(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
コヒーレント光を画像情報によって空間的に強度変調して直線偏光の物体光を生成し、この物体光をフーリエ変換してフーリエ変換像を得るとともに、前記コヒーレント光から参照光を生成し、
前記フーリエ変換像または前記参照光を空間的に偏光変調して、光誘起複屈折性を示す光記録媒体に照射されるフーリエ変換像および参照光として、フーリエ変換像のある空間周波数成分の偏光方向と参照光の前記ある空間周波数成分に対応する空間部分の偏光方向との関係と、フーリエ変換像の他の空間周波数成分の偏光方向と参照光の前記他の空間周波数成分に対応する空間部分の偏光方向との関係とが異なる偏光状態のフーリエ変換像および参照光を生成し、
そのフーリエ変換像と参照光とを、前記光記録媒体に同時に照射し、前記光記録媒体中で干渉させて、前記光記録媒体中にホログラムを記録するホログラム記録方法。
【請求項２】
請求項１のホログラム記録方法において、
前記光記録媒体がディスク形状であり、前記光記録媒体を回転させるとともに、前記フーリエ変換像および前記参照光を生成して前記光記録媒体に照射する光学ヘッドを前記光記録媒体の径方向に移動させるホログラム記録方法。
【請求項３】
コヒーレント光を発する光源と、
この光源からの光を画像情報によって空間的に強度変調して直線偏光の物体光を生成する第１の空間光変調器と、
この物体光をフーリエ変換し、その得られたフーリエ変換像を、光誘起複屈折性を示す光記録媒体に照射する第１の結像光学系と、
前記光源からの光から参照光を生成する参照光光学系と、
この参照光を前記光記録媒体に照射する第２の結像光学系と、
前記フーリエ変換像または前記参照光を空間的に偏光変調して、前記光記録媒体に照射されるフーリエ変換像および参照光として、フーリエ変換像のある空間周波数成分の偏光方向と参照光の前記ある空間周波数成分に対応する空間部分の偏光方向との関係と、フーリエ変換像の他の空間周波数成分の偏光方向と参照光の前記他の空間周波数成分に対応する空間部分の偏光方向との関係とが異なる偏光状態のフーリエ変換像および参照光を生成する第２の空間光変調器と、
を備えるホログラム記録装置。
【請求項４】
請求項３のホログラム記録装置において、
前記光記録媒体がディスク形状であり、当該ホログラム記録装置が、前記光記録媒体を回転させる媒体駆動機構と、前記光源、前記第１の空間光変調器、前記第１の結像光学系、前記参照光光学系、前記第２の結像光学系および前記第２の空間光変調器を含む光学ヘッドを前記光記録媒体の径方向に移動させるヘッド移動機構とを備えるホログラム記録装置。
【請求項５】
光誘起複屈折性を示す光記録媒体であって、
画像情報によって空間的に強度変調された直線偏光の物体光がフーリエ変換されて得られたフーリエ変換像、および参照光であり、かつ、フーリエ変換像のある空間周波数成分の偏光方向と参照光の前記ある空間周波数成分に対応する空間部分の偏光方向との関係と、フーリエ変換像の他の空間周波数成分の偏光方向と参照光の前記他の空間周波数成分に対応する空間部分の偏光方向との関係とが異なる偏光状態のフーリエ変換像および参照光によって、ホログラムが記録された光記録媒体。
【請求項６】
請求項５の光記録媒体において、
前記ホログラムに記録されている画像が、ドキュメントなどのアナログ画像である光記録媒体。
【請求項７】
請求項５の光記録媒体において、
前記ホログラムに記録されている画像が、顔写真、指紋、またはその他の、個人を識別する画像である光記録媒体。
【請求項８】
請求項５〜７のいずれかの光記録媒体において、
当該光記録媒体がディスク形状である光記録媒体。
【請求項９】
画像情報によって空間的に強度変調された直線偏光の物体光がフーリエ変換されて得られたフーリエ変換像、および参照光であり、かつ、フーリエ変換像のある空間周波数成分の偏光方向と参照光の前記ある空間周波数成分に対応する空間部分の偏光方向との関係と、フーリエ変換像の他の空間周波数成分の偏光方向と参照光の前記他の空間周波数成分に対応する空間部分の偏光方向との関係とが異なる偏光状態のフーリエ変換像および参照光によって、ホログラムが記録されている、光誘起複屈折性を示す光記録媒体に、
前記ある空間周波数成分に対応する空間部分と前記他の空間周波数成分に対応する空間部分とで偏光方向が異なる読み出し光を照射して、空間的に一様な偏光のホログラム回折光を得、
このホログラム回折光を、逆フーリエ変換し、光検出器で検出して、前記物体光の画像を再生するホログラム再生方法。
【請求項１０】
画像情報によって空間的に強度変調された直線偏光の物体光がフーリエ変換されて得られたフーリエ変換像、および参照光であり、かつ、フーリエ変換像のある空間周波数成分の偏光方向と参照光の前記ある空間周波数成分に対応する空間部分の偏光方向との関係と、フーリエ変換像の他の空間周波数成分の偏光方向と参照光の前記他の空間周波数成分に対応する空間部分の偏光方向との関係とが異なる偏光状態のフーリエ変換像および参照光によって、ホログラムが記録されている、光誘起複屈折性を示す光記録媒体に、
前記ある空間周波数成分に対応する空間部分と前記他の空間周波数成分に対応する空間部分とで偏光方向が異なる、または空間的に一様な偏光の、読み出し光を照射して、前記ある空間周波数成分に対応する空間部分と前記他の空間周波数成分に対応する空間部分とで偏光方向が異なるホログラム回折光を得、
このホログラム回折光の、前記ある空間周波数成分に対応する空間部分の偏光成分を、逆フーリエ変換し、光検出器で検出して、前記物体光の画像の、前記ある空間周波数成分に対応する周波数成分を抽出するホログラム再生方法。
【請求項１１】
画像情報によって空間的に強度変調された直線偏光の物体光がフーリエ変換されて得られたフーリエ変換像、および参照光であり、かつ、フーリエ変換像のある空間周波数成分の偏光方向と参照光の前記ある空間周波数成分に対応する空間部分の偏光方向との関係と、フーリエ変換像の他の空間周波数成分の偏光方向と参照光の前記他の空間周波数成分に対応する空間部分の偏光方向との関係とが異なる偏光状態のフーリエ変換像および参照光によって、ホログラムが記録されている、光誘起複屈折性を示す光記録媒体に、
前記ある空間周波数成分に対応する空間部分と前記他の空間周波数成分に対応する空間部分とで偏光方向が異なる、または空間的に一様な偏光の、読み出し光を照射して、前記ある空間周波数成分に対応する空間部分と前記他の空間周波数成分に対応する空間部分とで偏光方向が異なるホログラム回折光を得、
このホログラム回折光を逆フーリエ変換し、その変換後の回折光の、前記ある空間周波数成分に対応する偏光成分、および前記他の空間周波数成分に対応する偏光成分を、それぞれ光検出器で検出して、前記物体光の画像の、前記ある空間周波数成分に対応する周波数成分、および前記他の空間周波数成分に対応する周波数成分を、それぞれ抽出するホログラム再生方法。
【請求項１２】
画像情報によって空間的に強度変調された直線偏光の物体光がフーリエ変換されて得られた空間的に一様な偏光のフーリエ変換像と、空間的に一様な偏光の参照光とによって、ホログラムが記録されている、光誘起複屈折性を示す光記録媒体に、
前記フーリエ変換像のある空間周波数成分に対応する空間部分と前記フーリエ変換像の他の空間周波数成分に対応する空間部分とで偏光方向が異なる読み出し光を照射して、前記ある空間周波数成分に対応する空間部分と前記他の空間周波数成分に対応する空間部分とで偏光方向が異なるホログラム回折光を得、
このホログラム回折光の、前記ある空間周波数成分に対応する空間部分の偏光成分を、逆フーリエ変換し、光検出器で検出して、前記物体光の画像の、前記ある空間周波数成分に対応する周波数成分を抽出するホログラム再生方法。
【請求項１３】
請求項９〜１２のいずれかのホログラム再生方法において、
前記光記録媒体がディスク形状であり、前記光記録媒体を回転させるとともに、前記読み出し光を生成する読み出し光光学系および前記光検出器を含む光学ヘッドを前記光記録媒体の径方向に移動させるホログラム再生方法。
【請求項１４】
コヒーレント光を発する光源と、
この光源からの光から、画像情報によって空間的に強度変調された直線偏光の物体光がフーリエ変換されて得られたフーリエ変換像、および参照光であり、かつ、フーリエ変換像のある空間周波数成分の偏光方向と参照光の前記ある空間周波数成分に対応する空間部分の偏光方向との関係と、フーリエ変換像の他の空間周波数成分の偏光方向と参照光の前記他の空間周波数成分に対応する空間部分の偏光方向との関係とが異なる偏光状態のフーリエ変換像および参照光によって、ホログラムが記録されている、光誘起複屈折性を示す光記録媒体に照射することによって、空間的に一様な偏光のホログラム回折光を得るための、前記ある空間周波数成分に対応する空間部分と前記他の空間周波数成分に対応する空間部分とで偏光方向が異なる読み出し光を生成して、前記光記録媒体に照射する、偏光変調用の空間光変調器を含む読み出し光光学系と、
前記ホログラム回折光を逆フーリエ変換するレンズと、
その変換後の回折光を検出する光検出器と、
を備えるホログラム再生装置。
【請求項１５】
コヒーレント光を発する光源と、
この光源からの光から、画像情報によって空間的に強度変調された直線偏光の物体光がフーリエ変換されて得られたフーリエ変換像、および参照光であり、かつ、フーリエ変換像のある空間周波数成分の偏光方向と参照光の前記ある空間周波数成分に対応する空間部分の偏光方向との関係と、フーリエ変換像の他の空間周波数成分の偏光方向と参照光の前記他の空間周波数成分に対応する空間部分の偏光方向との関係とが異なる偏光状態のフーリエ変換像および参照光によって、ホログラムが記録されている、光誘起複屈折性を示す光記録媒体に照射することによって、前記ある空間周波数成分に対応する空間部分と前記他の空間周波数成分に対応する空間部分とで偏光方向が異なるホログラム回折光を得るための、前記ある空間周波数成分に対応する空間部分と前記他の空間周波数成分に対応する空間部分とで偏光方向が異なる、または空間的に一様な偏光の、読み出し光を生成して、前記光記録媒体に照射する、偏光変調用の空間光変調器を含む、または含まない読み出し光光学系と、
前記ホログラム回折光を逆フーリエ変換するレンズと、
その変換後の回折光の、前記ある空間周波数成分に対応する偏光成分を、検出する光検出器と、
を備えるホログラム再生装置。
【請求項１６】
コヒーレント光を発する光源と、
この光源からの光から、画像情報によって空間的に強度変調された直線偏光の物体光がフーリエ変換されて得られたフーリエ変換像、および参照光であり、かつ、フーリエ変換像のある空間周波数成分の偏光方向と参照光の前記ある空間周波数成分に対応する空間部分の偏光方向との関係と、フーリエ変換像の他の空間周波数成分の偏光方向と参照光の前記他の空間周波数成分に対応する空間部分の偏光方向との関係とが異なる偏光状態のフーリエ変換像および参照光によって、ホログラムが記録されている、光誘起複屈折性を示す光記録媒体に照射することによって、前記ある空間周波数成分に対応する空間部分と前記他の空間周波数成分に対応する空間部分とで偏光方向が異なるホログラム回折光を得るための、前記ある空間周波数成分に対応する空間部分と前記他の空間周波数成分に対応する空間部分とで偏光方向が異なる、または空間的に一様な偏光の、読み出し光を生成して、前記光記録媒体に照射する、偏光変調用の空間光変調器を含む、または含まない読み出し光光学系と、
前記ホログラム回折光を逆フーリエ変換するレンズと、
その変換後の回折光の、前記ある空間周波数成分に対応する偏光成分、および前記他の空間周波数成分に対応する偏光成分を、それぞれ検出する光検出器と、
を備えるホログラム再生装置。
【請求項１７】
コヒーレント光を発する光源と、
この光源からの光から、画像情報によって空間的に強度変調された直線偏光の物体光がフーリエ変換されて得られた空間的に一様な偏光のフーリエ変換像と、空間的に一様な偏光の参照光とによって、ホログラムが記録されている、光誘起複屈折性を示す光記録媒体に照射することによって、前記フーリエ変換像のある空間周波数成分に対応する空間部分と前記フーリエ変換像の他の空間周波数成分に対応する空間部分とで偏光方向が異なるホログラム回折光を得るための、前記ある空間周波数成分に対応する空間部分と前記他の空間周波数成分に対応する空間部分とで偏光方向が異なる読み出し光を生成して、前記光記録媒体に照射する、偏光変調用の空間光変調器を含む読み出し光光学系と、
前記ホログラム回折光を逆フーリエ変換するレンズと、
その変換後の回折光の、前記ある空間周波数成分に対応する偏光成分を、検出する光検出器と、
を備えるホログラム再生装置。
【請求項１８】
請求項１４〜１７のいずれかのホログラム再生装置において、
前記光記録媒体がディスク形状であり、当該ホログラム再生装置が、前記光記録媒体を回転させる媒体駆動機構と、前記光源、前記読み出し光光学系、前記レンズおよび前記光検出器を含む光学ヘッドを前記光記録媒体の径方向に移動させるヘッド移動機構とを備えるホログラム再生装置。
【請求項１９】
被検索画像によって空間的に強度変調された直線偏光の物体光がフーリエ変換されて得られたフーリエ変換像、および参照光であり、かつ、フーリエ変換像のある空間周波数成分の偏光方向と参照光の前記ある空間周波数成分に対応する空間部分の偏光方向との関係と、フーリエ変換像の他の空間周波数成分の偏光方向と参照光の前記他の空間周波数成分に対応する空間部分の偏光方向との関係とが異なる偏光状態のフーリエ変換像および参照光によって、ホログラムが記録されている、光誘起複屈折性を示す光記録媒体に、
検索画像によって空間的に強度変調された直線偏光の物体光がフーリエ変換されて得られた、前記ある空間周波数成分に対応する空間部分と前記他の空間周波数成分に対応する空間部分とで偏光方向が異なる、または空間的に一様な偏光の、別のフーリエ変換像を、読み出し光として照射して、前記ある空間周波数成分に対応する空間部分と前記他の空間周波数成分に対応する空間部分とで偏光方向が異なるホログラム回折光を得、
このホログラム回折光の、前記ある空間周波数成分に対応する空間部分の偏光成分を、逆フーリエ変換し、光検出器で検出して、前記被検索画像と前記検索画像との間の、前記ある空間周波数成分に対応する周波数成分についての相関演算値を得るフィルタリング方法。
【請求項２０】
請求項１９のフィルタリング方法において、
前記被検索画像と前記検索画像の、少なくともいずれか一方が、ドキュメントなどのアナログ画像であるフィルタリング方法。
【請求項２１】
請求項１９のフィルタリング方法において、
前記被検索画像と前記検索画像の、少なくともいずれか一方が、顔写真、指紋、またはその他の、個人を識別する画像であるフィルタリング方法。
【請求項２２】
請求項１９〜２１のいずれかのフィルタリング方法において、
前記光記録媒体がディスク形状であり、前記光記録媒体を回転させるとともに、前記別のフーリエ変換像の読み出し光を生成する読み出し光光学系および前記光検出器を含む光学ヘッドを前記光記録媒体の径方向に移動させるフィルタリング方法。
【請求項２３】
コヒーレント光を発する光源と、
この光源からの光を検索画像によって空間的に強度変調して直線偏光の物体光を生成する空間光変調器と、
この物体光をフーリエ変換して、被検索画像によって空間的に強度変調された直線偏光の物体光がフーリエ変換されて得られたフーリエ変換像、および参照光であり、かつ、フーリエ変換像のある空間周波数成分の偏光方向と参照光の前記ある空間周波数成分に対応する空間部分の偏光方向との関係と、フーリエ変換像の他の空間周波数成分の偏光方向と参照光の前記他の空間周波数成分に対応する空間部分の偏光方向との関係とが異なる偏光状態のフーリエ変換像および参照光によって、ホログラムが記録されている、光誘起複屈折性を示す光記録媒体に照射することによって、前記ある空間周波数成分に対応する空間部分と前記他の空間周波数成分に対応する空間部分とで偏光方向が異なるホログラム回折光を得るための、前記ある空間周波数成分に対応する空間部分と前記他の空間周波数成分に対応する空間部分とで偏光方向が異なる、または空間的に一様な偏光の、別のフーリエ変換像を、読み出し光として生成して、前記光記録媒体に照射する、偏光変調用の空間光変調器を含む、または含まない読み出し光光学系と、
前記ホログラム回折光を逆フーリエ変換するレンズと、
その変換後の回折光の、前記ある空間周波数成分に対応する偏光成分を、検出する光検出器と、
を備えるフィルタリング装置。
【請求項２４】
請求項２３のフィルタリング装置において、
前記被検索画像と前記検索画像の、少なくともいずれか一方が、ドキュメントなどのアナログ画像であるフィルタリング装置。
【請求項２５】
請求項２３のフィルタリング装置において、
前記被検索画像と前記検索画像の、少なくともいずれか一方が、顔写真、指紋、またはその他の、個人を識別する画像であるフィルタリング装置。
【請求項２６】
請求項２３〜２５のいずれかのフィルタリング装置において、
前記光記録媒体がディスク形状であり、当該フィルタリング装置が、前記光記録媒体を回転させる媒体駆動機構と、前記光源、前記空間光変調器、前記読み出し光光学系、前記レンズおよび前記光検出器を含む光学ヘッドを前記光記録媒体の径方向に移動させるヘッド移動機構とを備えるフィルタリング装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、各種の画像をホログラムとして記録し、再生する方法および装置、およびホログラムの記録再生過程で、ローパスフィルタリング、ハイパスフィルタリング、ウェーブレット変換、マツチトフィルタリングなどの空間周波数フィルタリングを行う方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ホログラムメモリは、画像をページごとに一括して記録再生できる高速性と、光記録媒体の同一体積内に多重させて複数ページの画像を記録できる大容量性とを備えているので、次世代のコンピュータファイルメモリなどとして注目されている。
【０００３】
また、ホログラムメモリでは、単に画像を記録再生するだけでなく、画像解析、画像圧縮、画像分解、画像検索などのために空間周波数フィルタリングを行うことができる。空間周波数フィルタリングは、光学的フーリエ変換によって、入力画像の２次元スペクトルを求め、空間周波数フィルタによって、そのスペクトルを変化させるもので、種々の演算ができる代表的な並列光コンピューティング技術であり、光学的コンボリューションと考えることができる。
【０００４】
空間周波数フィルタリング（以下では「フィルタリング」と略する）の代表的なものに、ローパスフィルタ、ハイパスフィルタおよびバンドパスフィルタがある。
【０００５】
一般に、画像スペクトルの低周波成分は画像の大まかな構造に対応し、エッジや微細構造は高周波成分に寄与する。ローパスフィルタは、画像スペクトルの低周波成分のみを透過させ、高い周波数成分のノイズを除去することができる。ハイパスフィルタは、逆に高周波成分のみを透過させ、画像の境界部分を抽出したり、微細構造を強調する目的で使用される。また、ある空間周波数帯のみを透過させるバンドパスフィルタは、画像圧縮や画像解析に利用されている。
【０００６】
さらに、ホログラフィ技術を用いると、空間周波数フィルタに複素振幅特性を持たせることができるので、光学的コリレーションを行うことができ、パターン認識や検索処理が可能となる。
【０００７】
一般に、波動の複素振幅分布を、そのまま直接的に記録することはできない。直接的には光の強度分布のみが測定可能で、写真は強度分布のみを記録している。これに対して、ホログラフィでは、複素振幅分布にキャリア成分を導入することによって、複素振幅分布の記録再生を可能にしている。
【０００８】
このホログラフィの特性を利用したフィルタにマツチトフィルタがある。これは、信号対雑音比を最大にするフィルタであり、参照画像と入力画像との相関演算によって、ある２次元画像中に特定のパターンが存在するか否か、および存在する場合には存在する位置を検出することができる。
【０００９】
さらに、よりロバストで識別能力の高いマツチトフィルタとして、位相オンリーマツチトフィルタ（Ｊ  Ｌ．Ｈｏｒｎｅｒ  ｅｔ  ａｌ．，ＡＰＰＬＩＥＤ  ＯＰＴＩＣＳ  Ｖｏｌ．２３  ｐｐ．８１２−８１６（１９８４）参照）や、ウェーブレットマツチトフィルタ（Ｙ．Ｓｈｅｎｇ  ｅｔ  ａｌ．，ＯＰＴＩＣＳＬＥＴＴＥＲＳ  Ｖｏｌ．１８  ｐｐ．２９９−３０１（１９９３）参照）が考えられている。
【００１０】
位相オンリーマツチトフィルタは、入力物体フーリエ変換像の位相成分と参照物体フーリエ変換像の位相成分のみが記録されたフィルタである。このマツチトフィルタは、光の利用効率が高いことに加え、相関値が自己相関でδ関数となることから、一般的なマツチトフィルタと比較して、より高い識別能力を有する。
【００１１】
ウェーブレットマツチトフィルタは、画像の特徴が輪郭部分に集中していることを利用して、ウェーブレット変換によって参照画像および入力画像の低周波成分を除去し、それぞれの高周波成分の間で相関演算を行うことによって、高い識別能力を得るものである。
【００１２】
図２３〜図２５を用いて、従来のホログラム記録再生方法およびフィルタリング方法を示す。
【００１３】
ホログラム記録時には、図２３に示すように、平行光１によって画像９１を照明して物体光２を得、この物体光２をレンズ９２によってフーリエ変換し、その変換後の物体光３を光記録媒体９３に照射すると同時に、平面波の参照光５を光記録媒体９３に照射して、光記録媒体９３中にホログラムを記録する。
【００１４】
ホログラム再生時には、図２４に示すように、上記のようにホログラムが記録された光記録媒体９３に記録時と同じ参照光５を照射して、そのホログラムから物体光の光路上に回折光６Ａを得、その回折光６Ａをレンズ９４によって逆フーリエ変換し、その変換後の回折光７Ａを光検出器９５上に結像させる。
【００１５】
再生像のフィルタリングを行う場合には、光記録媒体９３とレンズ９４との間に２次元の透過率分布を有するフィルタ１００を配置して、回折光６Ａのフーリエスペクトル中の所望の空間周波数成分のみを取り出す。
【００１６】
例えば、ローパスフィルタリングを行う場合には、回折光６Ａのフーリエスペクトル中の空間的に中心部に位置する低周波スペクトルのみをフィルタ１００を透過させて、周辺部に位置する高周波スペクトルは遮断し、ハイパスフィルタリングを行う場合には、逆に、中心部に位置する低周波スペクトルは遮断して、周辺部に位置する高周波スペクトルのみをフィルタ１００を透過させる。
【００１７】
画像間の相関演算を行う場合には、図２５に示すように、平行光１によって画像９６を照明して物体光２ａを得、この物体光２ａをレンズ９７によってフーリエ変換し、その変換後の物体光３ａを読み出し光として、図２３の方法によって画像９１がホログラムとして記録されている光記録媒体９３に照射して、そのホログラムから参照光の光路上に回折光６Ｂを得、その回折光６Ｂをレンズ９８によって逆フーリエ変換し、その変換後の回折光７Ｂを光検出器９９上に結像させる。
【００１８】
図２３の記録方法において、簡単のため、物体光の波数ベクトルｋは参照光の波数を基準にするとして、フーリエ変換前の物体光２をＯｅｘｐ（−ｉｋｒ）、フーリエ変換後の物体光３をｏｅｘｐ（−ｉｋ’ｒ）、参照光５をＲ（＝Ｒ＊）とすると、光記録媒体９３中に記録されるホログラムＴは、次式で与えられる。ただし、式（１）以下の式では、便宜上、α（アルファ）を「比例」を意味する記号として用いる。
【００１９】
Ｔα｜Ｒ＋ｏｅｘｐ（−ｉｋ’ｒ）｜２
＝｜Ｒ｜２＋｜ｏ｜２
＋Ｒ＊ｏｅｘｐ（−ｉｋ’ｒ）
＋Ｒｏ＊ｅｘｐ（ｉｋ’ｒ）    …（１）。
【００２０】
図２４の再生方法において、このホログラムＴに参照光５として、記録時の参照光５と同じ参照光Ｒ（＝Ｒ＊）を照射した場合、回折光は、次式で与えられる。
【００２１】
ＲＴα｛Ｒ｜Ｒ｜２＋Ｒ｜ｏ｜２
＋ＲＲ＊ｏｅｘｐ（−ｉｋ’ｒ）
＋ＲＲｏ＊ｅｘｐ（ｉｋ’ｒ）｝…（２）。
【００２２】
参照光Ｒ（＝Ｒ＊）は平面波であることと、式（２）の第３項が物体光の光路上に回折されることから、回折光６Ａである再生回折光Ｉは、
Ｉαｏｅｘｐ（−ｉｋ’ｒ）        …（３）
で表される。
【００２３】
この再生回折光Ｉがレンズ９４によって逆フーリエ変換されることによって、回折光７Ａとして物体光Ｏｅｘｐ（−ｉｋｒ）が得られる。
【００２４】
一方、図２５の相関演算方法において、上記のホログラムＴにフーリエ変換後の物体光３ａとして、記録時の物体光３と同じ物体光ｏｅｘｐ（−ｉｋ’ｒ）を照射した場合、回折光は、次式で与えられる。
【００２５】
ｏｅｘｐ（−ｉｋ’ｒ）Ｔ
α｛ｏｅｘｐ（−ｉｋ’ｒ）｜Ｒ｜２
＋ｏｅｘｐ（−ｉｋ’ｒ）｜ｏ｜２
＋ｏｅｘｐ（−ｉｋ’ｒ）Ｒ＊ｏｅｘｐ（−ｉｋ’ｒ）
＋ｏｅｘｐ（−ｉｋ’ｒ）Ｒｏ＊ｅｘｐ（ｉｋ’ｒ）  …（４）。
【００２６】
この式（４）の第４項が参照光の光路上に回折されるので、回折光６Ｂである再生回折光Ｉは、
Ｉαｏｏ＊    …（５）
で表される。
【００２７】
この再生回折光Ｉがレンズ９８によって逆フーリエ変換されることによって、回折光７Ｂとして物体光の自己相関値Ｏ★Ｏ＊が得られる。ただし、
Ｏ★Ｏ＊＝−∞∞∫ｏ（ｒ′）ｏ＊（ｒ′−ｒ）ｄｒ′    …（６）
である。−∞∞∫は、−∞から∞までの積分を意味する。
【００２８】
また、物体光３ａとして任意の画像の物体光を照射すれば、その画像９６とホログラムＴとして記録されている画像９１との相互相関値を得ることができ、マツチトフィルタリングを行うことができる。
【００２９】
図２６は、同図（Ａ）に物体光として示す多数のアルファベットが配列された画像をホログラム記録し、そのホログラムに同図（Ｂ）のようなアルファベット「Ｋ」を示す画像を検索画像として照射した場合である。この場合、同図（Ｃ）に示すように、相関像としては記録画像のアルファベット「Ｋ」の位置に自己相関ピークが現れ、他のアルファベットとの間の相互相関値は自己相関値に比べて小さくなる。したがって、記録画像中に検索画像「Ｋ」が存在すること、およびその存在する位置を知ることができる。
【００３０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来のフィルタリング方法では、２次元の透過率分布を有するフィルタ１００によって、回折光６Ａのフーリエスペクトルの、ある周波数成分を透過させ、他の周波数成分を遮断するので、フィルタ１００の出力側では、遮断された周波数成分が失われてしまって、他の周波数の再生像を得ることができない。すなわち、フィルタ１００をローパスフィルタとする場合には、フィルタ１００の出力側で回折光６Ａの高周波スペクトルが失われてしまい、逆にフィルタ１００をハイパスフィルタとする場合には、フィルタ１００の出力側で回折光６Ａの低周波スペクトルが失われてしまう。
【００３１】
そのため、ローパスフィルタリングとハイパスフィルタリングを同時に行う場合には、回折光６Ａを２光波に分離して、それぞれの光路中にローパスフィルタおよびハイパスフィルタを設け、逆フーリエ変換用のレンズ９４および光検出器９５も、それぞれの光路上に設ける必要があり、再生光学系が複雑かつ大型になってしまう。
【００３２】
そこで、この発明は、第１に、フーリエスペクトルの各周波数成分が失われることなく、かつ装置の複雑化および大型化を来たすことなく、ホログラム記録再生過程において、所望の空間周波数特性のフィルタリングを行うことができ、ローパスフィルタリングとハイパスフィルタリングなど、互いに相補的なフィルタリングを同時に行うこともできるようにするものである。
【００３３】
また、上述した従来のマツチトフィルタリング方法では、図２６のような高次の空間周波数成分が多い画像については、自己相関値と相互相関値を比較的容易に区別できるものの、図２７（Ａ）のような低次の空間周波数成分が多い画像については、円形、四角形、三角形という、それぞれの形状によらず、それぞれの画像スペクトルのほとんどの周波数成分が一致するため、例えば、同図（Ｂ）に示すように三角形の画像を検索画像とした場合、相関像は、同図（Ｃ）に示すように自己相関値と相互相関値を区別しにくいものとなり、画像検索が難しくなる。
【００３４】
そこで、図２８（Ａ）（Ｂ）に示すように、あらかじめ記録画像および検索画像から、それぞれの画像の特徴が集中している輪郭部分（高周波成分）を抽出して、これら輪郭画像間で相関演算を行うことが考えられており、この方法によれば、同図（Ｃ）に示すように自己相関値と相互相関値を比較的容易に区別できるようになる。
【００３５】
例えば、コンピュータを用いて輪郭部分を抽出する方法や、特開平４−３０６７８７号に記載のように光学的ハイパスフィルタリングによって輪郭部分を抽出する方法が提案されている。
【００３６】
しかしながら、この方法によると、輪郭部分を抽出するという、相関演算のための特別の前処理が必要となり、ホログラムメモリの高速検索性という特長が失われてしまう。ホログラムメモリは、高速転送性および高速検索性と大容量性とを兼ね備えてこそ、有用性を発揮できるものである。
【００３７】
また、識別能力の高いマツチトフィルタとして考えられている上述した位相オンリーマツチトフィルタは、高Ｓ／Ｎの相関像が得られるものの、記録画像の振幅情報が欠落するため、もとの画像を再生することができないという問題がある。同様に、上述したウェーブレットマツチトフィルタも、高Ｓ／Ｎの相関像が得られるものの、記録画像の低周波成分が欠落するため、もとの画像を再生することができないという問題がある。そのため、これらのマツチトフィルタは、相関演算には有効であるが、データを記録再生するホログラムメモリとしての機能を失うことになる。
【００３８】
そこで、この発明は、第２に、ホログラムメモリとしてのデータ記録再生機能と高速性および大容量性を失うことなく、識別能力の高いマツチトフィルタリングを行うことができるようにするものである。
【００３９】
【課題を解決するための手段】
この発明のホログラム記録方法では、
コヒーレント光を画像情報によって空間的に強度変調して直線偏光の物体光を生成し、この物体光をフーリエ変換してフーリエ変換像を得るとともに、前記コヒーレント光から参照光を生成し、
前記フーリエ変換像または前記参照光を空間的に偏光変調して、光誘起複屈折性を示す光記録媒体に照射されるフーリエ変換像および参照光として、フーリエ変換像のある空間周波数成分の偏光方向と参照光の前記ある空間周波数成分に対応する空間部分の偏光方向との関係と、フーリエ変換像の他の空間周波数成分の偏光方向と参照光の前記他の空間周波数成分に対応する空間部分の偏光方向との関係とが異なる偏光状態のフーリエ変換像および参照光を生成し、
そのフーリエ変換像と参照光とを、前記光記録媒体に同時に照射し、前記光記録媒体中で干渉させて、前記光記録媒体中にホログラムを記録する。
【００４０】
この発明のホログラム再生方法では、
画像情報によって空間的に強度変調された直線偏光の物体光がフーリエ変換されて得られたフーリエ変換像、および参照光であり、かつ、フーリエ変換像のある空間周波数成分の偏光方向と参照光の前記ある空間周波数成分に対応する空間部分の偏光方向との関係と、フーリエ変換像の他の空間周波数成分の偏光方向と参照光の前記他の空間周波数成分に対応する空間部分の偏光方向との関係とが異なる偏光状態のフーリエ変換像および参照光によって、ホログラムが記録されている、光誘起複屈折性を示す光記録媒体に、
前記ある空間周波数成分に対応する空間部分と前記他の空間周波数成分に対応する空間部分とで偏光方向が異なる、または空間的に一様な偏光の、読み出し光を照射して、前記ある空間周波数成分に対応する空間部分と前記他の空間周波数成分に対応する空間部分とで偏光方向が異なるホログラム回折光を得、
このホログラム回折光の、前記ある空間周波数成分に対応する空間部分の偏光成分を、逆フーリエ変換し、光検出器で検出して、前記物体光の画像の、前記ある空間周波数成分に対応する周波数成分を抽出する。
【００４１】
この発明のフィルタリング方法では、
被検索画像によって空間的に強度変調された直線偏光の物体光がフーリエ変換されて得られたフーリエ変換像、および参照光であり、かつ、フーリエ変換像のある空間周波数成分の偏光方向と参照光の前記ある空間周波数成分に対応する空間部分の偏光方向との関係と、フーリエ変換像の他の空間周波数成分の偏光方向と参照光の前記他の空間周波数成分に対応する空間部分の偏光方向との関係とが異なる偏光状態のフーリエ変換像および参照光によって、ホログラムが記録されている、光誘起複屈折性を示す光記録媒体に、
検索画像によって空間的に強度変調された直線偏光の物体光がフーリエ変換されて得られた、前記ある空間周波数成分に対応する空間部分と前記他の空間周波数成分に対応する空間部分とで偏光方向が異なる、または空間的に一様な偏光の、別のフーリエ変換像を、読み出し光として照射して、前記ある空間周波数成分に対応する空間部分と前記他の空間周波数成分に対応する空間部分とで偏光方向が異なるホログラム回折光を得、
このホログラム回折光の、前記ある空間周波数成分に対応する空間部分の偏光成分を、逆フーリエ変換し、光検出器で検出して、前記被検索画像と前記検索画像との間の、前記ある空間周波数成分に対応する周波数成分についての相関演算値を得る。
【００４２】
【作用】
光誘起複屈折性を示す材料は、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。
【００４３】
通常のホログラムは、物体光と参照光の偏光を、それぞれ空間的に一様にし、かつ互いに同一方向にして、記録する。
【００４４】
これに対して、上記の光誘起複屈折性を示す材料は、物体光と参照光の偏光方向を互いに変えて、例えば互いに直交させて、ホログラムを記録することができる。例えば、０°の偏光の物体光を、９０°の偏光の参照光によって、ホログラムとして記録することができ、その記録された物体光は、９０°の偏光の読み出し光によって、０°の偏光の回折光として読み出すことができる。
【００４５】
また、物体光または参照光の偏光を空間的に変調して、ホログラムを記録することもできる。例えば、空間的に中心部が０°で、周辺部が９０°の偏光の物体光を、空間的に一様な０°の偏光の参照光によって、ホログラムとして記録することができ、その記録された物体光は、空間的に一様な０°の偏光の読み出し光によって、空間的に中心部が０°で、周辺部が９０°の偏光の回折光として読み出すことができるとともに、空間的に中心部が０°で、周辺部が９０°の偏光の読み出し光によって、空間的に一様な０°の偏光の回折光として読み出すことができる。
【００４６】
逆に、空間的に一様な０°の偏光の物体光を、空間的に中心部が０°で、周辺部が９０°の偏光の参照光によって、ホログラムとして記録することができ、その記録された物体光は、空間的に中心部が０°で、周辺部が９０°の偏光の読み出し光によって、空間的に一様な０°の偏光の回折光として読み出すことができるとともに、空間的に一様な０°の偏光の読み出し光によって、空間的に中心部が０°で、周辺部が９０°の偏光の回折光として読み出すことができる。
【００４７】
これを利用して、この発明のホログラム記録方法では、上記の方法によって光誘起複屈折性を示す光記録媒体中にホログラムを記録する。
【００４８】
例えば、フーリエ変換された物体光を空間的に一様な０°の偏光として、参照光は、物体光の低周波スペクトルに対応する中心部分が９０°の偏光で、物体光の高周波スペクトルに対応する周辺部分が０°の偏光の空間偏光分布とする。
【００４９】
このようにして記録されたホログラムに、再生時、例えば、空間的に一様な０°の偏光の参照光を照射すると、ホログラムに記録された物体光は、低周波スペクトルについては、９０°の偏光の参照光成分によって記録されたものが、０°の偏光の参照光によって偏光が９０°回転して、９０°の偏光の回折光成分として読み出され、高周波スペクトルについては、０°の偏光の参照光成分によって記録されたものが、０°の偏光の参照光によって偏光が回転することなく、０°の偏光の回折光成分として読み出されて、ホログラムからの回折光は、物体光と同じ振幅分布を有するものの、低周波スペクトルが９０°の偏光となり、高周波スペクトルが０°の偏光となる。
【００５０】
したがって、回折光の光路上に偏光素子を配置して、その方位を９０°に調整すれば、物体光の低周波スペクトルのみからなる低周波再生像が得られ、ローパスフィルタリングを行うことができる。また、偏光素子の方位を０°に調整すれば、物体光の高周波スペクトルのみからなる高周波再生像が得られ、ハイパスフィルタリングを行うことができる。
【００５１】
記録時の参照光の空間偏光分布をマツチトフィルタに対応したものにして、画像検索時、例えば、検索画像の空間的に一様な０°の偏光の物体光を被検索画像が記録されているホログラムに照射すれば、ホログラムからの回折光として、ある空間周波数成分と他の空間周波数成分とで偏光が９０°異なるものが得られ、偏光素子によって、必要な空間周波数成分を取り出すことによって、相互相関像に対して自己相関像の強度が高い、高Ｓ／Ｎの相関像を得ることができ、ホログラムメモリとしてのデータ記録再生機能と高速性および大容量性を失うことなく、識別能力の高いマツチトフィルタリングを行うことができる。
【００５２】
【発明の実施の形態】
〔光記録媒体の一例…図１〜図７〕
この発明の方法で用いる光記録媒体は、図１（Ａ）に示すように、ガラス基板などの透明基板１１の一面側に光記録層１２を形成したものとし、または図１（Ｂ）に示すように、光記録層１２のみからなるものとする。
【００５３】
光記録層１２としては、光誘起複屈折性を示し、入射光の偏光方向を記録し、保持できるものであれば、どのようなものでもよいが、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が好ましい。また、その光異性化する基または分子としては、アゾベンゼン骨格を含むものが好適である。
【００５４】
光記録層１２の最も好ましい材料の一つは、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である。この材料は、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、入射光の偏光方向を記録し、保持することができる。
【００５５】
発明者は、側鎖にシアノアゾベンゼンを有するポリエステルが、物体光または参照光の空間偏光分布をホログラムとして忠実に記録再生できることを、図３〜図５に示す光学系によって確認した。
【００５６】
光記録媒体１０は、側鎖にシアノアゾベンゼンを有するポリエステルからなる光記録層を備えたものである。図３の記録光学系の光源２１としては、側鎖にシアノアゾベンゼンを有するポリエステルに感度のあるアルゴンイオンレーザの発振線５１５ｎｍを用いた。
【００５７】
この光源２１からの光を、偏光板（１／２波長板）２２に透過させて、所定方位（その方位を０°とする）の直線偏光とし、その直線偏光を、レンズ２３および２４によって口径の広い平行光１にして、偏光変調可能な空間光変調器３１に入射させた。
【００５８】
空間光変調器３１としては、図４に示すように、透明基板３２および３３の内面に透明電極３４および３５が形成され、透明電極３４，３５間に電気光学変換部材３６として液晶が装填された、電気アドレス型の空間光変調器を用いた。これは、プロジェクタ用の液晶パネルから偏光板を取り除いたもので、各画素Ｐｘごとに入射光の偏光を任意に回転させることができる１／２波長板として機能させることができる。
【００５９】
変調用信号によって、この空間光変調器３１の、図６（Ａ）に示すように、一方向に１０分割された画素領域３１ａ〜３１ｊを制御して、空間光変調器３１を透過した光として、図６（Ｂ）に示すように、一方向に１０分割された空間部分において、０°から９０°まで、偏光方向が１０°ずつ変化した物体光２を得た。
【００６０】
この物体光２を、レンズ２５によってフーリエ変換し、その変換後の物体光３を、光記録媒体１０に照射すると同時に、光源２１からの光から得た、空間的に一様な０°の偏光の参照光５を、光記録媒体１０に照射して、光記録媒体中にホログラムを記録した。
【００６１】
再生時には、図５に示すように、上記のようにホログラムを記録した光記録媒体１０に、記録時と同じ、空間的に一様な０°の偏光の参照光５を照射して、そのホログラムから回折光６Ａを得、その回折光６Ａを、レンズ６１によって逆フーリエ変換し、その変換後の回折光７Ａを、偏光ビームスプリッタ６４で反射させて、再生光８ｐとして光検出器６３ｐ上に結像させるとともに、偏光ビームスプリッタ６４を透過させて、再生光８ｓとして光検出器６３ｓ上に結像させた。
【００６２】
その結果、再生光８ｐとしては、図６（Ｃ）に示すように、一方向に１０分割された空間部分において、最大強度から最小強度まで、光強度が段階的に変化した画像が得られ、再生光８ｓとしては、図６（Ｄ）に示すように、一方向に１０分割された空間部分において、逆に最小強度から最大強度まで、光強度が段階的に変化した画像が得られた。
【００６３】
これら２つの画像間の光強度分布比から、再生光８ｐ（回折光７Ａ）の偏光分布を算出した結果、図７に示すように、物体光２の偏光角と再生光８ｐ（回折光７Ａ）の偏光角が同じであることがわかった。物体光２の偏光角と再生光８ｓの偏光角は、９０°相違する。
【００６４】
したがって、側鎖にシアノアゾベンゼンを有するポリエステルは、物体光の空間偏光分布をホログラムとして忠実に記録再生することができる。参照光の空間偏光分布についても、同様である。
【００６５】
〔ホログラム記録再生装置およびフィルタリング装置の実施形態…図８および図９〕
図８は、この発明のホログラム記録再生装置およびフィルタリング装置の一実施形態を示し、一つの装置で、ホログラムの記録再生、ウェーブレット変換を含むフィルタリング、およびマツチトフィルタリング（相関演算）を行うことができるようにした場合である。
【００６６】
図８では、物体光３および３ａと参照光５が光記録媒体１０に同時に照射され、回折光６Ａおよび６Ｂが光記録媒体１０から同時に得られるように示しているが、後述するように、記録時には、物体光３および参照光５のみが照射され、再生時には、参照光５のみが照射されるとともに、回折光６Ａのみが得られ、相関演算時には、物体光３ａのみが照射されるとともに、回折光６Ｂのみが得られる。
【００６７】
光記録媒体１０は、例えば図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によって形成し、かつディスク形状としたものである。
【００６８】
光学ヘッド５０の光源２１としては、光記録媒体１０に感度のあるコヒーレント光を発するものを用いる。光記録媒体１０が側鎖にシアノアゾベンゼンを有するポリエステルからなる場合には、例えばアルゴンイオンレーザの発振線５１５ｎｍを用いる。
【００６９】
この光源２１からの光を、ビームスプリッタ２９に入射させ、記録時または相関演算時には、シャッタ５１を開いて、ビームスプリッタ２９を透過した光を、偏光板（または１／２波長板）２２に透過させて、所定方位（その方位を０°とする）の直線偏光とし、その直線偏光を、レンズ２３および２４によって口径の広い平行光１にして、空間光変調器３９に入射させる。
【００７０】
コンピュータ８９によって、空間光変調器３９には、記録する画像または検索画像を表示して、空間光変調器３９を透過した光として、０°の偏光の物体光２または２ａを得る。空間光変調器３９としては、透過型の液晶パネルなどを用いることができる。
【００７１】
この物体光２または２ａを、レンズ２５によってフーリエ変換し、その変換後の物体光３または３ａを、光記録媒体１０に照射する。
【００７２】
記録時または再生時には、シャッタ５２を開いて、ビームスプリッタ２９で反射した光を、さらにミラー５３で反射させ、レンズ５４および５５によって口径の広い平行光にして、偏光変調可能な空間光変調器３１に入射させる。空間光変調器３１としては、例えば図４に示したような電気アドレス型の空間光変調器を用いる。
【００７３】
そして、コンピュータ８１によって、空間光変調器３１の各画素を制御して、空間光変調器３１を透過する光を空間的に偏光変調し、空間光変調器３１を透過した光として、記録時には、後述のように空間周波数フィルタの形状に応じた空間偏光分布を有し、再生時には、もとの画像を再生するときには、記録時と同じ空間偏光分布を有し、フィルタリングを行うときには、例えば空間的に一様な０°の偏光の、平面波の参照光４を得る。
【００７４】
この参照光４を、レンズ５６および５７からなる縮小光学系５８によって縮小し、さらにミラー５９で反射させて、参照光５として光記録媒体１０に照射する。
【００７５】
再生時には、シャッタ５１を閉じて物体光を遮断し、相関演算時には、シャッタ５２を閉じて参照光を遮断する。
【００７６】
再生時には、光記録媒体１０に記録されているホログラムに、上記のような参照光が照射されることによって、そのホログラムから物体光の光路上に回折光６Ａが得られる。その回折光６Ａを、レンズ６１によって逆フーリエ変換し、その変換後の回折光７Ａを、検光子６２に入射させ、検光子６２を透過した回折光８Ａを、光検出器６３上に結像させる。検光子６２は、後述のように方位を調整する。
【００７７】
相関演算時には、光記録媒体１０に記録されているホログラムに、上記のように検索画像の物体光３ａが照射されることによって、そのホログラムから参照光の光路上に回折光６Ｂが得られる。その回折光６Ｂを、レンズ６６によって逆フーリエ変換し、その変換後の回折光７Ｂを、検光子６７に入射させ、検光子６７を透過した回折光８Ｂを、光検出器６８上に結像させる。検光子６７は、後述のように方位を調整する。
【００７８】
この実施形態では、モータ４０により光記録媒体１０を、図９の矢印１９で示すように回転させることによって、光記録媒体１０の周方向に場所を変えて、複数のホログラムを記録することができるとともに、複数のホログラムから画像を検索することができる。
【００７９】
さらに、ヘッド移動機構７０により光学ヘッド５０を、図９の矢印７１で示すように光記録媒体１０の径方向に移動させることによって、光記録媒体１０中に同心円状の記録トラックを形成するようにホログラムを記録することができるとともに、その同心円状の記録トラックに記録されているホログラムから画像を検索することができる。
【００８０】
〔ホログラムの記録再生とフィルタリング…図１０〜図１６〕
（ホログラム記録…図１０）
図８の装置で、光記録媒体１０中にホログラムを記録するには、図１０に示すように、空間的に一様な０°の偏光のフーリエ変換された物体光３を、光記録媒体１０に照射すると同時に、参照光５として、空間周波数フィルタの形状に応じた空間偏光分布を有する平面波を生成して、光記録媒体１０に照射する。
【００８１】
例えば、再生像のローパスフィルタリングまたはハイパスフィルタリングを行う場合には、図１０に示すように、参照光５を、物体光３の低周波スペクトルに対応する中心の円形部分５ａが９０°の偏光で、物体光３の高周波スペクトルに対応する他の部分５ｂが０°の偏光の空間偏光分布とする。
【００８２】
これによって、物体光３の低周波スペクトルは、９０°の偏光の参照光成分によってホログラム記録され、物体光３の高周波スペクトルは、０°の偏光の参照光成分によってホログラム記録される。
【００８３】
（もとの画像の再生…図１１）
このようにしてホログラムが記録された光記録媒体１０から、もとの画像を再生する場合には、記録時と同じ空間偏光分布を有する参照光を、光記録媒体１０のホログラムが記録された領域に照射する。例えば、記録時の参照光を図１０に示したような空間偏光分布とした場合には、再生時の参照光も図１１に示すような空間偏光分布とする。
【００８４】
これによって、ホログラムに記録された物体光３は、低周波スペクトルについては、９０°の偏光の参照光成分によって記録されたものが、９０°の偏光の参照光成分によって読み出され、高周波スペクトルについては、０°の偏光の参照光成分によって記録されたものが、０°の偏光の参照光成分によって読み出されて、ホログラムからの回折光６Ａは、図１１に示すように空間的に一様な０°の偏光となる。
【００８５】
したがって、検光子６２の方位を０°に調整することによって、検光子６２を透過した回折光８Ａとして、物体光３の低周波スペクトルおよび高周波スペクトルからなる再生像が得られ、もとの画像を再生することができる。
【００８６】
（ローパスフィルタリングとハイパスフィルタリング…図１２および図１３）
再生像のローパスフィルタリングまたはハイパスフィルタリングを行う場合には、再生時の参照光を、記録時の参照光とは異なる空間偏光分布とする。例えば、図１２に示すように、再生時の参照光を空間的に一様な０°の偏光とする。
【００８７】
これによって、ホログラムに記録された物体光３は、低周波スペクトルについては、９０°の偏光の参照光成分によって記録されたものが、０°の偏光の参照光によって偏光が９０°回転して、９０°の偏光の回折光成分として読み出され、高周波スペクトルについては、０°の偏光の参照光成分によって記録されたものが、０°の偏光の参照光によって偏光が回転することなく、０°の偏光の回折光成分として読み出されて、ホログラムからの回折光６Ａは、物体光３と同じ振幅分布を有するものの、図１２に示すように、低周波スペクトル６Ａａが９０°の偏光となり、高周波スペクトル６Ａｂが０°の偏光となる。
【００８８】
したがって、検光子６２の方位を９０°に調整することによって、検光子６２を透過した回折光８Ａとして、物体光３の低周波スペクトルのみからなる低周波再生像が得られ、ローパスフィルタリングを行うことができる。また、検光子６２の方位を０°に調整することによって、検光子６２を透過した回折光８Ａとして、物体光３の高周波スペクトルのみからなる高周波再生像が得られ、ハイパスフィルタリングを行うことができる。
【００８９】
さらに、検光子６２の方位を４５°に調整すれば、それぞれ検光子６２の方位を９０°または０°に調整するときに比べて低い光強度となるが、検光子６２を透過した回折光８Ａとして、物体光３の低周波スペクトルおよび高周波スペクトルからなる画像が得られ、もとの画像を再生することができる。
【００９０】
また、図１３に示すように、偏光素子として検光子６２の代わりに偏光ビームスプリッタ６４を設けて、ホログラムからの回折光６Ａをレンズ６１によって逆フーリエ変換した後の回折光７Ａを、偏光ビームスプリッタ６４を透過した９０°の偏光の回折光８Ｌと偏光ビームスプリッタ６４で反射した０°の偏光の回折光８Ｈとに分離し、回折光８Ｌを光検出器６３Ｌ上に結像させ、回折光８Ｈを光検出器６３Ｈ上に結像させるように構成すれば、ローパスフィルタリングとハイパスフィルタリングを同時に行うことができる。
【００９１】
（実験例）
図１０の方法によってホログラムを記録し、図１２の方法によってローパスフィルタリングおよびハイパスフィルタリングを行った。
【００９２】
光記録媒体１０としては、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、図８の光源２１としては、アルゴンイオンレーザの発振線５１５ｎｍを用い、その光強度を５Ｗ／ｃｍ２とした。
【００９３】
空間光変調器３９および３１としては、それぞれ、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１．３型を用いた。ただし、空間光変調器３１については偏光板を取り外して用いた。縮小光学系５８は、空間光変調器３１を透過した参照光４を１／４に縮小するものとした。
【００９４】
空間光変調器３９に、記録画像として図１４（Ａ）に示す画像を表示し、記録時の参照光は、図１０に示したような空間偏光分布として、光記録媒体１０中にホログラムを記録した。物体光フーリエスペクトルは、図１４（Ｂ）に示すものである。
【００９５】
再生時の参照光を、図１２に示したように空間的に一様な０°の偏光として、記録されたホログラムに照射し、検光子６２の方位を９０°に調整したところ、回折光８Ａとして、図１４（Ｃ）に示す低周波再生像が得られた。また、検光子６２の方位を０°に調整したところ、回折光８Ａとして、図１４（Ｅ）に示す高周波再生像が得られた。低周波スペクトルは、図１４（Ｄ）に示すものであり、高周波スペクトルは、図１４（Ｆ）に示すものである。
【００９６】
（他のフィルタリング）
記録時の参照光を、図１５（Ａ）に示すように、フーリエ変換された物体光の所定空間周波数帯に対応する環状部分５ｄが９０°の偏光で、その内側の部分５ｃおよび外側の部分５ｅが０°の偏光の空間偏光分布とし、再生時の参照光を、図１５（Ｂ）に示すように、空間的に一様な０°の偏光とすれば、図１６（Ａ）に示すようなバンドパスフィルタ特性のフィルタリングと図１６（Ｂ）に示すようなバンドエリミネータ特性のフィルタリングを、図１２のように検光子６２を用いる場合には検光子６２の調整方位に応じて選択的に、図１３のように偏光ビームスプリッタ６４を用いる場合には同時に、行うことができる。
【００９７】
また、記録時の参照光の空間偏光分布を上述した空間偏光分布と変えることによって、空間周波数特性が１次関数で表される微分フィルタや空間周波数特性が２次関数で表されるラプラシアンフィルタ（文献「Ｓ．Ｈ．Ｌｅｅ：Ｏｐｔ．Ｅｎｇ．，１３，１９６（１９７４）」参照）などのフィルタリングを行うことができる。さらに、ＧａｂｏｒフィルタやＷａｖｅｌｅｔフィルタ（文献「Ｙ．Ｌｉ  ａｎｄ  Ｙ．Ｚｈａｎｇ：Ｏｐｔ．Ｅｎｇ．，３１（１９９２）１８６５−１８８５」参照）を構成して、記録画像の多重解像度解析、画像符号化、画像圧縮などに応用することも可能である。
【００９８】
（記録時の参照光を一様な偏光とする場合）
上述したフィルタリングの例は、記録時の参照光を空間周波数フィルタの形状に応じた空間偏光分布を有するものとし、再生時の参照光を空間的に一様な０°の偏光とする場合であるが、逆でもよい。
【００９９】
すなわち、記録時の参照光は空間的に一様な０°の偏光とし、再生時、例えばローパスフィルタリングまたはハイパスフィルタリングを行う場合には、再生時の参照光を、図１０（同図は記録光学系であるが）に参照光５（上述した例では記録時の参照光であるが）として示したような空間偏光分布とする。
【０１００】
これによって、ホログラムに記録された物体光３は、低周波スペクトルについては、０°の偏光の参照光によって記録されたものが、９０°の偏光の参照光成分によって偏光が９０°回転して、９０°の偏光の回折光成分として読み出され、高周波スペクトルについては、０°の偏光の参照光によって記録されたものが、０°の偏光の参照光成分によって偏光が回転することなく、０°の偏光の回折光成分として読み出されて、ホログラムからの回折光６Ａは、上述した例と同様に、図１２に示すように、低周波スペクトル６Ａａが９０°の偏光となり、高周波スペクトル６Ａｂが０°の偏光となる。
【０１０１】
したがって、上述した例と同様に、検光子６２の方位を９０°に調整することによって、ローパスフィルタリングを行うことができるとともに、検光子６２の方位を０°に調整することによって、ハイパスフィルタリングを行うことができる。
【０１０２】
また、この場合、再生時の参照光も空間的に一様な０°の偏光とすれば、もとの画像を再生することができる。さらに、再生時の参照光を、図１５（Ａ）に参照光５（上述した例では図１５（Ａ）の参照光５は記録時の参照光であるが）として示したような空間偏光分布とすれば、バンドパスフィルタリングまたはバンドエリミネータフィルタリングを行うことができる。
【０１０３】
すなわち、上述した例では、記録時に空間周波数フィルタの形状（特性）が定められるのに対して、この例では、再生時に空間周波数フィルタの特性を任意に設定し、変更することができる。
【０１０４】
〔ウェーブレット変換…図１７〜図１９〕
この発明のフィルタリング方法は、ウェーブレット変換に適用することができる。光学的ウェーブレット変換については、文献「Ｄ．Ｍｅｎｄｌｏｖｉｃ  ａｎｄ  Ｎ．Ｋｏｎｆｏｒｔｉ：Ｏｐｔ．Ｅｎｇ．，３２（１９９３）６５４２−６５４６」などに詳細に示されているが、ここでは、簡単のために、一次元信号ｆ（ｘ）を用いて示す。
【０１０５】
信号パターンｆ（ｘ）のウェーブレット変換は、
Ｗｆ（ａ，ｂ）＝−∞∞∫ｆ（ｘ）ｈ＊ａ，ｂ（ｘ）ｄｘ  …（７）
で定義される。−∞∞∫は、−∞から∞までの積分を意味する。
【０１０６】
ここで、ｈａ，ｂ（ｘ）は、
ｈａ，ｂ（ｘ）＝ａ−１／２ｈ｛（ｘ−ｂ）／ａ｝        …（８）
で与えられるドーターウェーブレットであり、マザーウェーブレット関数のスケールａとトランスレートｂで与えられる。
【０１０７】
典型的なマザーウェーブレットは、例えば、
ｈ（ｘ）＝ｅｘｐ｛（ｘ／ｘｏ）２／２｝ｅｘｏ（ｉ２πωｏｘ）…（９）
で与えられる。ただし、ωｏは空間周波数である。
【０１０８】
このガウシャンエンベロープを持つマザーウェーブレットｈ（ｘ）は、Ｓｔａｎｄａｒｄ  Ｍｏｒｌｅｔ  ｗａｖｅｌｅｔとして知られている（文献「Ｊ．Ｍ．Ｃｏｍｂｅｓ，ｅｔ  ａｌ．，ｅｄｓ．，Ｗａｖｅｌｅｔ：Ｔｉｍｅ−Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｍｅｔｈｏｄｓ  ａｎｄ  Ｐｈａｓｅ  Ｓｐａｃｅ（Ｓｐｒｉｎｇｅｒ−Ｖｅｒｌａｇ，Ｂｅｒｌｉｎ，１９８９）」参照）。
【０１０９】
ウェーブレット変換は、スケールａを適切な関係とすることを基礎とし、画像の空間周波数に対応したサンプリングレートでの画像分解を実現する。そのため、画像の多重解像度解析や画像圧縮などに有用である。
【０１１０】
多くの実用的な応用では、信号は離散的にサンプリングされ、そのため離散的なスケールａが用いられる。このとき、スケールａは、
ａ＝ａｏｍ      …（１０）
で定義される。ここで、ａｏ＞１であり、ｍは整数である。
【０１１１】
この定義によって、式（７）は、
Ｗｆ（ｍ，ｂ）＝−∞∞∫ｆ（ｘ）ｈ＊ｍ，ｂ（ｘ）ｄｘ  …（１１）
と書き換えられる。ここで、ドーターウェーブレットは、
ｈｍ，ｂ（ｘ）＝（１／ａｏｍ／２）ｈ｛（ｘ−ｂ）／ａｏｍ｝…（１２）
で与えられる。
【０１１２】
式（７）または式（１１）に戻ると、ウェーブレット変換は、信号パターンｆ（ｘ）とドーターウェーブレットｈａ，ｂ（ｘ）またはｈｍ，ｂ（ｘ）との相関値であることがわかる。
【０１１３】
したがって、ドーターウェーブレットｈａ，ｂ（ｘ）またはｈｍ，ｂ（ｘ）の複素共役フーリエ変換像Ｈ＊ａ，ｂ（ω）またはＨ＊ｍ，ｂ（ω）がフーリエ変換面にあり、信号パターンｆ（ｘ）が入力面にあれば、ウェーブレット変換は古典的な二重回折光学系と等価である。そして、図１０に示した記録光学系および図１１に示した再生光学系は、この条件を満足する。
【０１１４】
図８の装置で、ウェーブレット変換を行うには、例えば、記録時の参照光は、図１７（Ａ）に示すように、上記のスケールｍに対応する環状部分５ｑが９０°の偏光で、その内側の部分５ｐおよび外側の部分５ｒが０°の偏光の空間偏光分布とし、再生時の参照光は、図１７（Ｂ）に示すように、空間的に一様な０°の偏光とする。
【０１１５】
図１７（Ａ）の記録時の参照光の空間偏光分布は、式（１２）の、あるｍの値を持つドーターウェーブレットｈｍ，ｂ（ｘ）の複素共役フーリエ変換像Ｈ＊ｍ，ｂ（ω）に対応しており、その偏光角を９０°とし、他の偏光角を０°とするものである。
【０１１６】
このような空間偏光分布の参照光によって、０°の偏光のフーリエ変換された物体光をホログラム記録する。その記録されたホログラムを、図１７（Ｂ）に示したような０°の偏光の参照光で読み出すと、物体光のスケールｍに対応する空間周波数成分のみの偏光が９０°回転するので、その空間周波数成分を検光子や偏光ビームスプリッタで分離することによって、スケールｍのウェーブレット変換像を得ることができる。
【０１１７】
図１８は、図１４（Ａ）に示した画像につき、このようなウェーブレット変換を行った場合を示し、図１８（Ａ）は変換前の記録画像、図１８（Ｂ）は得られたスケールｍのウェーブレット変換像である。
【０１１８】
空間的に一様な０°の偏光の参照光によって、０°の偏光のフーリエ変換された物体光をホログラム記録し、その記録されたホログラムを、スケールｍのドーターウェーブレットｈｍ，ｂ（ｘ）が９０°の偏光を持つような参照光で読み出しても、ウェーブレット変換像を得ることができる。この場合には、図１９（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すように読み出し用の参照光の空間偏光分布をスケールｍに従って変化させることによって（それぞれ、部分５ｍ１，５ｍ２，５ｍ３が９０°の偏光である）、様々なスケールのウェーブレット変換像を得ることができる。
【０１１９】
図１９（Ｄ）（Ｅ）（Ｆ）は、図１４（Ａ）に示した画像につき、このように読み出し用の参照光の空間偏光分布をスケールｍに従って変化させてウェーブレット変換を行った場合に得られた、それぞれｍ＝１，２，３のウェーブレット変換像を示す。
【０１２０】
〔マツチトフィルタリング…図２０〜図２２〕
図８の装置で、マツチトフィルタリングを行うには、記録時、図２０に示すように、被検索画像の０°の偏光のフーリエ変換された物体光３を、参照光５によってホログラム記録する。このとき、同図に示すように、参照光５は、上記のウェーブレット変換のスケールｍに対応する環状部分５ｑが９０°の偏光で、その内側の部分５ｐおよび外側の部分５ｒが０°の偏光の空間偏光分布とする。
【０１２１】
相関演算時（画像検索時）には、図２１に示すように、検索画像の０°の偏光のフーリエ変換された物体光３ａで、上記のように記録されたホログラムを読み出す。このとき、レンズ６６の焦点位置には、記録されている被検索画像と読み出し光としての検索画像が等しければ、自己相関像が得られ、被検索画像と検索画像が異なれば、相互相関像が得られる。
【０１２２】
この場合、被検索画像の０°の偏光のフーリエ変換された物体光３は、図２０に示した空間偏光分布の参照光によってホログラム記録されているので、相関像スペクトルとして得られる回折光６Ｂは、スケールｍに対応する空間周波数成分については、９０°の偏光の参照光成分によって記録されたものが、０°の偏光の物体光３ａによって偏光が９０°回転して、９０°の偏光の回折光成分として読み出され、その他の空間周波数成分については、０°の偏光の参照光成分によって記録されたものが、０°の偏光の物体光３ａによって偏光が回転することなく、０°の偏光の回折光成分として読み出される。
【０１２３】
すなわち、この場合の相関像スペクトルは、従来のマツチトフィルタリングとは異なり、スケールｍに対応する空間周波数成分と、その他の空間周波数成分とで、偏光が９０°異なるものとなる。
【０１２４】
したがって、図２１に示すように検光子６７の方位を９０°に調整することによって、検光子６７を透過した回折光８Ｂとして、スケールｍに対応する空間周波数成分のみからなる相関像が得られ、スケールｍに対応するスペクトル間での演算結果の相関値を分離することができる。
【０１２５】
図２２は、上記のマツチトフィルタリング方法によって、同図（Ａ）に物体光として示す９人の顔写真が配列された画像をホログラム記録し、そのホログラムに同図（Ｂ）のような一人の顔写真からなる画像を検索画像として照射した場合である。
【０１２６】
この場合、図２１の検光子６７を透過する前の回折光７Ｂは、図２２（Ｃ）に示すような相関像となって、図２７（Ｃ）に示した相関像と同様に自己相関値と相互相関値を区別しにくいが、検光子６７を透過した後の回折光８Ｂは、図２２（Ｄ）に示すような相関像となって、自己相関値と相互相関値を容易に区別することができる。これは、検光子６７を透過した後の回折光８Ｂとしては、被検索画像と検索画像の０次を含まない、画像形状に依存したスペクトル間でのみ相関演算が行われたからである。
【０１２７】
具体的に、図２２（Ｃ）の相関像は、本人の顔の画像との自己相関像の強度と他人の顔の画像との相互相関像の強度が、ほぼ等しく、本人の認証が不可能である。これは、顔の頬の部分に代表される低次の空間周波数スペクトルが、９人全員の顔で共通であるためである。これに対して、図２２（Ｄ）の相関像は、相互相関像に対して自己相関像の強度が非常に高くなり、自己相関像のみが強く現れる。これは、人の顔に特徴のある空間周波数スペクトル間で相関演算が行われた結果である。
【０１２８】
この発明のマツチトフィルタリングは、まさに光学的ウェーブレットマツチトフィルタリングである。ウェーブレットマツチトフィルタリングでは、高Ｓ／Ｎの相関像を得るには、取り扱う画像に応じてスケールｍを適切に設定する必要がある。
【０１２９】
なお、従来のウェーブレットマツチトフィルタリングについては、文献「Ｊ．Ｗｉｄｊａｄａ  ａｎｄ  Ｙ．Ｔｏｍｉｔａ，Ｏｐｔｉｃｓ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，１１７，１２３−１２６（１９９５）」などに示されている。
【０１３０】
【発明の効果】
上述したように、この発明によれば、フーリエスペクトルの各周波数成分が失われることなく、かつ装置の複雑化および大型化を来たすことなく、ホログラム記録再生過程において、所望の空間周波数特性のフィルタリングを行うことができ、ローパスフィルタリングとハイパスフィルタリングなど、互いに相補的なフィルタリングを同時に行うこともできる。
【０１３１】
また、この発明によれば、ホログラムメモリとしてのデータ記録再生機能と高速性および大容量性を失うことなく、識別能力の高いマツチトフィルタリングを行うことができる。
【０１３２】
すなわち、この発明によれば、高精細なアナログ画像をホログラムメモリに蓄積しておき、再生像または相関像の必要な偏光成分を抽出するだけで、所望の空間周波数成分の再生像または相関像を、必要な分解能および高Ｓ／Ｎで出力することができる。
【０１３３】
また、ウェーブレット変換などの画像処理機能も有し、ホログラムメモリからウェーブレット変換像などの処理された画像を高速に出力することによって、ＣＰＵの負担を大きく低減させることができる。そのため、高速性および大容量性を備えるデジタルデータ用ファイルメモリとしてのみならず、高精細画像用サーバとして利用することも可能となる。
【０１３４】
さらに、古い特許などに代表される電子化されていないドキュメントなどを、アナログ画像としてホログラムに蓄積しておき、キーワードとなる文字や文章によって、ページ内およびページ間で、高精度かつ高速に検索することができる。そのほか、高精細の画像からターゲットの位置を検出し、あるいは顔写真や指紋に代表される個人を識別する情報のデータベースから、検索する情報を、高精度かつ高速に検索することができる。
【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】この発明の方法に用いる光記録媒体の材料の一例の化学式を示す図である。
【図３】実験に用いた記録光学系を示す図である。
【図４】偏光変調可能な空間光変調器の一例を示す図である。
【図５】実験に用いた再生光学系を示す図である。
【図６】実験に用いた物体光の偏光分布と実験結果の再生光の強度を示す図である。
【図７】実験結果の、物体光の偏光角に対する再生光の偏光角を示す図である。
【図８】この発明のホログラム記録再生装置およびフィルタリング装置の一実施形態を示す図である。
【図９】図８の実施形態での光記録媒体の回転と光学ヘッドの移動を示す図である。
【図１０】この発明のホログラム記録方法の一例を示す図である。
【図１１】この発明のホログラム再生方法の一例を示す図である。
【図１２】この発明のフィルタリング方法の一例を示す図である。
【図１３】この発明のフィルタリング方法の他の例を示す図である。
【図１４】図１２の方法の実験結果を示す図である。
【図１５】この発明のフィルタリング方法のさらに他の例を示す図である。
【図１６】図１５の空間周波数フィルタの特性を示す図である。
【図１７】この発明のウェーブレット変換方法の一例を示す図である。
【図１８】図１７の方法の実験結果を示す図である。
【図１９】この発明のウェーブレット変換方法の他の例と実験結果を示す図である。
【図２０】この発明のマツチトフィルタリング方法の一例の記録光学系を示す図である。
【図２１】この発明のマツチトフィルタリング方法の一例の相関演算光学系を示す図である。
【図２２】この発明のマツチトフィルタリング方法の一例の実験結果を示す図である。
【図２３】従来のホログラム記録方法を示す図である。
【図２４】従来のホログラム再生方法およびフィルタリング方法を示す図である。
【図２５】従来のマツチトフィルタリング方法を示す図である。
【図２６】従来のマツチトフィルタリング方法の実験結果を示す図である。
【図２７】従来のマツチトフィルタリング方法の実験結果を示す図である。
【図２８】従来のマツチトフィルタリング方法の実験結果を示す図である。
【符号の説明】
２，２ａ…物体光
３，３ａ…フーリエ変換された物体光
５…参照光
１０…光記録媒体
２１…光源
３１，３９…空間光変調器
６Ａ，６Ｂ，７Ａ，７Ｂ，８Ａ，８Ｂ…回折光
４０…モータ
５０…光学ヘッド
５８…縮小光学系
６２，６７…検光子
６３，６３Ｌ，６３Ｈ，６８…光検出器
６４…偏光ビームスプリッタ
６５…再生像光学系
６９…相関像光学系
７０…ヘッド移動機構
【図１】
0004045394.tif 000002
【図２】
0004045394.tif 000003
【図３】
0004045394.tif 000004
【図４】
0004045394.tif 000005
【図５】
0004045394.tif 000006
【図６】
0004045394.tif 000007
【図７】
0004045394.tif 000008
【図８】
0004045394.tif 000009
【図９】
0004045394.tif 000010
【図１０】
0004045394.tif 000011
【図１１】
0004045394.tif 000012
【図１２】
0004045394.tif 000013
【図１３】
0004045394.tif 000014
【図１４】
0004045394.tif 000015
【図１５】
0004045394.tif 000016
【図１６】
0004045394.tif 000017
【図１７】
0004045394.tif 000018
【図１８】
0004045394.tif 000019
【図１９】
0004045394.tif 000020
【図２０】
0004045394.tif 000021
【図２１】
0004045394.tif 000022
【図２２】
0004045394.tif 000023
【図２３】
0004045394.tif 000024
【図２４】
0004045394.tif 000025
【図２５】
0004045394.tif 000026
【図２６】
0004045394.tif 000027
【図２７】
0004045394.tif 000028
【図２８】
0004045394.tif 000029