CN115516372A - 光运算系统 - Google Patents

Abstract

本发明实现一种光运算系统，其能够使用单一的光衍射元件以光学方式且并行地执行针对不同的多个的运算。光运算系统(10A)具备由厚度或折射率相互独立地设定的多个单元(微单元A)构成的光衍射元件(1)。向光衍射元件(1)的各单元(微单元A)输入通过不同的信号(S1、S2、…、Sn)调制的、相位不同的多个信号光。

Description

光运算系统

技术领域

本发明涉及一种使用光衍射元件进行运算的光运算系统。

背景技术

已知一种光衍射元件，其具有分别设定了折射率的多个微单元，并使透过了各微单元的光相互干涉，从而以光学方式执行预先确定的运算。在使用光衍射元件的光学运算中，与使用处理器的电运算相比，具有高速且低耗电的优点。在专利文献1中公开了具有输入层、中间层以及输出层的光神经网络。上述光衍射元件例如能够用作这样的光神经网络的中间层。

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

但是，对于现有的光衍射元件而言，当输入了特定波长的光时，仅能执行特定的光运算。因此，无法实现如下的光运算系统，该光运算系统能够使用单一的光衍射元件以光学方式且并行地执行针对不同的多个信号的运算。

本发明一方式针对上述问题而完成，其目的在于，实现一种光运算系统，能够使用单一的光衍射元件以光学方式且并行地执行针对不同的多个信号的运算。

(二)技术方案

在本发明一方式的光运算系统中，采用如下结构：具备由厚度或折射率相互独立地设定的多个单元构成的光衍射元件，向所述光衍射元件的各单元输入通过不同的信号调制的、相位不同的多个信号光。

(三)有益效果

根据本发明一方式，能够实现一种光运算系统，其能够使用单一的光衍射元件以光学方式且并行地执行针对不同的多个信号的运算。

附图说明

图1是表示在本发明各实施方式中通用的光衍射元件的结构的俯视图。

图2是将图1所示光衍射元件的一部分放大的立体图。

图3是表示本发明第一实施方式的光运算系统的主要部分结构的俯视图。

图4是图3的光运算系统中包含的发光装置的俯视图。

图5是图3的光运算系统中包含的移相装置的俯视图。

图6是图3的光运算系统中包含的强度调制装置的俯视图。

图7是表示本发明第二实施方式的光运算系统的主要部分结构的俯视图。

图8是图7的光运算系统中包含的强度调制装置的俯视图。

具体实施方式

(光衍射元件的结构)

参照图1和图2对在本发明各实施方式中通用的光衍射元件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)放大的立体图。

光衍射元件1是平板状的光衍射元件，由厚度或折射率相互独立地设定的多个微单元A(权利要求书中的“单元”的一例)构成。当信号光射入光衍射元件1时，透过了各微单元A的信号光相互干涉，从而进行预先确定的光运算。从光衍射元件1输出的信号光的强度分布表示该光信号的结果。

在此，“微单元”例如是指单元尺寸小于10μm的单元。另外，“单元尺寸”是指单元的面积的平方根。例如，在微单元的俯视形状为正方形的情况下，单元尺寸是指单元的一边的长度。单元尺寸的下限没有特别限定，例如为1nm。

图1例示的光衍射元件1由呈矩阵状配置的12×12个微单元A构成。各微单元A的俯视形状例如为1μm×1μm的正方形，光衍射元件1的俯视形状例如为12μm×12μm的正方形。

(1)通过针对每个单元独立地设定微单元A的厚度，或者，(2)通过针对每个单元独立地选择微单元A的折射率，从而能够针对每个单元独立地设定透过微单元A的光的相位变化量。在本实施方式中，采用能够通过纳米压印实现的(1)的方法。在这种情况下，如图2所示，各微单元A由四棱柱状的柱构成，该四棱柱状的柱具有各边的长度与单元尺寸相等的正方形的底面。在这种情况下，透过微单元A的光的相位变化量根据该柱的高度来确定。即，透过由高度较高的柱构成的微单元A的光的相位变化量较大，透过由高度较低的柱构成的微单元A的光的相位变化量较小。

此外，各块微单元A的厚度或折射率的设定例如能够使用机器学习来实现。作为在该机器学习中使用的模型，例如能够使用如下的模型，该模型将向光衍射元件1输入的输入光的强度分布作为输入，并将从光衍射元件1输出的输出光的强度分布作为输出，且该模型包含各微单元A的厚度或折射率作为参数。在此，输入光的强度分布例如是指：向光衍射元件1的各微单元A输入的输入光的强度。另外，输出光是指：因透过了光衍射元件1的各微单元A的光相互干涉而产生的光；输出光的强度分布例如是指：向在光衍射元件1的后级配置的光衍射元件的各微单元(或者图像传感器的各单元)输入的输出光的强度。

(第一实施方式)

参照图3至图6对本发明第一实施方式的光运算系统10A进行说明。图3是表示光运算系统10A的结构的俯视图。图4是光运算系统10A中包含的发光装置2的俯视图。图5是光运算系统10A中包含的移相装置4的俯视图。图6是光运算系统10A中包含的强度调制装置5的俯视图。

光运算系统10A除了上述的光衍射元件1以外，还具备发光装置2、受光装置3、移相装置4以及强度调制装置5。

发光装置2是用于生成输送光的装置。如图4所示，发光装置2具有呈矩阵状配置的多个单元B，例如由二维显示器构成。

在从发光装置2输出的输送光的光路上配置有移相装置4。移相装置4是用于对从发光装置2输出的输送光进行移相的装置。如图5所示，移相装置4具有呈矩阵状配置的多个单元C。移相装置4的各单元C与发光装置2的各单元B一一对应，从发光装置2的各单元B输出的输送光向移相装置4的对应的单元C输入。移相装置4的各单元C被分割为n个(n为2以上的自然数)子单元C1、C2、…、Cn。移相装置4的各单元C中包含的各子单元Ci(i＝1、2、…、n)对从与该单元C对应的发光装置2的单元B输出的输送光进行移相。子单元C1、C2、…、Cn的移相量(相位的变化量)δ1、δ2、…、δn满足0≤δ1＜δ2＜…＜δn＜2π。另外，在本实施方式中，子单元数n为3。另外，在本实施方式中，子单元C1的移相量δ1[rad]为0，子单元C2的移相量δ2[rad]为2/3π，子单元C3的移相量δ3[rad]为4/3π。

在从移相装置4输出的输送光的光路上配置有强度调制装置5。强度调制装置5是用于根据n个信号S1、S2、…Sn对从移相装置4输出的输送光进行强度调制来生成信号光的装置。如图6所示，强度调制装置5具有呈矩阵状配置的多个单元D。强度调制装置5的各单元D与移相装置4的各单元C一一对应，从移相装置4的各单元C输出的输送光向强度调制装置5的对应的单元D输入。强度调制装置5的各单元D与移相装置4的各子单元Ci同样地，被分割为n个子单元D1、D2、…、Dn。强度调制装置5的各单元D中包含的各子单元Di根据信号Si对从与该单元D对应的移相装置4的单元C中包含的子单元Ci输出的输送光进行强度调制。

在从强度调制装置5输出的信号光的光路上配置有光衍射元件1。如图1所示，光衍射元件1具有呈矩阵状配置的多个微单元A。光衍射元件1的各微单元A与强度调制装置5的各微单元D一一对应，从强度调制装置5的各微单元D输出的信号光向光衍射元件1的对应的微单元A输入。即，在向光衍射元件1的各微单元A输入的信号光中，输入根据信号S1进行了强度调制的移相量δ1的信号光、根据信号S2进行了强度调制的移相量δ2的信号光、…、以及根据信号Sn进行了强度调制的移相量δn的信号光。如上所述，光衍射元件1通过使透过了各微单元A的信号光相互干涉来进行预先确定的光运算。

在从光衍射元件1输出的信号光的光路上配置有受光装置3。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。透过了光衍射元件1的各微单元A的信号光与透过了光衍射元件1的其它的微单元A的光干涉，并向受光装置3的各单元输入。受光装置3的各单元检测使移相量为δ1的信号光、移相量为δ2的信号光、···、及移相量为δn的信号光叠加而成的光的强度分布。在此，对于叠加而成的光的强度分布而言，其表示如下各结果之和，即：对根据信号S1进行了强度调制的信号光进行预先确定的光运算的结果、对根据信号S2进行了强度调制的信号光进行预先确定的光运算的结果、…、对根据信号Sn进行了强度调制的信号光进行预先确定的光运算的结果之和。此外，也可以是，将受光装置3的各单元分割为子单元，并对每个子单元附加不同的滤波器，从而能够单独地检测移相量为δ1的信号光、移相量为δ2的信号光、···、以及移相量为δn的信号光的强度分布。

如上所述，在光运算系统10A中，向光衍射元件1的各微单元A输入：在强度调制装置5中通过与该微单元A对应的单元D中包含的n个子单元D1、D2、…、Dn分别进行了强度调制的n个信号光。并且，在光运算系统10A中，通过在移相装置4中使各子单元Ci的移相量不同，从而使向光衍射元件的各微单元A输入的n个信号光的相位不同。

由此，根据光运算系统10A，能够使用单一的光衍射元件1以光学方式且并行地执行针对不同的多个信号S1、S2、…、Sn的运算。例如，能够使用单一的光衍射元件1以光学方式且并行地执行针对表示彩色图像的图像信号的各色成分的运算。在这种情况下，可以是，将图像信号的R(红)成分作为信号S1，将图像信号的G(绿)成分作为信号S2，将图像信号的B(蓝)成分作为信号S3，并向强度调制装置5输入。

另外，在本实施方式中，采用了如下结构：在从强度调制装置5输出的信号光的光路上配置单一的光衍射元件1，并使透过了该光衍射元件1的光向受光装置3输入，但是本发明不限于此。例如，也可以采用如下结构：在从强度调制装置5输出的信号光的光路上配置多个光衍射元件1，并使透过了这些光衍射元件1的光向受光装置3输入。由此，可实现能够依次执行多个光运算的光运算系统10A。

(第二实施方式)

参照图7、图8对本发明第二实施方式的光运算系统10B进行说明。图7是表示光运算系统10B的结构的俯视图。图8是光运算系统10B中包含的强度调制装置AM1的俯视图。

光运算系统10B除了上述的光衍射元件1以外，还具备发光装置2、受光装置3、由n个(n为2以上的自然数)强度调制装置AM1～AMn构成的强度调制装置组5’、由n个反射镜Ma1～Man构成的反射镜组Ma、以及由n个反射镜Mb1～Mbn构成的反射镜组Mb。反射镜Ma1～Man-1以及反射镜Mb1～Mbn-1是将入射光的50％反射并使剩余的50％透过的半反射镜。另一方面，反射镜Man和Mbn是将入射光的100％反射的反射镜。以下，设为n＝3，对各装置的结构进行说明。

发光装置2是用于生成输送光的装置。与第一实施方式的光运算系统10A同样地，发光装置2具有呈矩阵状配置的多个单元B，例如由二维显示器构成。

在从发光装置2输出的输送光的光路上配置有反射镜Ma1。反射镜Ma1是半反射镜，使从发光装置2输出的输送光的1/2透过，并将剩余的1/2反射。在被反射镜Ma1反射的输送光的光路上配置有反射镜Ma2。反射镜Ma2是半反射镜，使被反射镜Ma1反射的输送光的1/2透过，并将剩余的1/2反射。在透过了反射镜Ma2的输送光的光路上配置有反射镜Ma3。反射镜Ma3将透过了反射镜Ma2的输送光反射。

在透过了反射镜Ma1的输送光的光路上配置有强度调制装置AM1。强度调制装置AM1是用于根据信号S1对透过了反射镜Ma1的输送光进行强度调制的结构。如图8所示，强度调制装置AM1具有呈矩阵状配置的多个单元D。强度调制装置AM1的各单元D与发光装置2的各单元B一一对应，从发光装置2的各单元B输出的输送光向强度调制装置AM1的对应的单元D输入。强度调制装置AM1的各单元D根据信号S1对从与该单元D对应的发光装置2的单元B输出的输送光进行强度调制。

在从强度调制装置AM1输出的信号光的光路上配置有反射镜Mb1。从强度调制装置AM1输出的信号光的1/2在透过反射镜Mb1之后，向光衍射元件1输入。

在被反射镜Ma2反射的输送光的光路上配置有强度调制装置AM2。强度调制装置AM2是用于根据信号S2对被反射镜Ma2反射的输送光进行强度调制的结构。与强度调制装置AM1同样地，强度调制装置AM2具有呈矩阵状配置的多个单元D。强度调制装置AM2的各单元D与发光装置2的各单元B一一对应，从发光装置2的各单元B输出的输送光向强度调制装置AM2的对应的单元D输入。强度调制装置AM2的各单元D根据信号S2对从与该单元D对应的发光装置2的单元B输出的输送光进行强度调制。

在从强度调制装置AM2输出的信号光的光路上配置有反射镜Mb2。(1)从强度调制装置AM2输出的信号光的1/2被反射镜Mb2反射，(2)被反射镜Mb2反射的信号光的1/2被Mb1反射，并向光衍射元件1输入。

在被反射镜Ma3反射的输送光的光路上配置有强度调制装置AM3。强度调制装置AM3是用于根据信号S3对被反射镜Ma3反射的输送光进行强度调制的结构。与强度调制装置AM1同样地，强度调制装置AM3具有呈矩阵状配置的多个单元D。强度调制装置AM3的各单元D与发光装置2的各单元B一一对应，从发光装置2的各单元B输出的输送光向强度调制装置AM3的对应的单元D输入。强度调制装置AM3的各单元D根据信号S3对从与该单元D对应的发光装置2的单元B输出的输送光进行强度调制。

在从强度调制装置AM3输出的信号光的光路上配置有反射镜Mb3。(1)从强度调制装置AM3输出的信号光被反射镜Mb3反射，(2)被反射镜Mb3反射的信号光的1/2透过反射镜Mb2，(3)透过了反射镜Mb2的信号光的1/2被Mb1反射，并向光衍射元件1输入。

在此，通过强度调制装置AM1进行强度调制的信号光的从发光装置2到光衍射元件1的光路长度L1、通过强度调制装置AM2进行强度调制的信号光的从发光装置2到光衍射元件1的光路长度L2、以及通过强度调制装置AM3进行强度调制的信号光的从发光装置2到光衍射元件1的光路长度L3各不相同。例如，在采用图7所示结构的情况下，这些光路长度L1、L2、L3满足不等式L1＜L2＜L3。因此，通过强度调制装置AM1进行了强度调制并向光衍射元件1输入的信号光的移相量δ1、通过强度调制装置AM2进行了强度调制并向光衍射元件1输入的信号光的移相量δ2、以及通过强度调制装置AM3进行了强度调制并向光衍射元件1输入的信号光的移相量δ3各不相同。例如，在采用图7所示结构的情况下，这些移相量δ1、δ2、δ3满足不等式δ1＜δ2＜δ3。

如图1所示，光衍射元件1具有呈矩阵状配置的多个微单元A。光衍射元件1的各微单元A与强度调制装置AM1、AM2、AM3的各单元D一一对应。从强度调制装置AM1的各单元D输出的信号光向光衍射元件1的对应的微单元A输入，从强度调制装置AM2的各单元D输出的信号光向光衍射元件1的对应的微单元A输入，从强度调制装置AM3的各单元D输出的信号光向光衍射元件1的对应的微单元A输入。因此，在向光衍射元件1的各微单元A输入的信号光中，输入根据信号S1进行了强度调制的移相量δ1的信号光、根据信号S2进行了强度调制的移相量δ2的信号光、以及根据信号S3进行了强度调制的移相量δ3的信号光。如上所述，光衍射元件1通过使透过了各微单元A的信号光相互干涉来进行预先确定的光运算。

在从光衍射元件输出的信号光的光路上配置有受光装置3。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。与第一实施方式的光运算系统10A所具备的受光装置3同样地，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。透过了光衍射元件1的各微单元A的信号光与透过了光衍射元件1的其它的微单元A的光干涉，并向受光装置3的各单元输入。受光装置3的各单元分别检测：移相量为δ1的信号光的强度分布、移相量为δ2的信号光的强度分布、···、以及移相量为δn的信号光的强度分布。在此，移相量为δ1的信号光的强度分布表示：对根据信号S1进行了强度调制的信号光进行预先确定的光运算的结果；移相量为δ2的信号光的强度分布表示：对根据信号S2进行了强度调制的信号光进行预先确定的光运算的结果；…；移相量为δn的信号光的强度分布表示：对根据信号Sn进行了强度调制的信号光进行预先确定的光运算的结果。

如上所述，在光运算系统10B中，向光衍射元件1的各微单元A输入：在n个强度调制装置AM1、AM2、…、AMn各装置中分别通过与该微单元A对应的单元D进行了强度调制的n个信号光。并且，在光运算系统10B中，使通过各强度调制装置AMi进行强度调制的信号光的从发光装置2到光衍射元件1的光路长度Li不同，从而使向光衍射元件的各微单元A输入的n个信号光的相位不同。

由此，根据光运算系统10B，能够使用单一的光衍射元件1以光学方式且并行地执行针对不同的多个信号S1、S2、…、Sn的运算。例如，能够使用单一的光衍射元件1以光学方式且并行地执行针对表示彩色图像的图像信号的各色成分的运算。在这种情况下，可以是，将图像信号的R(红)成分作为信号S1向强度调制装置AM1输入，将图像信号的G(绿)成分作为信号S2向强度调制装置AM2输入，将图像信号的B(蓝)成分作为信号S3向强度调制装置AM3输入。

另外，在本实施方式中，采用了如下结构：在从强度调制装置AM1、AM2、AM3输出的信号光的光路上配置单一的光衍射元件1，并使透过了该光衍射元件1的光向受光装置3输入，但是本发明不限于此。例如，也可以采用如下结构：在从强度调制装置AM1、AM2、AM3输出的信号光的光路上配置多个光衍射元件1，并使透过了这些光衍射元件1的光向受光装置3输入。由此，可实现能够依次执行多个光运算的光运算系统10B。

(总结)

在本发明的方式1的光运算系统中，采用了如下结构：具备由厚度或折射率相互独立地设定的多个单元构成的光衍射元件，向所述光衍射元件的各单元输入通过不同的信号调制的、相位不同的多个信号光。

根据上述结构，能够使用单一的光衍射元件以光学方式且并行地执行针对不同的多个信号的运算。

在本发明的方式2的光运算系统中，采用了如下结构：在方式1结构的基础上，还具备：由多个单元构成的移相装置、和由多个单元构成的强度调制装置，在所述移相装置中，各单元C被分割为n个(n为2以上的自然数)子单元C1、C2、…、Cn，各子单元Ci(i＝1、2、…、n)对输送光进行移相；在所述强度调制装置中，各单元D被分割为n个子单元D1、D2、…、Dn，各子单元Di根据信号Si对在所述移相装置中从与该单元D对应的单元C中包含的子单元Ci输出的输送光进行强度调制，向所述光衍射元件的各单元(微单元A)输入在所述强度调制装置中通过与该单元(微单元A)对应的单元D中包含的n个子单元D1、D2、…、Dn分别进行了强度调制的n个信号光，通过在所述移相装置中使各子单元Ci的移相量不同，从而使向所述光衍射元件的各单元(微单元A)输入的n个信号光的相位不同。

根据上述结构，能够将通过信号S1、S2、…、Sn分别调制的、相位不同的n个信号光向光衍射元件的各单元输入。由此，能够使用单一的光衍射元件以光学方式且并行地实现针对信号S1、S2、…、Sn的运算。

在本发明的方式3的光运算系统中，采用了如下结构：在方式1结构的基础上，还具备强度调制器组，该强度调制器组是由n个(n为2以上的自然数)强度调制装置AM1、AM2、…、AMn构成的强度调制装置组，各强度调制装置AMi(i＝1、2、…、n)由多个单元构成，各强度调制装置AMi的各单元D根据信号Si对输送光进行强度调制，向所述光衍射元件的各单元(微单元A)输入在多个强度调制装置AM1、AM2、…、AMn各装置中分别通过与该单元(微单元A)对应的单元D进行了强度调制的n个信号光，使通过各强度调制装置AMi进行强度调制的信号光的到所述光衍射元件为止的光路长度不同，从而使向所述光衍射元件的各单元(微单元A)输入的n个信号光的相位不同。

根据上述结构，能够将通过信号S1、S2、…、Sn分别调制的、相位不同的n个信号光向光衍射元件的各单元输入。由此，能够使用单一的光衍射元件以光学方式且并行地实现针对信号S1、S2、…、Sn的运算。

在本发明的方式4的光运算系统中，采用了如下结构：在方式1～3中任一的结构基础上，所述光衍射元件的各单元由高度相互独立地设定的柱构成。

根据上述结构，能够使用纳米压印技术等容易地制造光衍射元件。

(附记事项)

本发明不限于上述实施方式，能够在权利要求示出的范围内进行各种变更，将在上述实施方式中分别公开的技术手段适当组合而得到的实施方式也包含于本发明的技术范围。

附图标记说明

1-光衍射元件；2-发光装置；3-受光装置；4-移相装置；5-强度调制装置；5’-强度调制装置组；AM1、AM2、AM3-强度调制装置；10A、10B-光运算系统。

Claims (4)

1.一种光运算系统，其特征在于，

具备由厚度或折射率相互独立地设定的多个单元构成的光衍射元件，

向所述光衍射元件的各单元输入通过不同的信号调制的、相位不同的多个信号光。

2.根据权利要求1所述的光运算系统，其特征在于，

还具备：由多个单元构成的移相装置、和由多个单元构成的强度调制装置，

在所述移相装置中，各单元C被分割为n个(n为2以上的自然数)子单元C1、C2、…、Cn，各子单元Ci(i＝1、2、…、n)对输送光进行移相；

在所述强度调制装置中，各单元D被分割为n个子单元D1、D2、…、Dn，各子单元Di根据信号Si对在所述移相装置中从与该单元D对应的单元C所包含的子单元Ci输出的输送光进行强度调制，

向所述光衍射元件的各单元A输入在所述强度调制装置中由与该单元A对应的单元D所包含的n个子单元D1、D2、…、Dn分别进行了强度调制的n个信号光，

通过在所述移相装置中使各子单元Ci的移相量不同，从而使向所述光衍射元件的各单元A输入的n个信号光的相位不同。

3.根据权利要求1所述的光运算系统，其特征在于，

还具备强度调制器组，该强度调制器组是由n个(n为2以上的自然数)强度调制装置AM1、AM2、…、AMn构成的强度调制装置组，各强度调制装置AMi(i＝1、2、…、n)由多个单元构成，各强度调制装置AMi的各单元D根据信号Si对输送光进行强度调制，

向所述光衍射元件的各单元A输入在多个强度调制装置AM1、AM2、…、AMn各装置中由与该单元A对应的单元D进行了强度调制的n个信号光，

通过使由各强度调制装置AMi进行强度调制的信号光的到所述光衍射元件为止的光路长度不同，从而使向所述光衍射元件的各单元A输入的n个信号光的相位不同。

4.根据权利要求1至3任一项所述的光运算系统，其特征在于，

所述光衍射元件的各单元由高度相互独立地设定的柱构成。

Images