JP2658157B2 - 光演算方法および光演算装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、光を用いて、並列高速に論理演算を行う
方法と装置に関するものである。

〔従来技術〕

大規模な情報を処理するために、高速に演算を実行す
る計算機の研究が進んでいるが、電気回路を用いた逐次
処理による方法では、すでに性能限界に近づいている。
そこで、スーパーコンピュータやアレイプロセッサな
ど、複数の演算を同時に実行する並列処理アーキテクチ
ャなどの研究が進んでいる。一方、光は、空間的な広が
りを持ち、その物理的な性質は互いに干渉し合わないた
め、光を用いた演算は並列性に優れている。光を変調す
る手段として、振幅，位相，周波数，偏向などが考えら
れ、空間的な光変調器の開発が行われている。

しかし、これまでの光演算法では、並列演算に適さな
いものや演算前に複雑なコーディングの必要なものが多
く、実用的でなかった。

〔発明の解決課題〕

この発明の目的は、光のインターコネクションを用い
て、論理演算を並列高速に実行するための光演算法およ
び装置を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

この発明の光演算方法は、２値化された演算すべき入
力信号A,Bを反転して信号，を生成し、この信号A,
,B,の値に対応して発光する光源を用意し、これら
各光源からの光を重ね合せて積、Ａ・B,A・，・B,
・を生成し、積、Ａ・B,A・，・B,・を示
す各光を強度変調して Ｃ＝Ｔ（ｔ_Ａ・Ｂ・Ａ・Ｂ＋ｔ_Ａ・・Ａ・＋ｔ
_・Ｂ・Ａ・ ＋ｔ_・・・−Th） ＝Ｔ（_Ａ・Ｂ・Ａ・Ｂ＋_Ａ・・Ａ・＋ｔ
_・Ｂ・Ａ・ ＋_・・・−Th） を満す出力Ｃまたはを得て複数の入力信号に対する論
理演算を空間的に実行することを特徴とする。

この発明の光演算装置は、入力信号とこの入力信号を
反転せしめた信号とによってそれぞれ発光する第１の光
源および第２の光源が複数組対にして配置された第１の
アレイ状光源および第２のアレイ状光源と、第１のアレ
イ状光源および第２のアレイ状光源から出射した光を合
波する合波手段と、合波された光を２値化する複数の光
閾値手段と、２値化された光の強度を変化せしめる光変
調手段と光変調手段を透過した光を集光せしめる複数の
光集光手段と、集光した光の光強度を観測する複数の光
観測手段とを備えることを特徴とする。

〔作用・原理〕

この発明は２値化された２つのデータA,Bがあったと
き、このデータの反転データ，を生成し、各データ
の積、Ａ・B,A・，・B,・を光の重ね合せ手法
により求め、Ａ・B,A・，・B,・に対応した光
を強度変調して演算結果を得ている。

この原理を第２図を参照して説明する。第２図は、入
力データと入力面に関係を示す図である。演算される２
次元２値入力データ101（a,b,c,d,e,f）を発光源の隣に
それらの入力データを反転させたデータ（，，，
，，）を表わす発光源を配置して対を作り、これ
ら発光源100をマトリックス上に配置して入力面102とす
る。

このような入力面を２つ用意し、演算する２つのデー
タA,Bの一方に１つの入力面を対応させもう１つのデー
タに他方の入力面を対応させる。第３図に示すように、
これら入力面、すなわち、入力データａとその反転デー
タが横に並んで対になっているように発光源100を配
置した入力面103と、ａとが縦に並んで対になってい
るように発光源を配置した入力面104を互いに直交する
ように配置し、入力面からの出射光を円筒レンズ105,10
6によってビームを偏平にした後、ハーフミラー107を用
いて重ね合わせて光閾値素子に投影する。この結果、光
閾値素子108に各入力面からの出射光の重なったパター
ンが得られる。このパターンのうち２つの入力面から出
射光が重った部分の光閾値素子が発光し、その他の部分
は発光しないことによって演算結果が２値化された後、
光閾値素子からの出射光は空間光変調器109によって演
算の種類によって定めら減たパターンに強度変調され、
レンズ110によって出力面111に集光される。

第３図の入力面103,104は発光源が横に２組，縦に３
組並んでおり、横方向をビット数に対応させると、２ビ
ットで表現されるデータを３つ並列演算できることにな
る。また、縦方向をビット数に対応させると、３ビット
で表現される２つのデータを並列演算できることにな
る。

このようにビット数，並列演算数は入力面な発光源の
数で決まるので、目的に応じて発光源の配列を定めれば
よい。

第３図中点線で囲んだ部分の発光源から光が光閾値素
子108上に投影されたパターンの一例を第４図に示す。
第４図（ａ）は入力面103,104の発光源を重ね合せたパ
ターン、すなわち、円筒レンズなしで光閾値素子上に投
影したときのパターンで、入力面103のデータ121が図中
の左、その反転データ122が右、入力面104のデータ123
が上、その反転データ124が下となっている。これらの
発光パターンは円筒レンズによって変形され、光閾値素
子108上で第４図（ｂ）のようになる。すなわち、入力
面103からの光ビームは縦長に変換し、入力面104からの
光ビームは横長になる。第４図（ｃ），（ｄ），
（ｅ），（ｆ）は第４図（ａ）に示した１組の発光源に
対応した光閾値素子の構成を示している。光閾値素子は
マトリックス状に配置した４つの要素130から成ってい
る。斜線部分は発光している要素部分を示し、第４図
（ｃ），（ｄ），（ｅ），（ｆ）はそれぞれ、演算を行
う２つの入力データ（A,B）が、（0,0）、（0,1）、
（1,0）、（1,1）の場合に相当する。なお、入力データ
の値が１のときに発光源は発光するものとしている。

第５図は、１組の発光源に対応する光閾値素子108と
空間光変調器109の構造を示したものである。（ａ）は
光閾値素子の構造で、第４図（ｃ）〜（ｆ）に示したの
と同じである。（ｂ）は空間光変調器の構造を示す。空
間光変調器は光閾値素子の各要素に対応して４つの領域
から成っている。光閾値素子の各要素を11,12,21,22、
空間変調器の各エレメントをaa,ab,ba,bbとする。この
時、光閾値素子の光源11,12,21,22は、それぞれ入力デ
ータ（1,1）、（0,1）、（1,0）、（0,0）に相当する。
光閾値素子の各要素11,12,21,22から出た光はそれぞれ
空間変調器の各エレメントaa,ab,ba,bbに入射する。こ
のとき、空間光変調器，各エレメントの透過率を演算の
種類に応じて定めておくと、空間光変調器の透過光によ
り演算結果が得られる。例えば、空間光変調器のab,ba,
bbの振幅透過率を０、aaの振幅透過率を１とした場合
に、ANDの演算が実行される。第１表に、16種類の論理
演算の入力と出力の関係を決める空間光変調器の振幅透
過率を示す。

〔実施例〕 以下、この発明の実施例を説明する。

第１図は、この発明の実施例の一例を示す斜視図であ
る。この光演算装置の各要素の配置は第３図と同じであ
る。互いに直交する位置に配置された入力面は、高速変
調可能な半導体レーザを格子状に配列したアレイ状光源
1,2で構成した。これらアレイ状光源から出射した光を
コリメートするレンズはマイクロレンズをアレイ状光源
に対応して配列したレンズアレイ3,4を用いた。コリメ
ート光を合波する合波手段はハーフミラー５を用いた。
光閾値素子６は、ある光量以上の光入があったときに発
光する機能を有するものであればよいので光検出器、電
気的な閾値素子、半導体レーザ、光サイリスタなどの発
光素子を接続して構成できる。本実施例では光双安定レ
ーザを用いた。空間光変調器７は液晶テレビを用いた。
出力面は光を集光するレンズアレイ８と、光検出器を配
列した光検出器アレイ９とから構成している。この他に
この装置はアレイ状光源に電圧を印加する回路から構成
される駆動装置10,11と空間光変調器を制御する制御装
置（図示省略）としてのパソコンを備えている。

以上の構成の光演算装置において、アレイ状光源1,2
を点滅させる入力データは、駆動装置10,11によって制
御される。アレイ状光源から出射した光は、レンズアレ
イ3,4によって偏平にコリメートされる。これら複数の
コリメート光はハーフミラー５によって合波され、光閾
値素子６に入射する。ここで、２つの光源からの光が重
なった部分だけ光閾値素子が発光する。光閾値素子から
発光した光は、空間光変調器によって強度変調され、光
検出器に入射し、入射光がある場合に１、ない場合に０
とすることによって、所望の論理演算を実行することが
できる。

液晶テレビを空間光変調器として用いる場合には、表
示面の裏側に設置してある光源，反射板等を取り外して
裏面側からも液晶が見えるように表示板を改良した液晶
テレビとパソコンをモニタ端子で接続し、パソコンの画
面を液晶テレビに表示させる。例えば、液晶テレビの大
きさを64mm×40mm、パソコンの画面の分解能を640×400
とすれば、パソコンの画面の１分解点は、100μｍに相
当する。光源の間隔を8mmとすれば、パタン１個の大き
さは2mm×2mmに相当し、パソコン上で20×20の分解点を
持つパタンを２×２個表示させれば、空間光変調器を構
成できる。

〔発明の効果〕

以上詳述したように、この発明の光演算法を用いるこ
とにより、論理演算を並列高速に実行できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の光演算法の実施例を示す斜視図、
第２図は、入力データと入力面の関係を示す図、第３図
は、光演算法の原理を示すための図、第４図は、光閾値
素子の発光パターンを示す図、第５図は、空間光変調器
のパターンを示す図である。図において、 1,2……アレイ状光源、3,4……レンズアレイ、５……ハ
ーフミラー、６……光閾値素子、７……光分岐素子、８
……レンズアレイ、９……光検出器アレイ、10,11……
駆動装置、101……入力データ、102,103,104……入力
面、105,106……円筒レンズ、107……ハーフミラー、10
8……光閾値素子、109……空間光変調器、110……レン
ズ、111……出力面、121……入力面103のデータ、122…
…入力面103の反転データ、123……入力面104のデー
タ、124……入力面104の反転データ。

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】２値化された演算すべき入力信号A,Bを反
   転して信号，を生成し、この信号A,,B,の値に
   対応して発光する光源を用意し、これら各光源からの光
   を重ね合せて積、Ａ・B,A・，・B,・を生成
   し、積Ａ・B,A・，・B,・を示す各光を強度変
   調して Ｃ＝Ｔ（ｔ_Ａ・Ｂ・Ａ・Ｂ＋ｔ_Ａ・・Ａ・＋ｔ
   _・Ｂ・Ａ・ ＋ｔ_・・・−Th） ＝Ｔ（_Ａ・Ｂ・Ａ・Ｂ＋_Ａ・・Ａ・＋
   _・Ｂ・Ａ・ ＋_・・・−Th） を満す出力Ｃまたはを得ることを特徴とする光演算方
   法。
2. 【請求項２】入力信号とこの入力信号を反転せしめた信
   号とによってそれぞれ発光する第１の光源および第２の
   光源が複数組対にして配置された第１のアレイ状光源お
   よび第２のアレイ状光源と、第１のアレイ状光源および
   第２のアレイ状光源から出射した光を合波する合波手段
   と、合波された光を２値化する複数の光閾値手段と、２
   値化された光の強度を変化せしめる光変調手段と光変調
   手段を透過した光を集光せしめる複数の光集光手段と、
   集光した光の光強度を観測する複数の光観測手段とを備
   えることを特徴とする光演算装置。