JP7624552B2 - 光演算装置、及び、光演算装置の制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、光変調素子を備えた光演算装置、及び、そのような光演算装置の制御方法に関する。

複数のセルを有し、各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変調素子が知られている。このような光変調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。また、並べて配置された２つ以上の光変調素子を信号光に順に作用させることによって、複数段光演算を実現することができる。

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。上述した光変調素子は、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

しかしながら、光変調素子の各セルにて行われる位相変調は、変調前の信号光の位相φに予め定められた位相Δφを加える線形な位相変調（φ→φ＋Δφ）である。したがって、光変調素子にて実現できる光演算は、限定的なものに過ぎなかった。例えば、ニューラルネットワークを構成する各ニューロンでは活性化関数による閾値演算が行われるが、このような閾値演算を光変調素子により実現することは困難であった。

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、その目的は、光変調素子の各セルにおいて線形な位相変調を行う従来の光演算装置よりも多様な光演算を行うことが可能な光演算装置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、少なくとも１個の受光セルを含むイメージセンサと、位相変調量が互いに独立に設定可能な複数のセルを含む光変調素子と、信号光を前記イメージセンサに入射するモニタ用信号光と前記光変調素子に入射する演算用信号光とに分岐する光分岐素子と、前記光変調素子の各セルの位相変調量を、該セルに対応する前記イメージセンサの受光セルにて検出された前記モニタ用信号光の強度に応じて設定する制御部と、を備えている。

本発明の別の態様に係る制御方法は、少なくも１個の受光セルを含むイメージセンサと、位相変調量が互いに独立に設定可能な複数のセルを含む光変調素子と、信号光を前記イメージセンサに入射するモニタ用信号光と前記光変調素子に入射する演算用信号光とに分岐する光分岐素子と、を備えた光演算装置の制御方法であって、前記光変調素子の各セルの位相変調量を、該セルに対応する前記イメージセンサの受光セルにて検出された前記モニタ用信号光の強度に応じて設定する工程を含む。

本発明の一態様によれば、光変調素子の各セルにおいて線形な位相変調を行う従来の光演算装置よりも多様な光演算を行うことが可能な光演算装置を実現することができる。

本発明の一実施形態に係る光演算装置の構成を示すブロック図である。 図１に示す光演算装置の変形例を示すブロック図である。 （ａ）は、図１に示す光演算装置が備える反射型の光変調素子の平面図である。（ｂ）は、その光変調素子を構成するセルの断面図である。 （ａ）は、図２に示す光演算装置が備える透過型の光変調素子の平面図である。（ｂ）は、その光変調素子を構成するセルの断面図である。 図１に示す光演算装置が備える別の反射型の光変調素子の断面図である。 図２に示す光演算装置が備える別の透過型の光変調素子の断面図である。 （ａ）及び（ｂ）は、図１に示す制御部としてマイクロコンピュータの代わりに集積回路を用いる構成のブロック図である。なお、（ａ）では、光変調素子の各セルとイメージセンサの各受光セルとが１対１対応しており、（ｂ）では、光変調素子の各セルとイメージセンサの各受光セルとが１対４対応している。 図７の（ｂ）に示す加算回路を示す回路図である。

（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の構成について、図１を参照して説明する。図１は、光演算装置１の構成を示すブロック図である。

光演算装置１は、図１に示すように、光変調素子群１１と、イメージセンサ群１２と、光分岐素子群１３と、制御部１４と、を備えている。

光変調素子群１１は、少なくとも１つの反射型の光変調素子１１ａ１～１１ａｎ（ｎは１以上の任意の自然数）の集合である。本実施形態においては、多段の光演算を実現するべく、光変調素子群１１として、３つの光変調素子１１ａ１～１１ａ３の集合を用いている。反射型の光変調素子１１ａｉ（ｉは１以上ｎ以下の各自然数）は、位相変調量が互いに独立に設定可能な複数のセルにより構成された板状素子であり、位相変調されながら各セルにて反射された信号光を干渉させることによって、光演算を行う。ここで、光演算を行うとは、信号光の２次元強度分布を、演算前の情報を表す２次元強度分布から、演算後の情報を表す２次元強度分布へと、変換することを指す。反射型の光変調素子１１ａｉの構成例については、参照する図面を代えて後述する。

本実施形態において、光変調素子１１ａ１～１１ａｎは、各光変調素子１１ａｉの一方の主面（信号光の入出射面）が同一の平面Ｐ上に位置するように、並べて配置されている。なお、光変調素子１１ａ１～１１ａｎは、一体化されていてもよい。例えば、光変調素子１１ａ１～１１ａｎは、単一の基板に埋め込まれていてもよいし、単一の光変調素子のｎ個の領域を、光変調素子１１ａ１～１１ａｎとして用いてもよい。或いは、乾燥ゲルなど、信号光を透過する構造体に中に形成されたｎ個の光回折層を、光変調素子１１ａ１～１１ａｎとして用いてもよい。

イメージセンサ群１２は、光変調素子１１ａ１～１１ａｎと同数のイメージセンサ１２ａ１～１２ａｎの集合である。図１においては、イメージセンサ群１２の一例として、３つのイメージセンサ１２ａ１～１２ａ３の集合を図示している。各イメージセンサ１２ａｉは、少なくとも１個の受光セルを含む板状素子であり、信号光の２次元強度分布を検出する。本実施形態においては、光変調素子１１ａｉの各セルとイメージセンサ１２ａｉの各受光セルとが１対１対応している。例えば、光変調素子１１ａｉがマトリックス状に配置された２００×２００個のセルにより構成される場合、イメージセンサ１２ａｉもマトリックス状に配置された２００×２００個の受光セルにより構成される。このため、光変調素子１１ａｉの各セルに入射する信号光の強度が、そのセルに対応するイメージセンサ１２ａｉの受光セルによって検出されることになる。なお、イメージセンサ１２ａ１～１２ａｎの具体例としては、例えば、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）カメラ及びＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）カメラが挙げられる。

本実施形態において、イメージセンサ１２ａ１～１２ａｎは、各イメージセンサ１２ａｉの一方の主面（信号光の入射面）が同一の平面Ｑ上に位置するように、並べて配置されている。ここで、平面Ｑは、上述した平面Ｐと平行な平面である。なお、イメージセンサ１２ａ１～１２ａｎは、一体化されていてもよい。例えば、イメージセンサ１２ａ１～１２ａｎは、単一の基板に埋め込まれていてもよいし、単一のイメージセンサのｎ個の領域を、イメージセンサ１２ａ１～１２ａｎとして用いてもよい。

光分岐素子群１３は、光変調素子１１ａ１～１１ａｎと同数の光分岐素子１３ａ１～１３ａｎの集合である。図１においては、光分岐素子群１３の一例として、３つの光分岐素子１３ａ１～１３ａ３の集合を図示している。各光分岐素子１３ａｉは、信号光をモニタ用信号光と演算用信号光とに分岐する。各光分岐素子１３ａｉは、ハーフミラーであってもよいし、ビームスプリッタであってもよい。

本実施形態において、光分岐素子１３ａ１～１３ａｎは、各光分岐素子１３ａｉの反射面が同一の平面Ｒ上に位置するように、並べて配置されている。ここで、平面Ｒは、上述した平面Ｐ及び平面Ｑの間に位置する、上述した平面Ｐ及び平面Ｑと平行な平面である。

制御部１４は、各光変調素子１１ａｉの各セルの位相変調量を、そのセルに対応するイメージセンサ１２ａｉの各受光セルにて検出された信号光の強度に応じて制御するための構成である。本実施形態においては、制御部１４として、コンピュータの一態様であるマイクロコンピュータを用いる。ただし、本発明の一態様においては、制御部１４として、コンピュータの別の態様であるパーソナルコンピュータを用いることもできるし、集積回路を用いることもできる。また、制御部１４として集積回路を用いる場合、当該集積回路は、その論理回路を書き換え可能なもの（例えばＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ－Ｐｒоｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ））であってもよいし、書き換え不可能なものであってもよい。書き換え不可能な集積回路は、抵抗やアンプなどで構成された電子回路の集合体、すなわち集積回路である。このような集積回路により構成された制御部１４については、図７及び図８を参照して後述する。

光演算装置１に入力された信号光Ｌ_０は、光分岐素子１３ａ１によって、モニタ用信号光Ｌ_０ ^ｍと演算用信号光Ｌ_０ ^ｃとに分岐される。ここで、モニタ用信号光Ｌ_０ ^ｍは、光分岐素子１３ａ１を透過した信号光であり、演算用信号光Ｌ_０ ^ｃは、光分岐素子１３ａ１によって反射された信号光である。モニタ用信号光Ｌ_０ ^ｍは、イメージセンサ１２ａ１に入射する。一方、演算用信号光Ｌ_０ ^ｃは、光変調素子１１ａ１に入射する。この際、制御部１４は、演算用信号光Ｌ_０ ^ｃに作用する光変調素子１１ａ１の各セルの位相変調量を、そのセルに対応するイメージセンサ１２ａ１の受光セルによって検出されたモニタ用信号光Ｌ_０ ^ｍの強度に応じて設定する。

光変調素子１１ａ１によって反射された信号光Ｌ_１は、光分岐素子１３ａ２によって、モニタ用信号光Ｌ_１ ^ｍと演算用信号光Ｌ_１ ^ｃとに分岐される。ここで、モニタ用信号光Ｌ_１ ^ｍは、光分岐素子１３ａ２を透過した信号光であり、演算用信号光Ｌ_１ ^ｃは、光分岐素子１３ａ２によって反射された信号光である。モニタ用信号光Ｌ_１ ^ｍは、イメージセンサ１２ａ２に入射する。一方、演算用信号光Ｌ_１ ^ｃは、光変調素子１１ａ２に入射する。この際、制御部１４は、演算用信号光Ｌ_１ ^ｃに作用する光変調素子１１ａ２の各セルの位相変調量を、そのセルに対応するイメージセンサ１２ａ２の受光セルによって検出されたモニタ用信号光Ｌ_１ ^ｍの強度に応じて設定する。

光変調素子１１ａ２によって反射された信号光Ｌ_２は、光分岐素子１３ａ３によって、モニタ用信号光Ｌ_２ ^ｍと演算用信号光Ｌ_２ ^ｃとに分岐される。ここで、モニタ用信号光Ｌ_２ ^ｍは、光分岐素子１３ａ３を透過した信号光であり、演算用信号光Ｌ_２ ^ｃは、光分岐素子１３ａ３によって反射された信号光である。モニタ用信号光Ｌ_２ ^ｍは、イメージセンサ１２ａ３に入射する。一方、演算用信号光Ｌ_２ ^ｃは、光変調素子１１ａ３に入射する。この際、制御部１４は、演算用信号光Ｌ_２ ^ｃに作用する光変調素子１１ａ３の各セルの位相変調量を、そのセルに対応するイメージセンサ１２ａ３の受光セルによって検出されたモニタ用信号光Ｌ_２ ^ｍの強度に応じて設定する。

光変調素子１１ａ３に反射された信号光Ｌ_３は、光演算装置１による演算結果を表す信号光として、外部に出力される。

なお、本実施形態においては、入力情報を表す信号光Ｌ_０が光演算装置１に入力され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、入力情報を表す電気信号と搬送光とが光演算装置１に入力される構成を採用することもできる。この場合、例えば、入力情報を表す電気信号で搬送光を光変調することによって、入力信号を表す信号光Ｌ_０を生成する光変調素子１１ａ０（図１において点線で図示）を、光変調素子１１ａ１の前段に追加するとよい。

従来の光演算装置が備える光変調素子の各セルの位相変調量は、そのセルに入射する信号光の強度（光強度）Ｐに依らず一定である。したがって、そのセルに入射する信号光の位相をφ、そのセルにおける位相変調量をΔφとすると、そのセルから出射する信号光の位相φ’は、φ’＝φ＋Δφ（定数）により与えられる。換言すると、セルに入射する信号光を複素数Ｐ×ｅ^ｉ×φにより表現する場合、そのセルから出射する信号光は、複素数Ｐ×ｅ^ｉ×φ×ｅ^ｉ×Δθにより表現される。

一方、本実施形態に係る光演算装置１が備える光変調素子１１ａｉの各セルの位相変調量は、そのセルに入射する演算用信号光Ｌ_ｉ－１ ^ｃの強度Ｐ、すなわち、そのセルに対応するイメージセンサ１２ａｉの受光セルが検出したモニタ用信号光Ｌ_ｉ－１ ^ｍの強度Ｐに応じて決まる。したがって、そのセルに入射する演算用信号光Ｌ_ｉ－１ ^ｃの位相をφ、そのセルにおける位相変調量をΔφ（Ｐ）とすると、そのセルから出射する信号光Ｌ_ｉの位相をφ’は、φ’＝φ＋Δφ（Ｐ）により与えられる。換言すると、各セルに入射する演算用信号光Ｌ_ｉ－１ ^ｃを複素数Ｐｅ^ｉφにより表現する場合、そのセルから出射する信号光Ｌ_ｉは、複素数Ｐ×ｅ^ｉ×φ×ｅ^{ｉ×Δθ（Ｐ）}により表現される。このため、本実施形態に係る光演算装置１によれば、光変調素子の各セルにおいて線形な位相変調を行う従来の光演算装置よりも多様な光演算を行うことができる。

なお、演算用信号光Ｌ_ｉ－１ ^ｃの強度Ｐ^ｃとモニタ用信号光Ｌ_ｉ－１ ^ｍの強度Ｐ^ｍとは、一致することもあれば、一致しないこともある。ただし、後者の場合であっても、これらの強度の間には比例関係Ｐ^ｃ＝ρＰ^ｍが存在するので、演算用信号光Ｌ_ｉ－１ ^ｃの強度Ｐ^ｃに応じた位相変調量の制御を行うことができる。ここで、ρは、光分岐素子１３ａｉの分岐比（透過率及び反射率）などに応じて定まる定数である。

なお、本実施形態において、制御部１４は、光変調素子１１ａｉの各セルの位相変調量Δφ（Ｐ）を、Δφ（Ｐ）＝Ｐ×α＋βに従って設定する。ここで、α及びβは、光変調素子１１ａｉのセル毎に定まる定数である。ただし、本発明は、これに限定されない。すなわち、各セルの位相変調量Δφ（Ｐ）と、そのセルに対応するイメージセンサ１２ａｉの受光セルが検出したモニタ用信号光Ｌ_ｉ－１ ^ｍの強度Ｐとの関係は任意である。例えば、制御部１４は、光変調素子１１ａｉの各セルの位相変調量Δφ（Ｐ）を、Ｐ＜Ｐ０であればΔφ（Ｐ）＝０となり、Ｐ≧Ｐ０であればΔφ（Ｐ）＝γとなるように設定してもよい。ここで、γは、光変調素子１１ａｉのセル毎に定まる定数である。

なお、光変調素子１１ａｉの各セルの位相変調量の定数部分の設定は、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、光変調素子１１ａ１に入力される信号光Ｌ_０の２次元強度分布を入力とし、光変調素子１１ａｎから出力される信号光Ｌ_ｎの２次元強度分布を出力とするモデルであって、各セルにおける位相変調量の定数部分（上述した例では、α、β、及びγ）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、光変調素子１１ａ１に入力される信号光Ｌ_０の２次元強度分布とは、例えば、光変調素子１１ａ１を構成する各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、光変調素子１１ａｎから出力される信号光Ｌ_ｎの２次元強度分布とは、例えば、光変調素子１１ａｎの後段に配置された２次元イメージセンサを構成する各セルに入力される信号光の強度の集合のことを指す。

なお、各イメージセンサ１２ａｉによるモニタ用信号光Ｌ_ｉ－１ ^ｍの検出、制御部１４による各光変調素子１１ａｉの制御、及び、各光変調素子１１ａｉによる演算用信号光Ｌ_ｉ－１ ^ｃに対する光演算は、それぞれ、時間を要する処理である。したがって、各光変調素子１１ａｉの全てのセルの位相変調量が一定の値に収束し、光演算装置１から期待される信号光Ｌ_ｎが出力されるようになるまでには、時間が掛かる。この点を考慮すると、制御部１４は、各光変調素子１１ａｉの全てのセルの位相変調量が一定の値に収束した後、正しい演算結果を表す信号光Ｌ_ｎが出力されていることを示す信号（光信号であってもよいし、電気信号であってもよい）を出力することが好ましい。これにより、この信号の出力先において、各光変調素子１１ａｉの全てのセルの位相変調量が一定の値に収束する前に光演算装置１から出力され得る、正しくない演算結果を表す信号光Ｌ_ｎが参照されるリスクを低減することができる。なお、この信号の出力先としては、例えば、信号光Ｌ_ｎが表す情報を利用する装置の制御部（その装置に接続されたコンピュータであってもよいし、その装置に内蔵されたマイコン又は集積回路であってもよい）などが挙げられる。

また、本実施形態においては、光変調素子１１ａｉの各セルとイメージセンサ１２ａｉの各受光セルとが１対１対応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、光変調素子１１ａｉの各セルとイメージセンサ１２ａｉの各受光セルとが１対Ｋ対応する構成を採用してもよい（Ｋは２以上の自然数）。この場合、制御部１４は、光変調素子１１ａｉの１個のセルの位相変調量Δφ（Ｐ）を、そのセルに対応するイメージセンサ１２ａｉのＫ個の受光セルにて検出されたモニタ用信号光Ｌ_ｉ－１ ^ｍの強度Ｐに応じて設定することになる。Ｋ＝４の場合について、図７の（ｂ）を参照して後述する。或いは、光変調素子１１ａｉの各セルとイメージセンサ１２ａｉの各受光セルとがＬ対１対応する構成を採用してもよい（Ｌは２以上の自然数）。この場合、制御部１４は、光変調素子１１ａｉのＬ個のセルの位相変調量Δφ（Ｐ）を、それらのセルに対応するイメージセンサ１２ａｉの１個の受光セルにて検出されたモニタ用信号光Ｌ_ｉ－１ ^ｍの強度Ｐに応じて設定することになる。なお、Ｌは、光変調素子１１ａｉを構成するセルの総数であってもよい。この場合、光変調素子１１ａｉの全てのセルの位相変調量Δφ（Ｐ）が、それらのセルに対応するイメージセンサ１２ａｉの１個の受光セルにて検出されたモニタ用信号光Ｌ_ｉ－１ ^ｍの強度Ｐに応じて設定することになる。

また、乾燥ゲル中に形成されたｎ個の光回折層を光変調素子１１ａ１～１１ａｎとして用いる場合、脱水収縮を行うことにより相似形を保ったまま収縮するゲル、例えば、Implosion Fabrication法において用いられるゲルを用いることが好ましい。これにより、ｎ個の光回折層を形成した膨潤ゲルを乾燥させることによって、光変調素子１１ａ１～１１ａｎが精度良く配置された光変調素子群１１を容易に製造することができる。

（反射型の光変調素子の構成例）
光演算装置１が備える反射型の光変調素子１１ａｉの構成例について、図３を参照して説明する。図３の（ａ）は、本具体例に係る光変調素子１１ａｉの平面図である。図３の（ｂ）は、本具体例に係る光変調素子１１ａｉを構成するマイクロセルＣの断面図である。

光変調素子１１ａｉは、図３の（ａ）に示すように、位相変調量が互いに独立に設定された複数のマイクロセルＣにより構成されている。光変調素子１１ａｉに演算用信号光Ｌ_ｉ－１ ^ｃが入射すると、位相変調されながら各マイクロセルＣで反射された演算用信号光Ｌ_ｉ－１ ^ｃが相互に干渉することによって、演算結果を表す信号光Ｌ_ｉが形成される。

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、「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Ｃの平面視形状が正方形である場合、マイクロセルＣのセルサイズとは、マイクロセルＣの一辺の長さである。マイクロセルＣのセルサイズの下限は、例えば、１ｎｍである。

図３の（ａ）に例示した光変調素子１１ａｉは、マトリックス状に配置された２００×２００個のマイクロセルＣにより構成されている。各マイクロセルＣの平面視形状は、５００ｎｍ×５００ｎｍの正方形であり、光変調素子１１ａｉの平面視形状は、１００μｍ×１００μｍの正方形である。

光変調素子１１ａｉを構成する各マイクロセルＣは、例えば図３の（ｂ）に示すように、偏光板Ｃ１１と、反射板Ｃ１２と、第１電極Ｃ１３と、磁化自由層Ｃ１４と、絶縁層Ｃ１５と、磁化固定層Ｃ１６と、第２電極Ｃ１７と、により構成することができる。

偏光板Ｃ１１及び反射板Ｃ１２は、互いに対向するように配置されている。第１電極Ｃ１３、磁化自由層Ｃ１４、絶縁層Ｃ１５、磁化固定層Ｃ１６、及び第２電極Ｃ１７は、この順に積層され、偏光板Ｃ１１と反射板Ｃ１２との間に挟みこまれている。ここで、第１電極Ｃ１３、磁化自由層Ｃ１４、絶縁層Ｃ１５、磁化固定層Ｃ１６、及び第２電極Ｃ１７の積層方向は、偏光板Ｃ１１及び反射板Ｃ１２の積層方向と直交する。このため、磁化自由層Ｃ１４の第１の側面が偏光板Ｃ１１の一方の主面と面接触し、第１の側面に対向する磁化自由層Ｃ１４の第２の側面が反射板Ｃ１２の一方の主面と面接触する。演算用信号光Ｌ_ｉ－１ ^ｃは、（１）偏光板Ｃ１１を介して磁化自由層Ｃ１４の内部に入射し、（２）反射板Ｃ１２により反射され、（３）偏光板Ｃ１１を介して磁化自由層Ｃ１４の外部に出射する。

磁化自由層Ｃ１４は、例えば、導電性及び透光性を有する軟磁性材料（例えば、ＣｏＦｅＢ）により構成される。また、磁化固定層Ｃ１６は、例えば、導電性を有する硬磁性材料（例えば、パーマロイ）により構成される。また、偏光板Ｃ１１としては、偏光方向Ｐが磁化固定層Ｃ１６の磁化方向Ｍと平行な偏光成分を選択的に透過する偏光板が選択される。図３の（ｂ）においては、磁化方向Ｍ及び偏光方向Ｐが、偏光板Ｃ１１の主面及び磁化固定層Ｃ１６の主面の両方と平行になる場合を例示している。

第１電極Ｃ１３と第２電極Ｃ１７との間に電位差を与えると、トンネル効果によりスピン流（スピン偏極した電子の流れ）が絶縁層Ｃ１５を介して磁化固定層Ｃ１６から磁化自由層Ｃ１４に注入され、磁化自由層Ｃ１４に磁化が生じる。ここで、磁化自由層Ｃ１４に生じる磁化は、磁化固定層Ｃ１６の磁化方向Ｍと平行な磁化、すなわち、偏光板Ｃ１１を介して磁化自由層Ｃ１４に入射する演算用信号光Ｌ_ｉ－１ ^ｃの偏光方向Ｐと平行な磁化である。このため、演算用信号光Ｌ_ｉ－１ ^ｃの位相は、磁化自由層Ｃ１４を伝搬する過程で横カー効果により遅延する。

ここで、セルＣにおける演算用信号光Ｌ_ｉ－１ ^ｃの位相変化量は、磁化自由層Ｃ１４に生じる磁化の大きさに応じて決まる。また、磁化自由層Ｃ１４に生じる磁化の大きさは、磁化自由層Ｃ１４に注入されるスピン流の大きさに応じて決まる。また、磁化自由層Ｃ１４に注入されるスピン流の大きさは、第１電極Ｃ１３と第２電極Ｃ１７との間に与える電位差に応じて決まる。したがって、第１電極Ｃ１３と第２電極Ｃ１７との間に与える電位差を制御することによって、セルＣの位相変調を所望の値に設定することができる。

なお、本構成例においては、ＳＴＴ（Spin Transfer Torque）方式のＭＲＡＭ（Magnetoresistive Random Access Memory）と同様の構成を有するマイクロセルＣについて説明したが、これに限定されない。例えば、ＳＯＴ（Spin Orbit Torque）方式のＭＲＡＭと同様の構成を有するマイクロセルＣを用いてもよい。なお、このようなマイクロセルＣは、例えば、図３の（ｂ）に示した構造から、絶縁層Ｃ１５、磁化固定層Ｃ１６、及び第２電極Ｃ１７を取り去ることにより実現することができる。この場合、例えば、第１電極Ｃ１３に重金属を含め、第１電極Ｃ１３にパルス電圧又はパルス電流を与えることにより、磁化自由層Ｃ１４に効率よくスピン流を注入することができる。

また、セルＣは、ＬＣＯＳ（Liquid Crystal On Silicon）のセルと同様に構成されていてもよい。この場合、セルＣは、例えば図５に示すように、ガラス基板Ｃ２１、透明電極Ｃ２２、液晶層Ｃ２３、及び反射電極Ｃ２４により構成される。ガラス基板Ｃ２１、透明電極Ｃ２２、液晶層Ｃ２３、及び反射電極Ｃ２４は、演算用信号光Ｌ_ｉ－１ ^ｃの入射側からこの順に積層されている。

演算用信号光Ｌ_ｉ－１ ^ｃは、（１）ガラス基板Ｃ２１及び透明電極Ｃ２２を透過し、（２）液晶層Ｃ２３を透過し、（３）反射電極Ｃ２４により反射され、（４）液晶層Ｃ２３を透過し、（５）透明電極Ｃ２２及びガラス基板Ｃ２１を透過する。液晶層Ｃ２３は、ガラス基板Ｃ２１の主面と平行な方向に配向した液晶分子により構成されており、透明電極Ｃ２２と反射電極Ｃ２４との間の電位差に応じた屈折率を有する。このため、演算用信号光Ｌ_ｉ－１ ^ｃは、液晶層Ｃ２３を透過する際に、位相変調を受ける。セルＣの位相変調量は、透明電極Ｃ２２と反射電極Ｃ２４との間に与える電位差を制御することによって、所望の値に設定することができる。

（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２を参照して説明する。図２は、光演算装置１Ａの構成を示すブロック図である。

光演算装置１Ａは、光演算装置１と同様、光変調素子群１１と、イメージセンサ群１２と、光分岐素子群１３と、制御部１４と、を備えている。光演算装置１と光演算装置１Ａとの相違点は、（１）光変調素子群１１が透過型の光変調素子１１ｂ１～１１ｂｎにより構成されている点と、（２）光変調素子群１１に含まれる光変調素子１１ｂ１～１１ｂｎ、及び、光分岐素子群１３に含まれる光分岐素子１３ａ１～１３ａｎの配置である。

透過型の光変調素子１１ｂｉは、位相変調量が互いに独立に設定可能な複数のセルにより構成されており、位相変調されながら各セルを透過した信号光を干渉させることによって、光演算を行う。透過型の光変調素子１１ｂｉの構成例については、参照する図面を代えて後述する。

本変形例において、光変調素子１１ｂ１～１１ｂｎは、各光変調素子１１ｂｉの主面（信号光の入射面及び出射面）が平面Ｑと直交するように、直線Ｓ上に並べて配置されている。ここで、平面Ｑは、各イメージセンサ１２ａｉの一方の主面（信号光の入射面）が配置される平面であり、直線Ｓは、平面Ｑと平行な直線である。

光分岐素子１３ａ１は、光変調素子１１ｂ１の前段において、直線Ｓ上に配置される。また、光分岐素子１３ａｊ（ｊは２以上ｎ以下の各自然数）は、光変調素子１１ｂｊ－１の後段かつ光変調素子１１ｂｊの前段において、直線Ｓ上に配置される。光分岐素子１３ａｉの向きは、光分岐素子１３ａｉの反射面の法線が平面Ｔに含まれ、かつ、光分岐素子１３ａｉの反射面と直線Ｓとが４５°を成し、かつ、モニタ用信号光Ｌ_ｉ－１ ^ｍがイメージセンサ１２ａｉに向かうように決められている。ここで、平面Ｔは、直線Ｓを含み平面Ｑと直交する平面である。

光演算装置１Ａに入力された信号光Ｌ_０は、光分岐素子１３ａ１によって、モニタ用信号光Ｌ_０ ^ｍと演算用信号光Ｌ_０ ^ｃとに分岐される。ここで、モニタ用信号光Ｌ_０ ^ｍは、光分岐素子１３ａ１によって反射された信号光であり、演算用信号光Ｌ_０ ^ｃは、光分岐素子１３ａ１を透過した信号光である。モニタ用信号光Ｌ_０ ^ｍは、イメージセンサ１２ａ１に入射する。一方、演算用信号光Ｌ_０ ^ｃは、光変調素子１１ｂ１に入射する。この際、制御部１４は、演算用信号光Ｌ_０ ^ｃに作用する光変調素子１１ｂ１の各セルの位相変調量を、そのセルに対応するイメージセンサ１２ａ１の受光セルによって検出されたモニタ用信号光Ｌ_０ ^ｍの強度に応じて設定する。

光変調素子１１ｂ１を透過した信号光Ｌ_１は、光分岐素子１３ａ２によって、モニタ用信号光Ｌ_１ ^ｍと演算用信号光Ｌ_１ ^ｃとに分岐される。ここで、モニタ用信号光Ｌ_１ ^ｍは、光分岐素子１３ａ２によって反射された信号光であり、演算用信号光Ｌ_１ ^ｃは、光分岐素子１３ａ２を透過した信号光である。モニタ用信号光Ｌ_１ ^ｍは、イメージセンサ１２ａ２に入射する。一方、演算用信号光Ｌ_１ ^ｃは、光変調素子１１ｂ２に入射する。この際、制御部１４は、演算用信号光Ｌ_１ ^ｃに作用する光変調素子１１ｂ２の各セルの位相変調量を、そのセルに対応するイメージセンサ１２ａ２の受光セルによって検出されたモニタ用信号光Ｌ_１ ^ｍの強度に応じて設定する。

光変調素子１１ｂ２を透過した信号光Ｌ_２は、光分岐素子１３ａ３によって、モニタ用信号光Ｌ_２ ^ｍと演算用信号光Ｌ_２ ^ｃとに分岐される。ここで、モニタ用信号光Ｌ_２ ^ｍは、光分岐素子１３ａ３によって反射された信号光であり、演算用信号光Ｌ_２ ^ｃは、光分岐素子１３ａ３を透過した信号光である。モニタ用信号光Ｌ_２ ^ｍは、イメージセンサ１２ａ３に入射する。一方、演算用信号光Ｌ_２ ^ｃは、光変調素子１１ｂ３に入射する。この際、制御部１４は、演算用信号光Ｌ_２ ^ｃに作用する光変調素子１１ｂ３の各セルの位相変調量を、そのセルに対応するイメージセンサ１２ａ３の受光セルによって検出されたモニタ用信号光Ｌ_２ ^ｍの強度に応じて設定する。

光変調素子１１ｂ３を透過した信号光Ｌ_３は、光演算装置１Ａによる演算結果を表す信号光として、外部に出力される。

なお、本実施形態においては、入力情報を表す信号光Ｌ_０が光演算装置１Ａに入力され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、入力情報を表す電気信号と搬送光とが光演算装置１Ａに入力される構成を採用することもできる。この場合、例えば、入力情報を表す電気信号で搬送光を光変調することによって、入力信号を表す信号光Ｌ_０を生成する光変調素子１１ｂ０（図２において点線で図示）を、光変調素子１１ｂ１の前段に追加するとよい。

本変形例に係る光演算装置１Ａが備える光変調素子１１ｂｉの各セルの位相変調量は、そのセルに入射する演算用信号光Ｌ_ｉ－１ ^ｃの強度Ｐ、すなわち、そのセルに対応するイメージセンサ１２ａｉの受光セルが検出したモニタ用信号光Ｌ_ｉ－１ ^ｍの強度Ｐに応じて決まる。したがって、そのセルに入射する演算用信号光Ｌ_ｉ－１ ^ｃの位相をφ、そのセルにおける位相変調量をΔφ（Ｐ）とすると、そのセルから出射する信号光Ｌ_ｉの位相φ’は、φ’＝φ＋Δφ（Ｐ）により与えられる。換言すると、各セルに入射する演算用信号光Ｌ_ｉ－１ ^ｃを複素数Ｐｅ^ｉφにより表現する場合、そのセルから出射する信号光Ｌ_ｉは、複素数Ｐｅ^ｉφ×ｅ^{ｉΔθ（Ｐ）}により表現される。このため、本変形例に係る光演算装置１Ａによれば、光変調素子の各セルにおいて線形な位相変調を行う従来の光演算装置よりも多様な光演算を行うことができる。

なお、演算用信号光Ｌ_ｉ－１ ^ｃの強度Ｐ^ｃとモニタ用信号光Ｌ_ｉ－１ ^ｍの強度Ｐ^ｍとは、一致することもあれば、一致しないこともある。ただし、後者の場合であっても、これらの強度の間には比例関係Ｐ^ｃ＝ρＰ^ｍが存在するので、演算用信号光Ｌ_ｉ－１ ^ｃの強度Ｐ^ｃに応じた位相変調量の制御を行うことができる。ここで、ρは、光分岐素子１３ａｉの分岐比（透過率及び反射率）などに応じて定まる定数である。

なお、本変形例において、制御部１４は、光変調素子１１ｂｉの各セルの位相変調量Δφ（Ｐ）を、Δφ（Ｐ）＝Ｐ×α＋βに従って設定する。ここで、α及びβは、光変調素子１１ｂｉのセル毎に定まる定数である。ただし、本発明は、これに限定されない。すなわち、各セルの位相変調量Δφ（Ｐ）と、そのセルに対応するイメージセンサ１２ａｉの受光セルが検出したモニタ用信号光Ｌ_ｉ－１ ^ｍの強度Ｐとの関係は任意である。例えば、制御部１４は、光変調素子１１ｂｉの各セルの位相変調量Δφ（Ｐ）を、Ｐ＜Ｐ０であればΔφ（Ｐ）＝０となり、Ｐ≧Ｐ０であればΔφ（Ｐ）＝γとなるように設定してもよい。ここで、γは、光変調素子１１ｂｉのセル毎に定まる定数である。

なお、光変調素子１１ｂｉの各セルの位相変調量の定数部分の設定は、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、光変調素子１１ｂ１に入力される信号光Ｌ_０の２次元強度分布を入力とし、光変調素子１１ｂｎから出力される信号光Ｌ_ｎの２次元強度分布を出力とするモデルであって、各セルにおける位相変調量の定数部分（上述した例では、α、β、及びγ）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、光変調素子１１ｂ１に入力される信号光Ｌ_０の２次元強度分布とは、例えば、光変調素子１１ｂ１を構成する各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、光変調素子１１ｂｎから出力される信号光Ｌ_ｎの２次元強度分布とは、例えば、光変調素子１１ｂｎの後段に配置された２次元イメージセンサを構成する各セルに入力される信号光の強度の集合のことを指す。

（透過型の光変調素子の構成例）
光演算装置１Ａが備える透過型の光変調素子１１ｂｉの構成例について、図４を参照して説明する。図４の（ａ）は、本具体例に係る光変調素子１１ｂｉの平面図である。図４の（ｂ）は、本具体例に係る光変調素子１１ｂｉを構成するマイクロセルＣの断面図である。

光変調素子１１ｂｉは、図４の（ａ）に示すように、位相変調量が互いに独立に設定された複数のマイクロセルＣにより構成されている。光変調素子１１ｂｉに演算用信号光Ｌ_ｉ－１ ^ｃが入射すると、位相変調されながら各マイクロセルＣを透過した演算用信号光Ｌ_ｉ－１ ^ｃが相互に干渉することによって、演算結果を表す信号光Ｌ_ｉが形成される。

図４の（ａ）に例示した光変調素子１１ｂｉは、マトリックス状に配置された２００×２００個のマイクロセルＣにより構成されている。各マイクロセルＣの平面視形状は、５００ｎｍ×５００ｎｍの正方形であり、光変調素子１１ｂｉの平面視形状は、１００μｍ×１００μｍの正方形である。

光変調素子１１ｂｉを構成する各マイクロセルＣは、例えば図４の（ｂ）に示すように、偏光板Ｃ１１と、偏光板Ｃ１８と、第１電極Ｃ１３と、磁化自由層Ｃ１４と、絶縁層Ｃ１５と、磁化固定層Ｃ１６と、第２電極Ｃ１７と、により構成することができる。

偏光板Ｃ１１及び偏光板Ｃ１８は、互いに対向するように配置されている。第１電極Ｃ１３、磁化自由層Ｃ１４、絶縁層Ｃ１５、磁化固定層Ｃ１６、及び第２電極Ｃ１７は、この順に積層され、偏光板Ｃ１１と偏光板Ｃ１８との間に挟みこまれている。ここで、第１電極Ｃ１３、磁化自由層Ｃ１４、絶縁層Ｃ１５、磁化固定層Ｃ１６、及び第２電極Ｃ１７の積層方向は、偏光板Ｃ１１及び偏光板Ｃ１８の積層方向と直交する。このため、磁化自由層Ｃ１４の第１の側面が偏光板Ｃ１１の一方の主面と面接触し、第１の側面に対向する磁化自由層Ｃ１４の第２の側面が偏光板Ｃ１８の一方の主面と面接触する。演算用信号光Ｌ_ｉ－１ ^ｃは、（１）偏光板Ｃ１１を介して磁化自由層Ｃ１４の内部に入射し、（２）磁化自由層Ｃ１４を透過し、（３）偏光板Ｃ１８を介して磁化自由層Ｃ１４の外部に出射する。

磁化自由層Ｃ１４は、例えば、導電性及び透光性を有する軟磁性材料（例えば、ＣｏＦｅＢ）により構成される。また、磁化固定層Ｃ１６は、例えば、導電性を有する硬磁性材料（例えば、パーマロイ）により構成される。また、偏光板Ｃ１１及び偏光板Ｃ１８としては、偏光方向Ｐが磁化固定層Ｃ１６の磁化方向Ｍと平行な偏光成分を選択的に透過する偏光板が選択される。図４の（ｂ）においては、磁化方向Ｍ及び偏光方向Ｐが、偏光板Ｃ１１の主面及び磁化固定層Ｃ１６の主面の両方と平行になる場合を例示している。

第１電極Ｃ１３と第２電極Ｃ１７との間に電位差を与えると、トンネル効果によりスピン流（スピン偏極した電子の流れ）が絶縁層Ｃ１５を介して磁化固定層Ｃ１６から磁化自由層Ｃ１４に注入され、磁化自由層Ｃ１４に磁化が生じる。ここで、磁化自由層Ｃ１４に生じる磁化は、磁化固定層Ｃ１６の磁化方向Ｍと平行な磁化、すなわち、偏光板Ｃ１１を介して磁化自由層Ｃ１４に入射する演算用信号光Ｌ_ｉ－１ ^ｃの偏光方向Ｐと平行な磁化である。このため、演算用信号光Ｌ_ｉ－１ ^ｃの位相は、磁化自由層Ｃ１４を伝搬する過程で横カー効果により遅延する。

ここで、セルＣにおける演算用信号光Ｌ_ｉ－１ ^ｃの位相変化量は、磁化自由層Ｃ１４に生じる磁化の大きさに応じて決まる。また、磁化自由層Ｃ１４に生じる磁化の大きさは、磁化自由層Ｃ１４に注入されるスピン流の大きさに応じて決まる。また、磁化自由層Ｃ１４に注入されるスピン流の大きさは、第１電極Ｃ１３と第２電極Ｃ１７との間に与える電位差に応じて決まる。したがって、第１電極Ｃ１３と第２電極Ｃ１７との間に与える電位差を制御することによって、セルＣの位相変調を所望の値に設定することができる。

なお、本構成例においては、ＳＴＴ（Spin Transfer Torque）方式のＭＲＡＭ（Magnetoresistive Random Access Memory）と同様の構成を有するマイクロセルＣについて説明したが、これに限定されない。例えば、ＳＯＴ（Spin Orbit Torque）方式のＭＲＡＭと同様の構成を有するマイクロセルＣを用いてもよい。なお、このようなマイクロセルＣは、例えば、図４の（ｂ）に示した構造から、絶縁層Ｃ１５、磁化固定層Ｃ１６、及び第２電極Ｃ１７を取り去ることにより実現することができる。この場合、例えば、第１電極Ｃ１３に重金属を含め、第１電極Ｃ１３にパルス電圧又はパルス電流を与えることにより、磁化自由層Ｃ１４に効率よくスピン流を注入することができる。

また、セルＣは、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）のセルと同様に構成されていてもよい。この場合、セルＣは、例えば図６に示すように、第１ガラス基板Ｃ２１ａ、第１透明電極Ｃ２２ａ、液晶層Ｃ２３、第２透明電極Ｃ２２ｂ、及び第２ガラス基板Ｃ２１ｂにより構成される。第１ガラス基板Ｃ２１ａ、第１透明電極Ｃ２２ａ、液晶層Ｃ２３、第２透明電極Ｃ２２ｂ、及び第２ガラス基板Ｃ２１ｂは、演算用信号光Ｌ_ｉ－１ ^ｃの入射側からこの順に積層されている。

演算用信号光Ｌ_ｉ－１ ^ｃは、（１）第１ガラス基板Ｃ２１ａ及び第１透明電極Ｃ２２ａを透過し、（２）液晶層Ｃ２３を透過し、（３）第２透明電極Ｃ２２ｂ及び第２ガラス基板Ｃ２１ｂを透過する。液晶層Ｃ２３は、ガラス基板Ｃ２１の主面と平行な方向に配向した液晶分子により構成されており、第１透明電極Ｃ２２ａと第２透明電極Ｃ２２ｂとの間の電位差に応じた屈折率を有する。このため、演算用信号光Ｌ_ｉ－１ ^ｃは、液晶層Ｃ２３を透過する際に、位相変調を受ける。セルＣの位相変調量は、第１透明電極Ｃ２２ａと第２透明電極Ｃ２２ｂとの間に与える電位差を制御することによって、所望の値に設定することができる。

（制御部の変形例）
図１に図示した制御部１４の一変形例について、図７及び図８を参照して説明する。図７の（ａ）及び（ｂ）は、制御部１４としてマイクロコンピュータの代わりに集積回路を用いる構成のブロック図である。図７の（ａ）及び（ｂ）においては、光変調素子１１ａｉの一例として光変調素子１１ａ１を示し、イメージセンサ１２ａｉの一例としてイメージセンサ１２ａ１を示している。図８は、図７の（ｂ）に示す加算回路ＳＡの回路図である。

なお、図７の（ａ）では、光変調素子１１ａ１の各セルＣとイメージセンサ１２ａ１の各受光セルＰＤＣとが１対１対応している。一方、図７の（ｂ）では、光変調素子１１ａ１の各セルＣとイメージセンサ１２ａ１の各受光セルＰＤＣとが１対４対応している。すなわち、図７の（ｂ）における構成を図７の（ａ）における構成と比較した場合、イメージセンサ１２ａ１における受光セルＰＤＣの解像度は、縦及び横の各々について２倍であり、計４倍である。また、図７の（ａ）及び（ｂ）において、互いに対向するセルＣと受光セルＰＤＣとの間に付した矢印は、互いに対向するセルＣと受光セルＰＤＣとが対向していることを表している。

本変形例においては、光変調素子１１ａ１の各セルＣの位相変調量を、そのセルＣに対応する受光セルＰＤＣによって検出されたモニタ用信号光の強度に応じて設定する制御部１４として、２つの抵抗Ｒ_ａ，Ｒ_ｂからなる分圧回路ＶＤを用いている。分圧回路ＶＤを用いることによって、受光セルＰＤＣによって検出されたモニタ用信号光の強度に対応した電圧は、抵抗Ｒ_ａ，Ｒ_ｂの各々の抵抗値の比に応じて分圧され、Ｒ_ｂ／（Ｒ_ａ＋Ｒ_ｂ）に対応する電圧がセルＣに印加される。分圧回路ＶＤからセルＣに印加される当該電圧は、制御部１４が設定する光変調素子１１ａｉの各セルＣの位相変調量Δφ（Ｐ）＝Ｐ×α＋βにおけるαに対応する。

例えば、光変調素子１１ａ１が２００×２００個のセルＣにより構成されており、イメージセンサ１２ａ１が２００×２００個の受光セルＰＤＣにより構成されている場合、光変調素子１１ａ１及びイメージセンサ１２ａ１に対応する制御部１４は、２００×２００個の分圧回路ＶＤを含む集積回路により構成される。

なお、光変調素子１１ａ１の各セルＣとイメージセンサ１２ａ１の各受光セルＰＤＣとがＬ対１対応している（すなわち、セルＣがＬ個のサブセルにより構成されている）場合には、図７の（ａ）及び（ｂ）に図示されている単一の分圧回路ＶＤを、並列に設けられたＬ個の分圧回路に置換すればよい。各分圧回路は、セルＣの各サブセルに対応するので、各分割回路により分圧された電圧は、セルＣの各サブセルに印加される。このように、サブセル毎に対応する分圧回路を設けることにより、分圧されたうえで印加される電圧をサブセル毎に調整することができる。

また、図７の（ｂ）に示すように、光変調素子１１ａ１の各セルＣとイメージセンサ１２ａ１の各受光セルＰＤＣとが１対４対応している場合、各受光セルＰＤＣは、サブ受光セルＰＤＣ１，ＰＤＣ２と、図７の（ｂ）に図示されていない２つのサブ受光セルにより構成される。この場合、セルＣに対応する受光セルＰＤＣによって検出されたモニタ用信号光の強度は、上述した４つのサブ受光セルによって検出されたモニタ用信号光の強度の平均で得られる。図７の（ｂ）に示す構成では、４つのサブ受光セルによって検出されたモニタ用信号光の強度の平均を得るために加算回路ＳＡを用いている。

加算回路ＳＡは、図８に示すように、２個の増幅器ＡＰ_１，ＡＰ_２と、７個の抵抗Ｒ_１～Ｒ_７と、を備えている。本変形例では、抵抗Ｒ_１～Ｒ_４の抵抗値が等しく、Ｒ_５はＲ_１～Ｒ_４の抵抗値の１／４の抵抗値、且つ、抵抗Ｒ_６，Ｒ_７の抵抗値が等しくなるように加算回路ＡＰを構成している。このように構成した加算回路ＡＰは、４つの入力ポートに４つのサブ受光セルによって検出されたモニタ用信号光の強度に対応する電圧Ｖｉｎ_１～Ｖｉｎ_４を入力した場合、中間ポートにおいて、Ｖｍ＝－（Ｖｉｎ_１＋Ｖｉｎ_２＋Ｖｉｎ_３＋Ｖｉｎ_４）／４ が得られ、出力ポートにおいて、Ｖｏｕｔ＝（Ｖｉｎ_１＋Ｖｉｎ_２＋Ｖｉｎ_３＋Ｖｉｎ_４）／４ が得られる。

なお、本変形例では、イメージセンサ１２ａｉとして、検出したモニタ用信号光の強度に対応した電圧を出力する受光セルＰＤＣを含むイメージセンサを採用している。ただし、本発明の一態様においては、イメージセンサ１２ａｉとして、検出したモニタ用信号光の強度に対応した電流（電荷）を出力する受光セルＰＤＣを含むイメージセンサを採用することもできる。電圧を出力する受光セルＰＤＣを含むイメージセンサの例としてはＣＭＯＳカメラが挙げられ、電流を出力する受光セルＰＤＣを含むイメージセンサの例としてはＣＣＤカメラが挙げられる。なお、電流を出力する受光セルＰＤＣを含むイメージセンサを採用する場合、受光セルＰＤＣの後段にトランスインピーダンスアンプを設け、出力された電流を電圧に変換すればよい。この構成によれば、電圧を出力する受光セルを採用する場合と同様に上述した分圧回路ＶＤ及び加算回路ＳＡを適用することができる。

（まとめ）
本発明の態様１に係る光演算装置は、少なくとも１個の受光セルを含むイメージセンサと、位相変調量が互いに独立に設定可能な複数のセルを含む光変調素子と、信号光を前記イメージセンサに入射するモニタ用信号光と前記光変調素子に入射する演算用信号光とに分岐する光分岐素子と、前記光変調素子の各セルの位相変調量を、該セルに対応する前記イメージセンサの受光セルにて検出された前記モニタ用信号光の強度に応じて設定する制御部と、を備えている。

上記の構成によれば、光変調素子の各セルにおいて線形な位相変調を行う従来の光演算装置よりも多様な光演算を行うことができる。

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、前記制御部は、前記光変調素子の各セルの位相変調量Δφ（Ｐ）を、Δφ（Ｐ）＝Ｐ×α＋βに従って設定する（ここで、Ｐは、該セルに対応する前記イメージセンサのセルにて検出された前記モニタ用信号光の強度であり、α及びβは、定数である）、という構成が採用されている。

上記の構成によれば、光変調素子の各セルにおいて線形な位相変調を行う従来の光演算装置よりも多様な光演算を行うことができる。

本発明の態様３に係る光演算装置においては、態様１又は２の構成に加えて、当該光演算装置は、前記光変調素子として、複数の反射型の光変調素子を備え、前記モニタ用信号光は、前記光分岐素子を透過した信号光であり、前記演算用信号光は、前記光分岐素子に反射された信号光である、という構成が採用されている。

上記の構成によれば、反射型の光変調素子を用いて、多段の光演算を行うことができる。

本発明の態様４に係る光演算装置においては、態様３の構成に加えて、前記複数の反射型の光変調素子は、一体化されている、という構成が採用されている。

上記の構成によれば、光演算装置の部品点数を少なく抑えることができる。また、複数の反射型の光変調素子が別体である場合に必要になる、反射型の光変調素子間のアライメント調整を省略することができる。

本発明の態様５に係る光演算装置においては、態様１又は２の構成に加えて、当該光演算装置は、前記光変調素子として、複数の透過型の光変調素子を備え、前記モニタ用信号光は、前記光分岐素子に反射された信号光であり、前記演算用信号光は、前記光分岐素子を透過した信号光である、という構成が採用されている。

上記の構成によれば、透過型の光変調素子を用いて、多段の光演算を行うことができる。

本発明の態様６に係る光演算装置においては、態様１～５の何れかの構成に加えて、当該光演算装置は、前記光変調素子、前記イメージセンサ、及び前記光分岐素子の組み合わせを複数段備え、２段目以降の各段の前記光分岐素子には、該段の前段の光変調素子にて生成された信号光が入力される、という構成が採用されている。

上記の構成によれば、多段の光演算を行うことができる。

本発明の態様７に係る光演算装置においては、態様１～６の何れかの構成に加えて、前記制御部は、前記光変調素子の全てのセルの位相変調量が一定の値に収束した後、正しい演算結果を表す信号光が出力されていることを示す信号を出力する、という構成が採用されている。

上記の構成によれば、上記信号の出力先において、光変調素子の全てのセルの位相変調量が一定の値に収束する前に当該光演算装置から出力され得る、正しくない演算結果を表す信号光が参照されるリスクを低減することができる。

本発明の態様８に係る制御方法は、少なくも１個の受光セルを含むイメージセンサと、位相変調量が互いに独立に設定可能な複数のセルを含む光変調素子と、信号光を前記イメージセンサに入射するモニタ用信号光と前記光変調素子に入射する演算用信号光とに分岐する光分岐素子と、を備えた光演算装置の制御方法であって、前記光変調素子の各セルの位相変調量を、該セルに対応する前記イメージセンサの受光セルにて検出された前記モニタ用信号光の強度に応じて設定する工程を含む。

上記の方法によれば、光変調素子の各セルにおいて線形な位相変調を行う従来の光演算装置よりも多様な光演算を行うことができる。

（付記事項）
本発明は、上述した各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る。上述した実施形態に含まれる各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 光変調素子群
１１ａ１～１１ａｎ 光変調素子（反射型）
１１ｂ１～１１ｂｎ 光変調素子（透過型）
１２ イメージセンサ群
１２ａ１～１２ａｎ イメージセンサ
１３ 光分岐素子群
１３ａ１～１３ａｎ 光分岐素子

Claims (8)

1. 少なくとも１個の受光セルを含むイメージセンサと、
   位相変調量が互いに独立に設定可能な複数のセルを含む光変調素子と、
   信号光を前記イメージセンサに入射するモニタ用信号光と前記光変調素子に入射する演算用信号光とに分岐する光分岐素子と、
   前記光変調素子の各セルの位相変調量を、該セルに対応する前記イメージセンサの受光セルにて検出された前記モニタ用信号光の強度に応じて設定する制御部と、を備えている、
   ことを特徴とする光演算装置。
2. 前記制御部は、前記光変調素子の各セルの位相変調量Δφ（Ｐ）を、Δφ（Ｐ）＝Ｐ×α＋βに従って設定する（ここで、Ｐは、該セルに対応する前記イメージセンサの受光セルにて検出された前記モニタ用信号光の強度であり、α及びβは、定数である）、
   ことを特徴とする請求項１に記載の光演算装置。
3. 当該光演算装置は、前記光変調素子として、複数の反射型の光変調素子を備え、
   前記モニタ用信号光は、前記光分岐素子を透過した信号光であり、
   前記演算用信号光は、前記光分岐素子に反射された信号光である、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の光演算装置。
4. 前記複数の反射型の光変調素子は、一体化されている、
   ことを特徴とする請求項３に記載の光演算装置。
5. 当該光演算装置は、前記光変調素子として、複数の透過型の光変調素子を備え、
   前記モニタ用信号光は、前記光分岐素子に反射された信号光であり、
   前記演算用信号光は、前記光分岐素子を透過した信号光である、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の光演算装置。
6. 当該光演算装置は、前記光変調素子、前記イメージセンサ、及び前記光分岐素子の組み合わせを複数段備え、
   ２段目以降の各段の前記光分岐素子には、該段の前段の光変調素子にて生成された信号光が入力される、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の光演算装置。
7. 前記制御部は、前記光変調素子の全てのセルの位相変調量が一定の値に収束した後、正しい演算結果を表す信号光が出力されていることを示す信号を出力する、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の光演算装置。
8. 少なくとも１個の受光セルを含むイメージセンサと、位相変調量が互いに独立に設定可能な複数のセルを含む光変調素子と、信号光を前記イメージセンサに入射するモニタ用信号光と前記光変調素子に入射する演算用信号光とに分岐する光分岐素子と、を備えた光演算装置の制御方法であって、
   前記光変調素子の各セルの位相変調量を、該セルに対応する前記イメージセンサの受光セルにて検出された前記モニタ用信号光の強度に応じて設定する工程を含む、
   ことを特徴とする光演算装置の制御方法。

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