JPH022537A - Optical learning and recognizing machine - Google Patents

Optical learning and recognizing machine

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JPH022537A
JPH022537A JP14616988A JP14616988A JPH022537A JP H022537 A JPH022537 A JP H022537A JP 14616988 A JP14616988 A JP 14616988A JP 14616988 A JP14616988 A JP 14616988A JP H022537 A JPH022537 A JP H022537A
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JP
Japan
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signal
light
layer
optical
light emitting
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Application number
JP14616988A
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Japanese (ja)
Inventor
Kenichi Kitayama
研一 北山
Hisao Yoshinaga
尚生 吉永
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Nippon Telegraph and Telephone Corp
Original Assignee
Nippon Telegraph and Telephone Corp
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Publication of JPH022537A publication Critical patent/JPH022537A/en
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Abstract

PURPOSE:To accomplish an optical learning and recognizing machine optically processing intellectual information by composing a perceptive layer, a joined layer and a response layer of nonvolatile space optical modulators and threshold processing circuits. CONSTITUTION:In the perceptron-structured, optical learning and recognizing machine provided with a learning function, the perceptive layer 11, the joined layer 12 and the response layer 13 are composed of the nonvolatile space optical modulator and the threshold processing circuits. Namely, the recognition processing layers 11-13 in the learning and recognizing machine are designed to mixingly employ the nonvolatile space optical modulators made of optical elements and the threshold processing circuits of an electronic device and to wire the layers by means of optical space wiring and electrical signal wiring, which passes through the electronic device of a part of the threshold processing circuits. As a result, the complicated layer wiring for recognition processing can be accomplished by optical space wiring, whereby trouble arising when entangled wiring for accomplishing complicated recognition processing is carried out by metallic wiring can be evaded.

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、光学習機械に関し、特に、人間の神経網の働
きにならって並列的に情報を処理する情報処理装置、い
わゆるニューロコンピュータの要素となる光学署機械お
よびその学習方法に関するものである。
[Detailed Description of the Invention] [Field of Industrial Application] The present invention relates to an optical learning machine, and in particular to an element of an information processing device that processes information in parallel following the function of a human neural network, a so-called neurocomputer. This article concerns an optical station machine and its learning method.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

人間の脳の優れた情報処理機能を模擬した装置が研究さ
れている。このような装置の一例としてニューロコンビ
ュータカする。ニューロコンピュータは多数のニューロ
ンと呼ばれるプロセッサを結合させて並列的に情報処理
を行うので1人間の脳の機能の認知(記憶、知覚、思考
)を対象とした処理に適している。また、ニューロコン
ピュータは学習機能も備え得るものである。
Research is underway into devices that simulate the superior information processing capabilities of the human brain. An example of such a device is a neurocomputer. Since neurocomputers process information in parallel by connecting a large number of processors called neurons, they are suitable for processing that targets the recognition (memory, perception, thinking) of a single human brain's functions. Furthermore, the neurocomputer can also have a learning function.

従来、このようなこのニューロコンピュータのモデルの
1つとして提唱されているものに、バーセブトロンと呼
ばれる認識機械がある。パーセプトロンは、第10図に
示すように、3つの基本的なユニット(層)から構成さ
れている。
A recognition machine called a bersebutron has been proposed as one of the models of such a neurocomputer. The perceptron is composed of three basic units (layers), as shown in FIG.

第10図はパーセプトロンの概念図である。第10図に
おいて、71は複数のニューロン要素から構成される感
覚層、72は複数のニューロン要素から構成される連合
層、73は1個のニューロンから構成される応答層であ
る。また、74は感覚層71と連合層72の間のニュー
ロンの結合であり、75は連合層72と応答層73の間
のニューロンの結合である。
FIG. 10 is a conceptual diagram of a perceptron. In FIG. 10, 71 is a sensory layer composed of a plurality of neuron elements, 72 is an association layer composed of a plurality of neuron elements, and 73 is a response layer composed of one neuron. Further, 74 is a neuron connection between the sensory layer 71 and the association layer 72, and 75 is a neuron connection between the association layer 72 and the response layer 73.

76は入力信号、77は出力信号、78は教師信号であ
る0通常、連合層72は、それぞれが複数のニューロン
から構成される層が複数個で構成されるような構造とな
っており、多層構成となっている。連合層72が1に!
Jのものを単純パーセブトロンと呼ぶ。
76 is an input signal, 77 is an output signal, and 78 is a teacher signal. Normally, the association layer 72 has a structure consisting of a plurality of layers each consisting of a plurality of neurons, and is a multilayer structure. The structure is as follows. Union layer 72 becomes 1!
J's is called a simple persebutron.

バーセブトロンのメカニズムは次の通りである。The mechanism of Bersebtron is as follows.

感覚に!71のニューロンが受容した入力信号はニュー
ロンの結合74を介して連合層72のニューロンに受容
され、感覚JPj71のニューロン群の興奮パターンが
連合層72のニューロン群の興奮パターンに変換されて
伝達される。その後、信号は応答M73に入り、応答層
73のただ1つのニューロンが受容した情報を識別判定
して解答する。このようなパーセプトロンでは、予め入
力に対する正解を教師信号から学習し、出力信号パター
ンが正解に近づくように感覚層71と連合層72の間の
ニューロンの結合74.連合層72と応答層73との間
のニューロンの結合75を修正する機能いわゆる学習機
能を有することが、この認識機械の特徴となっている。
Feel it! The input signal received by the neuron 71 is received by the neuron of the association layer 72 via the neuron connection 74, and the excitation pattern of the neuron group of the sensory JPj 71 is converted into the excitation pattern of the neuron group of the association layer 72 and transmitted. . The signal then enters the response M73, where only one neuron of the response layer 73 discriminates and answers the received information. In such a perceptron, the correct answer to the input is learned in advance from a teacher signal, and the connections 74 of neurons between the sensory layer 71 and the association layer 72 are made so that the output signal pattern approaches the correct answer. This recognition machine is characterized by having a so-called learning function that modifies the neuron connections 75 between the association layer 72 and the response layer 73.

〔発明が解決しようとする課題〕[Problem to be solved by the invention]

ところで、このパーセブトロンのようなニューロコンピ
ュータを実際に電子デバイスのハードウェアで構築し、
ある程度複雑な認知機能を備えた実用上意味のある機械
を構成しようとすると、致方から数10億のニューロン
に相当するプロセッサを相互に接続せねばならず、これ
をトランジスタ等の電子デバイスのプロセッサで構成し
ようとすると配線数が膨大になる。また、配線数が膨大
になるばかりでなく、配線における信号伝搬の遅延時間
、相互の干渉、 ;aF域不足等、種々の問題が生じる
ため、本来のニューロコンピュータの特徴である高度な
情報処理を超並列的に実行できるようなハードウェアは
、この接続の困難さのため実現されていなかったのが現
状である。
By the way, a neurocomputer like this Persebtron can actually be constructed using electronic device hardware,
In order to construct a practically meaningful machine with somewhat complex cognitive functions, it is necessary to interconnect processors equivalent to billions of neurons, which are connected to the processors of electronic devices such as transistors. If you try to configure it with , the number of wires will be enormous. In addition, not only does the number of wires become enormous, but various problems arise, such as signal propagation delay time in the wires, mutual interference, and insufficient aF range. Currently, hardware that can perform massively parallel execution has not been realized due to the difficulty of connection.

一方、光信号処理の技術をニューロコンピュータに利用
すれば、光信号の本来持つ並列性、空間配線の容易さと
高密度性、非干渉性という特徴を生かして、ニューロコ
ンピュータを構成することが期待できる。このような考
えから、パーセプトロン等の種々のニューロコンピュー
タのモデルを光学的に実現しようとする提案は幾つかな
されている。しかしなから、ニューロン要素の光信号処
理プロセッサを構成するための光トランジスタ的な素子
が、まだ開発段階にあり利用できるものが限られている
。また、光信号配線の技術が未熟である等の理由から、
この種のニューロコンピュータに関しては、まだ、はと
んどハードウェアデバイス等の開発の進展は見られない
のが現状である。
On the other hand, if optical signal processing technology is used in neurocomputers, it is expected that neurocomputers can be constructed by taking advantage of the inherent parallelism of optical signals, ease of spatial wiring, high density, and noncoherence. . Based on this idea, several proposals have been made to optically realize various neurocomputer models such as perceptrons. However, optical transistor-like elements for constructing optical signal processing processors of neuron elements are still in the development stage, and the number of devices that can be used is limited. In addition, due to reasons such as the immaturity of optical signal wiring technology,
Regarding this type of neurocomputer, the current situation is that there is still little progress in the development of hardware devices.

このように、学習機能を有する複雑な認知処理が行える
光ニューロコンピュータの今後の開発が待たれている。
As described above, the future development of optical neurocomputers that have a learning function and can perform complex cognitive processing is awaited.

本発明は、このようなa題を解決するためになされたも
のである。
The present invention has been made to solve this problem.

本発明の目的は、学習機能を有し、複数なパターン認識
等の知的情報処理を光学的に行う光学型認識機械を提供
することにある。
An object of the present invention is to provide an optical recognition machine that has a learning function and optically performs intelligent information processing such as recognition of a plurality of patterns.

本発明の他の目的は、学習機能を必要とする複雑なパタ
ーン認識等の知的情報処理を、光の持つ並列性および高
速等の利点を利用して光学的に行う光学習機械装置を提
供することにある。
Another object of the present invention is to provide an optical learning mechanical device that optically performs intelligent information processing such as complex pattern recognition that requires a learning function by utilizing the advantages of light such as parallelism and high speed. It's about doing.

本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本
明細書の記述及び添付図面によって明らかになるであろ
う。
The above and other objects and novel features of the present invention will become apparent from the description of this specification and the accompanying drawings.

〔課題を解決するための手段〕[Means to solve the problem]

上記目的を達成するため、本発明においては、入力信号
を受容する複数のニューロン要素からなる感覚層、感覚
層から受容した興奮パターンを学習した伝達量に従い変
換して次層へ結合する複数のニューロン要素からなる連
合層、および連合層から受容した興奮パターンを識別判
定して回答の出力信号を出すニューロン要素からなる応
答層から構成されるパーセプトロン構造で学習機能を偉
える学習認識機械において、感党層、連合層、および応
答層の各層を、不揮発型空間光変調器および閾値処理回
路により構成する。
In order to achieve the above object, the present invention includes a sensory layer consisting of a plurality of neuron elements that receive input signals, and a plurality of neurons that convert the excitation pattern received from the sensory layer according to a learned transmission amount and connect it to the next layer. In a learning recognition machine that has a learning function, it has a perceptron structure consisting of an association layer consisting of elements and a response layer consisting of neuron elements that discriminate and judge the excitation pattern received from the association layer and output an answer output signal. Each of the layers, the association layer, and the response layer is configured with a nonvolatile spatial light modulator and a threshold processing circuit.

この不揮発型空間光変調器は、ニューロン要素に相当す
るパターン画素の間の結合の重みを要素とするシナプス
結合行列を記憶したマイクロチャネル空間光変調器であ
り、閾値処理回路は電子デバイスから構成された閾値処
理装置であり、不揮発型空間光変調器と閾値処理回路の
間の結合を、電気的なパターン信号を光信号に変換する
発光素子アレイと、光信号を電気信号に変換する受光素
子アレイとを介して、電気信号結線および光信号結線の
信号パスで行う。
This nonvolatile spatial light modulator is a microchannel spatial light modulator that stores a synaptic connection matrix whose elements are the weights of connections between pattern pixels corresponding to neuron elements, and the threshold processing circuit is composed of an electronic device. This is a threshold processing device that connects a non-volatile spatial light modulator and a threshold processing circuit using a light emitting element array that converts an electrical pattern signal into an optical signal, and a light receiving element array that converts the optical signal into an electrical signal. This is done via signal paths of electrical signal connections and optical signal connections.

〔作用〕[Effect]

前記手段によれば、パーセプトロン構造で学習機能を備
える学習認識機械において、感覚層、連合層、および応
答層の各層が、不揮発型空間光変調器および閾値処理回
路により構成される。これにより、学習P!識機械の各
々の認識処理層を光素子の不揮発型空間光変調器と電子
デバイスの閾値処理回路とを混合して用いる構成とし、
各層の間を結合する配線を、光空間配線と一部の閾値処
理回路の電子デバイスを介する電気信号配線を用いて行
う構成とすることができる。このため、各々の層におけ
る複雑な認識処理の配線は全て光学的な光空間配線で実
現することができ、複雑な認識処理を実現するための錯
綜する配線を金属配線で行う場合に生じる困雅さを回避
できる。
According to the above means, in the learning recognition machine having a perceptron structure and a learning function, each of the sensory layer, association layer, and response layer is configured by a nonvolatile spatial light modulator and a threshold processing circuit. As a result, learning P! Each recognition processing layer of the recognition machine is configured to use a mixture of a nonvolatile spatial light modulator of an optical element and a threshold processing circuit of an electronic device,
The wiring connecting each layer can be configured using optical space wiring and electrical signal wiring via some electronic devices of the threshold processing circuit. For this reason, all the wiring for complex recognition processing in each layer can be realized using optical spatial wiring, which eliminates the complications that arise when the complicated wiring for realizing complex recognition processing is done using metal wiring. You can avoid this.

すなわち、ニューロコンピュータのニューロン要素に相
当するプロセッサを電子デバイスを用いて構成した場合
においては、ニューロン要素の相互の結合は金属配線で
なされれるため、複雑な配線が錯綜するが、ここでは、
空間光変調器等の光素子と電子デバイスを混合して用い
、認識処理の主な層の間の結合の配線を、光空間配線で
全て光学的に実現しているため、金属配線で生じる困難
さを回避できる。
In other words, when a processor corresponding to the neuron elements of a neurocomputer is constructed using an electronic device, the neuron elements are interconnected using metal wiring, resulting in complicated wiring.
Using a mixture of optical elements such as spatial light modulators and electronic devices, the wiring for coupling between the main layers of recognition processing is achieved entirely optically using spatial optical wiring, which eliminates the difficulties that arise with metal wiring. You can avoid this.

〔実施例〕〔Example〕

以下1本発明の一実施例を図面を用いて具体的に説明す
る。
An embodiment of the present invention will be specifically described below with reference to the drawings.

なお、実施例を説明するための全図において、同一要素
は同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
In addition, in all the figures for explaining the embodiment, the same elements are given the same reference numerals, and repeated explanations thereof will be omitted.

第1図は、本発明の一実施例にかかる光学型認識機械の
全体の概略的な構成を示すブロック図である。第1図に
おいて、1は第1の不揮発型空間光変調器、2は第1の
閾値処理回路である。第1の不揮発型空間光変調器工は
、感覚層と連合層の間の結合要素のシナプス結合行列を
記憶しており、ここからの出力は第1の閾値処理回路2
で閾値処理される。また、3は第2の不揮発型空間光変
調器、4は第2の閾値処理回路である。第2の不揮発型
空間光変調器3は、連合層と応答層の間の結合要素のシ
ナプス結合行列を記憶しており、ここからの出力は第2
の閾値処理回路4で閾値処理される。これらの不揮発型
空間光変調器1,3および閾値処理回路2,4により、
光学型認識機械の各々の認識処理層が構成されている。
FIG. 1 is a block diagram showing the overall general configuration of an optical recognition machine according to an embodiment of the present invention. In FIG. 1, 1 is a first nonvolatile spatial light modulator, and 2 is a first threshold processing circuit. The first non-volatile spatial light modulator stores a synaptic connection matrix of connection elements between the sensory layer and the association layer, and the output therefrom is sent to the first threshold processing circuit 2.
Threshold processing is performed. Further, 3 is a second nonvolatile spatial light modulator, and 4 is a second threshold processing circuit. The second non-volatile spatial light modulator 3 stores a synaptic connection matrix of connection elements between the association layer and the response layer, and the output from this is the second non-volatile spatial light modulator 3.
A threshold processing circuit 4 performs threshold processing. These non-volatile spatial light modulators 1, 3 and threshold processing circuits 2, 4,
Each recognition processing layer of the optical recognition machine is configured.

5は第1の修正信号生成回路、6は第2の修正信号生成
回路である。また、7は入力信号、8は出力信号、9は
教師信号である。第1の修正信号生成回路5は第1の不
揮発型空間光変調器1に記憶したシナプス結合行列に対
する修正信号5aを生成し、第2の修正信号生成回路6
は第2の不揮発型空間光変調器3に記憶したシナプス結
合行列に対する修正信号6aを生成する。また、第2の
修正信号生成回路6は、修正13号5aに対する誤り信
号6bを生成し、第2の第2の不揮発型空間光変調器3
を介して信号処理して、教師信号に相当する正解信号6
cとして、第1の修正信号生成回路5に供給する。
5 is a first modified signal generation circuit, and 6 is a second modified signal generation circuit. Further, 7 is an input signal, 8 is an output signal, and 9 is a teacher signal. The first correction signal generation circuit 5 generates a correction signal 5a for the synaptic connection matrix stored in the first nonvolatile spatial light modulator 1, and the second correction signal generation circuit 6
generates a correction signal 6a for the synaptic connection matrix stored in the second non-volatile spatial light modulator 3. Further, the second correction signal generation circuit 6 generates an error signal 6b for the correction No. 13 5a, and generates an error signal 6b for the correction No. 13 5a,
The correct signal 6 corresponding to the teacher signal is obtained through signal processing through
c, the signal is supplied to the first correction signal generation circuit 5.

このように構成された光学習認識機認の概略的な動作は
次の通りである。まず、入力信号7を第1の不揮発型空
間光変調器1を介して信号変換して第1の閾値処理回路
2で閾値処理を行い、再び第2の不揮発型空間光変調器
3を介して信号変換して第2の閾値処理回路4で閾値処
理を行い、出力信号8を得る。この光学習認識機認にお
いて。
The general operation of the optical learning recognition machine configured as described above is as follows. First, the input signal 7 is converted into a signal via the first non-volatile spatial light modulator 1, subjected to threshold processing by the first threshold processing circuit 2, and then converted again via the second non-volatile spatial light modulator 3. The signal is converted and threshold processing is performed in the second threshold processing circuit 4 to obtain an output signal 8. In this optical learning recognition machine recognition.

各々の不揮発型空+111光変調器に記憶したシナプス
結合行列(各層の間の結合要素の値の行列)を設定する
学習処理は、逆伝搬法なる学習方法によす行われる。
The learning process for setting the synaptic connection matrix (matrix of values of connection elements between each layer) stored in each nonvolatile Sky+111 optical modulator is performed by a learning method called back propagation method.

逆伝搬法なる学習方法は次のように行われる。The learning method called back propagation method is performed as follows.

まず、第2の不揮発型光空間変調器3に記憶されている
連合層と応答層の間のシナプス結合行列に対する修正信
号6aは、第2の修正信号生成回路6から出力される6
第1の不揮発型空間光度FlID1に記憶されている感
″ft層と連合層の間のシナプス結合行列に対する修正
信号5aは、第2の修正信号生成回路6で得られる連合
層と応答層の間のシナプス結合行列に対する誤り信号6
bを、第2の不揮発型空間光変調器3を通した後に、第
1の修正(II号生成回路5に帰還して生成する。この
ようにして、信号の出力側から入力側に誤り信号を逆伝
搬して、修正信号5a、6aを生成する。生成した修正
信号5aを第1の不揮発型空間光変調器1に入力し、修
正信号6aを第2の不揮発型空間光変調器3に入力し、
それぞれのシナプス結合行列を修正する。
First, a correction signal 6a for the synaptic connection matrix between the association layer and the response layer stored in the second nonvolatile optical spatial modulator 3 is outputted from the second correction signal generation circuit 6.
The correction signal 5a for the synaptic connection matrix between the sensitive ft layer and the association layer stored in the first non-volatile spatial luminous intensity FlID1 is the correction signal 5a between the association layer and the response layer obtained by the second correction signal generation circuit 6. Error signal 6 for the synaptic connection matrix of
After passing through the second non-volatile spatial light modulator 3, the signal b is fed back to the first correction (No. II generation circuit 5) and generated. In this way, the error signal is transferred from the output side of the signal to the input side. is back-propagated to generate modified signals 5a and 6a.The generated modified signal 5a is input to the first non-volatile spatial light modulator 1, and the modified signal 6a is input to the second non-volatile spatial light modulator 3. Input,
Modify each synaptic connection matrix.

本実施例では、理解を容易とするため、いわゆる2層の
バーセブトロン構造(連合層が1層の構造)の光学習認
識機械にについて説明しているが。
In this embodiment, in order to facilitate understanding, an optical learning recognition machine having a so-called two-layer bersebutron structure (a structure in which the association layer is one layer) is described.

連合層が多層からなる一般的なパーセプトロン構造の光
学習認識機械への拡張は容易に可能であり、特に説明を
要しなので省略する。
It is easy to extend a general perceptron structure consisting of multiple association layers to an optical learning recognition machine, and since it does not require a special explanation, it will be omitted.

第2図は、本発明の一実施例にかかるパーセプトロン構
造の光学習認識機械の各層のニューロン要素の結合の概
念を説明する図である。第2図に示すように、各層のニ
ューロン要素の結合は、この場合、各層の画素間の結合
となる。第2図において、11は感覚層、12は連合層
、13は応答層である。14は感覚層11と連合層12
との間のシナプス結合行列、15は連合層12と応答層
13との間のシナプス結合行列である0画素間の結合は
、感覚層11のi番目の画素、連合層12のj番目の画
素、および応答層13のに番目の画素の間に結合がある
場合を示している。
FIG. 2 is a diagram illustrating the concept of connection of neuron elements in each layer of an optical learning recognition machine having a perceptron structure according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 2, the connections between neuron elements in each layer are in this case connections between pixels in each layer. In FIG. 2, 11 is a sensory layer, 12 is an association layer, and 13 is a response layer. 14 is the sensory layer 11 and the association layer 12
and 15 is the synaptic connection matrix between the association layer 12 and the response layer 13. The connection between 0 pixels is the i-th pixel of the sensory layer 11 and the j-th pixel of the association layer 12. , and the case where there is a connection between the pixel of the response layer 13 is shown.

パーセプトロンの理論によれば、このとき、入力信号を
1 tI、出力信号を031教師信号をT1゜感覚層と
連合層のシナプス結合行列をW□1、連合層と応答層の
シナプス結合行列をW、ワとしたとき、これらのシナプ
ス結合行列W、1およびシナプス結合行列WIKを、そ
れぞれ修正するための修正信号のΔW’、、およびΔW
”JKと、これらの修正信号をを生成するための62.
は次式で与られることが知られている。
According to perceptron theory, at this time, the input signal is 1 tI, the output signal is 031, the teacher signal is T1°, the synaptic connection matrix of the sensory layer and the association layer is W□1, and the synaptic connection matrix of the association layer and the response layer is W , W, correction signals ΔW', and ΔW for modifying the synaptic connection matrix W,1 and the synaptic connection matrix WIK, respectively.
``JK and 62.62 for generating these modified signals.
is known to be given by the following equation.

S″、=ΣW1□Ii O”、=f、(S1□) S211=ΣW2□08゜ 03m=fz(S”a) = 62 ・ O″ =(T、−o’g)  ・ f’z(s”w)= 61 ・ Ol ;(Σδ2 ・W”、J)・ f′、(Sl、)上式の
意味するところは、次のとおりである。
S'', = ΣW1□Ii O", = f, (S1□) S211 = ΣW2□08゜03m = fz (S"a) = 62 ・ O'' = (T, -o'g) ・ f'z ( s"w)=61.Ol;(Σδ2.W",J).f', (Sl,) The meaning of the above equation is as follows.

すなわち、応答層のに番目のニューロン要素と連合層の
j番目のニューロン要素との間の結合の重みに対する修
正信号ΔW”ll gは、k番目のニューロン要素の誤
り信号δ□と、連合層のj番目のニューロン要素から応
答層への出力o2.との精として得られ、また、連合層
のj番目のニューロン要素と感覚層のi番目のニューロ
ン要素との間の結合の重みに対する修正信号ΔW11.
は、連合層のj番目のニューロン要素に連がる応答層の
全てであるに番目のニューロン要素に誤り信号δ26を
応答層から入力し、逆方向から伝搬した時の出力の総和
(Σδ2.・W t、、 )と第2層出力(02,)の
積で表わされる誤り信号δ1.に、感覚層のi番目のニ
ューロン要素に対する入力■1□すなわちi番目のニュ
ーロン要素から連合層のに番目のニューロン要素へ向う
信号01.との積で表わされる。
In other words, the correction signal ΔW''llg for the weight of the connection between the n-th neuron element of the response layer and the j-th neuron element of the association layer is the error signal δ□ of the k-th neuron element and the j-th neuron element of the association layer. output o2 from the jth neuron element to the response layer, and a correction signal ΔW11 for the weight of the connection between the jth neuron element of the association layer and the ith neuron element of the sensory layer. ..
is the sum of the outputs (Σδ2.・) and the second layer output (02,) is the error signal δ1. Input ■1□ for the i-th neuron element in the sensory layer, that is, the signal 01. from the i-th neuron element to the i-th neuron element in the association layer. It is expressed as the product of

第3図は、このようなニューロン要素を実現する光素子
の不揮発型空間光変調器として用いるマイクロチャネル
空間光変調器の構成を説明する図である。第3図におい
て、21はハーフミラ−122は光電カソード面、23
はマルチチャネルプレート、24はメツシュ電極、25
はLiNb0.結晶板、26は検光子、Vc、Vbはバ
イアス電源である。また。
FIG. 3 is a diagram illustrating the configuration of a microchannel spatial light modulator used as a nonvolatile spatial light modulator of an optical device that realizes such a neuron element. In FIG. 3, 21 is a half mirror, 122 is a photoelectric cathode surface, 23
is a multi-channel plate, 24 is a mesh electrode, 25
is LiNb0. A crystal plate, 26 an analyzer, and Vc and Vb bias power supplies. Also.

27aは光書込みされるパターン画像、27bは光読出
しされたパターン画像、28は読出し光である。
27a is a pattern image written optically, 27b is a pattern image optically read out, and 28 is a readout light.

このようなマイクロチャネル空間光変調器は、パターン
画像を光学的に書込むことが可能であり、また、書込ん
だパターン画像を光学的に読出すことができる。この光
学習認ra機械においては、このマイクロチャネル空間
光変調器を不揮発型空間光変調器として用いる。この場
合、書込み読出されるパターン画像はシナプス結合行列
となる。
Such a microchannel spatial light modulator is capable of optically writing a pattern image, and is also capable of optically reading out the written pattern image. In this optical learning recognition RA machine, this microchannel spatial light modulator is used as a nonvolatile spatial light modulator. In this case, the pattern image written and read becomes a synaptic connection matrix.

次に、このマイクロチャネル空間光変調器の動作の概略
を説明する。マイクロチャネル空間光変調器には、シナ
プス結合行列のデータがパターン画像として記憶される
ことになる。ここに書込まれるパターン画像27aの光
信号を書込み光として、光電カソード面22から加える
と、光電カソード面22、マルチチャネルプレート23
.およびメツシュ電極24により、LiNb0.結晶板
25の結晶面上に、加えたパターン画像27aの光信号
の書き込み光強度に比例した密度の電荷25aの分布が
発生し、結晶板25内に電界が生じる。この電荷分布に
よる電界によって結晶に複屈折する部分が誘起され、結
晶板25の背面に照射された読出し光28は、電界の強
度に応じた位相変調を受ける。したがって、読出し光が
検光子26を通過した後の光強度は、書込まれたパター
ン画像の光信号の強度に応じて変調されたものとなる。
Next, an outline of the operation of this microchannel spatial light modulator will be explained. The data of the synaptic connection matrix will be stored in the microchannel spatial light modulator as a pattern image. When the optical signal of the pattern image 27a written here is applied as a writing light from the photoelectric cathode surface 22, the photoelectric cathode surface 22 and the multichannel plate 23
.. and the mesh electrode 24, LiNb0. A distribution of charges 25a having a density proportional to the writing light intensity of the added optical signal of the pattern image 27a is generated on the crystal plane of the crystal plate 25, and an electric field is generated within the crystal plate 25. The electric field caused by this charge distribution induces a birefringent portion in the crystal, and the readout light 28 irradiated onto the back surface of the crystal plate 25 undergoes phase modulation according to the intensity of the electric field. Therefore, the light intensity of the readout light after passing through the analyzer 26 is modulated according to the intensity of the optical signal of the written pattern image.

第4図および第5図は、それぞれ修正信号生成回路の構
成を示す回路ブロック図である。第4図および第5図に
おいて、31は加算の演算を行う加算回路、32は積の
演算を行う乗算回路、33は差の演算を行う減算回路、
34は非線形関数演算を行う非線形関数演算回路である
。これらの演算要素の回路は電子デバイスの回路で構成
されている。第4図の修正信号生成回路5からは、上述
した演算式で示される修正信号5aが出力され、また、
第5図の修正信号生成回路6からは、上述した演算式で
示される修正(g号6aおよび誤り信号6bが出力され
る。これらの修正信号生成回路5,6は、上述した演算
式を実行する電子デバイスとして、関数演算f′4.関
数演算f J2、排他的論理和子、論理積の演算回路は
、トランジスタの非線形入出力を用いた既存のアナログ
またはディジタル電子回路で構成される。
FIG. 4 and FIG. 5 are circuit block diagrams showing the configuration of the correction signal generation circuit, respectively. In FIGS. 4 and 5, 31 is an addition circuit that performs an addition operation, 32 is a multiplication circuit that performs a product operation, and 33 is a subtraction circuit that performs a difference operation.
34 is a nonlinear function calculation circuit that performs nonlinear function calculation. The circuits of these calculation elements are composed of electronic device circuits. The correction signal generation circuit 5 in FIG. 4 outputs a correction signal 5a expressed by the above-mentioned arithmetic expression, and
The correction signal generation circuit 6 in FIG. 5 outputs the correction (g signal 6a and error signal 6b) shown by the above-mentioned arithmetic expression.These correction signal generation circuits 5 and 6 execute the above-mentioned arithmetic expression. As an electronic device for performing the functional operation f'4, the functional operation fJ2, the exclusive OR, and the logical product, the operational circuits are constructed from existing analog or digital electronic circuits using nonlinear input/output of transistors.

第6図は、本発明の一実施例にかかる光学習認識機械に
おける光信号系および電気信号系の全体の系を表すブロ
ック図である。第6図において。
FIG. 6 is a block diagram showing the entire optical signal system and electrical signal system in an optical learning recognition machine according to an embodiment of the present invention. In FIG.

7aは入カバターン光信号、7bは入カバターン光信号
7aを形成するための駆動電気信号、8は出力信号、9
は教師信号である。10は第1のシナプス結合行列部、
20は第1の閾値処理部、30は第2のシナプス結合行
列部、40は第2の閾値処理部。
7a is an input back-turn optical signal; 7b is a driving electric signal for forming the input back-turn optical signal 7a; 8 is an output signal; 9
is the teacher signal. 10 is a first synaptic connection matrix section;
20 is a first threshold processing section, 30 is a second synaptic connection matrix section, and 40 is a second threshold processing section.

50は第1の修正信号生成部、60は第2の修正信号生
成部である。第1のシナプス結合行列部10.第2のシ
ナプス結合行列部30はマイクロチャネル空間光変調器
で構成される。また、41.42.43.44゜45、
46は発光素子アレイであり、発光ダイオードを2次元
マトリクス状に配列したものである。また、47.48
.49は受光素子アレイであり、フォトダイオードを同
じく2次元マトリクス状に配列したものである。また、
21a〜21dはハーフミラ−26a〜26dは検光子
である。第6図においては。
50 is a first modified signal generation section, and 60 is a second modified signal generation section. First synaptic connection matrix section 10. The second synaptic coupling matrix section 30 is composed of a microchannel spatial light modulator. Also, 41.42.43.44°45,
46 is a light emitting element array in which light emitting diodes are arranged in a two-dimensional matrix. Also, 47.48
.. Reference numeral 49 denotes a light receiving element array, in which photodiodes are similarly arranged in a two-dimensional matrix. Also,
21a to 21d are half mirrors, and 26a to 26d are analyzers. In Figure 6.

光信号系が一点鎖線で示され、また、電気信号系は実線
で示されている。
The optical signal system is shown by a dashed line, and the electrical signal system is shown by a solid line.

次に動作を説明する。まず、入カバターン光信号7aか
ら出力信号8を得る信号処理の流れに沿って動作を説明
する。入カバターン光信号7aを形成するための駆動電
気信号7bが発光素子アレイ41に加えられ、光信号の
入カバターン光信号7aが形成される。この光信号がハ
ーフミラ−21aを介して第1のシナプス結合行列部1
oに照射される。第1のシナプス結合行列部10は、マ
イクロチャネル空間光変調器で構成されており、照射さ
れる光信号が読出し光となって記憶されたシナプス結合
行列のパターン画像が反射光として読出される。この反
射光の光信号は、ハーフミラ−21aで分岐して検光子
26aで検光され、受光素子アレイ47に入力される。
Next, the operation will be explained. First, the operation will be explained along the flow of signal processing to obtain the output signal 8 from the input back-turn optical signal 7a. A drive electrical signal 7b for forming an input back-turn optical signal 7a is applied to the light emitting element array 41, and an input back-turn optical signal 7a of the optical signal is formed. This optical signal passes through the half mirror 21a to the first synaptic coupling matrix section 1.
irradiated to o. The first synapse connection matrix section 10 is configured with a microchannel spatial light modulator, and the irradiated optical signal becomes readout light, and the pattern image of the stored synapse connection matrix is read out as reflected light. The optical signal of this reflected light is branched by a half mirror 21a, analyzed by an analyzer 26a, and inputted to a light receiving element array 47.

受光素子アレイ47は受光した光信号のパターン画像を
電気信号に変換し、第1の閾値処理部20により閾値処
理を行った後、閾値処理の出力を発光素子アレイ42に
より再び光信号に変換し、ハーフミラ−21bにより光
路変更して。
The light receiving element array 47 converts the pattern image of the received optical signal into an electrical signal, and after threshold processing is performed by the first threshold processing section 20, the output of the threshold processing is converted back into an optical signal by the light emitting element array 42. , by changing the optical path with a half mirror 21b.

第2のシナプス結合行列部30に照射して加える。The second synaptic connection matrix section 30 is irradiated and applied.

第2のシナプス結合行列部30もマイクロチャネル空間
光変調器で構成されており、照射される光信号が読出し
光となって記憶されたシナプス結合行列のパターン画像
が反射光として読出される。この第2のシナプス結合行
列部30からの反射光は、ハーフミラ−21b、検光子
26bを介して検光されて受光素子アレイ48に加えら
れる。受光素子アレイ48は受光した光信号のパターン
画像を電気信号に変換し、第2の閾値処理部40に加え
る。第2の閾値処理部40では加えられた信号を閾値処
理して、出力信号8として出力する。また、この出力信
号は発光素子アレイ43により光信号のパターン画像と
して出力される。
The second synaptic connection matrix section 30 is also constituted by a microchannel spatial light modulator, and the irradiated optical signal becomes readout light, and the pattern image of the stored synaptic connection matrix is read out as reflected light. The reflected light from the second synapse coupling matrix section 30 is analyzed via the half mirror 21b and the analyzer 26b, and then added to the light receiving element array 48. The light receiving element array 48 converts the pattern image of the received optical signal into an electrical signal and applies it to the second threshold processing section 40 . The second threshold processing section 40 subjects the applied signal to threshold processing and outputs it as an output signal 8. Further, this output signal is outputted by the light emitting element array 43 as a pattern image of an optical signal.

次に、第1のシナプス結合行列部10.第2のシナプス
結合行列部30に記憶されているシナプス結合行列の修
正の手順を説明する。先ず、第2のシナプス結合行列部
30に対する修正信号は、第2の閾値処理部40からの
出力信号、教師信号9、第1の閾値処理部20からの電
気信号を、第2の修正信号生成部60に入力して得られ
る出力信号60aを、発光素子アレイ45により光信号
パターンに変換し、第2のシナプス結合行列部30に照
射し書き込む。
Next, the first synaptic connection matrix section 10. The procedure for modifying the synaptic connection matrix stored in the second synaptic connection matrix section 30 will be explained. First, the correction signal for the second synaptic connection matrix section 30 is generated by converting the output signal from the second threshold processing section 40, the teacher signal 9, and the electrical signal from the first threshold processing section 20 into the second correction signal generation. The output signal 60a obtained by inputting to the section 60 is converted into an optical signal pattern by the light emitting element array 45, and the pattern is irradiated and written into the second synaptic connection matrix section 30.

これにより、第2のシナプス結合行列部30に記憶され
ているシナプス結合行列のパターンが修正される。また
、第1のシナプス結合行列部10に対する修正信号は、
第2の修正信号生成部60からの誤り信号60bを、発
光素子アレイ44で光信号のパターンに変換して、ハー
フミラ−21d、21Qを介して、第2のシナプス結合
行列部30に照射して、誤り(a号に対する第2のシナ
プス結合行列部30の記憶パターンによる変換を受けた
光信号の反射光をハーフミラ−21c、21d、検光子
26dを介して受光素子アレイ49で電気信号に変換し
、修正信号生成部50に加える。一方、修正信号生成部
50には第1の閾値処理部20からの信号が加えられて
おり、これらの(a号により修正信号50aを発生させ
る。
As a result, the pattern of the synaptic connection matrix stored in the second synaptic connection matrix section 30 is corrected. Further, the correction signal for the first synaptic connection matrix section 10 is
The error signal 60b from the second correction signal generation section 60 is converted into an optical signal pattern by the light emitting element array 44, and is irradiated onto the second synaptic coupling matrix section 30 via the half mirrors 21d and 21Q. , the reflected light of the optical signal that has been converted by the memory pattern of the second synaptic connection matrix unit 30 for error (a) is converted into an electrical signal by the light receiving element array 49 via the half mirrors 21c and 21d and the analyzer 26d. , to the modified signal generating section 50. On the other hand, the modified signal generating section 50 receives the signal from the first threshold processing section 20, and generates a modified signal 50a using these (a).

この電気信号の修正信号50aを発光素子アレイ46に
より光パターンに変換し、第1のシナプス結合行列部1
0に照射し書き込み、第1のシナプス結合行列部10に
記憶しているシナプス結合行列を修正する。なお、第1
のシナプス結合行列部10および第2のシナプス結合行
列部30の各々に記憶するシナプス結合行列の初期値は
任意であるが、当初は微弱な書き込み光を設定し、学習
によって徐々に必要な強度に高め、特定の入カバターン
に対して教師信号に一致する所望のパターンを出力する
ように修正する。
This electrical signal correction signal 50a is converted into a light pattern by the light emitting element array 46, and the first synapse connection matrix section 1
0 and corrects the synaptic connection matrix stored in the first synaptic connection matrix section 10. In addition, the first
Although the initial values of the synaptic connection matrices stored in each of the synaptic connection matrix section 10 and the second synaptic connection matrix section 30 are arbitrary, a weak writing light is initially set, and the intensity is gradually increased to the required intensity through learning. It is modified to output a desired pattern that matches the teacher signal for a specific input pattern.

次に、このような空間光変調器を用いる場合のシナプス
結合行列の各々の要素に対応する各素子間の光配線につ
いて説明する。
Next, optical wiring between each element corresponding to each element of the synaptic connection matrix when such a spatial light modulator is used will be explained.

第7図は、各素子間の光配線を説明する図である。第7
図において、51は入カバターン発生部、52はシナプ
ス結合行列部、53は閾値処理部、54はシナプス結合
行列部、55は閾値処理部である。これらの間は発光ダ
イオードアレイまたはフォトダイオードアレイで結ばれ
る0発光ダイオードアレイとフォトダイオードアレイの
間はマイクロレンズアレイを挿入することにより光配線
が行われる。
FIG. 7 is a diagram illustrating optical wiring between each element. 7th
In the figure, 51 is an input pattern generation section, 52 is a synaptic connection matrix section, 53 is a threshold processing section, 54 is a synaptic connection matrix section, and 55 is a threshold processing section. Optical wiring is performed by inserting a microlens array between the light emitting diode array and the photodiode array.

第7図を参照すると、シナプス結合行列を記憶するシナ
プス結合行列部、閾値処理部等が2次元的な拡がりを有
するように示されている。これまでの説明では対象を1
次元のパターンしていたので、入出力信号は1次元ベク
トルで表され、シナプス結合行列は2階であったが、適
用範囲を広げるため、以後入力を2次元画像パターンに
拡張して考える。この場合、シナプス結合行列は4階と
なり、パーセプトロンの理論における上述の式中のiを
lJ+ Jをkl、kをmnと書き換えればそのまま適
用できる。なお、この場合のシナプス結合行列を記憶す
る不揮発型空間光変調器の画素数は、それぞれ、mkX
n 1個、kiX1j個必要である。
Referring to FIG. 7, the synaptic connection matrix section that stores the synaptic connection matrix, the threshold value processing section, etc. are shown as having two-dimensional expansion. In the explanation so far, the target is 1
Since it was a dimensional pattern, the input and output signals were represented by one-dimensional vectors, and the synaptic connection matrix was second-order. However, in order to expand the scope of application, we will expand the input to a two-dimensional image pattern. In this case, the synaptic connection matrix is of fourth order, and can be applied as is by rewriting i in the above formula in the perceptron theory as lJ+J as kl and k as mn. In addition, the number of pixels of the nonvolatile spatial light modulator that stores the synaptic connection matrix in this case is mkX
n1 and kiX1j are required.

この場合、入カバターン発生部51の発光ダイオードア
レイ、閾値処理部の発光ダイオードアレイS3cは、そ
れぞれiXj、kXl個の発光ダイオードを1ユニツト
としてkXl、mXn個のユニットを配置したアレイと
なっている。閾値処理部の受光部のフェトダイオードア
レイS3a、55aはそれぞれkXl、mXn個のフォ
トダイオードを配置したアレイである。55cはm X
 n個の発光ダイオードアレイである。各アレイ間の光
配線は平板状にマイクロレンズアレイを2次元配列した
マイクロレンズアレイを用い(図示せず)、1つの発光
ダイオードあるいは1つのフォトダイオードに対して1
つのマイクロレンズが空間的に対応するように光軸を合
せて配置し、各素子面が焦点となるようにアレイ間にマ
イクロレンズアレイを挿入することによって低損失で素
子間の光配線が実現できる。またマイクロレンズの代わ
りに光ファイバを使用して光配線を行うことも可能であ
る。
In this case, the light emitting diode array of the input pattern generating section 51 and the light emitting diode array S3c of the threshold value processing section are arrays in which kXl and mXn units are arranged, with iXj and kXl light emitting diodes being one unit, respectively. Fetdiode arrays S3a and 55a in the light receiving section of the threshold processing section are arrays in which kXl and mXn photodiodes are arranged, respectively. 55c is m
It is an array of n light emitting diodes. The optical wiring between each array uses a microlens array (not shown) in which microlens arrays are two-dimensionally arranged in a flat plate, and one light-emitting diode or one photodiode is connected to the microlens array (not shown).
Optical wiring between elements can be realized with low loss by arranging two microlenses with their optical axes aligned so that they correspond spatially, and inserting a microlens array between the arrays so that each element surface becomes a focal point. . It is also possible to perform optical wiring using optical fibers instead of microlenses.

入力バターン発生部51.閾値処理部53の発光ダイオ
ードの各ユニットは全て同一のパターンで発光し、それ
ぞれ入力信号Iij、出力信号Oklで駆動される。ま
た閾値処理部53の発光ダイオードアレイは、閾値処理
本体部55bの出力信号○mnで駆動される。
Input pattern generation section 51. All of the light emitting diode units of the threshold processing section 53 emit light in the same pattern, and are each driven by an input signal Iij and an output signal Okl. Further, the light emitting diode array of the threshold value processing section 53 is driven by the output signal ○mn of the threshold value processing main body section 55b.

修正信号のパターンを発生するため発光ダイオードアレ
イ(第6図の44.45.46)は、それぞれkXl、
iXj、kXl個を1ユニツ1〜とし、mXn、kXl
、mXnユニット配列したものであり、その場合の受光
素子アレイ(第6図の49)はkXl個のフォトダイオ
ードアレイである。
To generate the pattern of correction signals, light emitting diode arrays (44, 45, 46 in FIG. 6) are used, respectively, for kXl,
iXj, kXl is 1 unit 1 ~, mXn, kXl
, mXn units are arranged, and the light receiving element array (49 in FIG. 6) in this case is a photodiode array of kXl pieces.

次に、人出パターンを2次元に拡張した工ijに関する
行列演算を上記アレイ素子を用いて光学的に行う方法に
ついて説明する。
Next, a description will be given of a method of optically performing matrix calculations regarding the equation ij, which is a two-dimensional extension of the crowd pattern, using the array element described above.

第8図は、(ΣΣWklij、l1j)なる演算の手順
を説明する図である。第8図において、61は発光ダイ
オードアレイ、62はシナプス結合行列を記憶した不揮
発型空間光変調器、63は受光素子アレイである。シナ
プス結合行列Wklijのに行1列目のユニットのiX
j個の各要素に対して、工ijのパターンの対応する位
置に発光ダイオードの光ビームを照射し、このユニット
全体の出力を受光素子アレイのに行1列目のフォトダイ
オードで受光する。実際には発光ダイオードアレイはi
Xj個を1ユニツトとし、同一発光パターンのものをに
×1個配列するが、1ユニツトをkXl本の光学的に分
岐して、62に照射するかのいずれかである。
FIG. 8 is a diagram explaining the procedure of the calculation (ΣΣWklij, l1j). In FIG. 8, 61 is a light emitting diode array, 62 is a nonvolatile spatial light modulator that stores a synaptic connection matrix, and 63 is a light receiving element array. iX of the unit in the first row and column of the synaptic connection matrix Wklij
For each of the j elements, a light beam from a light emitting diode is irradiated onto a corresponding position in the pattern of ij, and the output of the entire unit is received by the photodiode in the first row and first column of the light receiving element array. Actually, the light emitting diode array is i
One unit is made up of Xj units, and one unit is arranged with the same light emission pattern, but one unit is optically branched into kX1 units to irradiate 62.

また、第9図は、もう1つの行列演算である逆伝搬法に
おける(ΣΣδ”mnW”nankl)の演算を光学的
に行う例を説明する図である。第9図に示すように、m
Xn個の全てのユニットのに行1列目の発光ダイオード
の光ビームをそれぞれ対抗する66のm行n列目のユニ
ットのに行1列目の要素に照射し、これを67のに行1
列目のフォトダイオードで受光することによって得られ
る。
FIG. 9 is a diagram illustrating an example of optically performing the calculation of (ΣΣδ"mnW"nankl) in the back propagation method, which is another matrix calculation. As shown in Figure 9, m
The light beam of the light emitting diode in the row 1st column of all the
It is obtained by receiving light with the photodiode in the column.

以上1本発明を実施例にもとづき具体的に説明したが、
本発明は、前記実施例に限定されるものではなく、その
要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であること
は言うまでもない。
The present invention has been specifically explained above based on examples, but
It goes without saying that the present invention is not limited to the embodiments described above, and can be modified in various ways without departing from the spirit thereof.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

以上、説明したように、本発明によれば、従来のコンピ
ュータでは実現し得なかった学習機能を必要とする複数
なパターン認識等の知的情報処理を光の持つ並列性およ
び高速等の利点を利用した光学的に行うコンピュータが
実現できるので、現在大型コンピュータを用いたいわゆ
る人工知能でなければなし得ないような各種エキスパー
トシステムへの幅広い応用が期待できる。
As explained above, according to the present invention, the advantages of light such as parallelism and high speed can be applied to intelligent information processing such as multiple pattern recognition that requires learning functions that could not be realized with conventional computers. Since it is possible to realize a computer that performs optical processing using this method, we can expect a wide range of applications to various expert systems that are currently only possible with so-called artificial intelligence using large-scale computers.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は、本発明の一実施例にかかる光学習認識機械の
全体の概略的な構成を示すブロック図、第2図は、本発
明の一実施例にかかるパーセプトロン構造の光学習認識
機械の全体の各層のニューロン要素の結合の概念を説明
する図、第3図は、ニューロン要素を実現する光素子の
不揮発型空間光変調器として用いるマイクロチャネル空
間光変調器の構成を説明する図。 第4図および第5図は、それぞれ修正信号生成回路の構
成を示す回路ブロック図、 第6図は1本発明の一実施例にかかる光学習認識機械に
おける光信号系および電気信号系の全体の系を表すブロ
ック図。 第7図は、各素子間の光配線を説明する図、第8図およ
び第9図は、光学的に演算を行う例を説明する図、 第10図は、パーセプトロンの概念図である。 図中、1.3・・・不揮発型空間光変調器、2,4・・
・閾値処理回路、5,6・・・修正信号生成回路、7・
・・入力信号、8・・・出力4B号、9・・・教師信号
、11・・・感覚層、12・・・・連合層、13・・・
応答層、14.15・・・シナプス結合行列、21・・
・ハーフミラ−122・・・光電カソード面、23・・
・マルチチャネルプレートメツシュ電極、25・・・L
iNbO,結晶板,26・・・検光子、27a,27b
・・・パターン画像,28・・・読出し光、31・・・
加算回路、32・・・乗算回路、33・・・減算回路、
34・・・非線形関数演算回路、10. 30・・・シ
ナプス結合行列部,20, 40・・・閾値処理部、5
0. 60・・・修正信号生成部、41. 42, 4
3, 44, 45. 46・・・発光素子アレイ。 47、 48. 49・・・受光素子アレイ、218〜
21d・・・ハーフミラ−、26a〜26d・・・検光
子、71・・・感覚層,72・・・連合層、73・・・
応答層、74. 75・・・ニューロンの結合,76・
・・入力信号、??・・・出力信号、78・・・教師信
号。 舅′Im
FIG. 1 is a block diagram showing the overall schematic configuration of an optical learning recognition machine according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a block diagram showing an optical learning recognition machine with a perceptron structure according to an embodiment of the present invention. FIG. 3 is a diagram illustrating the concept of connection of neuron elements in each layer as a whole, and FIG. 3 is a diagram illustrating the configuration of a microchannel spatial light modulator used as a nonvolatile spatial light modulator of an optical element that realizes neuron elements. 4 and 5 are circuit block diagrams showing the configuration of the corrected signal generation circuit, respectively, and FIG. 6 shows the entire optical signal system and electrical signal system in an optical learning recognition machine according to an embodiment of the present invention. Block diagram representing the system. FIG. 7 is a diagram for explaining optical wiring between each element, FIGS. 8 and 9 are diagrams for explaining an example of optical calculation, and FIG. 10 is a conceptual diagram of a perceptron. In the figure, 1.3... non-volatile spatial light modulator, 2, 4...
- Threshold processing circuit, 5, 6... Correction signal generation circuit, 7.
... Input signal, 8 ... Output No. 4B, 9 ... Teacher signal, 11 ... Sensory layer, 12 ... Association layer, 13 ...
Response layer, 14.15... Synaptic connection matrix, 21...
・Half mirror 122...Photoelectric cathode surface, 23...
・Multi-channel plate mesh electrode, 25...L
iNbO, crystal plate, 26... analyzer, 27a, 27b
...Pattern image, 28...Reading light, 31...
Addition circuit, 32... Multiplication circuit, 33... Subtraction circuit,
34...Nonlinear function calculation circuit, 10. 30... Synaptic connection matrix section, 20, 40... Threshold processing section, 5
0. 60... Modified signal generation unit, 41. 42, 4
3, 44, 45. 46...Light emitting element array. 47, 48. 49... Light receiving element array, 218~
21d...half mirror, 26a-26d...analyzer, 71...sensory layer, 72...association layer, 73...
response layer, 74. 75...Neuron connections, 76.
··input signal,? ? ...Output signal, 78...Teacher signal. My father-in-law

Claims (1)

【特許請求の範囲】 (1)入力信号を受容する複数のニューロン要素からな
る感覚層、感覚層から受容した興奮パターンを学習した
伝達量に従い変換して次層へ結合する複数のニューロン
要素からなる連合層、および連合層から受容した興奮パ
ターンを識別判定して回答の出力信号を出すニューロン
要素からなる応答層から構成されるパーセプトロン構造
で学習機能を備える学習認識機械において、感覚層、連
合層、および応答層の各層を、不揮発型空間光変調器お
よび閾値処理回路により構成したことを特徴とする光学
習認識機械。 (2)不揮発型空間光変調器は、ニューロン要素に相当
するパターン画素の間の結合の重みを要素とするシナプ
ス結合行列を記憶したマイクロチャネル空間光変調器で
あり、閾値処理回路は電子デバイスから構成された閾値
処理装置であり、不揮発型空間光変調器と閾値処理回路
の間の結合を、電気的なパターン信号を光信号に変換す
る発光素子アレイと、光信号を電気信号に変換する受光
素子アレイとを介して、電気信号結線および光信号結線
の信号パスで行うことを特徴とする前記特許請求の範囲
第1項に記載の光学習認識機械。(3)前記特許請求の
範囲第1項に記載の光学習認識機械において、電子デバ
イスから構成される修正信号を生成する修正信号生成回
路を備え、修正信号生成回路に、認識すべき入力信号に
対する正解を教師信号として外部から与え、閾値処理回
路から出力される出力信号と教師信号との差と入力信号
から修正信号を生成し、修正信号を出力側から入力側へ
逆方向に帰還し、応答層と連合層のニューロン要素の間
の結合の重み、異なる連合層のニューロン要素の間の結
合の重み、および連合層と感覚層のニューロン要素の間
の結合の重みを修正信号に基づいて変化させ修正する逆
伝搬学習処理を繰返し行って、光学習認識機械の出力信
号を教師信号に近づけることを特徴とする光学習認識機
械の学習方法。 (4)前記特許請求の範囲第2項に記載の光学習認識機
械において、入力信号のパターンの各画素に対応して第
1の発光素子アレイの各発光素子を点光源として発光さ
せ、各発光素子からのそれぞれの光ビームを、感覚層と
連合層のニューロン要素の間のシナプス結合行列を記憶
した第1の不揮発性空間光調器の読出し面上の対応する
各画素の位置に照射し、その反射光を検光子を通過させ
た後に第1の受光素子アレイで光電変換して第1の閾値
処理回路に入力し、第1の閾値処理回路の電気出力信号
を第2の発光素子アレイの駆動電流として印加し、第2
の発光素子アレイの各発光素子を点光源として発光させ
、各発光素子からのそれぞれの光ビームを連合層と応答
層のニューロン要素の間のシナプス結合行列を記憶した
第2の不揮発型空間光変調器の読出し面上の対応する各
画素の位置に照射し、その反射光を検光子を通過させた
後に第2の受光素子アレイで光電変換して第2の閾値処
理回路に入力し、第2の閾値処理回路から得られる電気
出力信号を更に第3の発光素子アレイに入力し、第3の
発光素子アレイの各発光素子の点光源として発光させて
出力パターンの光信号を得ることを特徴とする光学習認
識機械のパターン認識方法。 (5)前記特許請求の範囲第2項に記載の光学習認識機
械において、ニューロン要素に相当するパターン画素の
間の結合の重みを不揮発型空間光変調器に記憶する学習
記憶方法であって、発光素子アレイの対応する画素を照
射する発光素子にシナプス結合行列の要素の重みを表す
値に比例した駆動電流を発生し、駆動電流に比例した光
強度で発光させた発光素子の光ビームを、不揮発型空間
光変調器の書込み面上の対応する各画素の部分に照射し
て読出し面上に複屈折を生じさせる電荷を誘起し、読出
し面に読出し光の直線偏波のレーザ光を照射したとき、
反射光の偏波面が複屈折により回転し、検光子を通過す
ることで結合の重みに比例して読出し光が強度変調され
る状態とすることを特徴とする光学習認識機械の光学習
記憶方法。 (6)前記特許請求の範囲第3項に記載の光学習認識機
械の学習方法において、連合層のニューロン要素の間の
結合の重みを修正するための修正信号を生成する修正信
号生成回路に、出力信号と外部入力の教師信号とを入力
して、電気信号の修正信号を生成し、発光素子アレイの
各発光素子に対応する画素の修正信号に比例した駆動電
流を印加して、駆動電流に比例した光強度で発光させた
発光素子の光ビームを、不揮発型空間光変調器の書込み
面上の結合の重みを修正すべき各画素の位置に照射し、
該不揮発型空間光変調器に読出し光を照射したとき、そ
の反射光の偏波面が複屈折により回転し、検光子を通過
することで結合の重みに比例して読出し光が強度変調さ
れる状態とすることを特徴とする光学習認識機械の学習
方法。 (7)前記特許請求の範囲第3項に記載の光学習認識機
械の学習方法において、感覚層と連合層のニューロン要
素の間の結合の重みを修正するための修正信号を生成す
る第1の修正信号生成回路に、感覚層の閾値処理回路か
ら出力される感覚層信号を入力として与えると共に、連
合層のニューロン要素の間の結合の重みを修正するため
の修正信号を生成する第2の修正信号生成回路から帰還
される修正信号を、発光素子アレイで光パターンに変換
し、連合層と応答層のニューロン間の結合の重みを記録
した不揮発型空間光変調器の読み出し面に照射し、得ら
れる反射光を受光素子アレイで光電変換した電気信号を
入力として与えて、その差から修正信号を生成し、発光
素子アレイの対応する各画素を照射する発光素子に修正
信号強度に比例した駆動電流を印加して、駆動電流に比
例した光強度で発光させた発光素子の光ビームを、不揮
発型空間光変調器の書込み面上の結合の重みを修正すべ
き各画素の位置に照射し、該不揮発型空間光変調器に読
出し光を照射したとき、その反射光の偏波面が複屈折に
より回転し、検光子を通過することで結合の重みに比例
して読出し光が強度変調される状態とすることを特徴と
する光学習認識機械の学習方法。
[Claims] (1) A sensory layer consisting of a plurality of neuron elements that receive input signals, and a plurality of neuron elements that convert the excitation pattern received from the sensory layer according to the learned transmission amount and connect it to the next layer. In a learning recognition machine with a learning function and a perceptron structure consisting of an association layer and a response layer consisting of neuron elements that identify and judge the excitation patterns received from the association layer and output an answer output signal, the sensory layer, the association layer, and an optical learning recognition machine, characterized in that each layer of the response layer is constituted by a nonvolatile spatial light modulator and a threshold processing circuit. (2) The nonvolatile spatial light modulator is a microchannel spatial light modulator that stores a synaptic connection matrix whose elements are the weights of connections between pattern pixels corresponding to neuron elements, and the threshold processing circuit is connected to the electronic device. The threshold processing device is composed of a light emitting element array that converts an electrical pattern signal into an optical signal, and a light receiving element that converts the optical signal into an electrical signal. 2. The optical learning recognition machine according to claim 1, wherein the optical learning recognition machine performs the optical learning recognition using a signal path of an electrical signal connection and an optical signal connection via an element array. (3) The optical learning recognition machine according to claim 1, further comprising a correction signal generation circuit configured from an electronic device that generates a correction signal, and a correction signal generation circuit configured to generate a correction signal based on an input signal to be recognized. The correct answer is given from the outside as a teacher signal, a correction signal is generated from the input signal and the difference between the output signal output from the threshold processing circuit and the teacher signal, and the correction signal is fed back from the output side to the input side in the opposite direction to respond. The weights of the connections between the neuron elements of the layer and the association layer, the weights of the connections between the neuron elements of different association layers, and the weights of the connections between the neuron elements of the association layer and the sensory layer are varied based on the modification signal. 1. A learning method for an optical learning recognition machine, characterized in that the output signal of the optical learning recognition machine is brought closer to a teacher signal by repeatedly performing back propagation learning processing for correction. (4) In the optical learning recognition machine according to claim 2, each light emitting element of the first light emitting element array is caused to emit light as a point light source in correspondence to each pixel of the input signal pattern, and each light emitting element is caused to emit light as a point light source. directing each light beam from the element to a corresponding pixel position on a readout surface of a first non-volatile spatial light modulator storing a synaptic connection matrix between neuronal elements of the sensory layer and the association layer; After the reflected light passes through an analyzer, it is photoelectrically converted by the first light receiving element array and inputted to the first threshold processing circuit, and the electrical output signal of the first threshold processing circuit is transmitted to the second light emitting element array. Applied as a drive current, the second
The light emitting elements of the light emitting element array are made to emit light as a point light source, and each light beam from each light emitting element is converted into a second nonvolatile spatial light modulator that stores the synaptic connection matrix between the neuron elements of the association layer and the response layer. The reflected light is irradiated onto the corresponding pixel position on the reading surface of the device, and after passing through an analyzer, the reflected light is photoelectrically converted by the second light receiving element array and inputted to the second threshold processing circuit. The electrical output signal obtained from the threshold processing circuit is further input to a third light emitting element array, and each light emitting element of the third light emitting element array emits light as a point light source to obtain an optical signal of an output pattern. A pattern recognition method for optical learning recognition machines. (5) In the optical learning recognition machine according to claim 2, a learning and storing method for storing connection weights between pattern pixels corresponding to neuron elements in a non-volatile spatial light modulator, A drive current proportional to the value representing the weight of the element of the synaptic connection matrix is generated in the light emitting element that illuminates the corresponding pixel of the light emitting element array, and the light beam of the light emitting element is emitted with a light intensity proportional to the drive current. The corresponding pixel portion on the writing surface of the nonvolatile spatial light modulator was irradiated to induce charges that cause birefringence on the readout surface, and the readout surface was irradiated with linearly polarized laser light of the readout light. When,
An optical learning and memory method for an optical learning recognition machine, characterized in that the plane of polarization of the reflected light is rotated by birefringence, and when it passes through an analyzer, the readout light is intensity-modulated in proportion to the weight of the coupling. . (6) In the optical learning recognition machine learning method according to claim 3, the correction signal generation circuit that generates a correction signal for correcting the weight of the connection between the neuron elements of the association layer; The output signal and the external input teacher signal are input to generate a correction signal for the electric signal, and a drive current proportional to the correction signal of the pixel corresponding to each light emitting element of the light emitting element array is applied to change the drive current. irradiating a light beam of a light emitting element emitted with a proportional light intensity to each pixel position on the writing surface of the nonvolatile spatial light modulator whose coupling weight is to be corrected;
When the nonvolatile spatial light modulator is irradiated with readout light, the plane of polarization of the reflected light is rotated due to birefringence, and when it passes through an analyzer, the readout light is intensity-modulated in proportion to the coupling weight. A learning method for an optical learning recognition machine, characterized by: (7) In the optical learning recognition machine learning method according to claim 3, the first step generates a correction signal for correcting the weight of the connection between the neuron elements of the sensory layer and the association layer. A second modification in which the sensory layer signal output from the threshold processing circuit of the sensory layer is given as an input to the modification signal generation circuit, and a modification signal is generated for modifying the weight of the connection between the neuron elements of the association layer. The modified signal fed back from the signal generation circuit is converted into a light pattern by a light emitting element array, and is illuminated on the readout surface of a nonvolatile spatial light modulator that records the weights of connections between neurons in the association layer and the response layer. An electric signal obtained by photoelectrically converting the reflected light from the light receiving element array is given as input, a correction signal is generated from the difference, and a drive current proportional to the intensity of the correction signal is applied to the light emitting element that illuminates each corresponding pixel of the light emitting element array. A light beam of the light emitting element is emitted with a light intensity proportional to the drive current by applying a current to the position of each pixel on the writing surface of the nonvolatile spatial light modulator whose coupling weight is to be corrected. When a nonvolatile spatial light modulator is irradiated with readout light, the plane of polarization of the reflected light rotates due to birefringence, and when it passes through an analyzer, the readout light is intensity-modulated in proportion to the coupling weight. A learning method for an optical learning recognition machine.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH03290770A (en) * 1990-04-09 1991-12-20 Hikari Gijutsu Kenkyu Kaihatsu Kk Graphic recognizing device

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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