には、これに感度のある波長５１５ｎｍのアルゴンイオンレーザを用いる。
【００２６】
光源２１からの光１の偏光は、例えば紙面に垂直なＰ偏光で（以後、これを０度の偏光角とする）、このＰ偏光の光１を、空間フィルタ２２を通過させて波面の乱れを除去した後、レンズ２３によって平行光とし、さらにビームスプリッタ２４によって２光束に分割する。
【００２７】
（ホログラム記録（フィルタ作成））
ホログラム記録時には、シャッタ２５を開けて、ビームスプリッタ２４を透過したＰ偏光の光２を、信号光形成用の空間光変調器２６に入射させ、図では省略した制御回路によって、空間光変調器２６に、２値の２次元の線分画像を表示する。これによって、空間光変調器２６を透過した光４は、線分画像の各画素の値に応じて空間的に強度変調されて、空間強度分布により線分画像情報を保持するＰ偏光の信号光となる。このような空間光変調器２６としては、液晶パネルなどを用いることができる。
【００２８】
この空間光変調器２６からのＰ偏光の信号光４を、レンズ２７によってフーリエ変換し、その変換後のＰ偏光の信号光５を、光記録媒体１０に照射する。
【００２９】
また、ホログラム記録時には、シャッタ２８を開けて、ビームスプリッタ２４で反射したＰ偏光の光３を、偏光回転素子２９に入射させ、図では省略した制御回路からの制御信号に応じて、偏光回転素子２９を透過する光の偏光角を回転させる。このように透過光の偏光角を回転させることができる偏光回転素子２９としては、液晶バルブ、ポッケルス素子、ファラデー素子、１／２波長板などを用いることができる。
【００３０】
そして、ホログラム記録時には、この偏光回転素子２９を透過した光を、ミラー３１で反射させ、レンズ３２および３３によってビーム径を小さくした平行光とし、さらにミラー３４，３５および３６で反射させて、参照光６として、光記録媒体１０の信号光５が照射される領域に、信号光５と同時に照射する。
【００３１】
これによって、光記録媒体１０中に、Ｐ偏光の信号光５の空間強度分布が、ホログラムとして記録される。
【００３２】
この場合、最初に、空間光変調器２６に、図４（Ａ）に示すような０度の方向（図４の縦方向を０度の方向とする）の線分を表示し、参照光６を０度の偏光（Ｐ偏光）にして、空間強度分布により０度の方向の線分情報を保持するＰ偏光の信号光を、ホログラムとして光記録媒体１０に記録する。
【００３３】
次に、空間光変調器２６に、図４（Ｂ）に示すような１０度の方向（縦方向に対して時計回り方向に１０度回転した方向を１０度の方向とする）の線分を表示し、参照光６を１０度の偏光（Ｐ偏光の偏光方向に対して所定方向に１０度回転した偏光方向を１０度の偏光とする）にして、空間強度分布により１０度の方向の線分情報を保持するＰ偏光の信号光を、ホログラムとして光記録媒体１０の同一領域に多重記録する。
【００３４】
以後、同様に、空間光変調器２６に表示する線分の方向を１７０度まで１０度ずつ変え、これに応じて参照光６の偏光角を１７０度まで１０度ずつ変えて、光記録媒体１０の同一領域にホログラムを多重記録する。
【００３５】
したがって、線分の方向が０度から１７０度まで１０度ずつ変化する１８ページ分の線分画像が、偏光角が０度から１７０度まで１０度ずつ変化する参照光によって、１８ページ分のホログラムとして光記録媒体１０の同一領域に多重記録される。
【００３６】
（特徴抽出方法）
特徴抽出時には、シャッタ２８を閉じて参照光６を遮断し、シャッタ２５を開けて、ビームスプリッタ２４を透過したＰ偏光の光２を、空間光変調器２６に入射させ、図では省略した制御回路によって、空間光変調器２６に、特徴を抽出しようとする２値の２次元の対象画像を表示する。これによって、空間光変調器２６を透過した光４は、対象画像の各画素の値に応じて空間的に強度変調されて、空間強度分布により対象画像情報を保持するＰ偏光の信号光となる。
【００３７】
この空間光変調器２６からのＰ偏光の信号光４を、レンズ２７によってフーリエ変換し、その変換後のＰ偏光の信号光５を、上述したように作成された特徴抽出フィルタ、すなわち光記録媒体１０の、１８ページ分のホログラムが多重記録されている領域に照射する。
【００３８】
このとき、光記録媒体１０に多重記録されている各ホログラムはＨｏｕｇｈ変換フィルタとして機能して、記録時の参照光６の光路上に、ホログラム回折光７として、対象画像に含まれる線分の方向に応じた偏光角の、かつ対象画像に含まれる線分の位置に応じた空間的位置で光ピークを示す回折光が得られる。
【００３９】
すなわち、対象画像に０度の方向の線分が含まれているときには、０度の方向の線分が記録されたホログラムから、そのホログラムの記録時の参照光と同じ０度の偏光角の回折光が得られ、対象画像に１０度の方向の線分が含まれているときには、１０度の方向の線分が記録されたホログラムから、そのホログラムの記録時の参照光と同じ１０度の偏光角の回折光が得られ、というように、対象画像に含まれる線分の方向と同じ方向の線分が記録されたホログラムから、そのホログラムの記録時の参照光と同じ偏光角の回折光が得られるとともに、それぞれの偏光角の回折光は、対象画像に含まれる線分の位置に応じた空間的位置で光ピークを示すものとなる。
【００４０】
このホログラム回折光７を、ミラー４１で反射させ、さらに検光子４２によって、回折光７の０度から１７０度まで１０度ずつ偏光角が異なる各偏光成分を順次抽出し、その抽出した偏光成分７ａを、２次元アレイ状の光検出器４３上に結像させる。したがって、光検出器４３の検出信号から、対象画像に含まれる線分の方向と位置を検出することができる。
【００４１】
この場合、１８ページ分のホログラムは同一光路の参照光６によって記録されているので、いずれの方向の線分が記録されたホログラムからの、いずれの偏光角の回折光も、同一の方向に得られ、光ピークも、その方向の限られた範囲内に現れるので、装置の小型化が可能となり、装置の低コスト化を実現することができる。また、対象画像に含まれる線分の方向は回折光の偏光角によって検出されるので、光ピークが限られた範囲内に現れても、特徴抽出を高精度に行うことができる。
【００４２】
〔実験による検証〕
上述した方法および装置で、実際に特徴抽出フィルタの作成および対象画像の特徴抽出を試みた。光記録媒体１０としては、偏光感応層１２として側鎖にシアノアゾベンゼンを有するポリエステルを形成したものを用い、光源２１としては、上述した波長５１５ｎｍのアルゴンイオンレーザを用いた。ホログラム記録時（フィルタ作成時）の信号光および参照光は、約０．５Ｗ／ｃｍ２、特徴抽出時の信号光は、０．１５Ｗ／ｃｍ２とした。空間光変調器２６としては、一画素の大きさが４２μｍ×４２μｍで、６４０×４８０画素のプロジェクタ用液晶パネルを用いた。
【００４３】
特徴抽出フィルタを作成するため、最初に、図４（Ａ）に示すような０度の方向の線分を空間光変調器２６に表示し、参照光６の偏光角を０度にして、光記録媒体１０にホログラムを記録した。このとき、空間光変調器２６上で、線分の幅は１０画素分、長さは２４０画素分とした。
【００４４】
次に、図４（Ｂ）に示すような１０度の方向の線分を空間光変調器２６に表示し、参照光６の偏光角を１０度にして、光記録媒体１０の同一領域にホログラムを多重記録した。以後、同様に、空間光変調器２６に表示する線分の方向を１７０度まで１０度ずつ変え、参照光６の偏光角を１７０度まで１０度ずつ変えて、光記録媒体１０の同一領域にホログラムを多重記録した。
【００４５】
ただし、空間光変調器２６上の線分画像の表示はデジタルで、線分を傾けたときには、線分の幅および長さを、線分を０度または９０度の方向にしたときと正確に同じにできないので、線分を０度または９０度の方向にしたときに近い値にした。
【００４６】
次に、このように作成した特徴抽出フィルタを用いて、対象画像の特徴抽出を行った。まず、空間光変調器２６に、図５（Ａ）に示すような、左右方向の中央部に０度の方向の１本の線分を有する対象画像を表示し、そのフーリエ変換されたＰ偏光の信号光を、光記録媒体１０の１８ページ分のホログラムを多重記録した領域に照射した。
【００４７】
その結果、検光子４２の透過軸方向を０度にしたとき、光検出器４３によって検出された回折像として、図５（Ｂ）に示すように、中心部で１個の光ピークが観測され、対象画像が左右方向の中央部に０度の方向の１本の線分を有することが確かめられた。
【００４８】
次に、空間光変調器２６に、図６（Ａ）に示すような、中心の点を挟んで上下に９０度の方向の２本の線分を有する対象画像を表示し、そのフーリエ変換されたＰ偏光の信号光を、光記録媒体１０の１８ページ分のホログラムを多重記録した領域に照射した。
【００４９】
その結果、検光子４２の透過軸方向を９０度にしたとき、光検出器４３によって検出された回折像として、図６（Ｂ）に示すように、中心の点を挟む上下の２点で光ピークが観測され、対象画像が中心の点を挟んで上下に９０度の方向の２本の線分を有することが確かめられた。
【００５０】
【発明の効果】
上述したように、この発明によれば、光学的なＨｏｕｇｈ変換による特徴抽出の高精度化と装置の小型化・低コスト化を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の方法に用いる光記録媒体の一例を示す図である。
【図２】光記録媒体の偏光感応層の材料の一例の化学式を示す図である。
【図３】この発明の特徴抽出装置の一例を示す図である。
【図４】この発明の特徴抽出フィルタ作成方法でホログラム記録する線分画像の一例を示す図である。
【図５】特徴抽出の対象画像と特徴抽出結果の回折像の一例を示す図である。
【図６】特徴抽出の対象画像と特徴抽出結果の回折像の他の例を示す図である。
【図７】従来の特徴抽出フィルタ作成方法および特徴抽出方法を示す図である。
【符号の説明】
４，５…信号光
６…参照光
７…回折光
７ａ…偏光成分
１０…光記録媒体
１２…偏光感応層
２１…光源
２４…ビームスプリッタ
２５，２８…シャッタ
２６…空間光変調器
２９…偏光回転素子
４２…検光子
４３…光検出器
【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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