JPS6143641B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は、光学像の空間周波数成分中から光電
的に、特定の成分情報を抽出する装置に関する。
特定の空間周波数成分を抽出する方法として、光
電素子の前に設けた明暗格子を機械的に振動させ
る方法、又はCdS受光面に表面弾性波を伝播さ
せ、CdSの導電性を場所場所で時間的に変動せし
め、空間周波数成分の大きさに応じた交流信号を
得る方法が既に知られている。しかしながら、前
者の方法では、機械的可動部の存在の為、装置が
大きくなり更に消費電力も大きくなる欠点を有
し、また後者では、表面弾性波によつて生ずる
CdSの導電性の変化の度合が小さいので、SN比
が悪いという欠点がある。 更に、光像中の特定空間周波数成分を求めるこ
とはフーリエ成分を求めることに相当し、このフ
ーリエ変換演算手続自体はよく知られている。し
かしながら、フーリエ変換演算は複素数の演算で
ありコンピユータ等を使用しなければならず、か
つまたそれでも処理に時間を要すると言つた問題
がある。 そこで、本発明は機械的可動部を用いることな
く比較的簡単な構成により、光学像の空間周波数
成分中から特定の周波数成分を高精度にかつリア
ルタイムで抽出する装置を提供することを目的と
する。 この目的を達成するために、本願の第１の発明
は光学像の空間周波数成分中から特定の周波数成
分情報を抽出する装置において、一列に並んだ複
数個の光電素子からなる光電素子アレイを光学系
の焦点位置又はその近傍に設け各素子出力をそこ
に入射する光の強度に依存させるとともに、それ
らの光電素子を、複数個の素子からなる複数の素
子群に分割し、その各素子群の空間的長さを互に
等しくし、各素子群の光電素子の出力と、該光電
素子と位置的に対応した位置にあるその次の群の
光電素子の出力との間に一周期の位相差が生じる
様に、各素子群の光電素子の出力を、光電素子の
位置に応じた位相差とその光電素子出力に応じた
振幅と互に等しい角周波数とを持つ正弦波状の交
流信号に変調する変調手段を設け、そして該交流
信号を加算する加算手段を設けることを特徴とす
るものであり、第２の発明は光学像の空間周波数
成分中から特定の周波数成分情報を抽出する装置
において、等間隔に一列に並んだ複数個の光電素
子からなる光電素子アレイを光学系の焦点位置又
はその近傍に設け、各素子出力をそこに入射する
光の強度に依存させるとともに、それらの光電素
子を、複数個の素子からなる複数の素子群に分割
し、その各素子群の空間的長さを互に等しくし、
かつ各素子群内の光電素子の数Ｎを等しくし、各
群の最初に位置する光電素子の出力を加算し、そ
の次に位置する光電素子の出力を加算し以下同様
に各群内の対応位置の光電素子の出力を加算し、
これらの加算出力を、互に等しい角周波数を有す
ると共に、その光電素子の配列順に順次位相が
１／Ｎ周期ずれ、かつ振幅が上記加算出力の大き
さに対応した交流信号に変調する変調手段を設
け、そして該交流信号を加算する加算手段を設け
ることを特徴とするものであり、第３の発明は光
学像の空間周波数成分中から特定の周波数成分情
報を抽出する装置において、一列に並んだ複数個
の光電素子からなる光電素子アレイを光学系の焦
点位置又はその近傍に設け各素子出力をそこに入
射する光の強度に依存させるとともに、それらの
光電素子を、複数個の素子からなる複数の素子群
に分割し、その各素子群の空間的長さを互に等し
くし、各素子群の光電素子の出力と、該光電素子
と位置的に対応した位置にあるその次の群の光電
素子の出力との間に一周期の位相差が生じる様
に、各素子群の光電素子の出力を、光電素子の位
置に応じた位相差とその光電素子出力に応じた振
幅と互に等しい角周波数とを持つ交流信号に変調
する変調手段を設け、そして該交流信号加算する
加算手段を設け、更に上記加算手段の出力の位相
を比較位相情報と比べる位相比較手段を設けるこ
とを特徴とするものである。上記加算手段の出力
は、上記角周波数の交流出力であり、その振幅が
特定空間周波数成分の大きさに関連し、その位相
が特定空間周波数成分と光電素子アレイとの相対
位置に関連している。このように、本発明のいず
れも光電素子の出力を所定の交流信号で変調しこ
れらを加算することによつて特定空間周波数成分
を抽出するので、この抽出がリアルタイムで行う
ことができ構成も比較的簡単なものとなる。特に
光像が光電素子アレイ上で運動しているか静止し
ているかに拘らず、光像と光電素子アレイとの相
対位置関係は、交流出力の位相情報から得られる
ので、その取扱いが非常に容易となる。 次に本発明を第１図を用いて、原理的に説明す
る。 一列に互に等間隔に並んだ光電素子１ａ〜１
ｄ，２ａ〜２ｄ，３ａ〜３ｄからなる光電素子ア
レイ１０は、図示なき光学系の焦点面又はその近
傍に配置されている。またその素子アレイは、
夫々等しい個数の素子１ａ〜１ｄ，２ｄ〜２ｄ及
び３ａ〜３ｄからなる素子群，，に分割さ
れている。各素子群の最初に配列された素子１
ａ，２ａ，３ａ同士、その次の素子１ｂ，２ｂ，
３ｂ同士、更に次の素子１ｃ，２ｃ，３ｃ同士、
そして最後の素子１ｄ，２ｄ，３ｄ同士は夫々接
続点１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄにおいて互
に接続され変調手段１２に接続されている。この
素子アレイ１０上には、前記光学系により種々の
空間周波数成分を含む光学像が結像され、各光電
素子は自身に入射した光の強度に関連した直流成
分を有する出力を発生する。変調手段１２は接続
点１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄでの素子の出
力信号を、夫々順次1/4周期ずつ進んだ又は遅れ
た位相とその出力信号の大きさに関連した振幅と
を有する交流信号に変調する。従つて、各素子群
，，の配列順に対応した位置にある光電素
子例えば、１ａ，２ａ，３ａの出力は互に同位相
の交流信号に変調され、かつ各群の素子の変調交
流信号は素子の配例順に順次1/4周期ずつ位相が
ずれることになる。尚この1/4周期の位相のずれ
は、各素子群が４固の素子から構成されている為
で、一般的にＮ個の素子から構成されている時
は、１／Ｎ周期の位相のずれとなる。こうして、
変調後の光電素子の交流出力は、光強度に関連し
た振幅と、他素子に対して、上述の特定の位相差
とを有する。この各素子の変調出力を加算手段１
４により、加算すると、この加算手段の出力は各
素子群の空間的長さｄmmの逆数即ち１／ｄ本／mm
の空間周波数成分情報を極めて多く含むことにな
る。 次に、多数の空間周波数成分からなる光学像か
ら特定の即ち１／ｄ本／mmの空間周波数成分を抽
出する上述の本発明の原理を、正弦波状の変調を
行う場合について、数式を用いて詳述する。尚以
上の例では、簡単の為に、群の数を３、群内の素
子数を４としたが以下の説明では、一般化の為に
群の数をＭ、そして各群内の素子数をＮとする。
このＭ×Ｎ個の素子上に或る輝度分布をもつた光
像が投影されたとき、その輝度に比例した各素子
の出力を^ｍ _ｏ（ｎ＝１，２…Ｎ，ｍ＝１，２…
Ｍ）とする。尚この^ｍ _ｏは、例えばｎ＝１，ｍ＝
１の時の出力^１ _１が第１図の素子１ａの出力を表
わし同様にｎ＝２，ｍ＝３の時の出力^３ _２が素子
３ｂの出力を表わすことを意味している。各群の
ｎ番目の素子の出力^ｍ _ｏを変調手段によつて、

【式】なる交流信号で変調すると、その 変調後の出力は

【式】となる。ここ でｉは虚数単位、ｗは角周波数である。従つて変
調後の全素子の出力を加算した加算手段の出力Ｉ
は

【式】となる。この

【式】は１／ｄ本／mmの空間周波数 成分そのものである。従つて加算手段１４の交流
出力Ｉの振幅は１／ｄ本／mmの空間周波数成分の
大きさに比例していることが分る。 この様に本発明によると、素子アレイ１０の素
子群，，の空間的長さｄを定めることによ
り、光学像中の所望の空間周波数成分を光電的に
抽出することができる。 このように抽出した空間周波数成分の大きさの
情報を用いて、既に知られている様に例えば結像
光学系の合焦状態を検出することができる。即ち
一般の光学系にあつては、合焦時にはその光学像
中の高次の空間周波数成分は大きいが、光学系が
合焦状態からずれるに従つて、その高次の成分は
急激に小さくなることを利用して高次の空間周波
数成分の大きさ情報を抽出して、それの最大を検
出することによつて光学系の合焦状態を検知でき
る。 尚、上述の説明では、加算手段１４の出力の交
流成分の振幅情報が、所望の空間周波数成分の大
きさに関連している旨を述べてきたがこの加算手
段１４の出力の交流成分の位相を利用すると、光
像の変位即ち光像の動きを検知できる。これを詳
述するとアレイ上の光学像が例えば第１図で左方
向に光電素子１個分だけ変位した時には、加算手
段１４の出力I′は となる。ここで｛ ｝内の第１項は像の変位前の
出力Ｉに等しく、第２項は像の変位によつて素子
アレイ内に入つて来た像の部分とはみ出た部分に
よる影響を表わしている。しかし、この第２項は
一般的な光学像にあつては、第１項に対して無視
し得るので、ＩとI′との相違はｅ−２π／Ｎｉの存在 による。即ち、このことは像が丁度１素子の幅だ
け横ずれした場合、加算手段の出力の位相が２π／Ｎ だけ変化することを示している。更に、加算手段
の出力の直流成分は光像の平均的明るさを表わし
ている。 尚、第１図では、各素子群の対応位置にある素
子即ちその出力が互に同位相の交流信号に変調さ
れる素子１ａ，２ａ，３ａ、１ｂ，２ｂ，３ｂ…
同士を互に接続し、その接続点を変調手段１２に
接続しているので、素子アレイからのリード線は
素子群の数によらず群内の素子数によつて決定さ
れる。もちろん本発明はこの様な構成に限るもの
でなく、各光電素子を個々に変調手段１２に接続
してもよい。 また、上例では各素子群，，を構成する
素子数をすべて等しくしたが、このことも本発明
に必須のことでなく、素子群の構成素子の数をＮ
としたとき、その素子出力を順次１／Ｎ周期の位
相差を有する交流信号に変調すると言う条件さえ
満たせば、各素子群の構成素子の数を異にしても
よい。 次に本発明の第１実施例を第２図により説明す
る。第１実施例は印加電圧と光強度とに比例した
出力電流を生ずるCdSの如き光導電素子を光電素
子として用い、その印加電圧として交流電圧を使
用することにより光強度に関連した光電素子の出
力電流を変調する例である。第２図において、正
弦状交流電圧供給回路１６はその４個の出力端子
１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄに第３図ａ，
ｂ，ｃ，ｄに夫々示す如く、等しい角周波数W₀
を有するが、位相が順次２π／４ずつ遅れた正弦波電 圧を発生する。出力端子１６ａは第１図と同一配
列の素子アレイ１０の各群の最初に位置する光導
電素子１ａ，２ａ，３ａの１方の端子と接続さ
れ、また他の出力端子１６ｂ，１６ｃ，１６ｄも
同様に各群の配列順的に対応する光導電素子１
ｂ，２ｂ，３ｂ、１ｃ，２ｃ，３ｃ、１ｄ，２
ｄ，３ｄに夫々接続されている。これにより、各
光導電素子の出力電流はそこに入射した光強度
と、印加交流電圧に比例したものとなる。即ち、
光強度に比例した各素子の出力電流が印加交流電
圧で変調されたことになる。前記出力端子１６ａ
〜１６ｄと接続されていない方の各光導電素子の
端子は、導線１７によつてすべて、互に一緒に接
続され、演算増幅器からなる電流電圧変換回路１
８に接続されている。従つて、各光導電素子の出
力電流はすべて加算され変換回路１８に入力され
る。この加算された加算出力電流は第４図ａに示
す如く、W₀の角周波数を持ち光像の１／ｄ本／
mmの空間周波数成分の情報を有する。この加算出
力電流は変換回路１８により電圧に変換され、角
周波数W₀のバンドパスフイルタ２０により第４
図ｂに示す交流成分を抽出する。この交流の振幅
が、所望の１／ｄ本／mmの空間周波数成分の大き
さに比例している。このフイルタ２０の出力を回
路２２により整流し、増幅すれば、所望の空間周
波数成分の大きさに比例した直流出力を得られ
る。また、バンドパスフイルタ２０の出力と、正
弦波電圧供給回路１６の４個の出力端子のいずれ
か１つの端子（第２図では１６ｄとした）からの
出力との位相差を位相差測定回路２４により求め
ると、所望の空間周波数成分についての位相情報
が得られ、これにより光像の変位を検出できる。
更に、変換回路１８の出力をローパスフイルタ２
６に通すことにより第４図ｃに示す光像の平均的
光量に関する情報を得ることができる。 尚、この第１実施例の構成要素と第１図のそれ
とを較べると、正弦波電圧供給回路１６が変調手
段１２に相当し、また、各光導電素子の他端子同
士を接続している導線１７が加算手段１４に相当
している。 次にこの様な光導電素子アレイの具体的な構造
例を第５図に示す。第５図ａにおいて、受光面と
して働く透明基板３０と、その上のIn₂O₃やSnO₂
等の透明共通電極３２と、その上のCdS３４と、
その上に一例に並んだ複数個Inの電極片３６とそ
して、共通電極及び各電極片に夫々接続のリード
線とから素子アレイが構成される。尚、第５図ｂ
は平面図である。この様な構造により互に絶縁さ
れた電極片３６の相互間隔を極めて狭く出来、従
つて、素子群を構成する光電素子の数を増すこと
ができるので好ましい。 次に、本発明の第２実施例を第６図により説明
する。本実施例に使用する素子アレイの光電素子
としては、光強度をそれにほぼ比例する電気信号
に変換する素子であれば、いかなる種類のもので
もよい。従つて、CdSの如き光導電素子、シリコ
ン光電池の如き光起素子やフオトダイオード等を
用いることができる。第６図において素子アレイ
１０の各光電素子には、一定電圧＋Ｖが印加され
るので各光電素子は光強度にのみほぼ比例した直
流電流を出力する。各群の対応する素子１ａ，２
ａ，３ａの出力端子はともにアレイ１０の出力端
子１０ａに接続されており従つて、それらの３つ
の素子の出力は加算される。同様に、対応素子１
ｂ，２ｂ，３ｂ，１ｃ，２ｃ，３ｃ及び１ｄ，２
ｄ，３ｄも夫々出力端子１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ
に接続され、各出力はそこで加算される。こうし
て、３出力を夫々加算した４つの加算出力電流は
夫々電流電圧変換回路４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，
４０ｄで直流電圧に変換される。この直流電圧を
第７図ａ，ｂ，ｃ，ｄに示す。即ち、第７図ａ，
ｂ，ｃ，ｄの直流電圧は夫々光電素子１ａ，２
ａ，３ａの光強度の合計、１ｂ，２ｂ，３ｂの光
強度の合計、１ｃ，２ｃ，３ｃの光強度の合計そ
して１ｄ，２ｄ，３ｄの光強度の合計に比例した
値を持つ。変調回路４２は第７図ａ，ｂ，ｃ，ｄ
の直流電圧を、第８図ａ，ｂ，ｃ，ｄの交流電圧
に夫々変調する。これらの交流電圧はともに等し
い角周波数W₀を有するが、それらの振幅は夫々
第７図の直流電圧に比例し、かつそれらの位相は
90゜ずつ遅れている。加算回路４４は変調回路４
２の４つの出力を加算し、第９図に示す角周波数
W₀の交流出力を発する。この交流出力の振幅は
１／ｄ本／mmの空間周波数成分の大きさに比例し
ており、第１実施例の第４図ａの出力に対応す
る。その後この加算回路４４の出力を、第１実施
例と同様にバンドパスフイルタ２０整流器２２や
位相差測定器２４及びローパスフイルタ２６を通
すことにより夫々所望の情報を得られる。 第１０図に変調回路４２の具体的一例を示す。
正弦波電圧供給回路４２Ｓは第２図の電圧供給回
路１６と同一のもので、その４つの出力端子には
夫々第３図ａ，ｂ，ｃ，ｄの如く２π／４ずつ位相の 遅れた角周波数W₀の交流電圧を発生する。掛算
器４２ａ，４２ｂ，４２ｃ，４２ｄは、夫々電流
電圧変換回路４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄの
出力電圧と、電圧源４２Ｓの順次２π／４ずつ遅れた 出力電圧を掛け算する。 本発明は素子群を有限数であるＮ個の素子から
構成している即ち素子群の長さｄをＮ個の素子に
量子化しているので、像の１／ｄ本／mmの空間周
波数成分の大きさは低下する。この低下の程度は
（sinπ／Ｎ）／π／Ｎである。本実施例では図面の複
雑化 を避ける為にＮ＝４としたが、例えばＮ＝８とす
ると（sinπ／８）／π／８＝0.974となり、Ｎが無限大
の 時の値である１に非常に近くなつて、上述の低下
はほとんど無視できるものとなる。この様に所望
の空間周期の幅ｄを即ち素子群の幅ｄを比較的小
さな数例えば８個の光電素子で分割することによ
り、十分精度よく像の空間周波数成分の大きさ即
ち振幅情報を抽出できる。尚上では振幅情報につ
いて検討したが、位相情報についても少数の光電
素子Ｎ個でｄを分割するだけで十分精度よく即ち
２π／Ｎの数倍の精度で抽出できる。 尚、以上の説明にあつては、特定の１／ｄ本／
mmの空間周波数成分のみを抽出する為に、光電素
子出力を正弦波信号で変調したが、しかしなが
ら、定位相差即ち１／Ｎ周期の位相差を有する任
意の波形の周期信号例えば短形波信号で変調を行
つてもよい。この場合、１／ｄ本／mmの空間周波
数成分を比較的多く含んだ信号を抽出できる。も
ちろん上記任意周期信号の基本周波数成分のみを
通過させるバンドパスフイルタを加算手段１４の
出力に接続すれば、１／ｄ本／mmの空間周波数成
分を極めて多く含んだ信号を抽出できる。しかし
ながら変調信号が矩形波の場合には加算手段で合
成された交流信号は段階状となり、位相を高精度
に検出する為には上記バンドパスフイルタとして
極めて狭帯域のものを用いなければならない。一
般に狭帯域バンドパスフイルタはピーク位置が温
度により変化し易くまたこれにより入力と出力と
に位相変化が生じ易いという問題がある。これに
対して変調信号を正弦波状とした場合には狭帯域
フイルタを特に必要とせず、簡単なD.C成分除去
フイルタ等のみで充分であると言う利点がある。 以上から明らかな如く、本発明によると、光電
素子群の空間的長さを選定することによつて、光
像の空間周波数成分中から、その長さによつて決
定される特定の成分を抽出でき、更に、素子出力
を変調するのに、電気交流信号を用いているの
で、SN比を向上できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を原理的に示すブロツク図、第
２図は本発明の第１実施例を示すブロツク図、第
３図は正弦波状交流電圧供給回路の各出力電圧を
示すグラフ、第４図ａ，ｂ，ｃは、夫々抽出した
空間周波数成分を含む信号、該信号から分離した
交流成分及び該信号の直流成分を表わすグラフ、
第５図ａ，ｂは本実施例に用いた素子アレイの具
体的構造例を示す断面図と平面図、第６図は本発
明の第２実施例を示すブロツク図、第７図は第２
実施例の光電素子の出力を示すグラフ、第８図は
変調後の光電素子出力のグラフ、第９図は第４図
ａと同様の図、そして第１０図は第２実施例の変
調回路の具体的構成例を示すブロツク図である。 図において、１ａ〜１ｄ，２ａ〜２ｄ，３ａ〜
３ｄ；光電素子、，，；素子群、１０；素
子アレイ、１２；変調手段、１４；加算手段。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 光学像の空間周波数成分中から特定の周波数
   成分情報を抽出する装置において、一列に並んだ
   複数個の光電素子からなる光電素子アレイを光学
   系の焦点位置又はその近傍に設け各素子出力をそ
   こに入射する光の強度に依存させるとともに、そ
   れらの光電素子を、複数個の素子からなる複数の
   素子群に分割し、その各素子群の空間的長さを互
   に等しくし、各素子群の光電素子の出力と、該光
   電素子と位置的に対応した位置にあるその次の群
   の光電素子の出力との間に一周期の位相差が生じ
   る様に、各素子群の光電素子の出力を、光電素子
   の位置に応じた位相差とその光電素子出力に応じ
   た振幅と互に等しい角周波数とを持つ正弦波状の
   交流信号に変調する変調手段を設け、そして該交
   流信号を加算する加算手段を設けることを特徴と
   する空間周波数成分抽出装置。 ２ 光学像の空間周波数成分中から特定の周波数
   成分情報を抽出する装置において、等間隔に一列
   に並んだ複数個の光電素子からなる光電素子アレ
   イを光学系の焦点位置又はその近傍に設け、各素
   子出力をそこに入射する光の強度に依存させると
   ともに、それらの光電素子を、複数個の素子から
   なる複数の素子群に分割し、その各素子群の空間
   的長さを互に等しくし、かつ各素子群内の光電素
   子の数Ｎを等しくし、各群の最初に位置する光電
   素子の出力を加算し、その次に位置する光電素子
   の出力を加算し以下同様に各群内の対応位置の光
   電素子の出力を加算し、これらの加算出力を、互
   に等しい角周波数を有すると共に、その光電素子
   の配列順に順次位相が１／Ｎ周期ずれ、かつ振幅
   が上記加算出力の大きさに対応した交流信号に変
   調する変調手段を設け、そして該交流信号を加算
   する加算手段を設けることを特徴とする空間周波
   数成分抽出装置。 ３ 光学像の空間周波数成分中から特定の周波数
   成分情報を抽出する装置において、一列に並んだ
   複数個の光電素子からなる光電素子アレイを光学
   系の焦点位置又はその近傍に設け各素子出力をそ
   こに入射する光の強度に依存させるとともに、そ
   れらの光電素子を、複数個の素子からなる複数の
   素子群に分割し、その各素子群の空間的長さを互
   に等しくし、各素子群の光電素子の出力と、該光
   電素子と位置的に対応した位置にあるその次の群
   の光電素子の出力との間に一周期の位相差が生じ
   る様に、各素子群の光電素子の出力を、光電素子
   の位置に応じた位相差とその光電素子出力に応じ
   た振幅と互に等しい角周波数とを持つ交流信号に
   変調する変調手段を設け、そして該交流信号を加
   算する加算手段を設け、更に上記加算手段の出力
   の位相を比較位相情報と比べる位相比較手段を設
   けることを特徴とする空間周波数成分抽出装置。