CN115605823A - 光运算装置 - Google Patents

Abstract

为了实现一种对强度分布随时间变化的光信号进行处理的光运算装置，光运算装置(1)具备：具有多个微单元的一个或多个光衍射元件(10a～10e)；以及光信号输入部(20)，该光信号输入部(20)将光信号(S1)和使该光信号延迟而得到的光信号即延迟光信号(光信号S2)同时向多个光衍射元件输入。

Description

光运算装置

技术领域

本发明涉及一种以光学方式执行预先确定的运算的光运算装置。

背景技术

已知一种光衍射元件，其在基板的一个主面上形成有如下的光衍射结构，该光衍射结构具有厚度或折射率独立地设定的多个微单元，并通过使透过了各微单元的光相互干涉而以光学方式执行预先确定的运算。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。

在这样的光衍射元件中，对设置有多个微单元的有效区域照射光的强度分布表示信号的光信号。光衍射元件通过如上述那样使透过了各微单元的光相互干涉，从而将光信号的强度分布转换为不同的强度分布。这样，在光衍射元件中，以强度分布的转换这样的形式执行预先确定的光学运算(光运算)。

使用了多个光衍射元件的光运算装置具有与使用处理器的电运算装置相比而言高速且低耗电的优点。专利文献1公开了具有输入层、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，如专利文献1的图1所示，现有的光运算装置设定为使用强度分布不随时间变动的图像(即静止图像)作为光信号。

静止图像是截取了一时刻的被摄体的状态的图像。因此，单一的静止图像不包含与该被摄体的随着时间经过而发生的变化(例如，位置的变化、状态的变化等)有关的信息。因此，现有的光运算装置无法处理光信号所表示的信息的随着时间经过而发生的变化。

本发明一方式针对上述问题完成，其目的在于，实现一种光运算装置，其对强度分布随时间变化的光信号进行处理。

(二)技术方案

为了解决上述问题，本发明一方式的光运算装置具备：具有厚度或折射率独立地设定的多个微单元的一个或多个光衍射元件；以及光信号输入部，该光信号输入部将光信号和使该光信号延迟而得到的光信号即延迟光信号至少在一时刻同时向所述一个或多个光衍射元件输入。

另外，为了解决上述问题，本发明一方式的光运算方法包含：延迟步骤，通过使光信号的一部分延迟而生成延迟光信号；以及输入工序，使所述光信号和所述延迟光信号至少在一时刻同时向具有厚度或折射率独立地设定的多个微单元的一个或多个光衍射元件输入。

(三)有益效果

根据本发明的一方式，能够实现一种光运算装置，其对强度分布随时间变化的光信号进行处理。

附图说明

图1的(a)是本发明第一实施方式的光运算装置的示意图。图1的(b)是在图1的(a)所示的光运算装置中实施的光运算方法的流程图。

图2是图1所示的光运算装置所具备的光衍射元件的立体图。

图3是图1所示的光运算装置的变形例的示意图。

图4是图1所示的光运算装置的变形例的示意图。

图5是本发明第二实施方式的光运算装置的立体图。

具体实施方式

(第一实施方式)

参照图1和图2对本发明第一实施方式的光运算装置1进行说明。图1的(a)是光运算装置1的示意图。在图1的(a)中，以如下方式设定了正交坐标系，即：使配置有光信号输入部20的各构成要素的底架的表面与zx平面平行，并使y轴方向与铅垂方向平行。另外，将传输光信号S的方向设定为z轴正方向，将铅垂方向下方设定为y轴正方向，并以与该y轴正方向和z轴正方向一起构成了右手系的正交坐标系的方式来确定x轴正方向。图1的(b)是在光运算装置1中实施的光运算方法M10的流程图。光运算方法M10也是本发明的一个实施方式。图2是光运算装置1所具备的光衍射元件11a的立体图。

如图1所示，光运算装置1具有5个光衍射元件10a、10b、10c、10d、10e、光信号输入部20和透镜组30。

<透镜组>

透镜组30包括多个透镜(图1中未示出)。各透镜以各自的透过光的区域即有效区域重叠的方式沿着光轴配置。透镜组30优选构成为能够在规定的范围内调整焦距。

透镜组30以使得相对于光信号输入部20的相对位置不移动的方式相对于光信号输入部20固定。

透镜组30对向起始级的透镜入射的光束的行进方向进行调整，并使该光束在后述的光衍射元件10a的入射面成像。从透镜组30的最后级向光信号输入部20输入的光束在透镜组30的照射面上具有随时间变化的强度分布。以下，将向光信号输入部20输入的光束称为光信号S。这样，当在规定的位置(例如透镜组30的射出面)对光信号S的强度分布进行定点观测时，该强度分布随时间变化。

透镜组30优选在上述的多个透镜的后级具备使规定的波段的光透过的带通滤波器。在本实施方式中，对于该带通滤波器而言，通频波段的中心波长为800nm，通频波段的宽度为10nm。此外，带通滤波器的通频波段的中心波长和宽度可以根据光运算装置1的用途等适当地确定。例如，带通滤波器的中心频率可以在360nm以上1000μm以下的波段内适当地确定。该频带由可见光频带(360nm以上且小于830nm)、近红外频带(830nm以上且小于2μm)、中红外频带(2μm以上且小于4μm)以及远红外频带(4μm以上且1000μm以下)构成。

另外，该带通滤波器可以代替透镜组30而设置于光信号输入部20的内部。

<光信号输入部>

光信号输入部20构成为将强度分布随时间变化的光信号S的不同时刻的强度分布同时向光衍射元件10a、10b输入。换言之，即：光信号输入部20构成为将作为基准的光信号(在本实施方式中，是从光路OP1输出的光信号S1)和使该光信号延迟而得到的光信号(在本实施方式中，是从光路OP2输出的光信号S2)始终同时向光衍射元件10a、10b输入。如图2所示，光信号输入部20具备：半反射镜21、延迟量可变部22、反射镜23、以及底架。另外，如图1的(b)所示，光运算方法M10包含：延迟工序S11和输入工序S12。在延迟工序S11中，使通过使光信号S1的一部分分支而得到的光信号S2延迟，从而生成作为延迟光信号的光信号S2。延迟工序S11在后述的延迟量可变部22中实施。另外，在输入工序S12中，将光信号S1和光信号S2始终同时向光衍射元件10a、10b输入。输入工序S12利用后述的半反射镜21和反射镜23来实施。

图1中未示出的底架是板状部件，其配置有：光信号输入部20、半反射镜21、延迟量可变部22、以及反射镜23。底架的主面与zx平面平行。

从透镜组30射出的光信号S在光信号输入部20的内部与z轴正方向平行地进行传播。在图1中，将光信号S中的主光线的路径设定为光路OPI。

在光路OPI上设置有半反射镜21。对于半反射镜21而言，当光以相对于镜面的法线方向成45°的入射角入射时，该半反射镜21对一半的光进行正反射并使剩余的一半的光透过。半反射镜21以如下方式固定于底架的主面，即：该半反射镜21的镜面与y轴方向平行，并且镜面的法线与光路OPI所成的角为45°。因此，光信号S以相对于半反射镜21的镜面成45°的入射角入射。

(第一光路)

对于光信号S的一半即光信号S1而言，该光信号S1在镜面上不进行正反射，仍然与z轴正方向平行地传播，并向光衍射元件10a输入。将光信号S1中的主光线的路径设定为光路OP1。光路OP1是第一光路的一例。

(第二光路)

光信号S的剩余的一半即光信号S2在镜面上进行正反射，并向与光路OPI的方向正交的x轴正方向传播。将光信号S2中的主光线的路径设定为光路OP2。光路OP2是第二光路的一例。

在光路OP2上依次设置有：延迟量可变部22和反射镜23。

延迟量可变部22具备：能够使台221的位置沿着一个轴方向移动的光学台、以及两个反射镜222、223。

光学台以使得台221能够与x轴方向平行地移动的方式固定于底架的主面。在图1中用箭头A表示台221能够移动的方向。

在台221的主面依次设置有反射镜222、223。反射镜222、223对向镜面入射的光进行正反射。

反射镜222以如下方式固定于台221的主面，即：该反射镜222的镜面与y轴方向平行，并且镜面的法线与光路OP2所成的角为45°。因此，光信号S2以相对于半反射镜21的镜面成45°的入射角入射，并在镜面上向z轴负方向正反射。另外，反射镜223以如下方式固定于台221的主面，即：该反射镜223的镜面与y轴方向平行，并且镜面的法线与光路OP2所成的角为45°。因此，利用反射镜222进行了正反射的光信号S2以相对于反射镜223的镜面成45°的入射角入射，并在镜面上向x轴负方向正反射。

反射镜23以如下方式固定于底架的主面，即：该反射镜23的镜面与y轴方向平行，并且镜面的法线与光路OP2所成的角为45°。因此，利用反射镜223进行了正反射的光信号S2以相对于反射镜23的镜面成45°的入射角入射，并在镜面上向z轴正方向正反射。

利用反射镜23进行了正反射的光信号S2与z轴正方向平行地传播，并向光衍射元件10b输入。

(光路长度之差)

如上所述，半反射镜21将传输光信号S的光路OPI分支为光路OP1和光路OP2。光路OP2在实际空间中的长度即实际空间长度比光路OP1的实际空间长度长相当于差ΔL的量。在此，如图1所示，差ΔL通过ΔL＝L1+2L2+2L3求出。

光路的光路长度能够通过实际空间中的差ΔL与充满光路的介质的折射率之积求出。在本实施方式中，光路OP1和光路OP2均充满空气。因此，能够将充满光路的介质的折射率大致视为1，因此光路OP1及光路OP2的光路长度之差与差ΔL大致相等。

这样，在光信号输入部20中，光路OP2的光路长度比光路OP1的光路长度长。因此，光信号输入部20能够将光信号S的具有不同时刻的强度分布的光信号S1、S2同时向光衍射元件10a、10b输入。光信号S1是相对于后述的光信号S2而言作为基准的光信号，光信号S2是使光信号S1延迟而得到的延迟光信号。

(迟延量可变部)

如上所述，延迟量可变部22能够使台221的位置沿着x轴方向移动。当使台221向x轴负方向侧移动时(向半反射镜21和反射镜23接近时)，差ΔL变小。另一方面，当使台221向x轴正方向侧移动时(从半反射镜21和反射镜23远离时)，差ΔL变大。因此，延迟量可变部22能够通过对台221的位置进行调整，从而使向光衍射元件10a、10b输入的各光信号S1、S2的时刻之差即延迟量变化。

另外，可以在光路OP2上设置有高折射率部件，该高折射率部件由折射率高于空气的折射率的材料构成。作为高折射率部件的一例，可举出具有透光性的树脂制的板状部件24，该板状部件24设置在半反射镜21与延迟量可变部22之间、以及延迟量可变部22与反射镜23之间。在图1中用假想线(双点划线)来表示板状部件24。此外，板状部件24也可以设置于半反射镜21与延迟量可变部22之间、以及延迟量可变部22与反射镜23之间的任意一方。另外，板状部件24也可以设置在反射镜222与反射镜223之间。另外，高折射率部件的形状不限于板状部件，可以适当地确定，例如也可以是块状。

板状部件24的厚度(沿着x轴方向的长度)越厚，或者，构成板状部件24的树脂的折射率越大，就越能够扩大光路OP1和光路OP2的光路长度之差。因此，板状部件24也作为如下的延迟量可变部发挥功能，所述延迟量可变部使向光衍射元件10a、10b输入的各光信号S1、S2的时刻之差即延迟量变化。

(将各光信号向光衍射元件输入的时刻)

在如图1的(a)那样构成的光运算装置1中，光信号输入部20构成为始终将光信号S1和光信号S2同时向光衍射元件10a、10b输入。但是，在本发明一方式中，光信号输入部20也可以构成为将光信号S1和光信号S2至少在一时刻同时向光衍射元件10a、10b输入。换言之，光信号输入部20也可以构成为，对于光信号S1和光信号S2而言，至少在一时刻以外的时刻，将光信号S1和光信号S2的任意一方向光衍射元件10a或光衍射元件10b输入。

另外，作为在任意的时刻将各光信号S1、S2向各光衍射元件10a、10b输入或者遮断的机构而言，可以采用在各光路OP1、OP2的光路上设置的遮光器。

另外，也可以构成为将光信号S1和光信号S2至少在一时刻同时向光衍射元件10a、10b输入，这一点对于图1的(b)所示的光运算方法M10而言也是同样的。

<光衍射元件>

如图1所示，在光信号输入部20的后级设置有光衍射元件10a、10b、10c、10d、10e。下面以光衍射元件10a为例，对光衍射元件的结构进行说明。光衍射元件10b、10c、10d构成为与光衍射元件10a相同。另外，光衍射元件10e虽然与光衍射元件10a同样地构成，但是中央部分113的形状和大小有所不同。在光衍射元件10a中，中央部分113是一边的长度L(参照图2)为200μm的正方形。另一方面，在光衍射元件10e中，中央部分113是短边的长度为200μm、长边的长度为400μm的长方形。

(结构)

如图2所示，光衍射元件10a具备基材11和光衍射结构12。

基材11是具有相互对置的主面111和主面112的层状的部件(例如薄膜)，且由具有透光性的材料构成。主面111是基材11的一个主面的一例。此外，以下将基材11的位于主面111的中央的一部分称为中央部分113，将包围中央部分113的环状的部分称为环状部分114。另外，在图2中对附图标记“113”附加虚线的下划线来表示中央部分113位于光衍射结构12的下层。

在本实施方式中，采用了丙烯酸系树脂，作为构成基材11的材料。但是，对于构成基材11的材料而言，只要是在作为信号光使用的光的波段具有透光性即可，不限于以丙烯酸系树脂为代表的树脂。构成基材11的材料也可以是以石英玻璃为代表的玻璃材料。

另外，构成基材11的材料优选为如下材料，该材料当在主面111上形成后述的光衍射结构12时，与构成光衍射结构12的树脂(例如光固化树脂)具有良好的密合性。

另外，在本实施方式中，作为基材11的厚度而言，采用了5μm。这种厚度的树脂膜由于具有挠性而无法以单体独立支撑。另外，基材11的厚度不限于5μm。

另外，从主面111的法线方向俯视来看，基材11的形状(以下称为俯视形状)为正方形。另外，基材11只要尺寸超过后述的中央部分113的尺寸即可，并可适当地确定尺寸及形状。

光衍射结构12形成于中央部分113。在本实施方式中，中央部分113例如是一边的长度L为200μm的正方形。光衍射结构12由相互独立地设定了厚度或折射率的多个微单元A构成(参照图2)。在本实施方式中，各微单元A由具有透光性的树脂(例如光固化树脂)制成。但是，光衍射结构12也可以由玻璃(例如石英玻璃)制成。

当信号光向光衍射结构12入射时，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。从光衍射结构12输出的信号光的强度分布表示该光运算的结果。

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，当微单元的俯视形状为正方形时，单元尺寸为单元的一边的长度。单元尺寸的下限没有特别限定，例如为1nm。

图1的放大图中例示的光衍射结构12由呈矩阵状配置的20×20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，光衍射结构12的俯视形状例如为200μm×200μm的正方形。

此外，单元尺寸、各微单元A的俯视形状、以及光衍射结构12的俯视形状不限于上述的例子，能够适当地确定。

(对光信号的光运算)

光衍射元件10a配置为使在光路OP1中传播来的光信号S1向入射面输入。光衍射元件10a对光信号S1执行规定的光运算。

光衍射元件10b配置为使在光路OP2中传播来的光信号S2向入射面输入。光衍射元件10b对光信号S2执行规定的光运算。

光衍射元件10c在光衍射元件10a的后级以有效区域彼此重叠的方式配置。光衍射元件10c对由光衍射元件10a执行了光运算的光信号S1执行规定的光运算。

光衍射元件10d在光衍射元件10b的后级以有效区域彼此重叠的方式配置。光衍射元件10d对由光衍射元件10b执行了光运算的光信号S2执行规定的光运算。

另外，光衍射元件10a和光衍射元件10b分别是相互独立的光衍射元件。另外，光衍射元件10c和光衍射元件10d分别是相互独立的光衍射元件。在光衍射元件10a与光衍射元件10b之间、以及光衍射元件10c与光衍射元件10d之间设置有不使光透过的遮光板14。

因此，光衍射元件10a和光衍射元件10c仅使透过了各微单元的光信号S1干涉，不使光信号S2干涉。换言之，光衍射元件10a和光衍射元件10c仅对光信号S1实施光运算，对光信号S2不产生影响。同样地，光衍射元件10b和光衍射元件10d仅使透过了各微单元的光信号S2干涉，不使光信号S1干涉。换言之，光衍射元件10b和光衍射元件10d仅对光信号S2实施光运算，对光信号S1不产生影响。

光衍射元件10e配置在光衍射元件10c和光衍射元件10d的后级。光衍射元件10e的有效区域与光衍射元件10c的有效区域和光衍射元件10d的有效区域重叠。

光衍射元件10e与光衍射元件10a～10d不同，光衍射元件10e使透过了各微单元的光信号S1和光信号S2相互干涉。换言之，光衍射元件10e对光信号S1和光信号S2产生影响。

另外，在本实施方式中采用了3级的光衍射元件。但是，光衍射元件的级数不限于3级，可以适当地确定。另外，在本实施方式中设置为，使第一级的光衍射元件和第二级的光衍射元件分别相对于光路OP1和光路OP2分别独立。但是也可以设置为，第一级的光衍射元件和第二级的光衍射元件如第三级的光衍射元件10e那样相对于光路OP1和光路OP2而言共用。另外，在本实施方式中设置为，使第三级的光衍射元件相对于光路OP1和光路OP2而言共用。但是也可以设置为，第三级的光衍射元件相对于光路OP1和光路OP2分别独立。

<变形例>

参照图3及图4对图1所示的光运算装置1的变形例即光运算装置1A进行说明。图3和图4都是光运算装置1A的示意图。与图1的情况同样地，图3是俯视观察光信号输入部的底架时的示意图，图4是从光信号的输入方向俯视观察第一级的光衍射元件时的示意图。

如图3所示，光运算装置1A具备3个光衍射元件101、102、103和光信号输入部40。另外，在图3中没有图示：光运算装置1A具备与光运算装置1的透镜组30相同的透镜组。

光运算装置1A的光衍射元件101与光运算装置1的光衍射元件10a、10b对应，光运算装置1A的光衍射元件102与光运算装置1的光衍射元件10c、10d对应，光运算装置1A的光衍射元件103与光运算装置1的光衍射元件10e对应。

在各光衍射元件101～103中，设置有微单元A的中央部分113(参照图2)是一边的长度L为400μm的正方形。各光衍射元件101～103使透过了各微单元A的光信号S1～S4相互干涉。换言之，各光衍射元件101～103对各光信号S1～S4都产生影响。

(光信号输入部)

光运算装置1A的光信号输入部40是通过使光运算装置1的光信号输入部20变形而得到的。光运算装置1具备一个半反射镜21，且构成为将光信号S的光路OPI分支为两个光路即光路OP1、OP2。另一方面，光运算装置1A具备3个半反射镜41、42、45，且构成为将光信号S的光路OPI分支为4个光路即光路OP1、OP2、OP3、OP4。关于本变形例的光信号输入部40对该点进行说明。另外，在图3和图4中，对于半反射镜41、42、45和反射镜43、44、46使用箭头来指示各自的位置，并省略了半反射镜和反射镜的实际形状的图示。

(第一光路)

与光信号输入部20的情况同样地，在光路OPI设置有与半反射镜21对应的半反射镜41。当光以相对于镜面的法线方向成45°的入射角入射时，半反射镜41对75％的光进行正反射，并使剩余的25％的光透过。光信号S以相对于半反射镜41的镜面成45°的入射角入射。

光信号S的25％即光信号S1在镜面上不进行正反射，仍然向z轴正方向传播，并向光衍射元件101输入。将光信号S1中的主光线的路径设定为光路OP1。光路OP1是第一光路的一例。

(第二光路)

光信号S的剩余的75％即光信号S1’在镜面上进行正反射，并向与光路OPI的方向正交的x轴正方向传播。

在由半反射镜41正反射的光信号S1’的光路上设置有半反射镜42。当光以相对于镜面的法线方向成45°的入射角入射时，半反射镜42对33.3％的光进行正反射，并使剩余的66.6％的光透过。光信号S1’以相对于半反射镜42的镜面成45°的入射角入射。

光信号S1’的33.3％即光信号S2在镜面上进行正反射，向z轴正方向传播，并向光衍射元件101输入。将光信号S1’及光信号S2中的主光线的路径设定为光路OP2。光路OP2是第二光路的一例。

(第三光路)

光信号S1’的剩余的66.6％即光信号S2’在半反射镜42的镜面不进行正反射，仍然向x轴正方向传播。

在光信号S2’的光路上设置有反射镜43、44和半反射镜45。反射镜43、44与图1所示的反射镜222、223同样地构成。因此，光信号S2’被反射镜222、223正反射而向x轴负方向传播。

半反射镜45当光以相对于镜面的法线方向成45°的入射角入射时，对50％的光进行正反射，并使剩余的50％的光透过。光信号S2’以相对于半反射镜43的镜面成45°的入射角入射。

光信号S2’的50％即光信号S3在半反射镜45的镜面上进行正反射，向z轴正方向传播，并向光衍射元件101输入。将光信号S2’及光信号S3中的主光线的路径设定为光路OP3。光路OP3是第三光路的一例。

(第四光路)

光信号S2’的剩余的50％即光信号S4在半反射镜45的镜面上不进行正反射，仍然向x轴负方向传播。

在光信号S4的光路上设置有反射镜46。透过半反射镜45的光信号S4以相对于反射镜46的镜面成45°的入射角入射，并在镜面向z轴正方向正反射。

利用反射镜46进行了正反射的光信号S4与z轴正方向平行地传播，并向光衍射元件101输入。将光信号S4中的主光线的路径设定为光路OP4。光路OP4是第四光路的一例。

(光路长度之差)

如上所述，半反射镜41、42、45将传输光信号S的光路OPI分支成光路OP1～OP4。各光路OP1～OP4在实际空间中的长度即实际空间长度按照光路OP1、OP2、OP3、OP4的顺序变长。

这样，在光信号输入部40中，各光路OP1～OP4的光路长度不同，因此能够将光信号S的具有不同的4个时刻的强度分布的光信号S1、S2、S3、S4同时向光衍射元件101输入。光信号S1是相对于后述的光信号S2、S3、S4而言作为基准的光信号。另外，光信号S2、S3、S4都是使光信号S1延迟而得到的延迟光信号。

(第二实施方式)

参照图5对本发明第二实施方式的光运算装置2进行说明。图5是光运算装置2的立体图。

如图5所示，光运算装置2具备光信号输入部50和光衍射元件101～103。光运算装置2的光衍射元件101～103构成为与光运算装置1A的光衍射元件101～103(参照图3)相同。因此，在本实施方式中，针对光信号输入部50进行说明。

<光信号输入部>

如图5所示，光信号输入部50具备：摄像部51、图像处理部52、显示控制部53以及显示部54～57。

摄像部51具备由多个透镜构成的透镜组和摄像元件。

透镜组对向起始级的透镜入射的光束的行进方向进行调整，并使该光束在后述的光衍射元件10a的入射面成像。从透镜组的最后级向摄像元件输入的光束在其照射面上具有随时间变化的强度分布。以下，将向摄像元件输入的光束称为光信号S。

摄像元件将向受光面入射的光信号S转换为电信号，并供给至图像处理部52。

图像处理部52根据从摄像元件供给的电信号来生成动态图像。动态图像包含多个由各帧表示的静态图像。由各帧表示的静止图像是光信号S在不同的各时刻的强度分布的一例。图像处理部52生成的动态图像的帧率没有限定，可以根据被摄体的移动速度等适当地确定。当被摄体的运动为高速时，优选将帧率设定为较高。作为帧率的一例，可举出100，000fps(帧/秒)。

显示控制部53使构成图像处理部52所生成的单一的动态图像的帧中的互不相同的4个帧的图像分别显示于显示部54～57。此时，优选显示控制部53使用一个波长(例如800nm)的光使4个帧的图像分别显示于显示部54～57。

显示控制部53能够适当地确定使各显示部54～57显示的帧的帧间隔。例如，当动态图像的帧率为100，000fps时，通过使各显示部54～57显示每1帧的4个图像，能够检测10μsec量级的被摄体的运动。另外，例如当使各显示部54～57显示每100帧的4个图像时，能够检测1msec量级的被摄体的运动。这样，显示控制部53通过对使各显示部54～57显示的帧的帧间隔进行控制，从而能够使光信号S的时刻之差即延迟量变化。因此，显示控制部53是延迟量可变部的一例。

各显示部54～57是有机EL(Electro Luminescence，电致发光)显示器。但是，各显示部54～57也可以是液晶显示器。另外，有机EL显示器的响应速度比液晶显示器高，因此优选作为光运算装置2的显示部。为了使用光衍射元件101～103执行光运算，向光衍射元件101～103输入的图像优选使用一个波长的光来表现。因此，各显示部54～57不需要能够进行彩色显示，只要是能够显示1种颜色(例如波长为800nm)的单色显示器即可。通过由单色显示器构来成各显示部54～57，与彩色显示器的情况相比能够提高分辨率。

各显示部54～57基于来自显示控制部53的控制信号，同时显示互不相同的4个帧的图像。各显示部54～57以与光衍射元件101对置的方式配置，因此能够将互不相同的4个帧的图像同时向光衍射元件101输入。动态图像中的互不相同的4个帧的图像是光信号的一例。如果将不同帧的4个图像中的、时序最早的帧的图像(在本实施方式中为显示部54显示的图像)作为基准的光信号，则在时序上后续的帧的图像(在本实施方式中为显示部55～57显示的图像)都可以说是延迟光信号。这样，光运算装置2的光信号输入部50能够将作为基准的光信号和使该光信号延迟而得到的光信号即延迟光信号同时向光衍射元件101输入。

另外，显示部54～57与光衍射元件101之间可以存在透镜等光学系统。

(总结)

关于本发明第一方式的光运算装置，其具备：具有厚度或折射率独立地设定的多个微单元的一个或多个光衍射元件；以及光信号输入部，该光信号输入部将光的强度分布随时间变化的光信号的不同时刻的所述强度分布至少在一时刻同时向所述一个或多个光衍射元件输入。另外，换言之，也可以说：本光运算装置的光信号输入部将光信号和使该光信号延迟而得到的光信号即延迟光信号至少在一时刻同时向所述一个或多个光衍射元件输入。

根据上述结构，将光信号的不同时刻的强度分布同时向一个或多个光衍射元件输入。另外，换言之，也可以说：根据上述结构，将光信号和延迟光信号同时向一个或多个光衍射元件输入。因此，本光运算装置能够处理强度分布随时间变化的光信号。

另外，在本发明第二方式的光运算装置中，除了上述第一方式的光运算装置的结构之外，还采用了如下结构：所述光信号输入部将传输所述光信号的光路分支为第一光路和光路长度比该第一光路长的第二光路，并将从所述第一光路输出的所述光信号和从所述第二光路输出的所述延迟光信号分别向所述一个或多个光衍射元件输入。另外，换言之，也可以说：在本光衍射元件中，除了上述第一方式的光运算装置的结构之外，还采用了如下结构：所述光信号输入部将从所述第一光路输出的所述光信号和从所述第二光路输出的所述延迟光信号分别向所述一个或多个光衍射元件输入。

根据上述结构，第二光路的光路长度比第一光路的光路长度长，因此从第二光路输出的光信号的时刻比从第一光路输出的光信号的时刻延迟。因此，本光运算装置能够容易地将从所述第一光路输出的光信号设定为作为基准的光信号，生成使该光信号延迟而得到的光信号即延迟光信。因此，本光运算装置能够容易地将具有不同时刻的强度分布的光信号(即，作为基准的光信号和延迟光信号)同时向一个或多个光衍射元件输入。

另外，根据本光运算装置，能够容易地使从第一光路输出的光信号的时刻与从第二光路输出的光信号的时刻之差即延迟量减小。因此，本光运算装置能够对强度分布在短时间内发生变化的高速的信息进行处理。

另外，在本发明第三方式的光运算装置中，除了上述第二方式的光运算装置的结构之外，还采用了如下结构：在所述第二光路的光路上设置有高折射率部件，该高折射率部件由折射率高于空气的折射率的材料构成。

根据上述结构，通过第二光路传输的光信号在透过高折射率部件时，比通过第二光路传输的光信号延迟。因此，本光运算装置能够可靠地使从第二光路输出的光信号的时刻比从第一光路输出的光信号的时刻延迟。

另外，在本发明第三方式的光运算装置中，除了上述第二方式或第三方式的光运算装置的结构之外，还采用了如下结构：所述第二光路的实际空间长度比所述第一光路的实际空间长度长，且所述第二光路被折射率为空气以下的介质充满。

另外，在本发明第四方式的光运算装置中，除了上述第二方式或第三方式的光运算装置的结构之外，还采用了如下结构：所述第二光路的实际空间长度比所述第一光路的实际空间长度长，且所述第二光路被折射率为空气以下的介质充满。

根据上述结构，能够利用简单的结构使第二光路的光路长度比第一光路的光路长度长。此外，光路的光路长度可以通过光路的实际空间长度与折射率之积来求出。

另外，在本发明第五方式的光运算装置中，除了上述第二方式至第四方式的任一方式的光运算装置的结构之外，还采用了如下结构：还具备半反射镜，该半反射镜设置在传输所述光信号的光路上，使所述光信号的传输路径分支为互不相同的第一光路和第二光路。

根据上述结构，能够容易地从一个光信号生成具有相同强度分布的两个光信号。

另外，在本发明第六方式的光运算装置中，除了上述第一方式的光运算装置的结构之外，还采用了如下结构：所述光信号输入部显示构成单一的动态图像且互不相同的帧的多个图像，并将各图像向所述一个或多个光衍射元件输入。

动态图像中的各帧图像是光信号的一例。如果将不同帧的多个图像中的、时序最早的帧的图像设定为作为基准的光信号，则在时序上后续的帧的图像均可称为延迟光信号。根据上述结构，能够容易地将具有不同时刻的强度分布的多个光信号同时向一个或多个光衍射元件输入。

另外，在本发明第七方式的光运算装置中，除了上述第一方式至第六方式的任一方式的光运算装置的结构之外，还采用了如下结构：所述光信号输入部具备延迟量可变部，该延迟量可变部使向一个或多个光衍射元件输入的各光信号的时刻之差即延迟量变化。另外，换言之，也可以说：本光运算装置的光信号输入部具备延迟量可变部，该延迟量可变部使在所述光信号与所述延迟光信号之间产生的延迟量变化。

根据上述结构，能够使向一个或多个光衍射元件输入的各光信号的延迟量变化，因此能够采用与在光信号中强度分布发生变化的速度对应的延迟量。

关于本发明第八方式的光运算方法，其包含如下工序：使光的强度分布随时间变化的光信号的不同时刻的所述强度分布至少在一时刻同时向所述一个或多个光衍射元件输入。另外，换言之，也可以说：本光运算方法包含：延迟步骤，通过使光信号的一部分延迟而生成延迟光信号；以及输入工序，使所述光信号和所述延迟光信号至少在一时刻同时向具有厚度或折射率独立地设定的多个微单元的一个或多个光衍射元件输入。

这样构成的本光运算方法实现了与上述的第一方式的光运算装置同样的效果。

(附记事项)

本发明不限于上述各实施方式，在权利要求所示范围内可进行各种变更，将在不同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、1A、2-光运算装置；10a～10e、101～103-光衍射元件；A-微单元；20-光信号输入部；21-半反射镜；22-延迟量可变部；24-板状部件(延迟量可变部)；OP1、OP2-第一光路、第二光路；40、50-光信号输入部；41、42、45-半反射镜；51-摄像部；52-图像处理部；53-显示控制部(延迟量可变部)；54～57-显示部。

Claims (8)

1.一种光运算装置，其特征在于，具备：

具有厚度或折射率独立地设定的多个微单元的一个或多个光衍射元件；以及

光信号输入部，该光信号输入部将光信号和使该光信号延迟而得到的光信号即延迟光信号至少在一时刻同时向所述一个或多个光衍射元件输入。

2.根据权利要求1所述的光运算装置，其特征在于，

所述光信号输入部将传输所述光信号的光路分支为第一光路和光路长度比该第一光路长的第二光路，并将从所述第一光路输出的所述光信号和从所述第二光路输出的所述延迟光信号分别向所述一个或多个光衍射元件输入。

3.根据权利要求2所述的光运算装置，其特征在于，

在所述第二光路的光路上设置有高折射率部件，该高折射率部件由折射率高于空气的折射率的材料构成。

4.根据权利要求2或3所述的光运算装置，其特征在于，

所述第二光路的实际空间长度比所述第一光路的实际空间长度长，且所述第二光路被折射率为空气以下的介质充满。

5.根据权利要求2～4中任一项所述的光运算装置，其特征在于，

还具备半反射镜，该半反射镜设置在传输所述光信号的光路上，使所述光信号的传输路径分支为互不相同的第一光路和第二光路。

6.根据权利要求1所述的光运算装置，其特征在于，

所述光信号输入部显示构成单一的动态图像且互不相同的帧的多个图像，并将各图像向所述一个或多个光衍射元件输入。

7.根据权利要求1～6中任一项所述的光运算装置，其特征在于，

所述光信号输入部具备延迟量可变部，该延迟量可变部使在所述光信号与所述延迟光信号之间产生的延迟量变化。

8.一种光运算方法，其特征在于，包含：

延迟步骤，通过使光信号的一部分延迟而生成延迟光信号；以及

输入工序，使所述光信号和所述延迟光信号至少在一时刻同时向具有厚度或折射率独立地设定的多个微单元的一个或多个光衍射元件输入。

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