JP7320124B2

JP7320124B2 - 光演算システム

Info

Publication number: JP7320124B2
Application number: JP2022505414A
Authority: JP
Inventors: 裕幸日下; 正浩柏木
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2020-07-03
Filing date: 2021-06-04
Publication date: 2023-08-02
Anticipated expiration: 2041-06-04
Also published as: EP4177701A4; CN114223001A; EP4177701A1; WO2022004277A1; JPWO2022004277A1; US20220229461A1

Description

本発明は、光演算を行う光回折素子に関する。また、そのような光回折素子を備えた光演算システムに関する。

屈折率が個別に設定された複数のマイクロセルを有し、各マイクロセルを透過した光を相互に干渉させることによって、予め定められた演算を光学的に実行するように設計された光回折素子が知られている。光回折素子を用いた光学的な演算は、プロセッサを用いた電気的な演算と比べて高速且つ低消費電力である。特許文献１には、入力層、中間層、及び出力層を有する光ニューラルネットワークが開示されている。上述した光回折素子は、例えば、このような光ニューラルネットワークの中間層として利用することが可能である。

米国特許第７８４７２２５号明細書

演算においては、演算前の情報及び演算後の情報の両方を参照する必要が生じることがある。例えば、画像から被写体の欠陥を抽出する欠陥抽出演算は、そのような演算の一例であり、演算前の画像に演算後の画像を合成することによって、被写体のどこにどのような欠陥があるのかを検査者が視認し易い画像を得ることができる。しかしながら、光回折素子を用いた従来の光演算システムにおいて得られる信号光は、演算後の情報を表す信号光のみを含み、演算前の情報を表す信号光を含まない。このため、従来の光回折素子は、演算前の情報及び演算後の情報の両方を参照する必要がある演算に適さなかった。

本発明の一態様は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、演算後の情報を表す信号光に加えて、演算前の情報を表す信号光を得ることが可能な光演算システムを実現することを目的とする。

本発明の一態様に係る光演算システムは、ｎ個（ｎは２以上の自然数）の光回折素子を含む光回折素子群を備え、前記光回折素子群に属する各光回折素子は、厚み又は屈折率が互いに独立に設定された複数のセルであって、２種類のセルＣ１，Ｃ２に分類される複数のセルにより構成されており、前記光回折素子群に属する各光回折素子のセルＣ１の厚み又は屈折率は、前記光回折素子群に属する各光回折素子のセルＣ２をマスクしたときに、前記光回折素子群により実行される光演算が恒等演算になるように設定されている。

本発明の一態様によれば、演算後の情報を表す信号光に加えて演算前の情報を表す信号光を得ることが可能な光演算システムを実現することができる。

本発明の一実施形態に係る光回折素子の構成を示す平面図である。図１に示す光回折素子の一部分を拡大した斜視図である。図１に示す光回折素子を備えた光演算システムの要部構成を示す斜視図である。図３に示す光演算システムの第１の変形例を示す斜視図である。図３に示す光演算システムの第２の変形例を示す斜視図である。図３に示す光演算システムの第３の変形例を示す斜視図である。

〔光回折素子の構成〕
本発明の一実施形態に係る光回折素子１の構成について、図１及び図２を参照して説明する。図１は、光回折素子１の平面図である。図２は、光回折素子１の一部分（図１において破線で囲んだ部分）を拡大した斜視図である。

光回折素子１は、平板状の光回折素子であり、位相変化量が互いに独立に設定された複数のマイクロセル（特許請求の範囲における「セル」の一例）を含んでいる。ここで、マイクロセルとは、セルサイズが１０μｍ未満のセルのことを指す。また、セルサイズとは、セルの面積の平方根のことを指す。例えば、マイクロセルの平面視形状が正方形である場合、セルサイズとは、セルの一辺の長さである。セルサイズの下限は、特に限定されないが、例えば１ｎｍである。

図１に例示した光回折素子１は、マトリックス状に配置された１２×１２個のマイクロセルにより構成されている。各マイクロセルの平面視形状は、１μｍ×１μｍの正方形であり、光回折素子１の平面視形状は、１２μｍ×１２μｍの正方形である。

光回折素子１には、異なる光演算に供される２種類のマイクロセルＣ１，Ｃ２が含まれている。マイクロセルＣ１（図１において白塗りのセル）及びマイクロセルＣ２（図１において網掛けのセル）は、それぞれ千鳥状に配置されている。すなわち、各マイクロセルＣ１が、その４辺の各々を介して４つのマイクロセルＣ２に隣接すると共に、各マイクロセルＣ２が、その４辺の各々を介して４つのマイクロセルＣ１に隣接するように配置されている。光回折素子１は、（１）マイクロセルＣ１を透過した光を相互に干渉させることにより実現される第１の光演算と、（２）マイクロセルＣ２を透過した光を相互に干渉させることにより実現される第２の光演算と、を行う。第１の光演算、及び、第２の光演算の内容については、参照する図面を代えて後述する。

光回折素子１を構成する各マイクロセルの位相変化量をセル毎に独立に設定する方法としては、（１）マイクロセルの厚みをマイクロセル毎に独立に設定する方法と、（２）マイクロセルの屈折率を独立に選択する方法と、が挙げられる。本実施形態においては、ナノインプリントにより実現可能な（１）の方法を採用している。この場合、各マイクロセルＣ１，Ｃ２は、図２に示すように、正方形の底面を有する四角柱状のピラーにより構成される。

〔光演算システムの構成〕
光回折素子１を含む光演算システム１０の構成について、図３を参照して説明する。図３は、光演算システム１０の構成を示す斜視図である。

光演算システム１０は、光回折素子群１１と、発光装置１２と、受光装置１３と、を備えている。

光回折素子群１１は、互いに平行に並べられたｎ個の光回折素子１により構成されている。ここで、ｎは、２以上の自然数であり、本実施形態においては３である。以下、これらの光回折素子１を互いに区別する必要がある場合には、発光装置１２側から数えて１番目の光回折素子１を第１の光回折素子１ａと呼び、発光装置１２側から数えて２番目の光回折素子１を第２の光回折素子１ｂと呼び、発光装置１２側から数えて３番目の光回折素子１を第３の光回折素子１を光回折素子１ｃと呼ぶ。

発光装置１２は、光回折素子群１１へと入力される信号光を生成するための装置である。発光装置１２は、マトリックス状に配置された複数のセルを有しており、例えば、２次元ディスプレイにより構成される。発光装置１２のセルと光回折素子１のマイクロセルとは、例えば、１対１に対応している。発光装置１２の各セルから出力された信号光は、そのセルに対応する第１の光回折素子１ａのマイクロセルに入力される。

第１の光回折素子１ａの各マイクロセルＣ１を透過した信号光は、主に第１の光回折素子１ａの他のマイクロセルＣ１を透過した信号光と干渉し、主に第２の光回折素子１ｂの各マイクロセルＣ１に入力される。一方、第１の光回折素子１ａの各マイクロセルＣ２を透過した信号光は、主に第１の光回折素子１ａの他のマイクロセルＣ２を透過した信号光と干渉し、主に第２の光回折素子１ｂの各マイクロセルＣ２に入力される。

また、第２の光回折素子１ｂの各マイクロセルＣ１を透過した信号光は、主に第２の光回折素子１ｂの他のマイクロセルＣ１を透過した信号光と干渉し、主に第３の光回折素子１ｃの各マイクロセルＣ１に入力される。一方、第２の光回折素子１ｂの各マイクロセルＣ２を透過した信号光は、主に第２の光回折素子１ｂの他のマイクロセルＣ２を透過した信号光と干渉し、主に第３の光回折素子１ｃの各マイクロセルＣ２に入力される。

受光装置１３は、光回折素子群１１から出力される信号光を検出するための装置である。受光装置１３は、マトリックス状に配置された複数のセルを有しており、例えば、２次元イメージセンサにより構成される。受光装置１３のセルと光回折素子１のマイクロセルとは、１対１に対応している。第３の光回折素子１ｃの各マイクロセルＣ１を透過した信号光は、主に第３の光回折素子１ｃの他のマイクロセルＣ１を透過した信号光と干渉し、主に受光装置１３においてマイクロセルＣ１に対応する各セルに入力される。一方、第３の光回折素子１ｃの各マイクロセルＣ２を透過した信号光は、主に第３の光回折素子１ｃの他のマイクロセルＣ２を透過した信号光と干渉し、主に受光装置１３においてマイクロセルＣ２に対応する各セルに入力される。

光回折素子１ａ～１ｃの各マイクロセルＣ１の厚み又は屈折率は、光回折素子１ａ～１ｃの各マイクロセルＣ２をマスクしたときに、光回折素子群１１により実行される光演算が恒等演算になるように設定されている。換言すると、光回折素子１ａ～１ｃの各マイクロセルＣ１の厚み又は屈折率は、光回折素子１ａ～１ｃの各マイクロセルＣ２をマスクしたときに、第３の光回折素子１ｃの各マイクロセルＣ１から出力される信号光の位相分布又は強度分布が、第１の光回折素子１ａの各マイクロセルＣ１に入力される信号光の位相分布又は強度分布と一致するように設定されている。一方、光回折素子１ａ～１ｃの各マイクロセルＣ２の厚み又は屈折率は、光回折素子１ａ～１ｃの各マイクロセルＣ１をマスクしたときに、光回折素子群１１により実行される光演算が恒等演算以外の演算になるように設定されている。換言すると、光回折素子１ａ～１ｃの各マイクロセルＣ２の厚み又は屈折率は、光回折素子１ａ～１ｃの各マイクロセルＣ１をマスクしたときに、第３の光回折素子１ｃの各マイクロセルＣ２から出力される信号光の位相分布又は強度分布が、第１の光回折素子１ａの各マイクロセルＣ２に入力される信号光の位相分布又は強度分布と一致しないように設定されている。

したがって、受光装置１３を構成するセルのうち、光回折素子１ａ～１ｃのマイクロセルＣ１に対応するセルが検出する信号光は、演算前の情報を表す。ここで、演算前の情報とは、発光装置１２を構成するセルのうち、光回折素子１ａ～１ｃのマイクロセルＣ１に対応するセルから出力される信号光の表す情報のことを指す。一方、受光装置１３を構成するセルのうち、光回折素子１ａ～１ｃのマイクロセルＣ２に対応するセルが検出する信号光は、演算後の情報を表す。ここで、演算後の情報とは、発光装置１２を構成するセルのうち、光回折素子１ａ～１ｃのマイクロセルＣ１に対応するセルから出力される信号光の表す情報に対して予め定められた演算を施すことにより得られる情報のことを指す。

以上のように、光演算システム１０によれば、演算前の情報を保存しながら、演算後の情報を導出する光演算を、光回折素子群１１を用いて実現することができる。一例として、光演算システム１０は、画像から被写体の欠陥を抽出する欠陥抽出演算に好適に利用することができる。この場合、ディスプレイである発光装置１２に原画像を表示すると、原画像から抽出した欠陥のみを被写体として含む欠陥画像と原画像とを、それぞれ受光装置１３にて検出することができる。

なお、本実施形態においては、発光装置１２から出力される信号光を直ちに光回折素子群１１に入力すると共に、光回折素子群１１から出力される信号光を直ちに受光装置１３に入力する構成を採用しているが、本発明はこれに限定されない。例えば、発光装置１２から出力される信号光の光路上に単一又は複数の他の光回折素子を配置し、この又はこれらの光回折素子を透過した光を光回折素子群１１に入力する構成を採用してもよい。また、光回折素子群１１から出力される信号光の光路上に単一の又は複数の他の光回折素子を配置し、この又はこれらの光回折素子を透過した光を受光装置１３に入力する構成を採用してもよい。このような変形例を図４～図６に示す。図４に示す光演算システム１０Ａは、光回折素子群１１の前段に単一の光回折素子１４を配置し、この光回折素子１４から出力される信号光を光回折素子群１１に入力する構成を採用したものである。図５に示す光演算システム１０Ｂは、光回折素子群１１の後段に単一の光回折素子１５を配置し、光回折素子群１１から出力される信号光をこの光回折素子１５に入力する構成を採用したものである。図６に示す光演算システム１０Ｃは、光回折素子群１１の前段に単一の光回折素子１４を配置すると共に、光回折素子群１１の後段に単一の光回折素子１５を配置する構成を採用したものである。

（まとめ）
本発明の態様１に係る光演算システムは、ｎ個（ｎは２以上の自然数）の光回折素子を含む光回折素子群を備え、前記光回折素子群に属する各光回折素子は、厚み又は屈折率が互いに独立に設定された複数のセルであって、２種類のセルＣ１，Ｃ２に分類される複数のセルにより構成されており、前記光回折素子群に属する各光回折素子のセルＣ１の厚み又は屈折率は、前記光回折素子群に属する各光回折素子のセルＣ２をマスクしたときに、前記光回折素子群により実行される光演算が恒等演算になるように設定されている。

上記の構成によれば、演算後の情報を表す信号光をｎ番目の光回折素子のセルＣ２から出力すると共に、演算前の情報を表す信号光をｎ番目の光回折素子のセルＣ１から出力することができる。

本発明の態様２に係る光演算システムにおいては、態様１の構成に加えて、前記光回折素子群に属する各光回折素子において、セルＣ１及びセルＣ２は、それぞれ千鳥状に配置されている、という構成が採用されている。

本発明の態様３に係る光演算システムにおいては、態様１又は２の構成に加えて、前記光回折素子群に属する１番目の光回折素子の前段に配置された１個以上の他の光回折素子、及び、前記光回折素子群に属するｎ番目の光回折素子の後段に配置された１個以上の他の光回折素子の一方又は両方を更に備えている、という構成が採用されている。

上記の構成によれば、前記１番目の光回折素子の前段に配置された１個以上の他の光回折素子から出力された信号光を、前記光回折素子群に入力すること、及び／又は、前記光回折素子群から出力された信号光を、前記ｎ番目の光回折素子の後段に配置された１個以上の他の光回折素子に入力することが可能になる。

本発明の態様４に係る光演算システムにおいては、態様１～３の何れかの構成に加えて、前記光回折素子群に属する１番目の光回折素子に入力する信号光、又は、前記１番目の光回折素子の前段に配置された１個以上の他の光回折素子に入力する信号光を生成する発光装置と、前記光回折素子群に属するｎ番目の光回折素子から出力された信号光、又は、前記ｎ番目の光回折素子の後段に配置された１個以上の他の光回折素子から出力された信号光を検出する受光装置と、を更に備えている、という構成が採用されている。

上記の構成によれば、受光装置を構成するセルのうち、光回折素子のセルＣ１に対応するセルによって、演算前の情報を表す信号光を検出することができる。或いは、他の光回折素子を構成するセルのうち、光回折素子のセルＣ１に対応するセルに、演算前の情報を表す信号光を入力することができる。ここで、演算前の情報とは、発光装置を構成するセルのうち、光回折素子のセルＣ１に対応するセルから出力される信号光の表す情報のことを指す。また、上記の構成によれば、受光装置を構成するセルのうち、光回折素子のセルＣ２に対応するセルによって、演算後の情報を表す信号光を検出することができる。或いは、他の光回折素子を構成するセルのうち、光回折素子のセルＣ２に対応するセルに、演算後の情報を表す信号光を入力することができる。ここで、演算後の情報とは、発光装置を構成するセルのうち、光回折素子のセルＣ２に対応するセルから出力される信号光の表す情報に対して予め定められた演算を施すことにより得られる情報のことを指す。

本発明の態様５に係る光演算システムにおいては、態様１～４の何れかの構成に加えて、前記光回折素子群に属する各光回折素子のセルＣ２の厚み又は屈折率は、前記光回折素子群に属する各光回折素子のセルＣ１をマスクしたときに、前記光回折素子群により実行される光演算が恒等演算以外の演算になるように設定されている。

〔付記事項〕
本発明は、上述した実施形態に限定されるものでなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、上述した実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても、本発明の技術的範囲に含まれる。

なお、本明細書における「光回折素子」は、或る情報（例えば、或る画像）を表す光信号を別の情報（例えば、別の画像）を表す光信号に変換する素子である。このため、或る画像を表す電気信号を別の画像を表す電気信号に変換する素子をフィルタと呼ぶのと同様の意味で、本明細書における「光回折素子」は、「光フィルタ」と言い換えることができる。この場合、本明細書に開示した光演算システムは、以下のように表現することもできる。

態様Ａに係る光演算システムは、ｎ個（ｎは２以上の自然数）の光フィルタを含む光フィルタ群を備え、前記光フィルタ群に属する各光フィルタは、屈折率が互いに独立に設定された複数のセルであって、２種類のセルＣ１，Ｃ２に分類される複数のセルを含み、前記光フィルタ群に属する各光フィルタのセルＣ１の屈折率は、ｎ番目の光フィルタのセルＣ１から出力される信号光の位相分布が、１番目の光フィルタのセルＣ１に入力される信号光の位相分布と一致するように設定されている。

態様Ｂに係る光演算システムにおいては、態様Ａの構成に加えて、前記光フィルタ群に属する各光フィルタにおいて、セルＣ１及びセルＣ２は、それぞれ千鳥状に配置されている、という構成が採用されている。

態様Ｃに係る光演算システムにおいては、態様Ａ又はＢの構成に加えて、前記１番目の光フィルタの前段に配置された１個以上の他の光フィルタ、及び、前記ｎ番目の光フィルタの後段に配置された１個以上の他の光フィルタの一方又は両方を更に備えている、という構成が採用されている。

態様Ｄに係る光演算システムにおいては、態様１～３の何れかの構成に加えて、前記１番目の光フィルタに入力する信号光、又は、前記１番目の光フィルタの前段に配置された１個以上の他の光フィルタに入力する信号光を生成する発光装置と、前記ｎ番目の光フィルタから出力された信号光、又は、前記ｎ番目の光フィルタの後段に配置された１個以上の他の光フィルタから出力された信号光を検出する受光装置と、を更に備えている、という構成が採用されている。

１，１ａ～１ｃ光回折素子
１０光演算システム
１１光回折素子群
１２発光装置
１３受光装置

Claims

ｎ個（ｎは２以上の自然数）の光回折素子を含む光回折素子群を備え、
前記光回折素子群に属する各光回折素子は、厚み又は屈折率が互いに独立に設定された複数のセルであって、２種類のセルＣ１，Ｃ２に分類される複数のセルを含み、
前記光回折素子群に属する各光回折素子のセルＣ１の厚み又は屈折率は、前記光回折素子群に属する各光回折素子のセルＣ２をマスクしたときに、前記光回折素子群により実行される光演算が恒等演算になるように設定されている、
ことを特徴とする光演算システム。
前記光回折素子群に属する各光回折素子において、セルＣ１及びセルＣ２は、それぞれ千鳥状に配置されている、
ことを特徴とする請求項１に記載の光演算システム。
前記光回折素子群に属する１番目の光回折素子の前段に配置された１個以上の他の光回折素子、及び、前記光回折素子群に属するｎ番目の光回折素子の後段に配置された１個以上の他の光回折素子の一方又は両方を更に備えている、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の光演算システム。
前記光回折素子群に属する１番目の光回折素子に入力する信号光、又は、前記１番目の光回折素子の前段に配置された１個以上の他の光回折素子に入力する信号光を生成する発光装置と、
前記光回折素子群に属するｎ番目の光回折素子から出力された信号光、又は、前記ｎ番目の光回折素子の後段に配置された１個以上の他の光回折素子から出力された信号光を検出する受光装置と、を更に備えている、
ことを特徴とする請求項１～３の何れか一項に記載の光演算システム。
前記光回折素子群に属する各光回折素子のセルＣ２の厚み又は屈折率は、前記光回折素子群に属する各光回折素子のセルＣ１をマスクしたときに、前記光回折素子群により実行される光演算が恒等演算以外の演算になるように設定されている、
ことを特徴とする請求項１～４の何れか一項に記載の光演算システム。