CN114502992A - 光衍射元件、以及光运算系统 - Google Patents

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Abstract

本发明实现一种光衍射元件，其除了表示运算后的信息的信号光之外，还能够输出表示运算前的信息的信号光。光衍射元件(1)由多个单元构成。在光衍射元件(1)的各单元中，透过第一偏振光成分(X偏振光成分)的第一区域(C1)的厚度或折射率相互独立地设定，透过偏振方向与所述第一偏振光成分不同的第二偏振光成分(Y偏振光成分)的第二区域(C2)的厚度或折射率相同。

Description

光衍射元件、以及光运算系统
技术领域
本发明涉及一种进行光运算的光衍射元件。另外，涉及一种具备这种光衍射元件的光运算系统。
背景技术
已知一种光衍射元件，其设计为，具有折射率分别独立设定的多个微单元，使透过各微单元的光相互干涉，从而以光学方式执行预定的运算。关于使用光衍射元件进行的光学方式的运算，与使用处理器进行的电运算相比而言，速度快且消耗功率低。在专利文献1中公开了一种具有输入层、中间层、以及输出层的光神经网络。上述的光衍射元件例如能够作为这种光神经网络的中间层使用。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：美国专利第7847225号说明书
发明内容
(一)要解决的技术问题
有时，在运算中需要参照运算前的信息及运算后的信息双方。例如，缺陷提取运算是这种运算的一例，所述缺陷提取运算从图像中提取被摄体的缺陷，通过将运算后的图像与运算前的图像进行合成，从而能够获得使检查者容易目视确认被摄体在什么部位有什么缺陷的图像。但是，现有的光衍射元件的输出光仅包含运算后的信号光，不包含运算前的信号光。因此，现有的光衍射元件不适于需要参照运算前的信息及运算后的信息双方的运算。
本发明一方式针对上述问题而完成，其目的在于，实现一种光衍射元件，其除了表示运算后的信息的信号光之外，还能够输出表示运算前的信息的信号光。
(二)技术方案
本发明一方式的光衍射元件是由多个单元构成的光衍射元件。在本发明方式1的光衍射元件中，在各单元中透过第一偏振光成分的第一区域的厚度或折射率相互独立地设定，在各单元中透过偏振方向与所述第一偏振光成分不同的第二偏振光成分的第二区域的厚度或折射率相同。
本发明一方式的光运算系统具备：上述的光衍射元件；发光装置，其输出向所述光衍射元件输入的信号光；以及受光装置，其以不进行区别的方式检测从所述光衍射元件输出的信号光的第一偏振光成分及第二偏振光成分。
本发明一方式的光运算系统具备：上述的光衍射元件；发光装置，其输出向所述光衍射元件输入的信号光；第一受光装置，其检测从所述光衍射元件输出的信号光的第一偏振光成分；以及第二受光装置，其检测从所述光衍射元件输出的信号光的第二偏振光成分。
(三)有益效果
根据本发明一方式，能够实现一种光衍射元件，其除了表示运算后的信息的信号光之外，还能够输出表示运算前的信息的信号光。另外，根据本发明一方式，能够实现一种具备这样的光衍射元件的光运算系统。
附图说明
图1是表示本发明一实施方式的光衍射元件的结构的俯视图。
图2是将图1所示的光衍射元件的一部分放大后的立体图。
图3是表示具备图1所示的光衍射元件的第一光运算系统的主要部位结构的立体图。
图4是表示具备图1所示的光衍射元件的第二光运算系统的主要部位结构的立体图。
具体实施方式
(光衍射元件的结构)
参照图1及图2对本发明一实施方式的光衍射元件1的结构进行说明。图1是光衍射元件1的俯视图。图2是将光衍射元件1的一部分(在图1中用虚线包围的部分)放大后的立体图。
光衍射元件1是平板状的光衍射元件，由多个微单元(权利要求书中的“单元”的一例)构成。在此，“微单元”例如是指单元尺寸不足10μm的单元。另外，“单元尺寸”是指单元面积的平方根。例如，在微单元的俯视图形状是正方形的情况下，所谓的单元尺寸是单元的一边的长度。单元尺寸的下限没有特别限定，例如是1nm。
图1所例示的光衍射元件1由呈矩阵状配置的12×12个微单元构成。各微单元的俯视图形状是1μm×1μm的正方形，光衍射元件1的俯视图形状是12μm×12μm的正方形。
在各微单元中包含：第一区域C1，其选择性地透过包含于信号光的第一偏振光成分；以及第二区域C2，其选择性地透过包含于信号光的第二偏振光成分。在各微单元中，第一区域C1的厚度或折射率相互独立地设定。由此，透过各微单元时的第一偏振光成分的相位变化量相互独立地设定。另一方面，在各微单元中，第二区域C2的厚度或折射率设定为相同。由此，透过各微单元的第二偏振光成分的相位转换量设定为相同。因此，光衍射元件1选择性地作用于信号光的第一偏振光成分。即，光衍射元件1通过仅使透过了各微单元的信号光的第一偏振光成分相互干涉，从而执行预定的光运算。因此，从光衍射元件1输出的光信号的第一偏振光成分为表示运算后的信息的光信号，从光衍射元件1输出的信号光的第二偏振光成分为表示运算前的信息的光信号。在此，关于“选择性地透过第一偏振光成分”、以及“选择性地作用于第一偏振光成分”，换言之，就是“第一偏振光成分的透过率比第二偏振光成分的透过率高”。另外，“选择性地透过第二偏振光成分”，换言之，就是“第二偏振光成分的透过率比第一偏振光成分的透过率高”。
此外，第一偏振光成分(光衍射元件1作用的偏振光成分)和第二偏振光成分(光衍射元件1不起作用的偏振光成分)只要是相互偏振方向不同的偏振光成分即可。例如，能够将X偏振光(偏振面与ZX平面平行的直线偏振光)作为第一偏振光成分，将Y偏振光(偏振面与YZ面平行的直线偏振光)作为第二偏振光成分。或者，能够将右圆偏振光作为第一偏振光成分，将左光圆偏振光作为第二偏振光成分。在本实施方式中，作为光衍射元件1，使用前者方式的光衍射元件，即，对X偏振光选择性地作用的光衍射元件1。换言之就是，使用X偏振光的透过率比Y偏振光的透过率高的光衍射元件1。
例如图2所示，对X偏振光选择性地作用的光衍射元件1的各微单元的第一区域C1及第二区域C2能够由在射出面设置有偏振光滤波器的柱实现。设置于构成第一区域C1的柱的射出面的偏振光滤波器是选择性地透过X偏振光(即，X偏振光的透过率比Y偏振光的透过率高)的偏振光滤波器。设置于构成第二区域C2的柱的射出面的偏振光滤波器是选择性地透过Y偏振光(即，Y偏振光的透过率比X偏振光的透过率高)的偏振光滤波器。由此，能够使各微单元的相对于Y偏振光的相位变化量恒定，并且能够将各微单元的相对于X偏振光的相位变化量设定成与柱的高度对应的值。即，能够实现对X偏振光选择性地作用的光衍射元件1。此外，作为上述的偏振光滤波器，例如能够使用金属面。另外，偏振光滤波器可以取代设置于各柱的射出面而设置于各柱的入射面，也可以设置于各柱的入射面及射出面双方。
此外，各微单元的第一区域C1的厚度或折射率的设定能够使用例如机械学习来实现。作为在该机械学习中使用的模型，例如，能够使用将向光衍射元件1输入的信号光的强度分布作为输入，将从光衍射元件1输出的信号光的第一偏振光成分的强度分布作为输出的模型，该模型作为参数而包含各微单元的第一区域C1的厚度或折射率。
(第一光运算系统)
如果使用光衍射元件1，则能够以光学方式实现导出运算前的信号与运算后的信号的和信号的运算。图3是表示要进行这样的光运算的光运算系统10A的主要部位结构的立体图。
光运算系统10A除了光衍射元件1之外，具备发光装置2、受光装置3。
发光装置2是用于生成向光衍射元件1输入的信号光的装置。发光装置2具有呈矩阵状配置的多个单元，例如由二维显示器构成。发光装置2的单元与光衍射元件1的微单元一一对应。从发光装置2的各单元输出的光包含第一偏振光成分和第二偏振光成分，并向光衍射元件1的对应的微单元输入。在本实施方式中，信号光的行进方向是Z轴正方向，第一偏振光成分是X偏振光成分，第二偏振光成分是Y偏振光成分。
受光装置3是用于检测从光衍射元件1输出的信号光的装置。受光装置3具有呈矩阵状配置的多个单元，例如由二维图像传感器构成。受光装置3的单元与光衍射元件1的微单元一一对应。透过了光衍射元件1的各微单元的信号光的X偏振光成分与透过了光衍射元件1的其它微单元的信号光的X偏振光成分干涉，并向受光装置3的各单元输入。另一方面，透过了光衍射元件1的各微单元的信号光的Y偏振光成分不与透过了光衍射元件1的其它微单元的信号光的Y偏振光成分干涉，并向与该微单元对应的受光装置3的单元输入。受光装置3的各单元以不对X偏振光成分和Y偏振光成分进行区别的方式检测从光衍射元件1输出的信号光。因而，在受光装置3中检测的信号光表示运算前的信号与运算后的信号的和信号。
如上所述，根据光运算系统10A，能够使用光衍射元件1实现导出运算前的信号与运算后的信号的和信号的光运算。作为一例，光运算系统10A能够适当地用于缺陷提取运算，该缺陷提取运算从图像中提取被摄体的缺陷。在这种情况下，当在作为显示器的发光装置2中显示原图像时，能够利用图像传感器即受光装置3检测在原图像上重叠了仅将从原图像中提取的缺陷作为被摄体包含的缺陷图像的合成图像。
此外，在本实施方式中，采用的结构为：在从发光装置2输出的光的光路上配置单一的光衍射元件1，并且向受光装置3输入透过了该光衍射元件1的光，但本发明不限于此。例如，也可以采用的结构为：在从发光装置2输出的光的光路上配置多个光衍射元件，并向受光装置3输入透过了这些光衍射元件的光。由此，能够实现可以依次执行多个光运算的光运算系统10A。在这种情况下，只要在这么多个光衍射元件中包含至少一张对X偏振光选择性地作用的光衍射元件1即可。
(第二光运算系统)
如果使用光衍射元件1，则能够以光学方式实现分别导出运算前的信号和运算后的信号的运算。图4是表示要进行这样的光运算的光运算系统10B的主要部位结构的立体图。
光运算系统10B除了光衍射元件1之外，具备：发光装置2、受光装置3a、3b、偏振光分束器4以及反射镜5。
发光装置2是与光运算系统10A所具备的发光装置2同样的装置。发光装置2具有呈矩阵状配置的多个单元，例如由二维显示器构成。发光装置2的单元与光衍射元件1的微单元一一对应。从发光装置2的各单元输出的光包含第一偏振光成分和第二偏振光成分，并向光衍射元件1的对应的微单元输入。在本实施方式中，信号光的行进方向是Z轴正方向，第一偏振光成分是X偏振光成分，第二偏振光成分是Y偏振光成分。
偏振光分束器4是透过从光衍射元件1输出的信号光的X偏振光成分并且反射从光衍射元件1输出的信号光的Y偏振光成分的光学元件。透过了偏振光分束器4的信号光的X偏振光成分向受光装置3a输入。在偏振光分束器4中反射的信号光的Y偏振光成分在反射镜5中进一步反射后，向受光装置3b输入。
受光装置3a是用于检测透过了偏振光分束器4的信号光的X偏振光成分的装置。受光装置3a具有呈矩阵状配置的多个单元，例如由二维图像传感器构成。受光装置3a的单元与光衍射元件1的微单元一一对应。透过了光衍射元件1的各微单元的信号光的X偏振光成分与透过了光衍射元件1的其它微单元的信号光的X偏振光成分干涉，并向受光装置3的各单元输入。在受光装置3a中检测的信号光表示运算后的信号。
受光装置3b是用于检测在偏振光分束器4中反射的信号光的Y偏振光成分的装置。受光装置3b具有呈矩阵状配置的多个单元，例如由二维图像传感器构成。受光装置3a的单元与光衍射元件1的微单元一一对应。透过了光衍射元件1的各微单元的信号光的Y偏振光成分不与透过了光衍射元件1的其它微单元的信号光的Y偏振光成分干涉，并向与该微单元对应的受光装置3的单元输入。在受光装置3b中检测的信号光表示运算前的信号。
如上所述，根据光运算系统10B，能够使用光衍射元件1实现分别导出运算前的信号和运算后的信号的光运算。作为一例，光运算系统10B能够适当地用于缺陷提取运算，该缺陷提取运算从图像中提取被摄体的缺陷。在这种情况下，当在显示器即发光装置2上显示原图像时，能够利用图像传感器即受光装置3a检测缺陷图像，该缺陷图像仅包含从原图像中提取的缺陷，将该缺陷作为被摄体；并且能够利用图像传感器即受光装置3b检测原图像。
此外，在本实施方式中，采用的结构为：在从发光装置2输出的光的光路上配置单一的光衍射元件1，并且向偏振光分束器4输入透过了该光衍射元件1的光，但本发明不限于此。例如，也可以采用的结构为：在从发光装置2输出的光的光路上配置多个光衍射元件，并向偏振光分束器4输入透过了这些光衍射元件的光。由此，能够实现可以依次执行多个光运算的光运算系统10B。在这种情况下，只要在这么多个光衍射元件中包含至少一张对X偏振光选择性地作用的光衍射元件1即可。
(总结)
本发明方式1的光衍射元件是由多个单元构成的光衍射元件。在本发明方式1的光衍射元件中，在各单元中透过第一偏振光成分的第一区域的厚度或折射率相互独立地设定，在各单元中透过偏振方向与所述第一偏振光成分不同的第二偏振光成分的第二区域的厚度或折射率相同。
根据上述的结构，能够实现一种光衍射元件，其能够作为第一偏振光成分输出表示运算后的信息的信号光，并且能够作为第二偏振光成分输出运算前的信息。
在本发明方式2的光衍射元件中，采用的结构为：在方式1的结构的基础上，通过使透过了各单元的第一区域的信号光的所述第一偏振光成分相互干涉，从而进行预定的运算，从该光衍射元件输出的信号光的所述第一偏振光成分表示所述运算后的信息，从该光衍射元件输出的信号光的所述第二偏振光成分表示所述光运算前的信息。
根据上述的结构，能够实现一种光衍射元件，其能够作为第一偏振光成分输出表示运算后的信息的信号光，并且能够作为第二偏振光成分输出运算前的信息。
在本发明方式3的光衍射元件中，采用的结构为：在方式1或2的结构的基础上，各单元的第一区域由高度相互独立地设定的柱构成，在所述柱的射出面或者入射面设置有选择性地透过所述第一偏振光成分的偏振光滤波器。
根据上述的结构，能够容易地制造一种光衍射元件，其能够作为第一偏振光成分输出表示运算后的信息的信号光，并且能够作为第二偏振光成分输出运算前的信息。
本发明方式4的光运算系统具备：方式1～3任一的光衍射元件；发光装置，其输出向所述光衍射元件输入的信号光；以及受光装置，其以不进行区别的方式检测从所述光衍射元件输出的信号光的第一偏振光成分及第二偏振光成分。
根据上述的结构，能够以光学方式实现导出运算前的信号与运算后的信号的和信号的运算。作为一例，能够以光学方式实现导出运算前的图像与运算后的图像的合成图像的运算。
本发明方式5的光运算系统具备：方式1～3任一的光衍射元件；发光装置，其输出向所述光衍射元件输入的信号光；第一受光装置，其检测从所述光衍射元件输出的信号光的第一偏振光成分；以及第二受光装置，其检测从所述光衍射元件输出的信号光的第二偏振光成分。
根据上述的结构，能够以光学方式实现分别导出运算前的信号和运算后的信号的运算。作为一例，能够以光学方式实现分别导出运算前的图像和运算后的图像的运算。
(附录事项)
本发明不限于上述的实施方式，可以在权利要求所示的范围内进行各种变更，关于对在上述的实施方式中分别公开的技术方案进行适当组合而得到的实施方式，也包含于本发明的技术范围内。
此外，本说明书中的“光衍射元件”是将表示一信息(例如一图像)的光信号转换为表示另一信息(例如另一图像)的光信号的元件。因此，与将表示一图像的电信号转换为表示另一图像的电信号的元件被称为滤波器的情况是相同的含义，本说明书的“光衍射元件”可以被改称为“光滤波器”。另外，本说明书的“光运算系统”是使用光衍射元件、即光滤波器执行光运算的系统。
附图标记说明
1-光衍射元件；10A、10B-光运算系统；2-发光装置；3-受光装置；4-偏振光分束器；5-反射镜。

Claims (5)

1.一种光衍射元件，其由多个单元构成，其特征在于，
在各单元中透过第一偏振光成分的第一区域的厚度或折射率相互独立地设定，
在各单元中透过偏振方向与所述第一偏振光成分不同的第二偏振光成分的第二区域的厚度或折射率相同。
2.根据权利要求1所述的光衍射元件，其特征在于，
通过使透过了各单元的第一区域的信号光的所述第一偏振光成分相互干涉，从而进行预定的运算，
从该光衍射元件输出的信号光的所述第一偏振光成分表示所述运算后的信息，从该光衍射元件输出的信号光的所述第二偏振光成分表示所述运算前的信息。
3.根据权利要求1或2所述的光衍射元件，其特征在于，
各单元的第一区域由高度相互独立地设定的柱构成，在所述柱的射出面或者入射面设置有选择性地透过所述第一偏振光成分的偏振光滤波器。
4.一种光运算系统，其特征在于，
具备：
权利要求1～3中任一项所述的光衍射元件；
发光装置，其输出向所述光衍射元件输入的信号光；以及
受光装置，其以不进行区别的方式检测从所述光衍射元件输出的信号光的第一偏振光成分及第二偏振光成分。
5.一种光运算系统，其特征在于，
具备：
权利要求1～3中任一项所述的光衍射元件；
发光装置，其输出向所述光衍射元件输入的信号光；以及
第一受光装置，其检测从所述光衍射元件输出的信号光的第一偏振光成分；以及
第二受光装置，其检测从所述光衍射元件输出的信号光的第二偏振光成分。
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