JP5512322B2 - 光並列演算素子 - Google Patents

Description

本発明は、比較する情報それぞれを異なる特定波長の光情報として組み入れることで、情報の比較といった人工知能的な演算を高速に行うための光並列演算素子に関する。

近年の情報処理装置の高度化においては、特に人工知能などの高度な演算処理が要求されている。このため、デジタルの論理演算素子が複数組み込まれた並列演算回路により複数の情報を並列に論理積する並列演算素子が提供されているが、アナログ情報に関しては個々の信号を毎回デジタル信号に変換した後に並列デジタル演算を行わなければならない。そのために、演算処理の高速化には複数のアナログ信号をアナログのまま一度に並列に演算できる演算素子が必要となってくる。

従来のアナログ演算素子において、単一の回路のものはオペアンプのような従来の半導体素子を用い、複数の回路では、まずアナログ信号をデジタル信号に変換して、その後、複数のデジタル信号を演算処理していた。そのため、複数のアナログ信号のアナログ演算を並列に行うには、入力回路数と同数のアナログ−デジタル変換回路が必要となってしまう。しかも、回路数が多くなればなるほど複数のアナログ−デジタル変換回路同士の同期を取ることが難しくなるといった問題も生じてしまう。

一方、光を用いて演算を行う素子が提案されている。図６に従来の光演算素子の構成を模式的に断面図で示す。この光演算素子は、二次元配列した複数の光学セル６１を備え、それぞれの光学セル６１は隔壁６２と底部６３よりなる区画に光の情報を受けたときに応答する光応答性物質６４を収容している。各光学セル６１には演算光照射装置６５により所定波長の光６６が照射し、光６６が照射された光学セル６１内の光応答性物質６４は光応答性を示し、その状態を検出することにより、演算が行われるようになっている。

しかしながら、このような従来の光演算素子は、演算の並列化を行う場合、それぞれ独立した光学セル６１によって行われており、並列演算中は隣接した光学セル６１同士の間での情報の遣り取りは行われていない。もし、隣り合った光学セル６１同士の演算が必要な場合には、並列演算を一旦止めて、光学セル６１同士の演算を行い、その後、並列演算を再開するといった作業を行っていた。

従って、光学セル６１間の情報の遣り取りが多くなればなるほど、複数の光学セル６１による並列演算の演算速度が低下してしまうといった問題を生じていた。並列演算には、並列演算を行う前処理にデータの並び替え等の処理が必要なため、場合によっては単独の光学セル６１による演算の方が早くなるといった問題も生じてしまう。

F. Bos, Appl. Optics, vol.20, No.20, 3553 (1981) G. T. Kovacs, N. I. Maluf and K. E. Peterson, "Bulk Micromachining of Silicon", Proceedings of the IEEE, vol. 86, No.8, 1536 (1998)

本発明は、このような従来技術の問題点を解決するためになされたもので、情報の比較などの高度な演算を高速に行うことができる光並列演算素子を提供することを課題とする。

本発明は、上記課題を解決するため、互いに隣接して設けられる複数の光学セルを二次元配列させてなる構造体を有し、各光学セルは、上部に光の入射部を有するとともに、光透過性隔壁と底部で区画化された空間を有し、各光学セルの底部は前記構造体の縦方向と横方向に沿った断面が上端部を頂点とする二等辺三角形である四角錐形状をなし、前記空間に、光の情報を受けたときに応答する光応答性物質を収容し、四角錐形状の側面に相当する底部の各面には上方から入射した光を反射して光透過性隔壁を介して隣接した光学セルに導くためのミラーがそれぞれ設けられ、前記光応答性物質は、Ａ状態であるときに、第１の特定波長の光のみを所定の照射量照射したときはＡ状態からＢ状態に変化し、その変化が行われるときの前記所定の照射量を１としたとき、ある状態において前記所定の照射量より少ない照射量α（０＜α≦０．２５）照射したときはある状態よりＡ状態からＢ状態に向けたその重み分αだけ状態が変化し、Ｂ状態であるときに、第２の特定波長の光のみを所定の照射量照射したときはＢ状態からＡ状態に変化し、その変化が行われるときの所定の照射量を１としたとき、ある状態において所定の照射量より少ない照射量α（０＜α≦０．２５）照射したときはある状態よりＢ状態からＡ状態に向けたその重み分αだけ状態が変化し、各光学セルへの光照射を制御し、隣接する光学セルとの光の遣り取りを行うことにより、両光学セル間のアナログ演算を行うことを特徴とする光並列演算素子を提供する。
また、本発明は、互いに隣接して設けられる複数の光学セルを一次元配列させてなる構造体を有し、各光学セルは、上部に光の入射部を有するとともに、光透過性隔壁と底部で区画化された空間を有し、各光学セルの底部は前記構造体の長さ方向に沿った断面が上端部を頂点とする二等辺三角形である横倒三角柱形状をなし、前記空間に、光の情報を受けたときに応答する光応答性物質を収容し、横倒三角柱形状の側面に相当する底部の各面には上方から入射した光を反射して光透過性隔壁を介して隣接した光学セルに導くためのミラーがそれぞれ設けられ、前記光応答性物質は、Ａ状態であるときに、第１の特定波長の光のみを所定の照射量照射したときはＡ状態からＢ状態に変化し、その変化が行われるときの前記所定の照射量を１としたとき、ある状態において前記所定の照射量より少ない照射量α（０＜α≦０．５）照射したときはある状態よりＡ状態からＢ状態に向けたその重み分αだけ状態が変化し、Ｂ状態であるときに、第２の特定波長の光のみを所定の照射量照射したときはＢ状態からＡ状態に変化し、その変化が行われるときの所定の照射量を１としたとき、ある状態において所定の照射量より少ない照射量α（０＜α≦０．５）照射したときはある状態よりＢ状態からＡ状態に向けたその重み分αだけ状態が変化し、各光学セルへの光照射を制御し、隣接する光学セルとの光の遣り取りを行うことにより、両光学セル間のアナログ演算を行うことを特徴とする光並列演算素子を提供する。

本発明によれば、光学セル内にミラーと光透過性の隔壁を備えたことで、隣接光学セルからの情報に重みを加え足し合わせることで光応答性物質の変色効率を上げて、かつ細かい相違情報を隠して全体像を比較しやすくすることで、コンピュータが苦手とする入力情報の類似度および相違度を高速に行う演算素子を実現でき、係るアナログ演算装置の性能向上に寄与するところが大きい。

本発明の光並列演算素子における光学セルの構成を模式的に示す断面図である。 本発明の光並列演算素子の原理説明図である。 本発明の実施例に係る光並列演算素子の構成を模式的に示す図である。 本発明の実施例１に係る光並列演算素子の原理説明図である。 本発明の実施例２に係る光並列演算素子の原理説明図である。 従来の光演算素子の構成を模式的に示す断面図である。

以下、本発明を詳細に説明する。

図１は、本発明の光並列演算素子における光学セルの構成を模式的に示す断面図、図２は、本発明の光並列演算素子の原理説明図である。

光学セル１１は、隔壁１２と底部１３で区画化された空間を有し、その空間に光の情報を受けたときに応答する光応答性物質１４が収容されている。隔壁１２には光透過性の光学窓１５が設けられている。なお、隔壁１２自体を光透過性材料で形成してもよい。また、底部１３は図示のように断面が三角形状となっており、その２辺に相当する部分に図示のようにミラー１６が形成されている。このミラー１６は隣接する光学セル１１に自身の光の情報を伝えるために設けられる。光学セル１１の上側は開口するように記載されているが、透明部材で封止するようにしてもよい。光学セル１１内の光応答性物質１４は上側から光の照射が行えるようになっている。なお、ここで上側とは、図面に示してある方向を指し、実際の使用にあたっては任意の方向を向いていてよい。光学セル１１の材料としては、例えば石英、シリコン、アルミナ等を用いることができる。また、光学窓１５の材料としては、例えば石英、ガラス、窒化シリコン等を用いることができる。ミラー１６の材料としては、例えば金、アルミニウム等を用いることができる。

光応答性物質１４としては、波長が異なる第１の特定波長Ｗ_Ａの光と第２の特定波長Ｗ_Ｂの光が入射したときに透過率がそれぞれ変化する物質を二次元的に設けており、二次元画像光として、第１の特定波長及び第２の特定波長とは異なる第３の特定波長の光を入射することを特徴とする。このような光応答性物質１４としては、上記のような性質のものであれば各種の材料を用いることができるが、例えばスピロピラン、ジアリールエテン等を用いることができる。光応答性物質１４は、光学セル１１内に納められていれば、固体状、液体状、あるいはゲル状の形態をとることができる。

演算動作について述べると、まず図２（ａ）の上図に示すように光学セルＣ（１１）の光応答性物質１４に波長Ｗ_Ａの光のみを照射する。この時の光学セルＣ（１１）の光応答性物質１４への照射量を１とすると隣接する光学セルＢ，Ｄへの照射量はαとなる。ただし、光学セル１１が図２のような一次元配列の場合には光がミラー１６で二分されるためαは０＜α≦０．５となり、光学セル１１を二次元配列にした場合にはミラー１６で四分されるためαは０＜α≦０．２５となる。

次に、図２（ｂ）に示すように、波長Ｗ_Ａの光のみの光を光学セルＢ，Ｃ，Ｄ（１１）の光応答性物質１４に照射すると、光学セルＣ（１１）の光応答性物質１４へは光学セルＢ，Ｄ（１１）のミラー１６からの反射光と光学セルＣ（１１）への入射光により１＋２αの照射量を、光学セルＢ，Ｄ（１１）の光応答性物質１４は光学セルＣ（１１）のミラー１６からの反射光と光学セルＢ，Ｄ（１１）への入射光により１＋αの照射量を、光学セルＡ，Ｅ（１１）の光応答性物質１４にはαの照射量を示す。このように隣接光学セルからある光学セル内に照射光を集めることにより、隣接光学セルからの情報に重みを加えて足し合わせることとなり、光学セル内の光応答性物質１４の変色効率を上げることができる。

一方、図２（ｃ）に示すように、光学セルＢ，Ｃ（１１）の光応答性物質１４に波長Ｗ_Ａのみの光を照射すると光学セルＢ，Ｃ（１１）には１＋αの照射量を光学セルＡ，Ｄはαの照射量の光が照射される。その後、波長Ｗ_Ｂの光の量を波長Ｗ_Ａにより光応答性物質１４が変色する量と同じ変化を示す量とした時、光学セルＣ，Ｄ（１１）の光応答性物質１４に波長Ｗ_Ｂのみの光を照射すると光学セルＢ，Ｃ，Ｄ（１１）の光応答性物質１４の変色量が低下し、光学セルＡ（１１）の光応答性物質１４は光学セルＢ（１１）に波長Ｗ_Ａの光を照射したときの変化量のままを、光学セルＢ（１１）の光応答性物質１４は光学セルＢ（１１）のみに波長Ｗ_Ｂのみの光を照射した時と同じ変化量、光学セルＣ，Ｄ，Ｅ（１１）の光応答性物質１４の変化量は０になる。本発明の光学セル１１のミラー１６により照射光が隣接する光学セルに影響を及ぼすため、空間的に広がった波長Ｗ_Ａと波長Ｗ_Ｂの情報同士の差分を取ることができる。その結果、本発明の素子により微妙に異なる情報同士の類似度を求めることが可能となる。

以上、本発明の光並列演算素子の原理を２つの光学セルを用いた場合を例に説明してきたが、もちろん、本発明では、多数の光学セルを二次元配列した素子構成とすることができる。

次に、本発明を実施例によりさらに詳細に説明する。

図３は本発明の実施例に係る光並列演算素子の構成を模式的に示す断面図である。図３の光並列演算素子は４つの光学セル３１を有しているが、これは例示のためであり、実際には所要数の光学セルを二次元配列させたものとすることができる。

光学セル３１は石英を半導体微細加工して図３のように隔壁３２と底部３３で区画化された空間を形成した。隔壁３２は隣接する光学セル３１の間を光が通過するように光学窓３５となるようにした。断面が三角形の底部３３には金を蒸着してミラー３６を設けた。このミラー３６は、上方から入ってきた光を、隔壁３２の光学窓３４を通して隣接する光学セル３１に向かって反射するように形成した。光学セル３１内には光応答性物質３４として、ジアリールエテンのメタノール溶液を入れた。

次に図４の実施例の原理説明図を用いて、この光並列演算素子の動作について説明する。我々が使用しているコンピュータで２種類の画像を比較するには多くの手順と時間を必要とするが、２つの図形を人の脳は容易に比較してしまう。図４（ａ）に示すＡとＢの２つの図形の比較を例として説明する。まず、５４０ｎｍの光を出力するＩｎＧａＮＬＥＤとミラーにより光応答性物質３４に光を照射して光応答性物質３４の色を薄黄色にしておく。３６５ｎｍの光を出力するＧａＮ半導体ＬＥＤとミラーと図形Ａの形状のスリットにより光並列演算素子に図形Ａの形状の３６５ｎｍの光を照射する（図４（ｂ））。この時、光並列演算素子の各光学セルは図４（ｃ）に描かれた重みで変色する。このとき、図６に示す従来の光演算素子の場合での変色量を１とすると光が照射された光学セルは１以上の変色量を示すため、本発明の構造では変色効率を上げた演算ができる。

次に、５４０ｎｍの光を出力するＩｎＧａＮ半導体ＬＥＤとミラーと図形Ｂの形状のスリットにより光並列演算素子に図形Ｂの形状の５４０ｎｍの光を照射する（図４（ｄ））。この時の光並列演算素子の各光学セルは図４（ｅ）に描かれた重みで変色した図が残る。この差分像の形で変色した光並列演算素子の６００ｎｍでの吸光度を求め、この測定結果から図形Ａ，Ｂの類似度を算出する。例えば、吸光度が小さい場合には図形Ａ，Ｂは似たものであり、大きい場合には大きく異なっているものとなる。

光応答性物質３４の変色量が照射量に比例する動作条件の場合には、図６に示す従来の光演算素子では、はっきりした差分図形が演算結果として示されるが、図４（ｅ）の演算結果の図形は、図４（ａ）のＡとＢの差分を１とすると差分画像の周りに２５％変色した光学セルが存在しているため、ぼけた差分図形になる。しかも、比較する図形Ａ，Ｂの照射光の図形は共にぼかした状態となり、図形の細かい部分を曖昧にした状態で比較することができるため、コンピュータ等の機械が苦手とする抽象的な図形の比較、特に類似度を求める処理を高速に行うことができる。

本実施例では図５（ａ）に示す光学系を用いて説明する。本実施例では図５（ａ）に示すように１００ｘ１００と多くの光学セルを有する光並列演算素子と焦点距離を変化させることができるレンズを用いる。しかも、説明に使用する図形は、図５（ｂ）に示すように図形の大部分は同じ三角形で各頂点が異なる図形Ａ，Ｂとする。（ｂ）に示す図形Aを示す光をＧａＮ半導体ＬＥＤとDigital Light Processing (DLP)により作成して、その図形Aの光を図５(a)の上部から照射する。さらに、図形BをＩｎＧａＮ半導体ＬＥＤとDigital Light Processing (DLP)により作成した図形Ｂの光を短波長光透過フィルターで反射させて光並列演算素子に照射させる。光並列演算素子に６００nmの光を光並列演算素子に照射することで、光並列演算素子に描かれた演算結果の画像をハーフミラーに演算結果を写し込み、その画像をＣＣＤカメラにより収集する。また、図形Ａと図形Ｂの差分量のみを把握する場合には、レンズで演算結果を集光してフォトダイオードにより差分量を出力する。このような光学系にレンズのｆ値に相当する焦点距離にレンズを置いた時、実施例１で説明したように図形Ａ，Ｂの差分を取ると、図５（ｃ）に示す差分図形が得られる。さらにレンズの焦点距離を短くした場合、図５（ｄ）に示すようにぼけた図形同士の比較により、差分を示す色変化が少ない図形が得られ、図形Ａ，Ｂの大まかな比較ができる。そのため、焦点距離を調整することで大まかな比較からほぼ厳密な比較まで広い範囲での演算が可能となる。

しかも、隣接する画素からのみである光学セルのミラーによるぼけはレンズ系によるぼけに比べて少ないためと系全体のぼけ量は光学セルのミラー画素部分とレンズ系でぼけ関数のたたみ込み積分となるため、厳密な比較を行った場合には隣接する画素の影響によるぼけは非常に少ないと考えられる。ただし、図６に示す従来の光演算素子の場合に比べ変色効率を上げた演算ができる。

以上説明したように、本実施例により、コンピュータ等の機械が苦手とする入力情報（画像）の相違度（類似度）を求める画像処理を高速に行うことができる。

１１、３１ 光学セル
１２、３２ 隔壁
１３、３３ 底部
１４、３４ 光応答性物質
１５、３５ 光学窓
１６、３６ ミラー

Claims (2)

1. 互いに隣接して設けられる複数の光学セルを二次元配列させてなる構造体を有し、
   各光学セルは、上部に光の入射部を有するとともに、光透過性隔壁と底部で区画化された空間を有し、各光学セルの底部は前記構造体の縦方向と横方向に沿った断面が上端部を頂点とする二等辺三角形である四角錐形状をなし、前記空間に、光の情報を受けたときに応答する光応答性物質を収容し、四角錐形状の側面に相当する底部の各面には上方から入射した光を反射して光透過性隔壁を介して隣接した光学セルに導くためのミラーがそれぞれ設けられ、
   前記光応答性物質は、Ａ状態であるときに、第１の特定波長の光のみを所定の照射量照射したときはＡ状態からＢ状態に変化し、その変化が行われるときの前記所定の照射量を１としたとき、ある状態において前記所定の照射量より少ない照射量α（０＜α≦０．２５）照射したときはある状態よりＡ状態からＢ状態に向けたその重み分αだけ状態が変化し、Ｂ状態であるときに、第２の特定波長の光のみを所定の照射量照射したときはＢ状態からＡ状態に変化し、その変化が行われるときの所定の照射量を１としたとき、ある状態において所定の照射量より少ない照射量α（０＜α≦０．２５）照射したときはある状態よりＢ状態からＡ状態に向けたその重み分αだけ状態が変化し、
   各光学セルへの光照射を制御し、隣接する光学セルとの光の遣り取りを行うことにより、両光学セル間のアナログ演算を行うことを特徴とする光並列演算素子。
2. 互いに隣接して設けられる複数の光学セルを一次元配列させてなる構造体を有し、
   各光学セルは、上部に光の入射部を有するとともに、光透過性隔壁と底部で区画化された空間を有し、各光学セルの底部は前記構造体の長さ方向に沿った断面が上端部を頂点とする二等辺三角形である横倒三角柱形状をなし、前記空間に、光の情報を受けたときに応答する光応答性物質を収容し、横倒三角柱形状の側面に相当する底部の各面には上方から入射した光を反射して光透過性隔壁を介して隣接した光学セルに導くためのミラーがそれぞれ設けられ、
   前記光応答性物質は、Ａ状態であるときに、第１の特定波長の光のみを所定の照射量照射したときはＡ状態からＢ状態に変化し、その変化が行われるときの前記所定の照射量を１としたとき、ある状態において前記所定の照射量より少ない照射量α（０＜α≦０．５）照射したときはある状態よりＡ状態からＢ状態に向けたその重み分αだけ状態が変化し、Ｂ状態であるときに、第２の特定波長の光のみを所定の照射量照射したときはＢ状態からＡ状態に変化し、その変化が行われるときの所定の照射量を１としたとき、ある状態において所定の照射量より少ない照射量α（０＜α≦０．５）照射したときはある状態よりＢ状態からＡ状態に向けたその重み分αだけ状態が変化し、
   各光学セルへの光照射を制御し、隣接する光学セルとの光の遣り取りを行うことにより、両光学セル間のアナログ演算を行うことを特徴とする光並列演算素子。