DE1572536B2 - Frequenzmuster-erkennungseinrichtung - Google Patents

Description

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Das optische Filter enthält ein Muster, das eine- jede Holögrafnmaufzeichnung wird ein Referenzstrahl

Vielzahl von komplexen Frequenzmustern, z. B. eine: unter einem anderen Winkel auf eine"^: Fotoplatte

Vielzahl von gesprochenen Wörtern, darstellt. Wenn. (od. dgl.) gerichtet. Zum Beispiel wird die Fotoplatte

das auf das Filter auftreffende Lichtmuster eines der' mit dem unter dem Einfluß der gesprochenen Ziffer

gespeicherten komplexen Frequenzmuster darstellt, 5 »Eins« durch die statische Maske übertragenen Licht—

wird das Licht durch das Filter auf einen der Foto-" muster und einem Referenzstrahl unter einem ersten

detektoren gerichtet. Ein Ausgangssignal eines der Winkel belichtet. Dann wird sie mit dem unter dem

Fotodetektoren gibt ein bestimmtes komplexes Fre*; Einfluß der gesprochenen Ziffer »Zwei« durch die^:

quenzmuster der Eingangseriergje an. Zum Beispiel statische Maske übertragenen Lichtmuster und einem

gibt einer der Fotodetektoren ein Ausgangssignal io Referenzstrahl unter einem zweiten Winkel belichtet,

unter dem Einfluß des Wortes »Eiös« ab, während Nachdem die Fotoplatte (od. dgl.) entwickelt ist und

andere Fotodetektoren auf andere gesprochene Zif- das optische Filter mit überlagerten Hologrammen

fern ansprechen, die den Wandler erregen können. bildet, wird sie zwischen die statische Maske und

Das optische Filter kann eine Fouriertransforma- eine Anordnung von Fotodetektoren eingesetzt, die tions-Hologrammaufzeichnung einer Matrix von 15 unter Winkeln angebracht sind, welche denjenigen Fotografien sein, von denen jede eine Aufzeichnung: der zur Bildung des Hologramms benutzten verschiedes Lichtintensitätsmusters ist, das von den optischen denen Referenzstrahlen entsprechen. Wenn das Fre-Fasern durch die statische Maske unter dem Einfluß quenzmuster des Wandlers korreliert, das Frequenzeines speziellen Frequenzmusters des Wandlers über- muster des Wandlers mit einem auf dem Hologrammtragen wird. Das Filter wird hergestellt, indem die 20 filter aufgezeichneten Muster, so wird ein heller fotografische Matrix in der vorderen Brennebene Fleck auf den Fotodetektor projiziert, dessen Winkel einer sphärischen Konvergenzlinse angeordnet wird, dem des zur Aufzeichnung dieser Frequenzfigur bewobei ein lichtempfindliches Mittel (eine Fotoplatte nutzten Referenzstrahls entspricht. Bei dieser Ausod. dgl.) in der hinteren Brennebene der Linse vor- führung können Fouriertransformationsprojekrionen gesehen ist. Durch die Matrix und die Linse wird 25 verwendet werden, wenn sie, wie später klar wird, kohärentes Licht auf das lichtempfindliche Mittel ge- auch nicht erforderlich sind.

richtet, wo es mit einem Referenzstrahllicht inter- Nachfolgend wird die Erfindung an Hand der

feriert, um ein Hologramm zu bilden. Bekanntlich Zeichnungen beschrieben. Es zeigt

ergibt eine derartige Abbildung in der Ebene der Fig. 1 eine schematische Darstellung der Fre-

Fotoplatte eine Lichtamplitudenverteilung, die eine 30 quenzmuster-Erkennungseinrichtung gemäß einem

Fouriertransformation der Lichtamplitudenverteilung Ausführungsbeispiel der Erfindung,

in der Ebene der fotografischen Matrix ist. Die In- Fig. 2 und 3 vergrößerte Ansichten von Teilen

formation aller Fotografien wird auf der gesamten be- der Ausführungsform der Fi g. 1,

lichteten Fläche des lichtempfindlichen Mittels ge- Fig.4, 5 und 6 schematische Darstellungen von

speichert, das nach der Entwicklung das optische 35 Einrichtungen zur Herstellung eines optischen FiI-

Hologrammfilter bildet. ters für die der F i g. 1 entsprechende Ausführungs-

Das entwickelte Fouriertransformations-Holo- form der Erfindung,

grammfilter wird in die Erkennungseinrichtung ein- F i g. 7 eine schematische Darstellung einer weitegesetzt, wobei eine erste Linse zwischen dem Wand- ren Aüsführungsform der Erfindung,
ler Und dem Filter und eine zweite Linse zwischen 40 Fig. 8 eine Darstellung der Fotodetektoranorddem Filter und der Fotodetektoranordnung vor- nung der Ausführung der F i g. 6 und
gesehen werden. Wenn eine gesprochene Ziffer den F i g. 9 eine schematische Darstellung einer EinWandler erregt, wird eine Fouriertransformation des richtung zur Herstellung eines optischen Filters für durch die statische Maske projizierten Lichtintensi- die Ausführungsform der F i g. 7.
tätsmusters auf das Hologrammfilter abgebildet. Eine 45 In Fig. 1 ist schematisch ein Ausführungsbeispiel Wechselbeziehung zwischen dem Fouriertransforma- einer Frequenzmuster-Erkennungseinrichtung dartionsmuster und dem auf dem Hologramm gespei- gestellt, die aus einer Quelle 11 für kohärentes Licht, cherten Muster bewirkt eine Projektion eines Flecks einem Wandler 12, einem Bündel optischer Fasern von dem Hologramm auf einen der Fotodetektoren. 13, einer statischen Maske 14, einem optischen Filter Die Fotodetektoren sind in einer Matrix angeordnet, 5° 16 und einer mairixförmigen Anordnung von Fotodie der Matrix der zur Herstellung des Hologramm- detektoren 17 aufgebaut ist. Die Lichtquelle projifilters benutzten Fotografien entspricht. Bei einem für ziert einen kohärenten Lichtstrahl längs der optischen Fouriertransformationsprojektionen geeigneten Ab- Achse OA durch den Wandler 12 und das optische stand der verschiedenen Elemente und bei geeigneter Fasernbündel 13. Bekanntlich sind optische Fasern Lage der Fotodetektoranordnung entspricht die Lage 55 flexible Elemente, die in der Läge sind, Licht ohne des erregten Fotodetektors der Lage der Fotografie wesentliche Verzerrung zu übertragen, auch wenn sie der erkannten Frequenzfigur auf der ursprünglichen gebogen oder abgelenkt werden. Das eine Ende des fotografischen Matrix. Das heißt, wenn die unter dem Fasernbündels ist im Wandler 12 eingebettet, der vorEinfluß der gesprochenen Ziffer. »Eins« hergestellte zugsweise aus piezoelektrischem Material, wie Quarz, Fotografie eine bestimmte Position m der fotogräfl- Bo hergestellt ist. ' ■""

sehen Matrix einnimmt, wird ein heller Fleck auf ι Mit dem Wandler 12 ist eine Quelle 19 für vereine entsprechende Position der Fotodetektormatrix ~ änderliche Signale verbunden, die im Wandler verprojiziert, wenn dieselbe Ziffer »Eins« gesprochen" schiedene Ffeqüenzmuster erzeugen. Der Zweck der wird. -.-' ' ^T "■: : Anordnung nach Fig. 1 besteht darin, unter dem

Das optische Filter kann aus überlagerten Hold- 65 Einfluß bestimmter Frequenzmuster der Signalquelle

grammaufzeichöungen der Lichtmuster bestehen, die 19 bestimmte Fotodetektoren 17 zu erregen. Die

durch die statische Maske unter dem Einfluß der zu : Frequenzmuster können z.B. elektrische Därstellun-

erkennenden Frequenzmuster übertragen werden. Für gen von gesprochenen Wörtern, wie die Zahlen

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»Eins«, »Zwei« usw. sein, die durch den Wandler in kohärent ist, auf die Fotoplatte 16' gerichtet, um das

mechanische Schwingungen bei diesen Frequenzen- Hologramm-Interferenzmuster zu erzeugen. Bei der

umgewandelt werden. Die einzelnen. optischen Fa- Herstellung von Hologrammen ist es üblich, den Re-

sern sind mit verschiedenen Längen dargestellt, um ferenzlichtstrahl von derselben Quelle, wie ■ den

anzudeuten, daß sie unterschiedliche mechanische 5 Gegenstandsstrahl abzuleiten. Die zwischen den

Resonanzfrequenzen haben. Demnach werden unter-. Quellen 11 und 11' gezogene gestrichelte Linie soll

schiedliche optische Fasern unter dem Einfluß unter- deshalb andeuten, daß die beiden Lichtstrahlen

schiedlicher Vibrationsfrequenzen im Wandler 12 in jedenfalls zueinander phasenkohärent sind und von

Vibration versetzt. einer gemeinsamen Quelle abgeleitet sein können. '

Vor der Inbetriebnahme der Einrichtung wird die io Die Fotografien-Matrix 22·: ist in der vorderen statische Maske 14 hergestellt (Fig. 3). Hierzu wird Brennebene der Linse24 angeordnet und die Foto-Licht durch die Fasern 13 übertragen, um ein licht- platte 16' in der hinteren Brennebene der Linse. Die empfindliches Mittel 14' (eine Fotoplatte od. dgl.) Matrix und die Fotoplatte 16' haben daher von der im entsprechenden Fleckmuster zu belichten. Der Linse 24 beide einen Abstand, der gleich der Brenn-Wandler 12 wird dabei nicht erregt, so daß jeder be- 15 weite Z₁ der Linse ist. Unter diesen Bedingungen wird lichtete Fleck die unverschobene Lage der Spitze der bekanntlich die Fouriertransformation der Lichtzugeordneten optischen Faser darstellt. Durch Ent- amplitudenverteilung der vorderen Brennebene auf wickeln entsteht die statische Maske 14 (Fig. 1), in die hintere Brennebene, in der sich die Fotoplatte 16' der nunmehr jeder der belichteten Flecke geschwärzt, befindet, projiziert. Infolgedessen wird die auf einer also für ankommendes Licht undurchlässig ist. Dem- 20 jeden der Fotografien 21 gespeicherte Information nach wird im Betrieb nur dasjenige Licht von der jeweils auf der ganzen Fotoplatte 16' als Hologramm Maske 14 durchgelassen, welches durch solche opti- der Fouriertransformation aller dieser Fotografien 21 sehe Fasern gegangen ist, durch den Wandler 12 zu aufgezeichnet. Nach Entwicklung wird das HoIo-Vibrationen angeregt, also gegen den je vorgeschal- gramm der Fouriertransformation aller Fotografien teten Fleck versetzt werden. 25 21 als das Filter 16 in die Anordnung nach Fig. 1

Licht, das die statische Maske 14 unter dem Ein- eingesetzt. Fouriertransformations-Hologramme sind

fraß eines speziellen Freqüenzmusters passiert, wird eingehender im Aufsatz »Signal Detection by Com-

durch das optische Filter 16 nur dann als heller plex Spatial Filtering« von A. Vander Lugt,

Lichtfleck zu einem der Fotodetektoren 17 über- IEEE Transactions on Information Theory, Bd. IT-IO,

tragen, wenn das Lichtintensitätsmuster einem Muster 30 S. 139, April 1964, beschrieben,

entspricht, das auf dem Filter 16 aufgezeichnet In Fig. 1 ist das Hologrammfilter 16 in der hinte-

wurde. Wenn z. B. das Lichtintensitätsmuster, das das ren Brennebene der Linse 26 angeordnet, die mit der

gesprochene Wort »Eins« darstellt, auf dem optischen vorderen Brennebene einer Linse 27 zusammenfällt.

Filter 16 aufgezeichnet wurde, wird ein heller Fleck Das freie Ende des optischen Faserbündels befindet

unter dem Einfluß des Frequenzmusters, welches im 35 sich in der vorderen Brennebene der Linse 26, so

Wandler 12 das gesprochene Wort »Eins« darstellt, daß die Fouriertransformation des durch die statische

auf einen der Fotodetektoren 17 projiziert. Maske 14 übertragenen Lichts auf das optische FiI-

Fig. 4, 5 und 6 zeigen die verschiedenen Herstel- ter 16 projiziert wird. In Fig. 1 ist f₂ die Brennweite lungsstadien des optischen Filters 16, entsprechend der Linse 26 und f₃ die Brennweite der Linse 27. einer ersten Ausführungsform. In Fig. 4 wird das 40 Wenn die Fouriertransformations-Lichtarnplituden-Lichtmuster, das durch die statische Maske 14 unter figur einer der auf dem Filter 16 aufgezeichneten dem Einfluß jeder der zu erkennenden Frequenz- Figuren entspricht, wird Licht vom Filter 16 in Form muster hindurchgeht, auf einem herkömmlichen foto- eines ziemlich starken Korrelations-Strahls durchgrafischen Mittel 21 (Fotoplatte od. dgl.) aufgezeich- gelassen. Wenn die Linse 27 in einem Abstand, der net. Wenn z. B. sechzehn Muster aufzuzeichnen sind, 45 gleich ihrer eigenen Brennweite ist, vom Filter 16 werden sechzehn Fotografien dadurch hergestellt, und von der Fotodetektorenanordnung 17 in der dardaß Licht von der Quelle 11 durch die Fasern 13 und gestellten Weise angeordnet ist, wird das vom Filter die statische Maske 14 geleitet wird und für jedes der 16 durchgelassene Licht auf einen vorbestimmten Signalfrequenzmuster, die von der Quelle 19 geliefert Fotodetektor 17 fokussiert.

werden, wird eine andere Fotoplatte21'belichtet. Die 50 Wenn die einzelnen Linsen 26 und 27 in Fig. 1 entwickelten Fotografien werden dann in Form einer sowie 24 in Fig. 6 keine Vergrößerung liefern, entMatrix 22 (Fig. 5) angeordnet. Die einzelnen Flecke sprechen die Abmessungen der Fotodetektorenauf den Fotografien 21 sind also durch Belichtung Matrix der Fotografien-Matrix 22 der F i g. 5. Jedoch über die jeweils zu Schwingungen angeregten opti- wird die Fotodetektoren-Matrix vorteilhafterweise sehen Fasern unter dem Einfluß der einzelnen Fre- 55 aus der optischen Achse OA um eine Strecke d herquenzmuster entstanden. Zum Beispiel sei die Foto- ausgeschoben, die gegeben ist durch
grafie21/i eine Aufzeichnung desjenigen Lichts, _ .
welches von der statischen Maske 14 unter dem Ein- . ^d ~ h ^tanS ö W
fluß des durch das gesprochene Wort »Eins« ent- wobei f₃ die Brennweite der Linse 27 und Q der Winstehenden Frequenzmusters durchgelassen worden ist. 60 kel zur optischen Achse ist, unter dem der Referenz-

Sodann wird eine Fouriertfansformations-Holo- strahl auf die Fotoplatte 16'bei der Herstellung des grammaufzeichnung aller Fotografien in der Matrix optischen Filters aufgetroffen ist (Fig. 6). Unter die-22 mit der Anordnung nach Fig. 6 hergestellt. Ko- sen Bedingungen trifft ein vom Filter 16 durchgelashärentes Licht der Quelle 11 wird durch eine Sam- sener Korrelationslichtstrahl auf denjenigen Fotomellinse 23, die Fotografien-Matrix 22 und eine 65 detektor 17 der Fotodetektoren-Matrix, dessen Lage Linse 24 auf ein lichtempfindliches Mittel 16' (Foto- der zugeordneten Fotografie 21 in der Matrix 22 entplatte) projiziert. Zugleich wird kohärentes Licht spricht (F i g. 5).
der Quelle 11', das zum Licht der Quelle 11 phasen- Wenn z. B. die Fotografie 21^4 in Fi g. 5 die Auf-

Claims (3)

formation« enthalten ist, das von D. K. Pollack, Patentansprüche: G. J,Koest'er und J.iT.Tippett; Spärtäh Books, Inc., 1963, herausgegeben ist, wird eine Einrichtung

1. Frequenzmuster-Erkennungseinrichtung mit beschrieben, die ein elektrisches Ausgangssignal nur einer Vielzahl optischer Fasern, die mit ihrem 5 unter dem Einfluß, einer speziellen, komplexen, me-Lichteintrittsende von einem von einer Quelle für chanischen Vibrationsfigur erzeugt. Der Aufsatz legt vielfrequente elektrische Eingangssignale zu elasti- dar, daß diese Einrichtung potentiell für die automaschen Schwingungen anregbaren Wandler be- tische Klassifizierung von komplexen Signalen oder festigt sind, und die mit ihrem Lichtaustrittsende Ereignissen, wie gesprochenen Wörtern, spektralen jeweils vor einem lichtundurchlässigen Punkt io Kennungen von Fahrzeugen, der räumlichen Orieneiner ansonsten lichtdurchlässigen Maske stehen, tierung einer Umgebung oder rückkehrenden Sonarwobei die optischen Fasern verschiedene mecha- und Radarsignalen^x verwendet werden kann;, Bei nische Resonanzfrequenzen haben und deshalb je einem gegebenen Beispiel erzeugte die Einrichtung nach Frequenzinhalt der zugeführten Eingangs- von Hawkins einen Ausgangsstrom nur unter dem signale in jeweils unterschiedlichen Mustern zu 15 Einfluß des gesprochenen Wortes »Fünf«.
Vibrationen angeregt werden, so daß auf die Aus der deutschen Auslegeschrift 1170 666 ist Fasereintrittsenden gerichtetes Licht in einem ent- eine Frequenzmuster-Erkennungseinrichtung der einsprechenden Lichtintensitätsmuster von der gangs beschriebenen Art bekannt. Als Filter wird Maske durchgelassen wird und mit einem nach- eine zweite Maske verwendet. Diese wird auf fotogeschalteten, ein bestimmtes Muster tragenden 20 grafischem Weg hergestellt. Dazu werden die opti-Filter verglichen werden kann, dem seinerseits sehen Fasern mit Hilfe des Wandlers mit dem Freeine das Ergebnis des Vergleichs feststellende quenzspektrum des wiederzuerkennenden gesproche-Fotodetektoreinrichtung nachgeschaltet ist, da- nen Wortes angeregt. Die dem Frequenzspektrum durch gekennzeichnet, daß das Filter entsprechend schwingenden Fasern stehen mit ihrem ein Mehrfach-Hologramm, aufgenommen durch 25 Lichtaustrittsende jeweils vor einem lichtundurch-Interferenz der verschiedenen Lichtintensitäts- lässigen Bereich der Maske. Eine jenseits der Maske muster und des raumwinkelmäßig jeweils unter- befindliche Fotoplatte wird an den Stellen belichtet, schiedlich mitwirkenden Referenzstrahles, ist, wo- an denen aus Resonanzgründen abgelenkte Fasern bei dieses Mehrfach-Hologramm bei Bestrahlung Licht durch die durchlässigen Bereiche der Maske mit einem einzigen ausgewählten Lichtintensitäts- 30 abgeben können. Die entwickelte Fotoplatte stellt muster den rekonstruierten Bezugsstrahl unter ent- ein Filter für das zu erkennende Zeichen dar. Die sprechend individuell geneigtem Raumwinkel aus- Fotodetektoreinrichtung gibt ein extremes Ausgangstreten und auf den entsprechend angeordneten signal dann ab, wenn das Frequenzspektrum auf den Fotodetektor auffallen läßt. Wandler gelangt, dessen Lichtmuster auf der als FiI-

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge- 35 ter dienenden Fotoplatte festgehalten ist.
kennzeichnet, daß das Filter aus einem gewöhn- Mit einem Filter kann jeweils nur ein Frequenzlichen Mehrfach-Hologramm besteht. Spektrum, also beispielsweise nur ein gesprochenes

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge- Wort, festgestellt werden. Um eine Vielzahl von kennzeichnet, daß das Filter ein Mehrfach-Fou- verschiedenen Wörtern gleichzeitig erkennen zu könriertransformationshologramm ist. 40 nen, müßten so viele Frequenzmuster-Erkennungseinrichtungen nebeneinander betrieben werden, wie

■ _. der zu erkennende Wortschatz Wörter aufweist.

Es ist ein Ziel der Erfindung, eine Frequenzmuster-Erkennungseinrichtung verfügbar zu machen, mit der

Die Erfindung betrifft eine Frequenzmuster-Er- 45 gleichzeitig eine Vielzahl von Frequenzspektren, bei-

kennungseinrichtung mit einer Vielzahl optischer spielsweise gesprochener Wörter, erkannt und aus-

Fasern, die mit ihrem Lichteintrittsende von einem einändergehalten werden kann,

von einer Quelle für vielfrequente elektrische Ein- Dieses Ziel wird dadurch erreicht, daß das Filter

gangssignale zu elastischen Schwingungen anregbaren ein Mehrfach-Hologramm, aufgenommen durch

Wandler befestigt sind, und die mit ihrem Lichtaus- 5° Interferenz der verschiedenen Lichtintensitätsmuster

trittsende jeweils vor einem lichtundurchlässigen und des raumwinkelmäßig jeweils unterschiedlich

Punkt einer ansonsten lichtdurchlässigen Maske mitwirkenden Referenzstrahles, ist, wobei dieses

stehen, wobei die optischen Fasern verschiedene Mehrfach-Hologramm bei Bestrahlung mit einem

mechanische Resonanzfrequenzen haben und des- einzigen ausgewählten Lichtintensitätsmuster den

halb je nach Frequenzinhalt der zugeführten Ein- 55 rekonstruierten Bezugsstrahl unter entsprechend indi-

gangssignale in jeweils unterschiedlichen Mustern zu viduell geneigtem Raumwinkel austreten und auf den

Vibrationen angeregt werden, so daß auf die Faser- entsprechend angeordneten Fotodetektor auffallen

eintrittsenden gerichtetes Licht in einem entsprechen- läßt.

den Lichtintensitätsmuster von der Maske durch- Die verschiedenen optischen Fasern der Einrichgelassen wird, und mit einem nachgeschalteten, ein 60 tungen weisen unterschiedliche mechanische Resobestimmtes Muster tragenden Filter verglichen wer- nanzfrequenzen auf. Wenn demnach der elektroden kann, dem seinerseits eine das Ergebnis des Ver- mechanische Wandler durch eine komplexe Fregleichs feststellende Fotodetektoreinrichtung nach- qüenzfigUr erregt wird, vibrieren nur gewisse Fasern geschaltet ist. der Anordnung. Diese zum Vibrieren gebrachten

Indem Aufsatz von R. D. Hawkins, »Vibrating 65 Fasern richten das Licht durch die Maske hindurch

Optic Fibers — A New Technique for Audiofre- auf das optische Filter, während das von den nicht

quency Information Processing and Pattern Recogni- zum Vibrieren gebrachten Fasern übertragene Licht

tion«, der in dem Buch »Optical Processing of In- von der statischen Maske aufgefangen wird.