JP7493090B2 - 光演算装置及び光演算方法 - Google Patents

Description

本発明は、光回折素子を用いて光演算を行う光演算装置及び光演算方法に関する。

複数のマイクロセルを有し、各マイクロセルを透過した信号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には、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という利点がある。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。上述した光フィルタは、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

従来の光演算装置は、光回折素子に特定波長を有する信号光を入力したときに、その光回折素子が所期の光演算を実行するように設計されていた。光演算に利用されるのは、信号光に含まれる複数（離散スペクトル）又は無数（連続スペクトル）の波長成分のうち、特定波長を有する波長成分のみであり、それ以外の波長成分は、光演算に利用されることなく無駄になっていた。

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、その目的は、信号光に含まれる複数の波長成分を光演算に利用することが可能な光演算装置及び光演算方法を実現することにある。

本発明の一態様に係る光演算装置は、光演算機能を有する複数の光回折素子からなる光回折素子群と、前記光回折素子群から出力される信号光に含まれる複数の波長成分の各々の強度を個別に検出する受光部と、を備え、各前記光回折素子は、前記光回折素子群に入力する信号光が各前記光回折素子を順に通過するように、当該信号光の光路上に並んでいる。

本発明の一態様に係る光演算方法は、光演算機能を有する複数の光回折素子からなる光回折素子群であって、信号光の光路上に前記複数の光回折素子が並んでいる光回折素子群を用いた光演算方法であって、前記信号光が各前記光回折素子を順に通過する工程と、前記光回折素子群から出力される信号光に含まれる複数の波長成分の各々の強度を個別に検出する工程と、を含んでいる。

本発明の一態様によれば、信号光に含まれる複数の波長成分を光演算に利用することが可能な光演算装置又は光演算方法を実現することができる。

本発明の一実施形態に係る光演算装置の構成を示す斜視図である。 図１に示す光演算装置が備える光回折素子の構成を示す平面図である。 図２に示す光回折素子の一部を拡大した斜視図である。 図１に示す光演算装置の変形例を示す斜視図である。

〔光演算装置の構成〕
本発明の一実施形態に係る光演算装置１について、図１を参照して説明する。図１は、光演算装置１の構成を示す斜視図である。

光演算装置１は、図１に示すように、発光部１１と、光回折素子群１２と、受光部１３と、を備えている。

発光部１１は、複色光である信号光を生成するための構成である。ここで、信号光とは、信号に応じた２次元強度分布を有する光のことを指す。また、複色光である信号光とは、複数の波長成分を含む信号光のことを指す。本実施形態においては、可視光帯域に属する複数の波長成分を含む信号光を生成するディスプレイを、発光部１１として用いる。一例として、青色成分、緑色成分、及び赤色成分を含む信号光を生成するディスプレイを、発光部１１として用いる。以下、発光部１１から出力される信号光のことを、「入力信号光」とも記載する。

光回折素子群１２は、入力信号光の光路上に配置されている。光回折素子群１２は、ｎ個の光回折素子１２ａ１～１２ａｎの集合である。ここで、ｎは、１以上の自然数である。各光回折素子１２ａｉは、予め定められた光演算を実行するための構成、換言すると、信号光の２次元強度分布を予め定められた変換規則に従って変換するための構成である。ここで、ｉは、１以上ｎ以下の各自然数である。本実施形態においては、２個の光回折素子１２ａ１，１２ａ２の集合を、光回折素子群１２として用いている。光回折素子１２ａｉの構成については、参照する図面を代えて後述する。

光回折素子群１２においては、光回折素子１２ａ１～１２ａｎが、入力信号光の光路上に一直線に並んで配置されている。このため、入力信号光は、第１の光回折素子１２ａ１、第２の光回折素子１２ａ２、…、第ｎの光回折素子１２ａｎを、この順に通過する。したがって、光回折素子群１２においては、入力信号光に対して、第１の光回折素子１２ａ１による第１の光演算、第２の光回折素子１２ａ２による第２の光演算、…、第ｎの光回折素子１２ａｎによる第ｎの光演算がこの順に実行される。光回折素子群１２から出力される信号光の強度分布は、これらの演算の演算結果を表す。以下、光回折素子群１２から出力される信号光のことを、「出力信号光」とも記載する。

受光部１３は、出力信号光の光路上に配置されている。受光部１３は、出力信号光に含まれる複数の波長成分の各々の２次元強度分布を個別に検出するための構成である。本実施形態においては、可視光帯域に属する複数の波長成分の各々の２次元強度分布を個別に検出するマルチスペクトルカメラを、受光部１３として用いる。一例として、青色成分、緑色成分、及び赤色成分の各々の２次元強度分布を個別に検出するマルチスペクトルカメラを、受光部１３として用いる。なお、マルチスペクトルカメラとは、２次元強度分布を個別に検出することが可能な波長帯域（バンド）を１０個以上有するカメラのことを指す。また、出力信号光に含まれるより多くの波長成分を検出する必要がある場合には、受光部１３としてハイパースペクトルカメラを用いるとよい。ここで、ハイパースペクトルカメラとは、２次元強度分布を個別に検出することが可能な波長帯域（バンド）を１００個以上有するカメラのことを指す。

入力信号光に含まれる各波長成分は、（１）同じ２次元強度分布を有する、すなわち、同じ信号を表すものであってもよいし、（２）異なる２次元強度分布を有する、すなわち、異なる信号を表すものであってもよい。

入力信号光及び出力信号光がｍ個の波長成分を含み、入力信号光に含まれるｍ個の波長成分の２次元強度分布が同じ入力信号ｘを表す場合、光演算装置１によれば、入力信号ｘに対するｍ個の演算結果ｆ１（ｘ），ｆ２（ｘ），…，ｆｍ（ｘ）を得ることができる。一例として、入力信号光に含まれるｍ個の波長成分の２次元強度分布が同じ入力画像ｘを表す場合、入力画像ｘに含まれる被写体の分類結果として、ｍ個の分類結果ｆ１（ｘ），ｆ２（ｘ），…，ｆｍ（ｘ）を得ることができる。したがって、光演算装置１によれば、単一波長光演算よりも正確な又は詳細な演算結果を得ることができる。より正確な演算結果ｆ（ｘ）が必要な場合は、例えば、ｍ個の演算結果ｆ１（ｘ），ｆ２（ｘ），…，ｆｍ（ｘ）の平均を取ればよい。また、より詳細な演算結果ｆ（ｘ）が必要な場合は、例えば、ｍ個の演算結果ｆ１（ｘ），ｆ２（ｘ），…，ｆｍ（ｘ）の直積を取ればよい。

一方、入力信号光及び出力信号光がｍ個の波長成分を含み、入力信号光に含まれるｍ個の波長成分の２次元強度分布が異なる入力信号ｘ１，ｘ２，…，ｘｍを表す場合、光演算装置１によれば、ｍ個の入力信号ｘ１，ｘ２，…，ｘｍの各々に対する演算結果ｆ１（ｘ１），ｆ２（ｘ２），…，ｆｍ（ｘｍ）を得ることができる。一例として、入力信号光に含まれるｍ個の波長成分の２次元強度分布が異なる入力画像ｘ１，ｘ２，…，ｘｍを表す場合、入力画像ｘ１，ｘ２，…，ｘｍの各々に含まれる被写体の分類結果として、ｍ個の分類結果ｆ１（ｘ１），ｆ２（ｘ２），…，ｆｍ（ｘｍ）を得ることができる。したがって、光演算装置１によれば、単一波長光演算よりも多様な演算結果を得ることができる。

〔光回折素子の構成〕
光回折素子１２ａｉの構成について、図２及び図３を参照して説明する。図２は、光回折素子１２ａｉの構成を示す平面図である。図３は、光回折素子１２ａｉの一部（図２において点線で囲んだ部分）を拡大した斜視図である。

光回折素子１２ａｉは、厚み又は屈折率が互いに独立に設定された複数のマイクロセルにより構成されている。光回折素子１２ａｉに信号光が入射すると、各マイクロセルにて回折された位相の異なる信号光が相互に干渉することによって、予め定められた光演算（予め定められた変換規則に従う２次元強度分布の変換）が行われる。なお、本明細書において、「マイクロセル」とは、例えば、セルサイズが１０μｍ未満のセルのことを指す。また、本明細書において、「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、例えば、１ｎｍである。

図２に例示した光回折素子１２ａｉは、マトリックス状に配置された２００×２００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、５００ｎｍ×５００ｎｍの正方形であり、光回折素子１２ａｉの平面視形状は、１００μｍ×１００μｍの正方形である。

（１）マイクロセルの厚みをセル毎に独立に設定することによって、又は、（２）マイクロセルの屈折率をセル毎に独立に選択することによって、マイクロセルを透過する光の位相変化量をセル毎に独立に設定することができる。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、各マイクロセルは、図３に示すように、各辺の長さがセルサイズと等しい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。この場合、マイクロセルを透過する光の位相変化量は、このピラーの高さに応じて決まる。すなわち、高さの高いピラーにより構成されるマイクロセルを透過する光の位相変化量は大きくなり、高さの低いピラーにより構成されるマイクロセルを透過する光の位相変化量は小さくなる。

なお、各マイクロセルの厚み又は屈折率の設定は、例えば、機械学習を用いて実現することができる。この機械学習において用いられるモデルとしては、例えば、光回折素子１２ａｉに入力される信号光の２次元強度分布を入力とし、光回折素子１２ａｉから出力される信号光の２次元強度分布を出力とするモデルであって、各マイクロセルの厚み又は屈折率をパラメータとして含むモデルを用いることができる。ここで、光回折素子１２ａｉに入力される信号光の２次元強度分布とは、光回折素子１２ａｉを構成する各マイクロセルに入力される信号光の強度の集合のことを指す。また、光回折素子１２ａｉから出力される信号光の２次元強度分布とは、光回折素子１２ａｉの後段に配置された光回折素子１２ａｉ＋１を構成する各マイクロセルに入力される信号光の強度の集合、又は、光回折素子１２ａｉの後段に配置された受光部１３を構成する各マイクロセルに入力される信号光の強度の集合のことを指す。

〔光演算装置の変形例〕
光演算装置１の一変形例（以下、光演算装置１Ａと記載する）について、図４を参照して説明する。図４は、光演算装置１Ａの構成を示す斜視図である。

光演算装置１Ａは、図４に示すように、発光部１１と、光回折素子群１２と、受光部１３Ａと、を備えている。図４に示す光演算装置１Ａが備える発光部１１及び光回折素子群１２は、図１に示す光演算装置１が備える発光部１１及び光回折素子群１２と同様に構成されている。一方、図１に示す光演算装置１が備える受光部１３は、出力信号光に含まれる各波長成分の２次元強度分布を個別に検出するのに対して、図４に示す光演算装置１Ａが備える受光部１３Ａは、出力信号光に含まれる各波長成分の特定の点における強度を個別に検出する。

本変形例においては、例えば、出力信号光に含まれる波長成分のうち、どの波長成分を受光部１３が検出したかを特定することによって、演算結果を得ることができる。このような演算方法を実現するためには、例えば、光回折素子群１２を構成する各光回折素子１２ａｉを、演算結果に対応する波長成分が受光部１３Ａに入射し、且つ、演算結果に対応しない波長成分が受光部１３Ａに入射しないように設計すればよい。また、受光部１３Ａの出力信号に基づき、出力信号光に含まれる波長成分のうち、どの波長成分を受光部１３Ａが検出したかを特定する演算部を、光演算装置１の構成要素に追加すればよい。

本変形例によれば、受光部１３Ａの構成を簡素化することが可能であり、その結果、光演算装置１Ａの製造コストを低下させることができる。

（まとめ）
本発明の態様１に係る光演算装置は、光演算機能を有する少なくとも１つの光回折素子からなる光回折素子群と、前記光回折素子群から出力される信号光に含まれる複数の波長成分の各々の強度を個別に検出する受光部と、を備えている。

上記の構成によれば、信号光に含まれる複数の波長成分を光演算に利用することが可能な光演算装置を実現することができる。

本発明の態様２に係る光演算装置においては、態様１の構成に加えて、前記受光部は、前記光回折素子群から出力される信号光に含まれる複数の波長成分の各々の２次元強度分布を個別に検出する、という構成が採用されている。

上記の構成によれば、光回折素子群から出力される信号光に含まれる複数の波長成分の各々が表す情報をより有効に活用することができる。

本発明の態様３に係る光演算装置においては、態様２の構成に加えて、前記光回折素子群に入力する信号光であって、同じ２次元強度分布を有する複数の波長成分を含む信号光を生成する発光部を更に備えている、という構成が採用されている。

上記の構成によれば、光回折素子群から出力される信号光に含まれる複数の波長成分の各々が表す情報を有効に活用して、より正確な、又は、より詳細な演算結果を得ることができる。

本発明の態様４に係る光演算装置においては、態様２の構成に加えて、前記光回折素子群に入力する信号光であって、異なる２次元強度分布を有する複数の波長成分を含む信号光を生成する発光部を更に備えている、という構成が採用されている。

上記の構成によれば、光回折素子群から出力される信号光に含まれる複数の波長成分の各々が表す情報を有効に活用して、より多様な演算結果を得ることができる。

本発明の態様５に係る光演算装置においては、態様２～４の何れかの構成に加えて、前記受光部は、マルチスペクトルカメラである、という構成が採用されている。

上記の構成によれば、光回折素子群から出力される信号光に含まれる１０個以上の波長成分の各々が表す情報を有効に活用して、より多様な演算結果を得ることができる。

本発明の態様６に係る光演算装置においては、態様１の構成に加えて、前記受光部は、特定の点において、当該信号光に含まれる複数の波長成分の各々の強度を個別に検出する、という構成が採用されている。

上記の構成によれば、受光部を簡素化することが可能であり、その結果、光演算装置の製造コストを低下させることができる。

本発明の態様７に係る光演算装置においては、態様６の構成に加えて、前記受光部の出力信号に基づき、前記光回折素子群から出力される信号光に含まれる波長成分のうち、どの波長成分を前記受光部が検出したかを特定する演算部を更に備えている、という構成が採用されている。

上記の構成によれば、新規な光演算装置、すなわち、前記受光部が検出した波長成分に応じて演算結果を特定する光演算装置を実現することができる。

本発明の態様８に係る光演算装置においては、態様１～７の何れか一態様の構成に加えて、前記光回折素子は、厚み又は屈折率が互いに独立に設定された複数のマイクロセルにより構成されている、という構成が採用されている。

上記の構成によれば、ナノインプリント技術等を用いて光回折素子を容易に製造することができる。

本発明の態様９に係る光演算方法は、光演算機能を有する少なくとも１つの光回折素子からなる光回折素子群を用いた光演算方法であって、前記光回折素子群から出力される信号光に含まれる複数の波長成分の各々の強度を個別に検出する工程を含んでいる。

上記の構成によれば、信号光に含まれる複数の波長成分を光演算に利用することが可能な光演算方法を実現することができる。

〔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。

１ 光演算装置
１１ 発光部
１２ 光回折素子群
１２ａ１，１２ａ２ 光回折素子
１３ 受光部

Claims (9)

1. 光演算機能を有する複数の光回折素子からなる光回折素子群と、
   前記光回折素子群から出力される信号光に含まれる複数の波長成分の各々の強度を個別に検出する受光部と、
   を備え、
   各前記光回折素子は、前記光回折素子群に入力する信号光が各前記光回折素子を順に通過するように、当該信号光の光路上に並んでいる、
   ことを特徴とする光演算装置。
2. 前記受光部は、前記光回折素子群から出力される信号光に含まれる複数の波長成分の各々の２次元強度分布を個別に検出する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の光演算装置。
3. 前記光回折素子群に入力する信号光であって、同じ２次元強度分布を有する複数の波長成分を含む信号光を生成する発光部を更に備えている、
   ことを特徴とする請求項２に記載の光演算装置。
4. 前記光回折素子群に入力する信号光であって、異なる２次元強度分布を有する複数の波長成分を含む信号光を生成する発光部を更に備えている、
   ことを特徴とする請求項２に記載の光演算装置。
5. 前記受光部は、マルチスペクトルカメラである、
   ことを特徴とする請求項２～４の何れか一項に記載の光演算装置。
6. 前記受光部は、特定の点において、当該信号光に含まれる複数の波長成分の各々の強度を個別に検出する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の光演算装置。
7. 前記受光部の出力信号に基づき、前記光回折素子群から出力される信号光に含まれる波長成分のうち、どの波長成分を前記受光部が検出したかを特定する演算部を更に備えている、
   ことを特徴とする請求項６に記載の光演算装置。
8. 前記光回折素子は、厚み又は屈折率が互いに独立に設定された複数のマイクロセルにより構成されている、
   ことを特徴とする請求項１～７の何れか一項に記載の光演算装置。
9. 光演算機能を有する複数の光回折素子からなる光回折素子群であって、信号光の光路上に前記複数の光回折素子が並んでいる光回折素子群を用いた光演算方法であって、
   前記信号光が各前記光回折素子を順に通過する工程と、
   前記光回折素子群から出力される信号光に含まれる複数の波長成分の各々の強度を個別に検出する工程と、を含んでいる、
   ことを特徴とする光演算方法。
   

Images