JP2763095B2 - 光シャッター情報処理装置 - Google Patents
光シャッター情報処理装置Info
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Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
本発明は、複数個の光シャッターを使用した光学像の
情報処理ないしは、論理演算処理装置に関するものであ
る。 〔従来の技術〕 光を用いた情報処理はホログラフィーの発明に端を発
する光アナログ並列処理がまず実用化の域に達した。こ
れらは主として生産ライン等での画像情報処理に用いら
れるようになったが、応用対象毎に複雑な光学系を要す
る等の制約が大きく、一方で固体撮像素子による画像入
力とコンピューターによる画像処理の組み合わせがデバ
イス技術の進歩等によって飛躍的に進んだこともあり、
次第にその役割は減少してきている。更にまた、アナロ
グ処理特有の精度の限界の問題があり、コンピューター
に代表される電子技術の蓄積を利用するという立場から
も、光情報処理の関心はディジタル処理へと移ったと言
える。 さて、光情報処理が基本的に追求する機能は従来の電
子回路に比べた場合の高速性であり、また光を用いるこ
とにより期待される最大の利点は電磁誘導雑音の除去で
ある。光ディジタル情報処理もこの様な基本的な立場の
上で、研究が進められているが、その流れとして、時系
列処理と並列処理とに大別することができる。 このうち、光ディジタル時系列処理とは、従来の集積
回路を用いた電子回路でのトランジスタに代表されるス
イッチング素子を超高速の光シャッターに置き換え、駆
動の媒体も電子から光子に置き換えようとするもので、
従来の電子回路のアーキテクチャーをそのまま継承して
高速演算を実現せんとするものである。この様な目的で
用いられる光シャッターの例としてはE.Abrahamらによ
る非線型光応答屈折率を有する結晶をFabry−Perot干渉
計に適用したものがあり、10-12S程度のスイッチング速
度を実現している（Ｅ。Abraham et al。、Scientific
American,Feb.63（1983））。 一方、光ディジタル並列処理は画像入力の様な同時多
入力の光情報の高速処理や通常のコンピューターで行な
う演算を並列的に行なうことにより高速化することをね
らうものである。この場合は前記時系列処理の場合の光
シャッターの速度に対応するのが、光シャッターの速度
を並列処理の数で割ったものになり、必ずしも超高速の
光シャッターを用いる必要は無く、光シャッターの高集
積性や論理演算系の構成のしやすさが非常に需要な要素
となる。特に、画像入力を処理する様な場合には受光
系、光シャッター等の数が通常のディスプレーに於ける
画素数に当り、画像の分解能を決めることになることか
ら、むしろ光シャッター等の高集積化の方が重要になり
うるものである。 かかる並列処理の一つの応用として世古による並列デ
ィジタル演算の提案がある（世古淳也、応用物理、53、
409（1984））。ここでは、入力画像と参照画像とのパ
ターンマッチングを評価する目的で、両画像の排他的論
理和をとって光出力するが、この排他的論理和を作る構
成として、入力画像、参照画像のそれぞれを光分岐によ
り２つの同一像に分け、その一方を反転して入力画の反
転像と参照画の反転像を形成し、それぞれを先に光分岐
で分けて作った残りの参照画像、入力画像と結合するこ
とでその論理積をとり、最後にこの２つの論理積の出力
を結合してその論理和をとることで、前記の排他的論理
和の光出力を得るものである。 そして、この反転、論理積、論理和の各段階は、これ
らの機能を有する光論理素子を２次元アレー状に配した
２次元光情報処理装置を用いて実現されるもので、全体
としてはこれらを直列的に配置することで構成される。 該２次元光情報処理装置としては光ファイバーを集積
したもの（A.Seko et al,Applied Optics,18,2052（197
9））などがあるが、集積化や製造の容易性の点から液
晶を用いたものが最も有力と見られ、その実施例として
液晶パネルに光導電性膜を導入した２次元光情報処理装
置が知られている（R.A.Athale et al,Optical Eng.,1
8,513（1979））。 〔発明が解決しようとする問題点〕 第15図に前記Athaleらによる従来例の光情報処理装置
の光論理素子の構成図を示す。実際にはこれらが２次元
的に連なって２次元アレーとなっており、液晶層は結合
して連続している。 この光論理素子の構造は透明電極1510、1520、1530と
光伝導性膜1540、透明膜1550、液晶相1560とより成り、
その動作は例えば偏光板と液晶とを適当に組み合わせる
様にして、液晶層1560に電圧が十分印加された時に該液
晶層に入射した光が透過し、該電圧がしきい値以下の時
には透過しないようにすれば以下の通りである。 まず透明電極1510と1530との間に前記しきい値以上の
電圧を印加するが、若し入射光1570が無い時には光伝導
性膜1540は高抵抗状態にあり、透明電極1510と1530の間
に印加した電圧の大部分は該光伝導性膜で電圧降下し、
液晶層1560には殆んど電圧は印加されない。 従って、別の入射光1580があっても出力光1590はゼロ
レベルとなる。一方、入射光1570がある時には光伝導性
膜1540は導通状態となり、透明電極1520の電位は透明電
極1510の電位と同じになり、液晶層1560には前記しきい
値以上の電圧が印加されることになって、別の入射光15
80があると出力光1590があることになる。 また以上の動作は偏光板の配置を変更することにより
容易に逆転することができて、入射光1570がある時に出
力光1590が無くなる様にもできる。 以上の動作を利用すれば、例えば入射光1570と1580と
があった時にのみ出力光1590がある様にできて、これは
２つの入射光の論理積（AND）をとったことになり、ま
た、前記偏光板の配置を変えることで反転論理（NOT）
を得ることなどができる。 しかしながら、この従来例の光論理素子では、多くの
制約条件があり、自由度の高い、しかも信頼性のある２
次元光情報装置を得ることには困難があった。以下にそ
の問題点を列記する。 先に世古によるパターンマッチングの構成で示した様
に何層かの２次元光情報処理装置を直列的に配置して使
用するのが一般的なシステムとなるが、この時、各層か
らの光出力は透過して来た層の数によって異なった減衰
を受ける。この為、出力光が様々なレベルとなり、誤動
作を生ずる可能性が大きくなる。 論理積は２入力以下しかできない。 論理和（OR）は光導電性膜を用いること無く全て透明
膜とすれば達成できるが、光出力のレベルが多数になっ
てしまい、と同様に誤動作を起す可能性がある。 反転論理は既に述べた様に偏光板の配置により得られ
るが、実際上、一枚の液晶パネル内に多数の第15図に示
した光論理素子を配した構成に於いては、例えば論理積
と反転論理とを共存させるには論理素子毎に偏光板をモ
ザイク状に貼り分ける必要が生じ、これを高密度の光論
理素子に対して行なうことは困難である。で述べた様な多層の配置では光伝導体膜のある部
分は不透明であり、層が進むにつれて光の入力可能部分
が減少し、高集積化の妨げとなる。 本発明は、このような従来の光情報処理装置のかかえ
る問題点を解決すること、すなわち誤動作を起こすこと
なく、３入力以上の論理積も可能にし、高密度の集積化
も可能にすることを目的とする。 〔問題点を解決するための手段〕 本発明による光シャッター情報処理装置は、上記の目
的を達成するため、入射光束によって動作する受光・駆
動回路と該受光・駆動回路によって制御される光シャッ
ターとから成る構成を２組有し、一方の入射光束と他方
の入射光束は強度関係が互いに相補関係にあり、該２つ
の光シャッターで制御される光束の出力の強度関係が互
いに相補関係にあるように構成したものである。 また、２つの入射光束によって動作する受光・駆動回
路と、該受光・駆動回路によって制御される２つの光シ
ャッターとから成り、該２つの入射光束は強度関係が互
いに相補関係にあり、該２つの光シャッターで制御され
る光束の出力の強度関係が互いに相補関係にあるように
構成してもよい。 このように構成することにより、出力光のレベル変化
に対する論理素子の誤動作を防ぐことができる。 また、複数の入射光を受けて上記受光・駆動回路が動
作し、論理積（AND），論理和（OR），反転（NOT）等の
論理操作をした結果の駆動電圧を光シャッターに出力す
ることにより、光シャッターによる出力光の制御を行な
うことができる。 その場合の入射光の数、すなわち論理操作の入力数に
は制限が無く、しかも出力光の強度レベルは論理操作の
種類によって大きく変わることは無い。また、偏光板を
モザイク状に貼り分けることなく反転論理を生成するこ
とができ、高密度の集積化も可能になる。 〔実施例〕 本発明における実施例を図面を追って説明する。第１
図は相補的な光入力を用いた本発明の要素素子の構成を
示すもので、透明基板上に形成された薄膜光起電圧素子
117、113、116、110と放電用抵抗114、111から成る受光
・駆動回路と光シャッター121、120で構成されている。 尚、本発明で、要素素子を図示する時には第１図に示
すように、受光・駆動回路をD/Rとし、光シャッターをO
Sとしてそれぞれを枠で囲み結線して示し、更にこれに
対する相補信号を発生する要素素子をそれぞれ▲
▼、▲▼で示す。薄膜光起電圧素子は光シャッター
（ここでは液晶素子を用いる）を駆動するのに十分な電
圧を発生するためには、複数個直列接続を必要とする場
合が多い。 薄膜光起電圧素子はホトダイオード等でよく知られて
いるが、この場合は入射光束より小受光面積のホトダイ
オードを平面的に接続するか、入射光束程度の面積の薄
膜ホトダイオードを厚さ方向に集積することによって構
成される。光シャッターとして用いる液晶素子121、120
は電圧が加えられた時に通過させる種類と電圧が加えら
れた時に光を遮断する種類とが液晶材料や駆動方式、ま
たは液晶電極の片側または上下両側に配置する偏光板の
偏光方向の使いわけによって実現することができる。 ここでは、説明の混乱を起さないために、特にことわ
らない限り、液晶はツイステッド・ネマチック型で液晶
電極の上下両側に配置する偏光板の偏光方向は互いに平
行であるものを用い、電圧が加えられた時に光を通過さ
せる種類の液晶素子であるとする。第16図では、この様
な液晶素子の代表的な特性を示したが、横軸は上下の液
晶電極に印加した電圧、縦軸は液晶素子を透過してくる
光の強度を入射光強度で規格化して透過率としたもので
ある。液晶素子の特性は曲線1610で示され、特徴として
は透過率は印加電圧の絶対値が等しい時には印加電圧の
正負によらず等しいことと、あるしきい値電圧±VTより
大きな絶対値の電圧を印加すると急激に透過率が増大
し、ある一定値で飽和することとが挙げられる。 以下、第１図における動作を説明する。光入力はｈν
ｉ、▲▼の２種類を用いる。ｈνｉの方が▲
▼より強い時は、光起電圧素子110の出力が、光起電
圧素子116の出力よりも優勢となり、液晶素子120には正
の電圧が印加される。 尚、電圧の極性は液晶素子120の下側の電極を基準に
して、上側の電極の電位を言うものとし、今後特にこと
わらない限り同様の扱いを他の液晶素子についても適用
するものとする。 この様に見ると光起電圧素子117と113に関しては光起
電圧素子117の出力の方が優勢となり液晶素子121にはゼ
ロに近い負の電圧が印加される。従って、第16図＋VTよ
りも高い電圧が液晶素子120に、また−VT〜０の間の電
圧が液晶素子121に印加される様、光起電圧素子110、11
6と液晶素子120、121が設計してあれば液晶素子120、12
1の通過する光束の強度関係は相補的になる。光入力ｈ
νｉが▲▼よりも弱い場合は前期動作関係が逆と
なり、光シャッターの光束制御モードも逆となる。 尚、第16図に示した通り、液晶素子は電圧の絶対値に
依存することから、例えば光起電圧素子110と116の全て
のダイオードの方向を逆転しても構わない。 また、電荷放電用抵抗111、114を省略した場合は、光
起電圧素子のリーク電流が小さい場合には、光入力がパ
ルス状の場合でも、パルス入力より長い時間にわたって
動作させることができる。 第２図は電解効果トランジスタ212と215Eを用いて光
シャッターを制御する場合の実施例で第２図では電解効
果トランジスタはｎチャンネルエンハンスメント型が仮
定されている。光入力ｈνｉが▲▼より強い時
は、光起電圧素子210および217の出力よりも光起電圧素
子216および213の出力が優勢のため、電界効果トランジ
スタ212は遮断状態、電界効果トランジスタ215Eは導通
状態となる。このため、光シャッター220にはゼロバイ
アスが印加され、光シャッター221にはVCCの電圧が印加
される。このようにして、光シャッター220と221は相補
的に光束を制御することができる。 一方光入力▲▼がｈνｉより強い場合は、電解
効果トランジスタ212が導通状態となり、電解効果トラ
ンジスタ215Eが遮断状態となるので、光シャッター220
はVCCにバイアスされる。 次に本発明のもう１つの実施例で、２つ以上の入射光
束を受けてこれによって動作する受光・駆動回路と受光
・駆動回路によって制御される光シャッターとから成
り、前記２つ以上の入射光束の有する情報を論理操作し
た結果得られる駆動電圧で光シャッターを制御する情報
処理装置について述べる。 第３図はAND機能をもたせた素子構成で、光入力がｈ
ν1、ｈν2、ｈν3の３入力の場合である。 直列接続した光起電圧素子であるホトダイオードアレ
ー311、312、313の何れにも入射光がある場合には、液
晶素子320に印加される電圧はホトダイオードアレー31
1、312、313の起電力の和の正の電圧VAとなるが、何れ
か１つでも入射光がない場合は光の入射したホトダイオ
ードアレーのみの起電力の和のVAよりも小さな正の電圧
VBとなる。 ここで液晶素子320の特性を第16図とすると、液晶素
子のしきい値電圧VTに対してVA＞VT＞VBとなるようにホ
トダイオードアレー311、312、313と液晶素子320が設計
してあれば３入力の入射光全ての入射があった時のみ、
液晶素子320は光シャッターとしてONすることになる。
すなわち第３図の構成は光の入出力に於いて３入力のAN
D機能を有している。 尚、ホトダイオードアレー311、312、313のダイオー
ドの方向を全て逆転しても全く同等のAND機能を示す。3
14、315、316は放電用とホトダイオードのハイインピー
ダンス時の不安定性除去用の抵抗である。 第４図は３入力OR回路の実施例である。光起電圧素子
であるホトダイオードアレー411、412、413は、並列に
接続されており、いずれか１つのホトダイオードアレー
に入射光があれば液晶素子420には光の入射したホトダ
イオードアレーの起電圧である正の電圧が印加される。 一方、何れのホトダイオードアレーにも入射光がない
場合には液晶素子420はゼロにバイアスされる。 従って、ホトダイオードアレーの起電圧を第16図のVT
よりも大きくしておけば第４図の構成は３入力OR機能を
有していることになる。 尚、414は電荷放電用抵抗、415は並列のホトダイオー
ドアレー411、412、413の短絡電流防止用のダイオード
である。ホトダイオードアレー411、412、413とダイオ
ード415の方向を全て逆転しても全く同等のOR機能を有
することはこれ迄にも述べた通りである。 第５図は、NOT回路の実施例である。第５図（ａ）に
おいて512はｎチャンネルエンハンスメント型電界効果
トランジスタであり、513はｎチャンネルデプレッショ
ン型電界効果トランジスタである。各々のトランジスタ
のゲート・ソース間に接続された抵抗514、515は電荷放
電用抵抗である。ホトダイオード510は電解効果トラン
ジスタ512のしきい値電圧以上の電圧を発生するように
複数個直列に接続されている。ホトダイオード511はデ
プレッション型電解効果トランジスタ513のしきい値電
圧以下の電圧を発生するように複数個直列に接続されて
いる。 入射光が、光起電圧素子であるホトダイオード510お
よび511に照射されると電界効果トランジスタ512がオン
状態となり、電界効果トランジスタ513がオフ状態とな
るので液晶素子520にはゼロバイアスが印加される。入
射光がオフになると、ホトダイオード510に蓄積された
電荷は放電用抵抗514により放電され、電界効果トラン
ジスタ512のゲート、ソース間はゼロボルトに近づき、
電界効果トランジスタ512は遮断される。一方、電界効
果トランジスタ513のゲート、ソース間電圧は負電圧か
らゼロバイアス状態に戻るので電界効果トランジスタ51
3は導通する。このため、液晶素子520には電源電圧VCC
が印加される。 第５図（ｂ）は、Ｐチャンネルエンハンスメント型電
界効果トランジスタ532とＰチャンネルデプレッション
型電界効果トランジスタ533を用い、ホトダイオードの
向きを第５図（ａ）と逆にした場合のNOT回路実施例で
あるが、動作は第５図（ａ）と同様である。 第５図（ｃ）は、ｎチャンネルエンハンスメント型電
界効果トランジスタ552とＰチャンネルエンハンスメン
ト型電界効果トランジスタ553のゲートを共通としたCMO
S構造を用いた場合のNOT回路実施例である。ホトダイオ
ード550は、ｎチャンネルエンハンスメント型電界効果
トランジスタ552のしきい値以上の電圧を発生するよう
に複数個直列に接続されている。動作は第５図（ａ）、
（ｂ）と同様である。 第５図（ｄ）は、電界効果トランジスタを用いない場
合のNOT回路実施例である。ホトダイオード570は液晶素
子580を駆動して光シャッターをONするに十分な電圧を
発生する様に複数個直列に接続され、常時参照光ｈν
refが入射している。光入力ｈνｉの強度がｈνrefより
強い場合はホトダイオード571の出力がホトダイオード5
70の出力よりも優勢となり、液晶素子580にはゼロに近
い負の電圧が印加され、ｈνrefの方がｈνｉよりも強
い時はホトダイオード570の出力が優勢となり液晶素子5
80には、正の電圧が印加される。 また、第６図は第５図（ａ）においてホトダイオード
を複数アレー直列接続してNAND（NOT−AND）回路とした
ものである。第７図は、第５図（ａ）のホトダイオード
を複数アレー並列接続してNOR（NOT−OR）回路としたも
のである。同様にして第５図（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）も
ホトダイオードの配列によりNANDあるいはNOR回路とす
ることができる。 以上述べてきた相補型の要素素子構成と２つ以上の入
射光束の有する情報の論理操作とを直接に結びつけるこ
とも可能であり、以下にその実施例を示す。第８図は第
１図のホトダイオードアレーを複数アレー直列接続して
それぞれに独立な複数本の光束を入射して、AND機能を
もたせたものである。 ここでは２組の相補的な入力光（ｈν1、▲
▼）と（ｈν2、▲▼）を用いるもので、ｈν1の
方が▲▼より強く、ｈν2▲▼より強い時
ホトダイオード810、811の合成出力がホトダイオード81
4の出力よりも優勢となり、液晶素子820には正の電圧が
印加される。逆に、ホトダイオード812、813の合成出力
とホトダイオード815の出力に関してはホトダイオード8
15の出力の方が優勢となり、液晶素子821にはゼロに近
い負の電圧が印加される。従って、液晶素子820、821を
通過する光束の強度関係は相補的となる。 一方、▲▼の方がｈν1より強く、▲▼
もｈν2より強い時は、前記動作関係が逆となり、液晶
素子820にはゼロに近い負の電圧が印加され、821に正の
電圧が印加される。また、ｈν1、ｈν2どちらかが▲
▼、▲▼より強い場合、液晶素子820はほぼ
ゼロバイアス、821は正の電圧がバイアスされ、液晶素
子の光束制御モードは相補的となる。 第９図は２組の相補的な入力光を用い、OR機能を持た
せたものである。ｈν1の方が▲▼より強いか、
またはｈν2の方が▲▼より強い場合、ホトダイ
オード910、911の合成出力がホトダイオード914の出力
よりも優勢となり、液晶素子920には正の電圧が印加さ
れる。この時、ホトダイオード912と913の合成出力と91
5の出力との関係においては、ホトダイオード915の出力
が優勢となり、液晶素子921はほぼゼロバイアスされる
ので、液晶素子920、921を通過する光束の強度関係は相
補的となる。 また、ｈν1が▲▼より弱く、ｈν2も▲
▼より弱い場合は前記動作関係が逆となり、液晶素子92
0はほぼゼロバイアス、液晶素子921には正の電圧が印加
される。 上記実施例では、液晶電極の上下に配置する偏光板の
偏光方向は互いに平行なものとして説明したが、互いに
垂直な偏光方向を持つ偏光板を用いても動作する。この
場合、液晶素子の動作モードは互いに平行な偏光方向を
持つ偏光板を用いた場合と逆になるのは自明である。従
って、互いに垂直な偏光方向を持つ偏光板を用いた場
合、第３図の実施例ではNAND機能を持つようになり、第
４図ではNORとなる。 第５図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）において、垂直方向偏
光板を用いる場合は液晶素子の対向電極に、コモン電位
ではなく、VCC電位を与えておけば、いずれもNOTとして
動作する。第５図（ｄ）で垂直方向偏光板を用いる場合
はホトダイオード570と571の段数（個数）を逆転させ、
ホトダイオード571にホトダイオードを複数個直列接続
したものを配置すればNOTとして作用するが、もっと単
純には参照光ｈνrefおよびホトダイオード570を用いず
に、ホトダイオード571、放電用抵抗572および垂直偏光
板を配置した液晶素子580のみ組合せでNOTを構成するこ
とが可能である。 また、上記実施例ではVCCは直流電源として説明した
が、第２図、第５図（ａ）、（ｂ）においてはVCCを交
流電源としても動作する。また第１図でｈνｉ、▲
▼を相補的なパルス光入力とし、光起電圧素子113、1
17および110、116を同一個数とすれば光スイッチは交流
駆動される。 また、上記実施例のANDおよびOR回路では２入力ある
いは３入力の場合について説明したが、４入力以上でも
同様のアナロジーで実現できるのは明らかである。 本発明の要素素子を用いて情報処理を行う場合の実施
例を第10図に示す。第10図は第３図に示したようなAND
機能を有する要素素子と第７図に示したようなNOR機能
を有する要素素子とからなる第１の情報処理層であるＡ
層と、NOR機能を有する要素素子のみからなる第２の情
報処理層であるＢ層とを、入射光束の進行方向に並べて
配設して構成した２入力排他論理和（EXOR）回路を示し
たものである。 入力光はｈν1、ｈν2の２種類を用い、各光シャッタ
ーにはｈν なる光束が入射しており、Ｂ層の受光・駆
動回路（NOR）への入射光束はＡ層の光シャッター（O
S）によって制御される。そして、この例では、ｈν1、
ｈν2の光学的信号レベルがともに等しい場合のみ出力
光ｈνoutはゼロ、その他の場合ｈνoutは透過光が得ら
れる。 第10図においてＡ層を構成するANDおよびNORは液晶素
子に用いる液晶および偏光板は同一種類のものであるか
ら、同じパネル内に組込むことができる。従って、本発
明におけるEXOR回路はＡおよびＢの２枚のパネルで構成
可能であるという特徴をもつ。 第11図は、それぞれ第５図に示したNOT機能を有する
２組の要素素子からなる第1,第３の情報処理層であるＡ
層とＣ層の間に、第３図に示したAND機能を有する２組
の要素素子からなる第２の情報処理層であるＢ層を挟ん
で、これらの各層を入射光束の進行方向に並べて配設し
て構成したフリップフロップを示したものである。光シ
ャッターにはそれぞれｈνなる光束が入射するが、Ａ層
側から入射する光束のみならず、前記光束とは逆のＣ層
側から入射する光束も用いることにより、光信号のフィ
ードバックを行っている。 第12図（ａ）、（ｂ）は第３図に於いて示した３入力
AND回路を実際の素子として作成した場合の平面図とそ
のＡ−Ｂ断面図である。 第12図では光シャッターとして液晶素子を用い、放電
用抵抗としてP+層又はn+層の水素化アモルファスシリコ
ン（ａ−si:H）の薄膜抵抗を用い、光起電圧素子として
pinのａ−si:Hからなるホトダイオードを用いている。
電極としてはSnO2およびITOを用いており、SnO2は配線
にも用いられる。 第13図は第12図のような構造を得るための製造プロセ
スの一例を示したフローチャートである。ここに示した
工程の多くは、能動素子型液晶パネルを作成する技術
（例えば、S.Togasi et al.,Proc.of the Soc for Info
rmation Display,26,9（1985））として確立されたもの
であり、例えば対角４インチ程度の矩形領域内に10万以
上のダイオードを作り込んで、これを液晶パネルとする
ことは容易に達成しうるものである。 また、これまで光シャッターOSとして液晶を前提とし
て説明して来たが、これは液晶シャッターが比較的低電
圧で駆動するのでホトダイオードとの組合せが行ないや
すいためであった、しかし乍ら、液晶素子はその反応速
度が遅く、しかも液体を用いるための不安定要素をも内
包している。 この意味から、駆動電圧は若干高くはなるが、応答性
や全固体性での利点を有する強誘電体や超音波偏光素子
等を用いることもできる。例えば、表示装置用として開
発されているPLZT（Lanthanum doped Zirconate−Titan
ate）の構造（例えばH.Franklin,Conference record of
the1985 Internatinal Display Research Con−ferenc
e,P.37（1985））をそのまま第１図〜第11図の液晶素子
に置き換えるだけで同等の機能を具現できるものであ
る。 また、液晶素子としても近年応答性の速い強誘電性液
晶の開発が進んでおり、μｓオーダーの光シャッターが
液晶で実現できるようになったので、これを用いれば、
より高速の論理操作を行なうことができる。 さて、本発明の要素素子を用いて情報処理を行う場
合、第10図、第11図に示したように、多段にわたって入
射光束の情報を論理操作する必要がありうる。その場
合、入射光強度の減衰が起きて後段の論理操作になる
程、光の強度が弱くなってしまったり、また受光・駆動
回路部で入射光が吸収されると、その領域はこれより後
段の論理操作の平面内で使用不能な領域となり、素子配
列に対する制約が多くなったり素子密度が上げにくくな
る等の問題を生じることになる。 この様な問題を解決するため、本発明では第14図に示
すような光補給を行なう。まず、既に述べてきた様な種
々の論理機能を有する様な受光・駆動回路1411と光シャ
ッター1412の組み合わせを有する第１の情報処理層であ
る第１のパネル1410とやはり同様の第２の情報処理層で
ある第２のパネル1420とを重ね、その間に２次元光導波
路すなわち平面導光板1430を挿入する。 そして、平面導光板1430には側面から補給光1434を導
入し、該導光板の第２のパネル1420側の面に設けた光取
出部1435より補給光1434の一部を取り出し、これを第２
のパネル1420に部分補給光1437として導入する。 ここで、光取出の方法としては光取出部1435をグレー
ティング構造の様に物理的形状を加工してもよいし、ま
たは、該光取出部の屈折率を平面導光板1430のバルクの
屈折率よりも大きくして光ファイバーの光閉込めと逆の
ことを行なってもよい。 また、取出した光の整形などのために必要に応じて平
面導光板1430と第２のパネル1420との間には微小光学レ
ンズ等を挿入する。 さて、この様な構成の第14図では、受光・駆動回路14
11、1421、光シャッター1412、1422、光取出部1435を相
互に以下の様に配置することにより、効率の良いシステ
ムを得ることができる。すなわち、第１のパネルの受光
・駆動回路1411に入射した光1416はここで吸収され第２
のパネルには届かない。また第１のパネルの光シャッタ
ー1412は入射光1417を変調し、その信号は第２のパネル
の受光・駆動回路1421に入射する。 さて、こうして見ると第１のパネルの受光・駆動回路
部1411の上の第２のパネル1420の領域は入射光が無く使
用不能のデッド・スペースとなる。 従って、光取出部1435はこの様な第１のパネルの受光
・駆動回路部1411の直上に設けるものとする。この結
果、第14図に示した様に第２のパネルの光シャッター14
22を前記デッド・スペースを利用して設けることができ
て、システム設計上大きな利点が生じる。 又、光を取り出す方向は第１のパネル1410の方向でも
よいし、第２のパネル1420の方向でもよい。後者の場合
は第１のパネルの光シャッター部直上に光取出部を設け
ると好都合であり、第11図に示されたフィードバック演
算のための光束として用いることができる。 〔発明の効果〕 本発明の情報処理装置では、従来知られている様なAt
haleらによる情報処理装置の有する多くの欠点を全て解
決するものである。すなわち、相補形の光入力での情報
処理を行なうことにより、入射光レベルの様々な変動に
よる誤った論理動作の可能性を大幅に改善でき、また各
種の論理動作を殆んど制限無しに行なうことができる。 具体的には従来例ではANDは２入力までしか対応でき
ずORは出力レベルが定まらず、NOT、NORは偏光板の貼り
かえを伴うため高密度の論理配置とするにはANDやORと
同一パネル内には作り込めず、またNANDはNOTとANDの２
つのパネルを組み合わせなければできないし、更にまた
相補型入力での論理操作も行なえない。 これに対し、本発明による情報処理装置では、これら
の制約の何れにも存在せず、結果的に非常に柔軟性の高
い、しかも信頼性の高い論理システムを構成することが
容易である。特に、第10図で示した様な排他的論理和を
とるシステムを考え、これを先に述べた世古によるパタ
ーンマッチングに適用することを考えると、本発明によ
る情報処理装置ではANDとNORを同一パネルに作って入力
画像と参照画像を同時に入力することができるが、従来
例の情報処理装置では、ANDとNORを別パネルとして構成
せざるを得ず、更に画像入力のための光学系も複雑とな
り、本発明の利点は非常に大きい。 さらに、各基板の光シャッターは、入射光束のみでな
くあらかじめ、電気入力によっても制御しておくことが
でき、電気および光によるハイブリッド型情報処理も可
能となる。 また、本発明による光の補給によって、多段階の論理
演算を三次元的な積層で容易に行なえ、かつ、光の供給
のできないデッドスペースが無くなるので論理素子の配
置に関しての制約条件が大幅に緩和されて、高密度な論
理回路を組むことができる。
情報処理ないしは、論理演算処理装置に関するものであ
る。 〔従来の技術〕 光を用いた情報処理はホログラフィーの発明に端を発
する光アナログ並列処理がまず実用化の域に達した。こ
れらは主として生産ライン等での画像情報処理に用いら
れるようになったが、応用対象毎に複雑な光学系を要す
る等の制約が大きく、一方で固体撮像素子による画像入
力とコンピューターによる画像処理の組み合わせがデバ
イス技術の進歩等によって飛躍的に進んだこともあり、
次第にその役割は減少してきている。更にまた、アナロ
グ処理特有の精度の限界の問題があり、コンピューター
に代表される電子技術の蓄積を利用するという立場から
も、光情報処理の関心はディジタル処理へと移ったと言
える。 さて、光情報処理が基本的に追求する機能は従来の電
子回路に比べた場合の高速性であり、また光を用いるこ
とにより期待される最大の利点は電磁誘導雑音の除去で
ある。光ディジタル情報処理もこの様な基本的な立場の
上で、研究が進められているが、その流れとして、時系
列処理と並列処理とに大別することができる。 このうち、光ディジタル時系列処理とは、従来の集積
回路を用いた電子回路でのトランジスタに代表されるス
イッチング素子を超高速の光シャッターに置き換え、駆
動の媒体も電子から光子に置き換えようとするもので、
従来の電子回路のアーキテクチャーをそのまま継承して
高速演算を実現せんとするものである。この様な目的で
用いられる光シャッターの例としてはE.Abrahamらによ
る非線型光応答屈折率を有する結晶をFabry−Perot干渉
計に適用したものがあり、10-12S程度のスイッチング速
度を実現している（Ｅ。Abraham et al。、Scientific
American,Feb.63（1983））。 一方、光ディジタル並列処理は画像入力の様な同時多
入力の光情報の高速処理や通常のコンピューターで行な
う演算を並列的に行なうことにより高速化することをね
らうものである。この場合は前記時系列処理の場合の光
シャッターの速度に対応するのが、光シャッターの速度
を並列処理の数で割ったものになり、必ずしも超高速の
光シャッターを用いる必要は無く、光シャッターの高集
積性や論理演算系の構成のしやすさが非常に需要な要素
となる。特に、画像入力を処理する様な場合には受光
系、光シャッター等の数が通常のディスプレーに於ける
画素数に当り、画像の分解能を決めることになることか
ら、むしろ光シャッター等の高集積化の方が重要になり
うるものである。 かかる並列処理の一つの応用として世古による並列デ
ィジタル演算の提案がある（世古淳也、応用物理、53、
409（1984））。ここでは、入力画像と参照画像とのパ
ターンマッチングを評価する目的で、両画像の排他的論
理和をとって光出力するが、この排他的論理和を作る構
成として、入力画像、参照画像のそれぞれを光分岐によ
り２つの同一像に分け、その一方を反転して入力画の反
転像と参照画の反転像を形成し、それぞれを先に光分岐
で分けて作った残りの参照画像、入力画像と結合するこ
とでその論理積をとり、最後にこの２つの論理積の出力
を結合してその論理和をとることで、前記の排他的論理
和の光出力を得るものである。 そして、この反転、論理積、論理和の各段階は、これ
らの機能を有する光論理素子を２次元アレー状に配した
２次元光情報処理装置を用いて実現されるもので、全体
としてはこれらを直列的に配置することで構成される。 該２次元光情報処理装置としては光ファイバーを集積
したもの（A.Seko et al,Applied Optics,18,2052（197
9））などがあるが、集積化や製造の容易性の点から液
晶を用いたものが最も有力と見られ、その実施例として
液晶パネルに光導電性膜を導入した２次元光情報処理装
置が知られている（R.A.Athale et al,Optical Eng.,1
8,513（1979））。 〔発明が解決しようとする問題点〕 第15図に前記Athaleらによる従来例の光情報処理装置
の光論理素子の構成図を示す。実際にはこれらが２次元
的に連なって２次元アレーとなっており、液晶層は結合
して連続している。 この光論理素子の構造は透明電極1510、1520、1530と
光伝導性膜1540、透明膜1550、液晶相1560とより成り、
その動作は例えば偏光板と液晶とを適当に組み合わせる
様にして、液晶層1560に電圧が十分印加された時に該液
晶層に入射した光が透過し、該電圧がしきい値以下の時
には透過しないようにすれば以下の通りである。 まず透明電極1510と1530との間に前記しきい値以上の
電圧を印加するが、若し入射光1570が無い時には光伝導
性膜1540は高抵抗状態にあり、透明電極1510と1530の間
に印加した電圧の大部分は該光伝導性膜で電圧降下し、
液晶層1560には殆んど電圧は印加されない。 従って、別の入射光1580があっても出力光1590はゼロ
レベルとなる。一方、入射光1570がある時には光伝導性
膜1540は導通状態となり、透明電極1520の電位は透明電
極1510の電位と同じになり、液晶層1560には前記しきい
値以上の電圧が印加されることになって、別の入射光15
80があると出力光1590があることになる。 また以上の動作は偏光板の配置を変更することにより
容易に逆転することができて、入射光1570がある時に出
力光1590が無くなる様にもできる。 以上の動作を利用すれば、例えば入射光1570と1580と
があった時にのみ出力光1590がある様にできて、これは
２つの入射光の論理積（AND）をとったことになり、ま
た、前記偏光板の配置を変えることで反転論理（NOT）
を得ることなどができる。 しかしながら、この従来例の光論理素子では、多くの
制約条件があり、自由度の高い、しかも信頼性のある２
次元光情報装置を得ることには困難があった。以下にそ
の問題点を列記する。 先に世古によるパターンマッチングの構成で示した様
に何層かの２次元光情報処理装置を直列的に配置して使
用するのが一般的なシステムとなるが、この時、各層か
らの光出力は透過して来た層の数によって異なった減衰
を受ける。この為、出力光が様々なレベルとなり、誤動
作を生ずる可能性が大きくなる。 論理積は２入力以下しかできない。 論理和（OR）は光導電性膜を用いること無く全て透明
膜とすれば達成できるが、光出力のレベルが多数になっ
てしまい、と同様に誤動作を起す可能性がある。 反転論理は既に述べた様に偏光板の配置により得られ
るが、実際上、一枚の液晶パネル内に多数の第15図に示
した光論理素子を配した構成に於いては、例えば論理積
と反転論理とを共存させるには論理素子毎に偏光板をモ
ザイク状に貼り分ける必要が生じ、これを高密度の光論
理素子に対して行なうことは困難である。で述べた様な多層の配置では光伝導体膜のある部
分は不透明であり、層が進むにつれて光の入力可能部分
が減少し、高集積化の妨げとなる。 本発明は、このような従来の光情報処理装置のかかえ
る問題点を解決すること、すなわち誤動作を起こすこと
なく、３入力以上の論理積も可能にし、高密度の集積化
も可能にすることを目的とする。 〔問題点を解決するための手段〕 本発明による光シャッター情報処理装置は、上記の目
的を達成するため、入射光束によって動作する受光・駆
動回路と該受光・駆動回路によって制御される光シャッ
ターとから成る構成を２組有し、一方の入射光束と他方
の入射光束は強度関係が互いに相補関係にあり、該２つ
の光シャッターで制御される光束の出力の強度関係が互
いに相補関係にあるように構成したものである。 また、２つの入射光束によって動作する受光・駆動回
路と、該受光・駆動回路によって制御される２つの光シ
ャッターとから成り、該２つの入射光束は強度関係が互
いに相補関係にあり、該２つの光シャッターで制御され
る光束の出力の強度関係が互いに相補関係にあるように
構成してもよい。 このように構成することにより、出力光のレベル変化
に対する論理素子の誤動作を防ぐことができる。 また、複数の入射光を受けて上記受光・駆動回路が動
作し、論理積（AND），論理和（OR），反転（NOT）等の
論理操作をした結果の駆動電圧を光シャッターに出力す
ることにより、光シャッターによる出力光の制御を行な
うことができる。 その場合の入射光の数、すなわち論理操作の入力数に
は制限が無く、しかも出力光の強度レベルは論理操作の
種類によって大きく変わることは無い。また、偏光板を
モザイク状に貼り分けることなく反転論理を生成するこ
とができ、高密度の集積化も可能になる。 〔実施例〕 本発明における実施例を図面を追って説明する。第１
図は相補的な光入力を用いた本発明の要素素子の構成を
示すもので、透明基板上に形成された薄膜光起電圧素子
117、113、116、110と放電用抵抗114、111から成る受光
・駆動回路と光シャッター121、120で構成されている。 尚、本発明で、要素素子を図示する時には第１図に示
すように、受光・駆動回路をD/Rとし、光シャッターをO
Sとしてそれぞれを枠で囲み結線して示し、更にこれに
対する相補信号を発生する要素素子をそれぞれ▲
▼、▲▼で示す。薄膜光起電圧素子は光シャッター
（ここでは液晶素子を用いる）を駆動するのに十分な電
圧を発生するためには、複数個直列接続を必要とする場
合が多い。 薄膜光起電圧素子はホトダイオード等でよく知られて
いるが、この場合は入射光束より小受光面積のホトダイ
オードを平面的に接続するか、入射光束程度の面積の薄
膜ホトダイオードを厚さ方向に集積することによって構
成される。光シャッターとして用いる液晶素子121、120
は電圧が加えられた時に通過させる種類と電圧が加えら
れた時に光を遮断する種類とが液晶材料や駆動方式、ま
たは液晶電極の片側または上下両側に配置する偏光板の
偏光方向の使いわけによって実現することができる。 ここでは、説明の混乱を起さないために、特にことわ
らない限り、液晶はツイステッド・ネマチック型で液晶
電極の上下両側に配置する偏光板の偏光方向は互いに平
行であるものを用い、電圧が加えられた時に光を通過さ
せる種類の液晶素子であるとする。第16図では、この様
な液晶素子の代表的な特性を示したが、横軸は上下の液
晶電極に印加した電圧、縦軸は液晶素子を透過してくる
光の強度を入射光強度で規格化して透過率としたもので
ある。液晶素子の特性は曲線1610で示され、特徴として
は透過率は印加電圧の絶対値が等しい時には印加電圧の
正負によらず等しいことと、あるしきい値電圧±VTより
大きな絶対値の電圧を印加すると急激に透過率が増大
し、ある一定値で飽和することとが挙げられる。 以下、第１図における動作を説明する。光入力はｈν
ｉ、▲▼の２種類を用いる。ｈνｉの方が▲
▼より強い時は、光起電圧素子110の出力が、光起電
圧素子116の出力よりも優勢となり、液晶素子120には正
の電圧が印加される。 尚、電圧の極性は液晶素子120の下側の電極を基準に
して、上側の電極の電位を言うものとし、今後特にこと
わらない限り同様の扱いを他の液晶素子についても適用
するものとする。 この様に見ると光起電圧素子117と113に関しては光起
電圧素子117の出力の方が優勢となり液晶素子121にはゼ
ロに近い負の電圧が印加される。従って、第16図＋VTよ
りも高い電圧が液晶素子120に、また−VT〜０の間の電
圧が液晶素子121に印加される様、光起電圧素子110、11
6と液晶素子120、121が設計してあれば液晶素子120、12
1の通過する光束の強度関係は相補的になる。光入力ｈ
νｉが▲▼よりも弱い場合は前期動作関係が逆と
なり、光シャッターの光束制御モードも逆となる。 尚、第16図に示した通り、液晶素子は電圧の絶対値に
依存することから、例えば光起電圧素子110と116の全て
のダイオードの方向を逆転しても構わない。 また、電荷放電用抵抗111、114を省略した場合は、光
起電圧素子のリーク電流が小さい場合には、光入力がパ
ルス状の場合でも、パルス入力より長い時間にわたって
動作させることができる。 第２図は電解効果トランジスタ212と215Eを用いて光
シャッターを制御する場合の実施例で第２図では電解効
果トランジスタはｎチャンネルエンハンスメント型が仮
定されている。光入力ｈνｉが▲▼より強い時
は、光起電圧素子210および217の出力よりも光起電圧素
子216および213の出力が優勢のため、電界効果トランジ
スタ212は遮断状態、電界効果トランジスタ215Eは導通
状態となる。このため、光シャッター220にはゼロバイ
アスが印加され、光シャッター221にはVCCの電圧が印加
される。このようにして、光シャッター220と221は相補
的に光束を制御することができる。 一方光入力▲▼がｈνｉより強い場合は、電解
効果トランジスタ212が導通状態となり、電解効果トラ
ンジスタ215Eが遮断状態となるので、光シャッター220
はVCCにバイアスされる。 次に本発明のもう１つの実施例で、２つ以上の入射光
束を受けてこれによって動作する受光・駆動回路と受光
・駆動回路によって制御される光シャッターとから成
り、前記２つ以上の入射光束の有する情報を論理操作し
た結果得られる駆動電圧で光シャッターを制御する情報
処理装置について述べる。 第３図はAND機能をもたせた素子構成で、光入力がｈ
ν1、ｈν2、ｈν3の３入力の場合である。 直列接続した光起電圧素子であるホトダイオードアレ
ー311、312、313の何れにも入射光がある場合には、液
晶素子320に印加される電圧はホトダイオードアレー31
1、312、313の起電力の和の正の電圧VAとなるが、何れ
か１つでも入射光がない場合は光の入射したホトダイオ
ードアレーのみの起電力の和のVAよりも小さな正の電圧
VBとなる。 ここで液晶素子320の特性を第16図とすると、液晶素
子のしきい値電圧VTに対してVA＞VT＞VBとなるようにホ
トダイオードアレー311、312、313と液晶素子320が設計
してあれば３入力の入射光全ての入射があった時のみ、
液晶素子320は光シャッターとしてONすることになる。
すなわち第３図の構成は光の入出力に於いて３入力のAN
D機能を有している。 尚、ホトダイオードアレー311、312、313のダイオー
ドの方向を全て逆転しても全く同等のAND機能を示す。3
14、315、316は放電用とホトダイオードのハイインピー
ダンス時の不安定性除去用の抵抗である。 第４図は３入力OR回路の実施例である。光起電圧素子
であるホトダイオードアレー411、412、413は、並列に
接続されており、いずれか１つのホトダイオードアレー
に入射光があれば液晶素子420には光の入射したホトダ
イオードアレーの起電圧である正の電圧が印加される。 一方、何れのホトダイオードアレーにも入射光がない
場合には液晶素子420はゼロにバイアスされる。 従って、ホトダイオードアレーの起電圧を第16図のVT
よりも大きくしておけば第４図の構成は３入力OR機能を
有していることになる。 尚、414は電荷放電用抵抗、415は並列のホトダイオー
ドアレー411、412、413の短絡電流防止用のダイオード
である。ホトダイオードアレー411、412、413とダイオ
ード415の方向を全て逆転しても全く同等のOR機能を有
することはこれ迄にも述べた通りである。 第５図は、NOT回路の実施例である。第５図（ａ）に
おいて512はｎチャンネルエンハンスメント型電界効果
トランジスタであり、513はｎチャンネルデプレッショ
ン型電界効果トランジスタである。各々のトランジスタ
のゲート・ソース間に接続された抵抗514、515は電荷放
電用抵抗である。ホトダイオード510は電解効果トラン
ジスタ512のしきい値電圧以上の電圧を発生するように
複数個直列に接続されている。ホトダイオード511はデ
プレッション型電解効果トランジスタ513のしきい値電
圧以下の電圧を発生するように複数個直列に接続されて
いる。 入射光が、光起電圧素子であるホトダイオード510お
よび511に照射されると電界効果トランジスタ512がオン
状態となり、電界効果トランジスタ513がオフ状態とな
るので液晶素子520にはゼロバイアスが印加される。入
射光がオフになると、ホトダイオード510に蓄積された
電荷は放電用抵抗514により放電され、電界効果トラン
ジスタ512のゲート、ソース間はゼロボルトに近づき、
電界効果トランジスタ512は遮断される。一方、電界効
果トランジスタ513のゲート、ソース間電圧は負電圧か
らゼロバイアス状態に戻るので電界効果トランジスタ51
3は導通する。このため、液晶素子520には電源電圧VCC
が印加される。 第５図（ｂ）は、Ｐチャンネルエンハンスメント型電
界効果トランジスタ532とＰチャンネルデプレッション
型電界効果トランジスタ533を用い、ホトダイオードの
向きを第５図（ａ）と逆にした場合のNOT回路実施例で
あるが、動作は第５図（ａ）と同様である。 第５図（ｃ）は、ｎチャンネルエンハンスメント型電
界効果トランジスタ552とＰチャンネルエンハンスメン
ト型電界効果トランジスタ553のゲートを共通としたCMO
S構造を用いた場合のNOT回路実施例である。ホトダイオ
ード550は、ｎチャンネルエンハンスメント型電界効果
トランジスタ552のしきい値以上の電圧を発生するよう
に複数個直列に接続されている。動作は第５図（ａ）、
（ｂ）と同様である。 第５図（ｄ）は、電界効果トランジスタを用いない場
合のNOT回路実施例である。ホトダイオード570は液晶素
子580を駆動して光シャッターをONするに十分な電圧を
発生する様に複数個直列に接続され、常時参照光ｈν
refが入射している。光入力ｈνｉの強度がｈνrefより
強い場合はホトダイオード571の出力がホトダイオード5
70の出力よりも優勢となり、液晶素子580にはゼロに近
い負の電圧が印加され、ｈνrefの方がｈνｉよりも強
い時はホトダイオード570の出力が優勢となり液晶素子5
80には、正の電圧が印加される。 また、第６図は第５図（ａ）においてホトダイオード
を複数アレー直列接続してNAND（NOT−AND）回路とした
ものである。第７図は、第５図（ａ）のホトダイオード
を複数アレー並列接続してNOR（NOT−OR）回路としたも
のである。同様にして第５図（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）も
ホトダイオードの配列によりNANDあるいはNOR回路とす
ることができる。 以上述べてきた相補型の要素素子構成と２つ以上の入
射光束の有する情報の論理操作とを直接に結びつけるこ
とも可能であり、以下にその実施例を示す。第８図は第
１図のホトダイオードアレーを複数アレー直列接続して
それぞれに独立な複数本の光束を入射して、AND機能を
もたせたものである。 ここでは２組の相補的な入力光（ｈν1、▲
▼）と（ｈν2、▲▼）を用いるもので、ｈν1の
方が▲▼より強く、ｈν2▲▼より強い時
ホトダイオード810、811の合成出力がホトダイオード81
4の出力よりも優勢となり、液晶素子820には正の電圧が
印加される。逆に、ホトダイオード812、813の合成出力
とホトダイオード815の出力に関してはホトダイオード8
15の出力の方が優勢となり、液晶素子821にはゼロに近
い負の電圧が印加される。従って、液晶素子820、821を
通過する光束の強度関係は相補的となる。 一方、▲▼の方がｈν1より強く、▲▼
もｈν2より強い時は、前記動作関係が逆となり、液晶
素子820にはゼロに近い負の電圧が印加され、821に正の
電圧が印加される。また、ｈν1、ｈν2どちらかが▲
▼、▲▼より強い場合、液晶素子820はほぼ
ゼロバイアス、821は正の電圧がバイアスされ、液晶素
子の光束制御モードは相補的となる。 第９図は２組の相補的な入力光を用い、OR機能を持た
せたものである。ｈν1の方が▲▼より強いか、
またはｈν2の方が▲▼より強い場合、ホトダイ
オード910、911の合成出力がホトダイオード914の出力
よりも優勢となり、液晶素子920には正の電圧が印加さ
れる。この時、ホトダイオード912と913の合成出力と91
5の出力との関係においては、ホトダイオード915の出力
が優勢となり、液晶素子921はほぼゼロバイアスされる
ので、液晶素子920、921を通過する光束の強度関係は相
補的となる。 また、ｈν1が▲▼より弱く、ｈν2も▲
▼より弱い場合は前記動作関係が逆となり、液晶素子92
0はほぼゼロバイアス、液晶素子921には正の電圧が印加
される。 上記実施例では、液晶電極の上下に配置する偏光板の
偏光方向は互いに平行なものとして説明したが、互いに
垂直な偏光方向を持つ偏光板を用いても動作する。この
場合、液晶素子の動作モードは互いに平行な偏光方向を
持つ偏光板を用いた場合と逆になるのは自明である。従
って、互いに垂直な偏光方向を持つ偏光板を用いた場
合、第３図の実施例ではNAND機能を持つようになり、第
４図ではNORとなる。 第５図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）において、垂直方向偏
光板を用いる場合は液晶素子の対向電極に、コモン電位
ではなく、VCC電位を与えておけば、いずれもNOTとして
動作する。第５図（ｄ）で垂直方向偏光板を用いる場合
はホトダイオード570と571の段数（個数）を逆転させ、
ホトダイオード571にホトダイオードを複数個直列接続
したものを配置すればNOTとして作用するが、もっと単
純には参照光ｈνrefおよびホトダイオード570を用いず
に、ホトダイオード571、放電用抵抗572および垂直偏光
板を配置した液晶素子580のみ組合せでNOTを構成するこ
とが可能である。 また、上記実施例ではVCCは直流電源として説明した
が、第２図、第５図（ａ）、（ｂ）においてはVCCを交
流電源としても動作する。また第１図でｈνｉ、▲
▼を相補的なパルス光入力とし、光起電圧素子113、1
17および110、116を同一個数とすれば光スイッチは交流
駆動される。 また、上記実施例のANDおよびOR回路では２入力ある
いは３入力の場合について説明したが、４入力以上でも
同様のアナロジーで実現できるのは明らかである。 本発明の要素素子を用いて情報処理を行う場合の実施
例を第10図に示す。第10図は第３図に示したようなAND
機能を有する要素素子と第７図に示したようなNOR機能
を有する要素素子とからなる第１の情報処理層であるＡ
層と、NOR機能を有する要素素子のみからなる第２の情
報処理層であるＢ層とを、入射光束の進行方向に並べて
配設して構成した２入力排他論理和（EXOR）回路を示し
たものである。 入力光はｈν1、ｈν2の２種類を用い、各光シャッタ
ーにはｈν なる光束が入射しており、Ｂ層の受光・駆
動回路（NOR）への入射光束はＡ層の光シャッター（O
S）によって制御される。そして、この例では、ｈν1、
ｈν2の光学的信号レベルがともに等しい場合のみ出力
光ｈνoutはゼロ、その他の場合ｈνoutは透過光が得ら
れる。 第10図においてＡ層を構成するANDおよびNORは液晶素
子に用いる液晶および偏光板は同一種類のものであるか
ら、同じパネル内に組込むことができる。従って、本発
明におけるEXOR回路はＡおよびＢの２枚のパネルで構成
可能であるという特徴をもつ。 第11図は、それぞれ第５図に示したNOT機能を有する
２組の要素素子からなる第1,第３の情報処理層であるＡ
層とＣ層の間に、第３図に示したAND機能を有する２組
の要素素子からなる第２の情報処理層であるＢ層を挟ん
で、これらの各層を入射光束の進行方向に並べて配設し
て構成したフリップフロップを示したものである。光シ
ャッターにはそれぞれｈνなる光束が入射するが、Ａ層
側から入射する光束のみならず、前記光束とは逆のＣ層
側から入射する光束も用いることにより、光信号のフィ
ードバックを行っている。 第12図（ａ）、（ｂ）は第３図に於いて示した３入力
AND回路を実際の素子として作成した場合の平面図とそ
のＡ−Ｂ断面図である。 第12図では光シャッターとして液晶素子を用い、放電
用抵抗としてP+層又はn+層の水素化アモルファスシリコ
ン（ａ−si:H）の薄膜抵抗を用い、光起電圧素子として
pinのａ−si:Hからなるホトダイオードを用いている。
電極としてはSnO2およびITOを用いており、SnO2は配線
にも用いられる。 第13図は第12図のような構造を得るための製造プロセ
スの一例を示したフローチャートである。ここに示した
工程の多くは、能動素子型液晶パネルを作成する技術
（例えば、S.Togasi et al.,Proc.of the Soc for Info
rmation Display,26,9（1985））として確立されたもの
であり、例えば対角４インチ程度の矩形領域内に10万以
上のダイオードを作り込んで、これを液晶パネルとする
ことは容易に達成しうるものである。 また、これまで光シャッターOSとして液晶を前提とし
て説明して来たが、これは液晶シャッターが比較的低電
圧で駆動するのでホトダイオードとの組合せが行ないや
すいためであった、しかし乍ら、液晶素子はその反応速
度が遅く、しかも液体を用いるための不安定要素をも内
包している。 この意味から、駆動電圧は若干高くはなるが、応答性
や全固体性での利点を有する強誘電体や超音波偏光素子
等を用いることもできる。例えば、表示装置用として開
発されているPLZT（Lanthanum doped Zirconate−Titan
ate）の構造（例えばH.Franklin,Conference record of
the1985 Internatinal Display Research Con−ferenc
e,P.37（1985））をそのまま第１図〜第11図の液晶素子
に置き換えるだけで同等の機能を具現できるものであ
る。 また、液晶素子としても近年応答性の速い強誘電性液
晶の開発が進んでおり、μｓオーダーの光シャッターが
液晶で実現できるようになったので、これを用いれば、
より高速の論理操作を行なうことができる。 さて、本発明の要素素子を用いて情報処理を行う場
合、第10図、第11図に示したように、多段にわたって入
射光束の情報を論理操作する必要がありうる。その場
合、入射光強度の減衰が起きて後段の論理操作になる
程、光の強度が弱くなってしまったり、また受光・駆動
回路部で入射光が吸収されると、その領域はこれより後
段の論理操作の平面内で使用不能な領域となり、素子配
列に対する制約が多くなったり素子密度が上げにくくな
る等の問題を生じることになる。 この様な問題を解決するため、本発明では第14図に示
すような光補給を行なう。まず、既に述べてきた様な種
々の論理機能を有する様な受光・駆動回路1411と光シャ
ッター1412の組み合わせを有する第１の情報処理層であ
る第１のパネル1410とやはり同様の第２の情報処理層で
ある第２のパネル1420とを重ね、その間に２次元光導波
路すなわち平面導光板1430を挿入する。 そして、平面導光板1430には側面から補給光1434を導
入し、該導光板の第２のパネル1420側の面に設けた光取
出部1435より補給光1434の一部を取り出し、これを第２
のパネル1420に部分補給光1437として導入する。 ここで、光取出の方法としては光取出部1435をグレー
ティング構造の様に物理的形状を加工してもよいし、ま
たは、該光取出部の屈折率を平面導光板1430のバルクの
屈折率よりも大きくして光ファイバーの光閉込めと逆の
ことを行なってもよい。 また、取出した光の整形などのために必要に応じて平
面導光板1430と第２のパネル1420との間には微小光学レ
ンズ等を挿入する。 さて、この様な構成の第14図では、受光・駆動回路14
11、1421、光シャッター1412、1422、光取出部1435を相
互に以下の様に配置することにより、効率の良いシステ
ムを得ることができる。すなわち、第１のパネルの受光
・駆動回路1411に入射した光1416はここで吸収され第２
のパネルには届かない。また第１のパネルの光シャッタ
ー1412は入射光1417を変調し、その信号は第２のパネル
の受光・駆動回路1421に入射する。 さて、こうして見ると第１のパネルの受光・駆動回路
部1411の上の第２のパネル1420の領域は入射光が無く使
用不能のデッド・スペースとなる。 従って、光取出部1435はこの様な第１のパネルの受光
・駆動回路部1411の直上に設けるものとする。この結
果、第14図に示した様に第２のパネルの光シャッター14
22を前記デッド・スペースを利用して設けることができ
て、システム設計上大きな利点が生じる。 又、光を取り出す方向は第１のパネル1410の方向でも
よいし、第２のパネル1420の方向でもよい。後者の場合
は第１のパネルの光シャッター部直上に光取出部を設け
ると好都合であり、第11図に示されたフィードバック演
算のための光束として用いることができる。 〔発明の効果〕 本発明の情報処理装置では、従来知られている様なAt
haleらによる情報処理装置の有する多くの欠点を全て解
決するものである。すなわち、相補形の光入力での情報
処理を行なうことにより、入射光レベルの様々な変動に
よる誤った論理動作の可能性を大幅に改善でき、また各
種の論理動作を殆んど制限無しに行なうことができる。 具体的には従来例ではANDは２入力までしか対応でき
ずORは出力レベルが定まらず、NOT、NORは偏光板の貼り
かえを伴うため高密度の論理配置とするにはANDやORと
同一パネル内には作り込めず、またNANDはNOTとANDの２
つのパネルを組み合わせなければできないし、更にまた
相補型入力での論理操作も行なえない。 これに対し、本発明による情報処理装置では、これら
の制約の何れにも存在せず、結果的に非常に柔軟性の高
い、しかも信頼性の高い論理システムを構成することが
容易である。特に、第10図で示した様な排他的論理和を
とるシステムを考え、これを先に述べた世古によるパタ
ーンマッチングに適用することを考えると、本発明によ
る情報処理装置ではANDとNORを同一パネルに作って入力
画像と参照画像を同時に入力することができるが、従来
例の情報処理装置では、ANDとNORを別パネルとして構成
せざるを得ず、更に画像入力のための光学系も複雑とな
り、本発明の利点は非常に大きい。 さらに、各基板の光シャッターは、入射光束のみでな
くあらかじめ、電気入力によっても制御しておくことが
でき、電気および光によるハイブリッド型情報処理も可
能となる。 また、本発明による光の補給によって、多段階の論理
演算を三次元的な積層で容易に行なえ、かつ、光の供給
のできないデッドスペースが無くなるので論理素子の配
置に関しての制約条件が大幅に緩和されて、高密度な論
理回路を組むことができる。
【図面の簡単な説明】
第１図から第14図まで本発明に係る実施例を示し、第１
図は相補的な光入力を用いた要素素子の回路図、第２図
は電界効果トランジスタを用いて光シャッターを制御す
る場合の相補的な光入力を用いた要素素子の回路図、第
３図は２つ以上の入射光束の有する情報を論理操作する
回路の１つであるAND回路図、第４図はOR回路図、第５
図はNOT回路図、第６図はNAND回路図、第７図はNOR回路
図、第８図は第１図の回路にAND機能を持たせた相補型A
ND回路図、第９図は第１図の回路にOR機能を持たせた相
補型OR回路図、第10図は要素素子を用いて情報処理を行
う場合の実施例で２入力排他的論理和（EXOR）の場合の
要素素子の配置を示す説明図、第11図は同様にフリップ
フロップの場合の説明図、第12図（ａ）は第３図の３入
力AND回路を実際の素子として作成した場合の平面図、
第12図（ｂ）は第12図（ａ）の断面図、第13図は第12図
の素子を作成する場合の製造方法を示したフローチャー
ト、第14図は光の補給を行う場合の実施例を示した説明
図であり、第15図は従来例の要素素子の説明図、第16図
は液晶素子のシャッター特性図である。 ｈν、ｈνｉ、▲▼、ｈν1、ｈν2……光束、O
S、420……光シャッター、D/R……受光・駆動回路、11
0、311、313、411、413……光起電圧素子、210、213…
…ホトダイオード、212、215E……電界効果トランジス
タ、220、320……液晶素子。
図は相補的な光入力を用いた要素素子の回路図、第２図
は電界効果トランジスタを用いて光シャッターを制御す
る場合の相補的な光入力を用いた要素素子の回路図、第
３図は２つ以上の入射光束の有する情報を論理操作する
回路の１つであるAND回路図、第４図はOR回路図、第５
図はNOT回路図、第６図はNAND回路図、第７図はNOR回路
図、第８図は第１図の回路にAND機能を持たせた相補型A
ND回路図、第９図は第１図の回路にOR機能を持たせた相
補型OR回路図、第10図は要素素子を用いて情報処理を行
う場合の実施例で２入力排他的論理和（EXOR）の場合の
要素素子の配置を示す説明図、第11図は同様にフリップ
フロップの場合の説明図、第12図（ａ）は第３図の３入
力AND回路を実際の素子として作成した場合の平面図、
第12図（ｂ）は第12図（ａ）の断面図、第13図は第12図
の素子を作成する場合の製造方法を示したフローチャー
ト、第14図は光の補給を行う場合の実施例を示した説明
図であり、第15図は従来例の要素素子の説明図、第16図
は液晶素子のシャッター特性図である。 ｈν、ｈνｉ、▲▼、ｈν1、ｈν2……光束、O
S、420……光シャッター、D/R……受光・駆動回路、11
0、311、313、411、413……光起電圧素子、210、213…
…ホトダイオード、212、215E……電界効果トランジス
タ、220、320……液晶素子。
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
審査官 佐藤 宙子
(56)参考文献 特開 昭60−196733（ＪＰ，Ａ)
特開 昭59−22445（ＪＰ，Ａ)
特公 昭45−5806（ＪＰ，Ｂ１)
(58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名)
G02F 1/01 - 1/137
G02F 3/00 - 3/02
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 １．入射光束によって動作する受光・駆動回路と該受光
・駆動回路によって制御される光シャッターとから成る
構成を２組有し、一方の入射光束と他方の入射光束は強
度関係が互いに相補関係にあり、該２つの光シャッター
で制御される光束の出力の強度関係が互いに相補関係に
あることを特徴とする光シャッター情報処理装置。 ２．２つの入射光束によって動作する受光・駆動回路
と、該受光・駆動回路によって制御される２つの光シャ
ッターとから成り、該２つの入射光束は強度関係が互い
に相補関係にあり、該２つの光シャッターで制御される
光束の出力の強度関係が互いに相補関係にあることを特
徴とする光シャッター情報処理装置。 ３．受光・駆動回路がホトダイオード等の２端子の光起
電圧素子により構成されることを特徴とする特許請求の
範囲第１項又は第２項に記載の光シャッター情報処理装
置。 ４．受光・駆動回路がホトダイオード等の２端子の光起
電圧素子とトランジスタ等の３端子素子とにより構成さ
れることを特徴とする特許請求の範囲第１項又は第２項
に記載の光シャッター情報処理装置。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61-178522 | 1986-07-29 | ||
| JP17852286 | 1986-07-29 |
Related Child Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP9327875A Division JP2882580B2 (ja) | 1986-07-29 | 1997-11-28 | 光シャッター情報処理装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS63153518A JPS63153518A (ja) | 1988-06-25 |
| JP2763095B2 true JP2763095B2 (ja) | 1998-06-11 |
Family
ID=16049944
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP62185354A Expired - Lifetime JP2763095B2 (ja) | 1986-07-29 | 1987-07-27 | 光シャッター情報処理装置 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4818867A (ja) |
| JP (1) | JP2763095B2 (ja) |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5050969A (en) * | 1988-12-26 | 1991-09-24 | Mitsubishi Mining And Cement Company Ltd. | Photo-driven switching apparatus |
| US5237233A (en) * | 1989-03-03 | 1993-08-17 | E. F. Johnson Company | Optoelectronic active circuit element |
| US5299042A (en) * | 1990-05-30 | 1994-03-29 | Victor Company Of Japan, Ltd. | Light-to-light conversion method, display unit using the same, and light-to-light conversion element incorporated therein |
| JPH0763609A (ja) * | 1993-08-27 | 1995-03-10 | Minolta Co Ltd | 光シャッターを有する分光装置 |
| US5570180A (en) * | 1993-08-27 | 1996-10-29 | Minolta Co., Ltd. | Spectrometer provided with an optical shutter |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3270187A (en) * | 1963-12-30 | 1966-08-30 | Bunker Ramo | Electro-optical computing system |
| US3612847A (en) * | 1964-04-03 | 1971-10-12 | Saint Gobain | Electrical apparatus and method for adding binary numbers |
| US3996455A (en) * | 1974-05-08 | 1976-12-07 | The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration | Two-dimensional radiant energy array computers and computing devices |
| JPH0721604B2 (ja) * | 1984-03-21 | 1995-03-08 | セイコーエプソン株式会社 | 光演算器 |
-
1987
- 1987-07-27 US US07/078,421 patent/US4818867A/en not_active Expired - Lifetime
- 1987-07-27 JP JP62185354A patent/JP2763095B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS63153518A (ja) | 1988-06-25 |
| US4818867A (en) | 1989-04-04 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| EXPY | Cancellation because of completion of term |