CN116745727A - 光运算装置及光运算方法 - Google Patents

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Abstract

实现一种光运算装置，能够在光运算中使用信号光中包含的多个波长成分。光运算装置(1)具备：光衍射元件组(12)，其由具有光运算功能的至少一个光衍射元件(12a1、12a2)构成；以及受光部(13)，其分别独立地检测从光衍射元件组(12)输出的信号光中包含的多个波长成分各自的强度。

Description

光运算装置及光运算方法
技术领域
本发明涉及一种使用光衍射元件进行光运算的光运算装置及光运算方法。
背景技术
公知有一种光衍射元件，其设计为具有多个微单元，并使透过了各微单元的信号光相互干涉，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中公开了一种具有输入层、中间层以及输出层的光神经网络。上述的滤光器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
现有的光运算装置设计为，当向光衍射元件输入了具有特定波长的信号光时，该光衍射元件执行期待的光运算。在光运算中使用的仅是信号光中包含的多个(离散谱)或者无数(连续谱)的波长成分中的、具有特定波长的波长成分，除此以外的波长成分未用于光运算而被浪费。
本发明一方式针对上述问题而完成，其目的在于，实现一种光运算装置及光运算方法，能够在光运算中使用信号光中包含的多个波长成分。
(二)技术方案
本发明一方式的光运算装置具备：光衍射元件组，其由具有光运算功能的至少一个光衍射元件构成；以及受光部，其分别独立地检测从所述光衍射元件组输出的信号光中包含的多个波长成分各自的强度。
本发明一方式的光运算方法使用了由具有光运算功能的至少一个光衍射元件构成的光衍射元件组，包含分别独立地检测从所述光衍射元件组输出的信号光中包含的多个波长成分各自的强度的步骤。
(三)有益效果
根据本发明的一个方式，能够实现一种光运算装置或者光运算方法，能够在光运算中使用信号光中包含的多个波长成分。
附图说明
图1是表示本发明一实施方式的光运算装置的结构的立体图。
图2是表示图1所示的光运算装置所具备的光衍射元件的结构的俯视图。
图3是将图2所示的光衍射元件的一部分放大了的立体图。
图4是表示图1所示的光运算装置的变形例的立体图。
具体实施方式
(光运算装置的结构)
参照图1对本发明一实施方式的光运算装置1进行说明。图1是表示光运算装置1的结构的立体图。
如图1所示，光运算装置1具备：发光部11、光衍射元件组12、受光部13。
发光部11是用于生成作为多色光的信号光的结构。在此，信号光是指具有与信号对应的二维强度分布的光。另外，作为多色光的信号光是指：包含多个波长成分的信号光。在本实施方式中，将生成信号光的显示器用作发光部11，所述信号光包含：属于可见光频带的多个波长成分。作为一例，将生成如下这样的信号光的显示器用作发光部11，即，该信号光包含：蓝色成分、绿色成分、以及红色成分。以下，也将从发光部11输出的信号光记载为“输入信号光”。
光衍射元件组12配置于输入信号光的光路上。光衍射元件组12是n个光衍射元件12a1～12an的集合。在此，n是1以上的自然数。各光衍射元件12ai是用于执行预先确定的光运算的结构，换言之，是用于按照预先确定的转换规则转换信号光的二维强度分布的结构。在此，i是1以上n以下的各自然数。在本实施方式中，将2个光衍射元件12a1、12a2的集合作为光衍射元件组12使用。以下参照不同的附图对光衍射元件12ai的结构进行说明。
在光衍射元件组12中，光衍射元件12a1～12an在输入信号光的光路上排列成一条直线配置。因此，输入信号光依次通过第一光衍射元件12a1、第二光衍射元件12a2、…、以及第n光衍射元件12an。因此，在光衍射元件组12中，对输入信号光依次执行第一光衍射元件12a1的第一光运算、第二光衍射元件12a2的第二光运算、…、第n光衍射元件12an的第n光运算。从光衍射元件组12输出的信号光的强度分布表示这些运算的运算结果。以下，将从光衍射元件组12输出的信号光也记载为“输出信号光”。
受光部13配置于输出信号光的光路上。受光部13是用于分别独立地检测输出信号光中包含的多个波长成分各自的二维强度分布的结构。在本实施方式中，将如下的多光谱摄像机用作受光部13，该多光谱摄像机分别独立地检测：属于可见光频带的多个波长成分各自的二维强度分布。作为一例，将如下的多光谱摄像机用作受光部13，该多光谱摄像机分别独立地检测：蓝色成分、绿色成分、以及红色成分各自的二维强度分布。此外，多光谱摄像机是指具有10个以上能够分别独立地检测二维强度分布的波长频带(波段)的摄像机。另外，在需要检测输出信号光中包含的更多的波长成分的情况下，只要作为受光部13而使用超频谱摄像机即可。在此，超频谱摄像机是指具有100个以上能够分别独立地检测二维强度分布的波长频带(波段)的摄像机。
输入信号光中包含的各波长成分可以(1)具有相同的二维强度分布，即，表示相同的信号，也可以(2)具有不同的二维强度分布，即，表示不同的信号。
在输入信号光及输出信号光包含m个波长成分，且输入信号光中包含的m个波长成分的二维强度分布表示相同的输入信号x的情况下，利用光运算装置1，能够获得针对输入信号x的m个运算结果f1(x)、f2(x)、…、fm(x)。作为一例，在输入信号光中包含的m个波长成分的二维强度分布表示相同的输入图像x的情况下，作为包含于输入图像x的被摄体的分类结果，能够获得m个分类结果f1(x)、f2(x)、…、fm(x)。因此，利用光运算装置1，能够获得比单一波长光运算准确的或者详细的运算结果。在需要更准确的运算结果f(x)的情况下，例如，只要取得m个运算结果f1(x)、f2(x)、…、fm(x)的平均即可。另外，在需要更详细的运算结果f(x)的情况下，例如，只要取得m个运算结果f1(x)、f2(x)、…、fm(x)的直积即可。
另一方面，当在输入信号光及输出信号光包含m个波长成分且输入信号光中包含的m个波长成分的二维强度分布表示不同的输入信号x1、x2、…、xm时，利用光运算装置1，能够针对m个输入信号x1、x2、…、xm分别获得运算结果f1(x1)、f2(x2)、…、fn(xn)。作为一例，当输入信号光中包含的m个波长成分的二维强度分布表示不同的输入图像x1、x2、…、xm时，作为包含于各输入图像x1、x2、…、xn的被摄体的分类结果，能够获得m个分类结果f1(x1)、f2(x2)、…、fm(xn)。因此，利用光运算装置1，能够获得比单一波长光运算多样的运算结果。
(光衍射元件的结构)
参照图2及图3对光衍射元件12ai的结构进行说明。图2是表示光衍射元件12ai的结构的俯视图。图3是放大了光衍射元件12ai的一部分(在图2中是用虚线包围的部分)的立体图。
光衍射元件12ai由厚度或者折射率相互独立地设定的多个微单元构成。如果向光衍射元件12ai入射信号光，则由于在各微单元中衍射的相位不同的信号光相互干涉，从而进行预先确定的光运算(按照预先确定的转换规则的二维强度分布的转换)。此外，在本说明书中，“微单元”是指例如单元尺寸不足10μm的单元。另外，在本说明书中，“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。单元尺寸的下限是例如1nm。
图2中例示的光衍射元件12ai由呈矩阵状配置的200×200个微单元构成。各微单元的俯视图形状是500nm×500nm的正方形，光衍射元件12ai的俯视图形状是100μm×100μm的正方形。
(1)通过按照单元独立地设定微单元的厚度，或者，(2)通过按照单元独立地选择微单元的折射率，从而能够按照单元独立地设定透射微单元的光的相位变化量。在本实施方式中，采用通过纳米压印能够实现的(1)的方法。在这种情况下，如图3所示，各微单元由具有各边长度与单元尺寸相等的正方形的底面的四棱柱状的柱构成。在这种情况下，透射微单元的光的相位变化量根据该柱的高度确定。即，透射由高度较高的柱构成的微单元的光的相位变化量较大，透射由高度较低的柱构成的微单元的光的相位变化量较小。
此外，各微单元的厚度或者折射率的设定能够使用例如机器学习来实现。作为在该机器学习中使用的模型，例如，能够使用将向光衍射元件12ai输入的信号光的二维强度分布作为输入，将从光衍射元件12ai输出的信号光的二维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厚度或者折射率。在此，向光衍射元件12ai输入的信号光的二维强度分布是指，向构成光衍射元件12ai的各微单元输入的信号光的强度的集合。另外，从光衍射元件12ai输出的信号光的二维强度分布是指，向构成配置于光衍射元件12ai的后级的光衍射元件12ai+1的各微单元输入的信号光的强度的集合，或者，向构成配置于光衍射元件12ai的后级的受光部13的各微单元输入的信号光的强度的集合。
(光运算装置的变形例)
参照图4对光运算装置1的一变形例(以下记载为光运算装置1A)进行说明。图4是表示光运算装置1A的结构的立体图。
如图4所示，光运算装置1A具备发光部11、光衍射元件组12、受光部13A。图4所示的光运算装置1A所具备的发光部11和光衍射元件组12与图1所示的光运算装置1所具备的发光部11和光衍射元件组12同样地构成。另一方面，相对于图1所示的光运算装置1所具备的受光部13分别独立地检测输出信号光中包含的各波长成分的二维强度分布而言，图4所示的光运算装置1A所具备的受光部13A分别独立地检测输出信号光中包含的各波长成分在特定的点上的强度。
在本变形例中，例如，通过确定受光部13检测出了输出信号光中包含的波长成分中的哪个波长成分，从而能够获得运算结果。为了实现这样的运算方法，例如，只要将构成光衍射元件组12的各光衍射元件12ai设计为向受光部13A入射与运算结果对应的波长成分且不向受光部13A入射不与运算结果对应的波长成分即可。另外，只要在光运算装置1的结构要素中追加基于受光部13的输出信号确定受光部13检测出了输出信号光中包含的波长成分中的哪个波长成分的运算部即可。
根据本变形例，能够简化受光部13A的结构，其结果为，能够降低光运算装置1A的制造成本。
(总结)
本发明的方式1的光运算装置具备：光衍射元件组，其由具有光运算功能的至少一个光衍射元件构成；以及受光部，其分别独立地检测从所述光衍射元件组输出的信号光中包含的多个波长成分各自的强度。
根据上述的结构，能够实现一种光运算装置，其能够将信号光中包含的多个波长成分用于光运算。
在本发明的方式2的光运算装置中，除了方式1的结构之外，还采用了如下结构：所述受光部分别独立地检测从所述光衍射元件组输出的信号光中包含的多个波长成分各自的二维强度分布。
根据上述的结构，能够更有效地利用从光衍射元件组输出的信号光中包含的多个波长成分各自表示的信息。
在本发明的方式3的光运算装置中，除了方式2的结构之外，还采用了如下结构：还具备发光部，其生成向所述光衍射元件组输入的信号光，该信号光包含具有相同的二维强度分布的多个波长成分。
根据上述的结构，能够有效地利用从光衍射元件组输出的信号光中包含的多个波长成分各自表示的信息，能够获得更准确或者更详细的运算结果。
在本发明的方式4的光运算装置中，除了方式2的结构之外，还采用了如下结构：还具备发光部，其生成向所述光衍射元件输入的信号光，该信号光包含具有不同的二维强度分布的多个波长成分。
根据上述的结构，能够有效地利用从光衍射元件组输出的信号光中包含的多个波长成分各自表示的信息，能够获得更多样的运算结果。
在本发明的方式5的光运算装置中，除了方式2～4任一的结构之外，还采用了如下结构：所述受光部是多光谱摄像机。
根据上述的结构，能够有效地利用从光运算元件组输出的信号光中包含的10个以上的波长成分各自表示的信息，能够获得更多样的运算结果。
在本发明的方式6的光运算装置中，除了方式1的结构之外，还采用了如下结构：所述受光部分别独立地检测从所述光衍射元件组输出的信号光中包含的多个波长成分各自在特定的点上的强度。
根据上述的结构，能够简化受光部，其结果为，能够降低光运算装置的制造成本。
在本发明的方式7的光运算装置中，除了方式6的结构之外，采用了如下结构：还具备运算部，其基于所述受光部的输出信号来确定所述受光部检测出了从所述光衍射元件组输出的信号光中包含的波长成分中的哪个波长成分。
根据上述的结构，能够实现一种新的光运算装置，该光运算装置根据所述受光部检出的波长成分来确定运算结果。
在本发明的方式8的光运算装置中，除了方式1～7任一方式的结构之外，还采用了如下结构：所述光衍射元件由厚度或者折射率相互独立地设定的多个微单元构成。
根据上述的结构，能够使用纳米压印技术等容易地制造光衍射元件。
本发明的方式9的光运算方法使用了由具有光运算功能的至少一个光衍射元件构成的光衍射元件组，包含分别独立地检测从所述光衍射元件组输出的信号光中包含的多个波长成分各自的强度的步骤。
根据上述的结构，能够实现一种光运算方法，其能够将信号光中包含的多个波长成分用于光运算。
(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范围内进行各种变更，对于将在上述的实施方式中分别公开的技术方案适当组合而得到的实施方式而言，也包含于本发明的技术范围。
附图标记说明
1-光运算装置；11-发光部；12-光衍射元件组；12a1、12a2-光衍射元件；13-受光部。

Claims (9)

1.一种光运算装置，其特征在于，具备：
光衍射元件组，其由具有光运算功能的至少一个光衍射元件构成；以及
受光部，其分别独立地检测从所述光衍射元件组输出的信号光中包含的多个波长成分各自的强度。
2.根据权利要求1所述的光运算装置，其特征在于，
所述受光部分别独立地检测从所述光衍射元件组输出的信号光中包含的多个波长成分各自的二维强度分布。
3.根据权利要求2所述的光运算装置，其特征在于，
还具备发光部，该发光部生成向所述光衍射元件组输入的信号光，该信号光包含具有相同的二维强度分布的多个波长成分。
4.根据权利要求2所述的光运算装置，其特征在于，
还具备发光部，该发光部生成向所述光衍射元件输入的信号光，该信号光包含具有不同的二维强度分布的多个波长成分。
5.根据权利要求2～4的任一项所述的光运算装置，其特征在于，
所述受光部是多光谱摄像机。
6.根据权利要求1所述的光运算装置，其特征在于，
所述受光部分别独立地检测从所述光衍射元件组输出的信号光中包含的多个波长成分各自在特定的点上的强度。
7.根据权利要求6所述的光运算装置，其特征在于，
还具备运算部，该运算部基于所述受光部的输出信号来确定所述受光部检测出了从所述光衍射元件组输出的信号光中包含的波长成分中的哪个波长成分。
8.根据权利要求1～7的任一项所述的光运算装置，其特征在于，
所述光衍射元件由厚度或者折射率相互独立地设定的多个微单元构成。
9.一种光运算方法，其使用了由具有光运算功能的至少一个光衍射元件构成的光衍射元件组，其特征在于，
包含分别独立地检测从所述光衍射元件组输出的信号光中包含的多个波长成分各自的强度的步骤。
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