JPS5840781B2 - 光学的文字読取装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は光学的文字読取装置、特にホログラムを用いた
光学的文字読取装置に関するものである。

従来のホログラムを用いた光学的な文字読取装置におい
ては、紙にタイプあるいは印刷された英数字などを読取
対象とする場合に、反射性の文字を一度コヒーレントな
透過性の文字に変換して、この透過性の文字の光学的な
フーリエ変換像と、前もってフーリエ変換ホログラムと
して記録されている標準パターンとのパターンマツチン
グ、すなわち相関演算処理により、未知入力文字の読取
を行なっていた。

このような従来の方法を採用すると、ホログラム記録材
料の光透過率−露光量特性の相関関係は非線形であるた
め、多くの文字を１つのホログラムに記録することがで
きないため、フーリエ変換ホログラムを重ならないよう
に記録して、標準パターンを増加させていた。

また、空間的に分離しているホログラムと未知入力文字
とのパターンマツチングを行なうためには、ホログラム
を動かすか、もしくは光ビームを動かす必要があるため
、装置が複雑となり、また、処理速度も遅くなるという
欠点があった。

さらに、反射性の文字を透過性の文字に変換する必要が
あるため、一度写真フイルムに記録すると処理時間がか
かり、工程が複雑となり、実時間で処理することを考え
るとインコヒーレント−コヒーレント変換素子が必要と
なるが実用的なこの種の変換素子は開発されておらず、
実現が困難である。

また、デジタル計算機処理による文字読取装置において
は、一般に未知入力文字の位置決め、濃度、太さ、傾き
などの正規化、すなわち前処理を行なった後に標準パタ
ーンとのマツチングを行なっているが、光学的文字読取
装置では光学的前処理は困難であるという欠点がある。

本発明は以上のような従来の欠点を除去するためになさ
れたものであり、２次元の反射性の文字を光電変換して
１次元の時系列電気信号としたのち、実用的な１次元空
間変調器に表示し、この表示像の光学的な１次元フーリ
エ変換像によってパターンマツチングを行なうように構
成した光学的文字読取装置を提供するものである。

以下図面に示す実施例と共に本発明の詳細な説明する。

第１図は本発明の一実施例の概略構成図で、図において
符号１は紙などに印刷された入力文字で、この入力文字
１からの反射像は入力文字光電変換部２に導かれてここ
で電気信号に変換される。

この光電変換方式にはフライングスポットスキャナ方式
、撮像管方式、レーザビームスキャナ方式、あるいは光
体受光素子アレイなどの各種の方式がある。

入力文字光電変換部２で電気信号に変換された信号は制
御部３で文字の切出し、および位置決め、濃度、太さ、
傾きなどの正規化を行なって、（＋）。

（０）の１文字分の１次元の電気信号とする。

この電気信号は駆動電源部４を介して、１次元空間変調
器５に１文字分の１次元情報として入力され光学的処理
用の入カバターンとする。

この人カバターンはレーザビーム拡大光学系７によって
平行光にされたレーザ光源６からのコヒーレント光で読
出される。

特に、１次元空間変調器５として、電気光学的な複屈折
性を示す材料を用いる場合には１次元空間変調器５の前
後に偏光子８、検光子９を置き、被屈折変化を光透過率
変化として読出す。

このようにして、読出された表示パターンはシリンドリ
カルレンズ１０の作用によって、標準パターンを記録し
たホログラム列１１の面上でη方向にのみ１次元フーリ
エ交換され、ξ方向に拡がった１次元フーリエ変換像に
なる。

後述するように、標準パターンを記録した１次元フーリ
エ変換ホログラム列１１は多数の文字の１次元フーリエ
変換ホログラムがξ方向に重ならないように分離して記
録されている。

従って、１次元空間変調器に表示されている未知穴カバ
ターンのξ方向に拡がった１次元フーリエ変換像と１次
元フーリエ変換ホログラム列１１に記録されている多数
の標準パターンとの各相関出力像がシリンドリカルレン
ズ１２の作用によって、相関出力光電変換部１３の面上
に分離して同時に生じる。

従って、この未知穴カバターンと標準パターンとの相関
出力像の中心の光強度を相関出力光電変換部１３で電気
信号に変換する。

そして、一致信号検出部１４で相関出力信号の規格化、
重み付は処理を行なった後、各標準パターンに対応する
電気信号の比較により、一致信号の判定を行なって、未
知入力文字の識別を行なうことができる。

以上のように構成されているため、未知人力文字の正規
化などの前処理をデジタル処理によって容易に行なうこ
とができ、安定した未知入力文字の・パターンを得るこ
とができる。

また、１次元空間変調器を使用するため、作成が容易に
なる。

さらに、光学的パターンマツチングは極めて高速に行な
え、特に英数字、記号などの読取では対象が５０〜７０
種類の標準パターンであるから、０．２〜１間間隔に１
次元フーリエ変換ホログラムを記録すれば、並列処理性
によって瞬時に処理ができる。

つぎに、標準パターンを記録している１次元フーリエ変
換ホログラム列の作成方法にっ、いて説明する。

第２図は１次元フーリエ変換ホログラム列の作成、の光
学配置図を説明するもので、図中第１図と同一部分は同
一符号をもって示しである。

第１図について説明したように、各文字の標準パターン
に対応する１次元電気信号によって、駆動電源４を介し
て１次元空間変調器５に標準パターンを表示する。

この表示像は偏光子８、検光子９を介して光透過率変化
としてレーザビーム１５によって読出される。

このとき、ホログラム記録用の感光材料１Ｔの面上にξ
方向に拡がり、η方向にフーリエ変換された１次元フー
リエ変換像がシリンドリカルレンズ１０の作用によって
生じる。

従って、感光材料１１の前面にスリット１６を置き、ス
リット１６を透過する標準パターンの１次元フーリエ変
換像と参照光１８との干渉縞を１次元フーリエ変換ホロ
グラムとして記録する。

通常スリッド１６の大きさはξ方向の幅を０．２ ｍｔ
ｔｃ〜１ｉｍとしてη方向の幅を１次元窓間変調器５の
１個の開口のフーリエ変換像の最初の零次近傍までとす
る。

各標準パターンに対して、スリット１６を一定間隔で動
かし、１次元フーリエ変換ホログラムを順次記録するこ
とによって１次元フーリエ交換ホログラム列１１が作成
される。

例えば、５０ｍｍ幅の感光材料１６を使用すれば０．２
〜１間間隔で５０〜２５０文字の標準パターンを記録す
ることができる。

さらに、同一の記録場所に、参照光１Ｂの角度を変えて
多重記録すれば、標準パターンの数は多重変分だけ増加
する。

このようにホログラム列１１が構成されているため、ξ
方向に拡がった１次元フーリエ変換像でこのホログラム
列を照明すればξ方向に並列相関処理を行なうことがで
き、記録されている標準パターンの数だけ相関出力像が
同時に生じる。

従って、各相関出力像の中心に相関出力光電変換部１３
の受光素子を配置すれば同時に相関出力値を読取ること
ができる。

なお、１次元フーリエ変換像を得る光学系は、第１図、
第２図に示した光学系に限定されず、第１図、第２図に
おいてＸ方向に曲率をもつシリンドリカルレンズを挿入
しても伺ら支障はない。

一般に、第１図において、１次元窓間変調器５を照明す
るレーザ光が、ホログラム列１１の面上でη方向にのみ
収束しξ方向に拡がっていれば、１次元フーリエ変換像
が得られ、ξ方向の拡がりはξ方向に曲率をもつシリン
ドリカルレンズの使用によってかえられる。

よって、１次元窓間変調器は、必ずしもホログラム列を
記録するだけの幅をもっている必要はない。

本発明の他の・実施例を第３図に示す。

第３図は１次元フーリエ変換像を得る光学系が第１図と
少し異なっているのみで他は全く同一である。

図中１９．２０はξ方向に曲率をもつシリンドリカルレ
ンズ（焦点距離をｆｌ、ｆ３）、２１，２２は球面レン
ズ（焦点距離をｆ２．ｆ４）である。

第３図において、１次元窓間変調器を透過した光は球面
レンズ２１によってη方向に収束されるため、ホログラ
ム列１１の面上で１次元フーリエ変換像を生じる。

ξ方向に関しては、シリンドリカルレンズ１９と球面レ
ンズ２１の作用によって、光ビームの幅を調整すること
ができる。

例えば、図の配置でξ方向の光ビームの幅は１次元窓間
変調器の開口のｆ２／ｆ倍にホログラム列１１の面上で
拡大される。

なお、シリンドリカルレンズ１９は凸レンズとして示し
ているが、凹レンズでも全く同様であり、特に図の配置
において、光ビームはホログラム列１１の面でξ軸に対
して垂直に入射する。

相関出力像の検出光学系は、シリンドリカルレンズ２０
と球面レンズ２２によってξ方向に各ホログラム列１１
を分離して検出できる。

図では、ホログラム列１１の面を相関出力光電変換部１
３に結像することによって分離している。

実際の標準パターンのホログラム作成動作および文字読
取り動作は、第２図、第１図の場合と全く同様である。

第４図は本発明の別の実施例を示す構成国である。

第４図の２３は球面レンズ、２４は空間フィルター、２
５はη方向に曲率をもつシリンドリカルレンズ、２６は
球面レンズ、２７はハーフミラ−２２８はξ方向に曲率
をもつシリンドリカルレンズ、２９は光電変換素子、３
０はξ方向に曲率をもつシリンドリカルレンズ、３１は
球面レンズ、３２は参照光である。

その他の配置は、第１図と全く同一である。

第４図において、１次元窓間変調器５を透過した光は球
面レンズ２３の作用によって空間フィルター２４の面上
に２次元フーリエ変換像を生じる。

直流分および高周波成分を遮蔽するバンドパスフィルタ
ーである空間フィルター２４を透過した光は、η方向に
対してシリンドリカルレンズ及び球面レンズ２６の作用
によって、ホログラム列１１の面上に結像され、ξ方向
に対して球面レンズ２６によって拡げられる。

よってホログラム列１１の面上には、１次元窓間変調器
５の直流分、高周波成分除去の１次元フーリエ変換像が
生じる。

この時、１次元窓間変調器に表示される入力信号のホロ
グラム列１１の面に達する光の一部は、ハーフミラ−２
７、及びシリンドリカルレンズ２Ｂによって光電変換素
子２９の受光部に集光され、未知入力信号の透過光強度
が測定される。

この光強度を示す電気信号をＡとする。相関出力は、第
３図の場合と全く同様にして、シリンドリカルレンズ３
０および球面レンズ３１の作用で、相関出力光電変換部
１３で並列処理できる。

本実施例はこのような構成になっているから、各パター
ンに共通の直流分を除去することにより、各パターン間
の相関出力の差を大きくとれ、さらに高周波成分の除去
により１次元空間変調器５の不均一さなどの雑音成分を
除去できる。

また、相関出力値Ｂを入力信号Ａで割り算した値Ｂ／Ａ
使用することにより、レーザ光の時間的な光強度変動の
除去及び相関出力の規格化（類似度への変換）が容易に
なる。

なおホログラム列１１の作成にあたっては、第２図で述
べたと同様に、第４図の配置でホログラム列１１の前面
にスリットを置き、各文字の１次元フーリエ変換像と参
照光３２とを干渉させて順次、１次元フーリエ変換ホロ
グラムを作成すればよい。

以上の実施例においては、相関出力光電変換部に多数の
受光素子を配列した並列処理に関して説明したが、本発
明はこれらの場合に限定されることなくフーリエ変換像
で１次元フーリエ変換ホログラム列を走査する方式にも
適用できる。

この場合には、相関出力光電変換部の受光素子の数を減
らすことができる。

第５図は本発明のさらに他の実施例であって、１次元フ
ーリエ変換像で走査して相関出力信号を得るものである
。

第５図において符号３３．３４．３５．３６は球面レン
ズ、３７はガルバノミラ−２３８は相関出力光電変換部
、３９は参照光である。

第５図において、レーザ光１５で１次元空間変調器５に
表示されたパタ〒ンを読出し、球面レンズ３３と３４に
よりガルバノミラ−３７の面上に平行ビームの表示パタ
ーンとなるように結像する。

このガルバノミラ−３７に結像された表示パターンは、
球面レンズ３５にヨリホログラム列１１の面上でフーリ
エ変換像になる。

この時、表示パターンの゛各間口がξ方向に拡がってい
るとξ方向に集束された１次元フーリエ変換像が得られ
る。

よって、ガルバノミラ−３７を回転することによって、
１次元フーリエ変換像はξ方向にスキャニングされる。

ホログラム列１１の作成にあっては、参照光３９の角度
を一定にし１次元フーリエ変換像をガルバノミラ−３７
で一定間隔ずつ動かして、順次１次元フーリエｆ換ホロ
グラムを記録する。

このホログラム列１１を１次元フーリエ変換像でスキャ
ニングすると、未知入カバターンと各標準パターンとの
相関出力像が、球面レンズ３６を介して相関出力光電変
換部３Ｂに順次生じる。

よって、電気信号に変換された相関出力から一致信号検
出部で未知入カバターンを判定することができる。

本実施例はこのような構成になっているので、光電変換
部３Ｂの受光素子の数は、ホログラム列１１の多重記録
の数だけでよいので光電変換部３８の構成を簡単にでき
る。

また、レーザビームを収束して相関処理を行なうので高
密度のホログラム列の作成、および大きな相関出力光強
度が得られる。

第６図は本発明のさらに別の実施例を示す構成図であり
、図において符号４０はスリット、４１，４２，４３゜
４４は球面レンズ、４５はシリンドリカルレンズである
。

第６図において、レーザビームで読出されたスリット４
０の像は球面レンズ４１と４２によって１次元空間変調
器５の面上に結像される。

この時、スリット４０を透過したレーザビームは球面レ
ンズ４１によってバルバミラ−３７の面上に集束し、そ
してガルバノミラ−３７によって反射される。

よって、ガルバノミラ−３７を回転すると１次元空間変
調器５の面上のスリット像はＸ方向に走査される。

１次元空間変調器５に表示されたパターンは、ホログラ
ム列１１の面上で、η方向に対して球面レンズ４３によ
ってフーリエ変換され、ξ方向に対して球面レンズ４３
、シリンドリカルレンズ４５によって結像されるのでξ
方向に結像される１次元フーリエ変換像が得られる。

よって、ガルバノミラ−３７を回転させてスリット像で
１次元空間変調器５を走査すれば、ホログラム列１１の
面上は、表示パターンの１次元フーリエ変換像で走査さ
れることになる。

ホログラム列１１の作成にあたっては、参照光３９の・
角度を一定にし、１次元フーリエ変換像をガルバノミラ
＝３７で一定間隔ずつ動かして順次１次元フーリエ変換
像を記録してゆく。

このようにして作成されたホログラム列１１を１次元フ
ーリエ変換像で走査すると、未知入カバターンと各標準
パターンとの相関出力像が球面レンズ４４を介して、相
関出力光電変換部３８に順次生じる。

よって、光電変換された相関出力によって、未知穴カバ
ターンを判定することができる。

なお、第５図、第６図のガルバノミラ−のかわりに高速
回転ミラーを使用すれば、より高速の処理が可能である
。

また、レーザ光源として半導体レーザの使用も可能であ
り、ホログラム列作成時のレーザ光源の波長と半導体レ
ーザの波長の違いを補正するように光学系を配置すれば
、以上の説明と全く同様の処理が可能である。

また半導体レーザとして、ホログラム列の方向に並んだ
１次元の半導体レーザアレイを用いれば、相関出力光強
度は大きくなり、処理が′容易になる。

次に入力文字光電変換部からの信号を制御部により２値
の１次元電気信号に変換して１次元空間変調器に表示す
る方法について説明する。

入力文字光電変換部から得られる文字情報はアナログ信
号であるが、これを適当なしきい値のもとで２値化する
。

しきい値の設定には、（１）文字線が途切れず、つぶれ
ないようにする、 （ｉｉ）所定の文字線幅になるよう
にする、（ｉｉＤ背景雑音を拾わないようにする、など
を考慮する必要がある。

サンプリングするデータの数は、英数字では原理的に５
×７ビツトでも可能であるが、一般には入力文字光電変
換部でサンプリングする原始データの数を多くして、正
規化などの処理を制御部で施した後に、７×１１ビット
程度のサンプリング数を用いて相関演算処理をおこなう
。

よって、１次元空間変調器としては、１００ビツト程度
の１，０の２値信号を表示できるものでよく、ＰＬＺＴ
、Ｇｄ２（ＭｏＯ４）３、液晶、メンブランス、超音波
変調器、Ｃｄｓの光吸収率変化の利用したものなど各種
の表示器が使用できる。

このとき、電気光学的な複屈折性を利用するもの以外は
、必ずしも偏光子、検光子を必要としないことはいうま
でもない。

また、反射型の空間変調器（例えばメンブランス）、及
び１次回折光を利用する超音波変調器を使用する場合に
は、図に示した光学配置と少し異なるが、以上説明して
きたのと同様の原理に基づき相関処理演算をおこなうこ
とができる。

一般に、空間変調器は２値の電気信号の１を光透過する
部分、Ｏを光を遮蔽する部分に対応させて正常な表示を
すれば良いが、これ以外にもＯを光の透過する部分、１
を遮蔽する部分と相補的なパターンを表示することが考
えられる。

例えば、正常な表示パターンでホログラム列を作成し、
正常なパターンを未知穴カバターンとすれば通常のパタ
ーンマツチングによる文字読取りができるが、ホログラ
ム記録した時の表示パターンと相補的なパターンを未知
穴カバターンとすれば、相関出力値が最小の時に一致パ
ターンとなる。

また、正常なパターンと相補的なパターンとを各々ホロ
グラム列に標準パターンとして記録しておけば、相関出
力の最大値と最小値になる組が一致パターンになる。

もしくは、正常パターンと相補的な標準パターンに対応
する規格化した２つの相関値の差を比較すれば、この差
が最大になるパターンが一致パターンとなる。

第７図に別の表示パターンの構成例を示す。

第７図の４６は光を透過、遮蔽する開口部、４７は開口
部の透過部分を選択するスイッチ、４Ｂは駆動電圧であ
る。

この図で制御部からのＮビットの１次元電気信号に対し
て、電気信号が”１”の時には開口部４６のＡの部分を
光が透過し、 ０ の時にはＢの部分を光が透過する
ようにＮ個のスイッチ４７を動作させて表示する。

表示パターンは、常にＮ個の開口部分を光が透過するこ
とになるから、表示パターンを透過する光量は常に一定
になる。

よってホログラムの回折効率を一定にすることが容易に
なり、及び相関出力値を電子回路的に規格化しなくても
、レーザ光の変動を補正すれば規格化したに等しい相関
出力値が得られ大巾に電子回路系を省略できる。

通常は、第４図で説明したＲ５．ｒ＝Ｂ／Ａの相関出力
値をメモリに記憶されている標準パタ！ンを未知穴カバ
ターンとした時の自己相関値Ｂｒ、ｒ＝ＢＯ／Ａｏで割
算したＲ８ 、 ｒＲｓｔｒ／ を規格化した相
関出力値としてＲｒフｒ 一致検出をする（特に／Σ＝１は類似度に等しい）。

なお、字体等の関係により互いに類似した文字例えば８
と０，３等は相関強度が近い値をもつ場合には、共通部
分を除外して差を強調する情報パターンのみを別にホロ
グラム列の中に標準パターンとして用意して、この相関
出力値をも併用することにより類似した文字間の識別力
を向上することができる。

以上説明したように、反射性の文字を光電変換部で電気
信号に変換し正規化などの処理をおこなった後に、１次
元空間表示器に未知入力文字を表示してホログラフィッ
クな相関演算処理を用いて文字読取りをしているから、
未知入力文字の太さ変動、濃度変動、位置決めなどの正
規化をディジタル処理でおこなって、安定した１、０の
２値の１次元電気信号を光学的処理の未知入カバターン
とすることができ、しかも１次元窓間変調器を入カバタ
ーン表示器とする高速なホログラフィック相関処理によ
る実時間での文字読取りが可能になる。

特に１次元パターンのホログラフィック相関処理である
から、高速動作の１次元窓間変調器の作成が容易であり
、しかも標準パターンを記録するホログラムの高密度化
が容易になる利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を説明する構成図、第２図は
１次元フーリエ変換ホログラム列の作成光学系配置図、
第３図、第４図は本発明の別の２つの実施例を示す構成
図、第５図、第６図は１次元フーリエ変換像を走査する
方式の本発明の２つの実施例を示す構成図、第７図は１
次元窓間変調器の表示法の一例の説明図である。 １・・・・・・入力文字、２・・・・・・入力文字光電
変換部、３・・・・・・制御部、４・・・・・・駆動電
源部、５・・・・・・１次元窓間変調器、６・・・・・
・レーザ光線、７・・・・・・レーザビーム拡大光学系
、８・・・・・・偏光子、９・・・・・・検光子、１０
・・・・・・シリンドリカルレンズ、１１・・・・・・
１次元フーリエ変換ホログラム列、１２・・・・・・シ
リンドリカルレンズ、１３・・・・・・相関出力光電変
換部、１４・・・・・・一致信号検出部、１５・・・・
・・平行なレーザ光、１６・・・・・・スリット、１７
・・・・・・感光材料、１８・・・・・・参照光、１９
，２０・・・・・・シリンドリカルレンズ、２１．２２
，２３・・・・・・球面レンズ、２４・・・・・・空間
フィルター、２５・・・・・・シリンドリカルレンズ、
２６・・・・・・球面レンズ、２７・・・・・・ハーフ
ミラ−２２８・・・・・・シリンドリカルレンズ、２９
・・・・・・光電変換素子、３０・・・・・・シリンド
リカルレンズ、３１・・・・・・球面レンズ、３２・・
・・・・参照光、３３，３４，３５゜３６・・・・・・
球面レンズ、３７・・・・・・カルバノミラー。 ３８・・・・・・相関出力光電変換部、３９・・・・・
・参照光、４０・・・・・・スリット、４１，４２，４
３，４４・・・・・・球面レンズ、４５・・・・・・シ
ントリカルレンズ、４６・・・・・・開口部、４７・・
・・・・スイッチ、４８・・・・・・駆動電圧。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 未知入力文字を実時間で電気信号に変換する入力文
   字光電変換部と、この入力文字光電変換部で変換された
   （１） 、 （０）の２値の１次元電気信号で駆動表示
   される１次元空間変調部と、レーザ光源部から発生する
   レーザ光の拡大光学系と、前記１次元空間変調部を透過
   するレーザ光を１次元フーリエ変換するレンズ系と、こ
   のレンズ系による１次元フーリエ変換面上に配置された
   標準パターンを記録している１方向のみがフーリエ変換
   された２次元ホログラムからなる１次元フーリエ変、換
   ホログラム列と、このホログラム列に記録されている標
   準パターンと前記１次元空間変調器に表示されている未
   知入カバターンとの相関出力光を得るためのレンズ系と
   、前記相関出力光を光電変換する相関出力光電変換部と
   、この相関出力光電変換部からの電気信号により未知入
   力文字を識別する一致信号検出部とを備え、未知入力文
   字を実時間で読取ることを特徴とする光学的文字読取装
   置。 ２、特許請求の範囲第１項記載の読取装置において、前
   記１次元フーリエ変換レンズ系がバンドパス空間フィル
   ターにより直流分近傍成分と高域成分を除去した１次元
   フーリエ変換像を得るように構成されていることを特徴
   とする光学的文字読取装置。 ３ 特許請求の範囲第１項記載の読取装置において、前
   記１次元空間変調器が２開口で（＋） 、 （０）の信
   号を表示するように構成されていることを特徴とする光
   学的文字読取装置。 ４ 特許請求の範囲第１項記載の読取装置において、前
   記一致信号検出部が相関出力光強度の規格値を比較して
   一致判定をするように構成されていることを特徴とする
   光学的文字読取装置。