JPH0251713A - Optical neural computer - Google Patents

Optical neural computer

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JPH0251713A
JPH0251713A JP20301888A JP20301888A JPH0251713A JP H0251713 A JPH0251713 A JP H0251713A JP 20301888 A JP20301888 A JP 20301888A JP 20301888 A JP20301888 A JP 20301888A JP H0251713 A JPH0251713 A JP H0251713A
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JP
Japan
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optical
signal
neurons
output
input
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Pending
Application number
JP20301888A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Kenichi Kitayama
研一 北山
Wataru Kawakami
弥 川上
Hitoshi Hashimoto
仁 橋本
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Nippon Telegraph and Telephone Corp
Original Assignee
Nippon Telegraph and Telephone Corp
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Publication date
Application filed by Nippon Telegraph and Telephone Corp filed Critical Nippon Telegraph and Telephone Corp
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Publication of JPH0251713A publication Critical patent/JPH0251713A/en
Pending legal-status Critical Current

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Abstract

PURPOSE:To perform an intelligent process at a high speed for the two dimensional information on recognition of the complicated voices or patterns, the picture processing, etc., by preparing an optical arithmetic unit, a signal input part, an optical distributor, and an optical connection line which connects the signal input part and the optical distributor. CONSTITUTION:The excitation and suppression signals received from a signal input part 13 are separated from each other by an optical distributor 16 to perform a process equivalent to that carried out in case the difference is secured between both signals. An optical arithmetic unit 12 performs an operation to output 1 only when one of both signals is equal to 1. In other words, the excitation signal which secures the positive synapse connection is produced separately from the suppression signal which performs the negative synapse connection. The difference between both signals is optically calculated for each optical neuron. Then only the output signal obtained when the exitation signal and the suppression signal are kept ON and OFF respectively is extracted out of the calculated output optical signal. These separated output signals are fed back to other optical neurons as the input signals via an optical connection line. Thus it is possible to perform an intelligent process at a high speed for the two dimensional information on recognition of the complicated voices or patterns, the picture processing, etc.

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、光ニューラルコンピュータに関し、特に処理
の過程で外界との相互作用を通して処理能力を合目的に
高めていくことが可能な二二一ラルコンピュータを、光
学素子で構成した光ニューラルコンピュータに関するも
のである。
[Detailed Description of the Invention] [Field of Industrial Application] The present invention relates to an optical neural computer, and in particular to an optical neural computer that can purposefully increase its processing capacity through interaction with the outside world during the processing process. This invention relates to an optical neural computer in which the neural computer is composed of optical elements.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

従来より、ニューラルネットを使用した処理装置が開発
されている。例えば、「日経エレクトロニクスj No
、427(1987,8,10) pp、115〜12
4には、ニューラルネットをパターン認識、信号処理、
知識処理に使用した装置が記載されている。
Conventionally, processing devices using neural networks have been developed. For example, “Nikkei Electronics J No.
, 427 (1987, 8, 10) pp, 115-12
4 uses neural networks for pattern recognition, signal processing,
The equipment used for knowledge processing is described.

ニューラルネットを用いたコンピュータがニューラルコ
ンピュータであって、脳の優れた情報処理機構に見習っ
ており、並列分散処理、学習機能2およびアナログ処理
という特質を備えている6従ってニューラルコンピュー
タは、従来のフオンノイマン型コンピュータをベースと
したAI(Artificial  I ntelig
enca:人工知脳)が最も苦手としている非言語処理
1例えば、アルゴリズムの定義が困難な音声処理や、パ
ターンの認識処理を最も得意としている。
A neural computer is a computer that uses a neural network, and it emulates the brain's excellent information processing mechanism and has the characteristics of parallel distributed processing, learning function 2, and analog processing6.Therefore, a neural computer AI (Artificial Intelligence) based on von Neumann computer
enca (artificial intelligence brain) is weakest at non-verbal processing 1. For example, it is best at speech processing, for which algorithms are difficult to define, and pattern recognition processing.

また、ニューラルコンピュータは、学習により処理能力
を高めるための学習機能を持っている。
Additionally, neural computers have a learning function to increase their processing power through learning.

コ(7)学習機能は、ニューラルネットを構成するニュ
ーロン相互間を出力結合またはフィードバック結合する
シナプス、および入力層と結合するシナプスを利用して
行われる。すなわち、学習機能は、シナプス結合の可塑
性を利用して、外界からの刺激に応じてニューロン間の
結合、あるいは結合の重みを変化させることにより実現
される。
(7) The learning function is performed using synapses that connect output or feedback connections between neurons that make up the neural network, and synapses that connect to the input layer. That is, the learning function is realized by utilizing the plasticity of synaptic connections to change the connections between neurons or the weights of the connections in response to external stimuli.

なお、学習方法としては、教師信号がある第1の方法と
、教師信号がない第2の方法の2種類がある。ここでは
、以下、教師信号のない学習、つまり自己組織型のニュ
ーロンコンピュータについて述べるものとする。
Note that there are two types of learning methods: a first method with a teacher signal and a second method without a teacher signal. Here, we will discuss learning without a teacher signal, that is, a self-organizing neuron computer.

〔発明が解決しようとする1題〕 従来、ニューロンコンピュータをハードウェアで構成し
て、ある程度複雑な認i機能を備えた実用上意味のある
機械を作成する場合、数万個ないし数10万個のニュー
ロンに相当するプロセッサを相互に接続する必要がある
ため、トランジスタ等の電子デバイスのプロセッサを用
いるならば。
[One problem that the invention seeks to solve] Conventionally, when constructing a neuron computer with hardware to create a practically meaningful machine with a certain degree of complex recognition function, the number of neuron computers was tens of thousands to hundreds of thousands. Since it is necessary to connect processors corresponding to neurons to each other, if a processor of an electronic device such as a transistor is used.

配線数が膨大になる上、配線における遅延時間や、相互
の電低的な干渉、あるいは帯域不足等の問題が生じてい
た。その結果、ニューラルコンピュータの本来の特徴で
ある並列処理の利点を十分に生かすことができなかった
In addition to the huge number of wires, problems such as delay time in the wires, interference with each other's power levels, and insufficient bandwidth have arisen. As a result, the advantages of parallel processing, which is an original feature of neural computers, could not be fully utilized.

そこで、このニューラルコンピュータに光技術を導入し
て、光が本来持っている並列性、光路の非干渉性、およ
び高帯域性等の特質を生かす目的で、従来より種々の光
ニューラルコンピュータが堤案された。しかしながら、
そのいずれも、ニューロンの役割を果たす光素子に適切
なものが見当らないことと、光配線技術が未熟なこと等
の理由により、ハードウェアの進展がないのが現状であ
る。
Therefore, various optical neural computers have been proposed for the purpose of introducing optical technology into this neural computer and taking advantage of the inherent characteristics of light such as parallelism, non-coherence of optical paths, and high bandwidth. It was done. however,
In either case, there is currently no progress in hardware due to reasons such as the lack of suitable optical elements that play the role of neurons and the immaturity of optical wiring technology.

現在、学習機能を有する複雑な処理を行うことが可能な
光ニューラルコンピュータの開発が望まれている。
Currently, there is a desire to develop an optical neural computer that has a learning function and is capable of performing complex processing.

本発明の目的は、このような従来の課題を解決し、従来
のフオンノイマン型コンピュータでは実現できなかった
複雑な音声あるいはパターン認識または画像処理等の2
次元情報の知的な処理を高速に行うことができる光ニュ
ーラルコンピュータを堤供することにある。
The purpose of the present invention is to solve such conventional problems and to perform complex voice or pattern recognition, image processing, etc. that could not be realized with conventional Von-Neumann type computers.
The purpose of this invention is to provide an optical neural computer that can perform intelligent processing of dimensional information at high speed.

〔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1本発明の光ニューラルコンピ
ュータは、コンピュータの処理装置を構成する複数個の
ニューロンはそれぞれ多入力−1出力の非線形入出力特
性のプロセッサであり、かつ自己へのフィードバックル
ープと、イ也のニューロンへの出力線と、他の二ニーロ
ンからの複数の入力線とにより相互に結線され、外界か
ら受容した感覚入力に対してニューロンどうしが正のシ
ナプス結合により共に興奮する協調作用と、負のシナプ
ス結合により他のニューロンの興奮を抑える競合作用と
を行い、外界へ応答を出力して並列分散処理を行うニュ
ーラルコンピュータにおいて。
In order to achieve the above object, the optical neural computer of the present invention has a plurality of neurons constituting the processing device of the computer, each of which is a processor with nonlinear input/output characteristics of multiple inputs and one output, and has a feedback loop to itself. , the output line to Iya's neuron and multiple input lines from the other two neurons are interconnected, and a cooperative action in which the neurons are excited together through positive synaptic connections in response to sensory input received from the outside world. In a neural computer that performs parallel distributed processing by performing a competitive action that suppresses the excitation of other neurons through negative synaptic connections and outputting a response to the outside world.

上記各ニューロンをそれぞれ光学素子を用いた光ニュー
ロンとし、該光ニューロンを複数個の2次元平面上に配
列された光論理演算ユニットで構成するとともに、該光
ニューロン相互間のシナプス結合を光信号を分岐する光
分岐素子と該光分岐素子からの光信号を送信する光結線
で構成することに特徴がある。また、上記光論理演算ユ
ニットは、各光ニューロンが光結線を介して入力される
他の複数の光ニューロンからの光入力信号を受容し、受
容した光入力信号をもとに正のシナプス結合を行うため
の興奮信号と、負のシナプス結合を行うための抑制信号
をそれぞれ別個に生成し、両信号の差を各光ニューロン
ごとに光学的に計算し、計算結果の出力光信号のうち興
奮信号ONかつ抑制信号OFFの場合の出力信号のみを
分離し、該出力光信号を抽出して他の複数の光ニューロ
ンへの入力信号として、光結線を介し帰還させることに
も特徴がある。
Each of the neurons described above is an optical neuron using an optical element, and the optical neuron is composed of a plurality of optical logical operation units arranged on a two-dimensional plane, and the synaptic connections between the optical neurons are connected to optical signals. It is characterized by being configured with an optical branching element that branches and an optical connection that transmits the optical signal from the optical branching element. Further, in the optical logic operation unit, each optical neuron receives optical input signals from a plurality of other optical neurons inputted via optical connections, and generates positive synaptic connections based on the received optical input signals. An excitation signal for synaptic activation and an inhibitory signal for negative synaptic connection are generated separately, and the difference between the two signals is optically calculated for each optical neuron. Another feature is that only the output signal when the signal is ON and the suppression signal is OFF is separated, and this output optical signal is extracted and fed back as an input signal to a plurality of other optical neurons via optical connections.

〔作  用〕[For production]

本発明においては、ニューラルコンピュータを光学素子
を用いて実現し、光の本来の性質である並列性、光路の
非干渉性、高帯域性を十分に生かすことができるように
した。ニューロンに相当するプロセッサに電子デバイス
を用いた従来のニューラルコンピュータと異なり、本発
明の光ニューラルコンピュータは、ニューロンに光素子
を用いるとともに、各素子間を光空間配線にしているの
で、金属配線のための種々の欠点を解消することができ
る。すなわち、全てを光学的に行う全光型ニューラルコ
ンピュータであるため、金属配線で生じる種々の欠点は
なくなり、実際の配線数は少なくてよく、配線による遅
延時間は小さく、相互の光信号による干渉はなく、かつ
帯域不足も生じないという利点がある。
In the present invention, a neural computer is realized using optical elements, and the inherent properties of light such as parallelism, optical path incoherence, and high bandwidth can be fully utilized. Unlike conventional neural computers that use electronic devices as processors corresponding to neurons, the optical neural computer of the present invention uses optical elements for neurons and uses optical space wiring between each element, so there is no need for metal wiring. It is possible to eliminate various disadvantages of. In other words, since it is an all-optical neural computer that performs everything optically, it eliminates the various drawbacks that occur with metal wiring, requires only a small number of actual wires, has little delay time due to wires, and eliminates interference from mutual optical signals. This has the advantage that there is no need to use the network, and there is no shortage of bandwidth.

〔実施例〕〔Example〕

以下、本発明の実施例を、図面により詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

先ず、ニューラルネットの興奮、抑制のダイナミックス
動作を説明する。
First, we will explain the dynamics of excitation and inhibition of the neural network.

第3図は、ニューロン間の相互結合を示すモデル図であ
る。
FIG. 3 is a model diagram showing mutual connections between neurons.

第3図において、1,2はニューラルネットを構成する
ニューロン、3はフィードバックを行いシナプス結合、
4は他のニューロンからのシナプス結合、または入力層
とのシナプス結合、5は他の二ニーロンへの出力のシナ
プス結合、6,7はそれぞれ二ニーロン#1から#2.
またはニューロン#2から#1のシナプス結合強度であ
る。
In Figure 3, 1 and 2 are neurons that constitute a neural network, 3 is a synaptic connection that performs feedback,
4 is a synaptic connection from another neuron or a synaptic connection with the input layer, 5 is a synaptic connection of output to another two-neelon, and 6 and 7 are two-neelon #1 to #2, respectively.
Alternatively, it is the synaptic connection strength of neurons #2 to #1.

シナプス結合には、結合強度w>Oの興奮性とw < 
00抑制性の2種類がある。その場合、一方のニューロ
ンから他方のニューロンへの結合Wijおよび他方のニ
ューロンから一方のニューロンへの結合W、工が、とも
に正であれば、2つのニューロンはともに興奮し易くな
り、協調作用が生じる。
Synaptic connections include excitability with connection strength w > O and w <
There are two types of 00 suppressive properties. In that case, if the connection Wij from one neuron to the other neuron and the connection W, ku from the other neuron to one neuron are both positive, both neurons will be easily excited, and a cooperative effect will occur. .

また、結合Wjj、 Wj工がともに負であれば、一方
のニューロンの発火は他方のニューロンの興奮を抑える
ため、2つのニューロンは同時には興奮し難<<、いず
れか一方のニューロンのみが興奮するという競合作用を
引き起こす。これらの協調作用と競合作用とが、ニュー
ラルネットの並列情報処理の基本的なダイナミックス動
作である。
Furthermore, if the connections Wjj and Wj are both negative, the firing of one neuron suppresses the excitation of the other neuron, so it is difficult for the two neurons to be excited at the same time<<, and only one neuron is excited. This causes a competitive effect. These cooperative effects and competitive effects are the basic dynamics of parallel information processing in neural networks.

第4図は1層状構成のニューラルネットを示す図である
FIG. 4 is a diagram showing a neural network with a one-layer structure.

ニューラルネットは、一般的に第4図に示すような層状
の構造を持つ。第4図において、8はそれぞれニューロ
ン、9はシナプス結合、10は入力信号、11は出力信
号である。これから明らかなように、シナプス結合は、
同一層内および異なる層間のニューロンに見られる。
A neural network generally has a layered structure as shown in FIG. In FIG. 4, 8 is a neuron, 9 is a synaptic connection, 10 is an input signal, and 11 is an output signal. As is clear from this, synaptic connections are
Found in neurons within the same layer and between different layers.

第5図は1次元のニューラルネットを示す図であり、第
6図は第5図における各シナプス結合強度の空間分布図
であり、第7図はシグモイド型のしきい値関数を示す特
性図である。
Fig. 5 is a diagram showing a one-dimensional neural network, Fig. 6 is a spatial distribution diagram of each synaptic connection strength in Fig. 5, and Fig. 7 is a characteristic diagram showing a sigmoid type threshold function. be.

簡単のために、同一層内のニューロンのダイナミックス
に着目する。第5図に示すように1次元のニューラルネ
ットを考えて、各シナプス結合強度の空間分布が第6図
に示すような側抑制結合。
For simplicity, we focus on the dynamics of neurons within the same layer. Considering a one-dimensional neural network as shown in Fig. 5, the spatial distribution of the strength of each synaptic connection is a lateral inhibitory connection as shown in Fig. 6.

つまり入力位置近傍の入力に対しては正、その両側の入
力に対しては負のシナプス結合を持つものと仮定する。
In other words, it is assumed that inputs near the input position have positive synaptic connections, and inputs on both sides have negative synaptic connections.

第5図では、各入力10のうちの白丸が興奮性、黒丸が
抑制性を示しており、各出力11はいずれも第6図に示
すようなシナプス結合分布を示している。すなわち、自
己を含めて両隣へは興奮性の入力を与え、その両側へは
抑制性の入力を与えている。第5図では、その状態を1
つのニューロンの出力のみで表わしているが、その他の
ニューロンの出力も同じである。
In FIG. 5, among the inputs 10, white circles indicate excitability and black circles indicate inhibition, and each output 11 shows a synaptic connection distribution as shown in FIG. 6. That is, excitatory input is given to both sides including the self, and inhibitory input is given to both sides. In Figure 5, the state is 1
Although only the output of one neuron is shown, the outputs of other neurons are also the same.

脳神経生理学では、このモデルにより視覚におけるエツ
ジやコントラストの協調等が説明されている。一般に、
多層構造のニューラルネットは。
In neurophysiology, this model explains the coordination of edges and contrast in vision. in general,
A multilayer neural network.

より複雑な処理機能を持つことが知られているが、第5
図の単層から第4図の多層への拡張は簡単にできるので
、ここでは、第5図のモデルについて側抑制結合に絞っ
て検討する。
Although it is known to have more complex processing functions, the fifth
Since it is easy to expand from the single layer shown in the figure to the multilayer shown in FIG. 4, the model shown in FIG. 5 will be considered here, focusing on the side-inhibiting connections.

個々のニューロンの動作は、次の通りである。The operation of individual neurons is as follows.

1番目のニューロンの時刻しにおける内部状態5i(t
;)は、入力T工(1)と時刻(t−1)の他の入力か
らの入力Oi−m(t  i)を用いて次式で表わされ
る。
The internal state 5i(t
;) is expressed by the following equation using the input T (1) and the input Oi-m(t i) from another input at time (t-1).

S□(t)=Ii (t)十Σγ、○i、k(t−1)
に ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ (1)
二こで、γ3は第6図の各シナプス結合強度の空間分布
である。ニューロンの出力Oは、この内部状態を第7図
に示すようなシグモイド型のしきい値開数σ(・)によ
りしきい値処理を行って得られる。
S □ (t) = Ii (t) 10Σγ, ○i, k (t-1)
To ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ (1)
Here, γ3 is the spatial distribution of each synaptic connection strength in FIG. The output O of the neuron is obtained by thresholding this internal state using a sigmoid-type threshold value σ(·) as shown in FIG.

Oよ (t)=σ (Si (t))  ・ ・ ・ 
・ ・ (2)第2図は、各位置のニューロンの出力信
号の時間的変化を計算した一例を示す図である。
Oyo (t)=σ (Si (t)) ・ ・ ・
・ ・ (2) FIG. 2 is a diagram showing an example of calculation of temporal changes in output signals of neurons at each position.

外界から入力を受容したニューロンを中心としたニュー
ロン群の出力レベルは1時間の経過とともに徐々に強い
興奮作用を示すようになるのに反して、その周辺のニュ
ーロン群の興奮は徐々に抑制され、いわゆる”clus
tering’が生じて、外界からの特定の刺激に対し
ては特定のニューロン群のみが応答するというような学
習が行われる。すなわち、第2図では、1=0では特定
のニューロン群に対して周辺より少しだけ強い興奮を与
えるのに対して、t=1.2と時間が過ぎるに伴って。
The output level of the neuron group centered on the neuron that receives input from the outside world gradually becomes more excitatory over the course of an hour, while the excitation of the surrounding neuron group is gradually suppressed. So-called “clus”
tering' occurs, and learning occurs such that only a specific group of neurons responds to a specific stimulus from the outside world. That is, in FIG. 2, when 1=0, a specific neuron group is given a slightly stronger excitation than the surrounding area, but as time passes at t=1.2.

特定のニューロンにのみ周辺に比べて強い興奮を与える
。t=1〜5の興奮の強さが示される。
Gives stronger excitation to specific neurons compared to surrounding areas. The intensity of excitement for t=1 to 5 is shown.

このように、外界からの刺激(入力)を処理する過程に
おいて、外界との相互作用を通して処理能力を高めてい
くことを、ニューラルネットの自己組織化と呼ぶ。
In this way, in the process of processing stimuli (inputs) from the outside world, increasing processing capacity through interaction with the outside world is called self-organization of neural networks.

第1図は、本発明の一実施例を示す光ニューラルコンピ
ュータのブロック構成図である。
FIG. 1 is a block diagram of an optical neural computer showing one embodiment of the present invention.

本発明は、側抑制結合を有する第5図のニューラルネッ
トのダイナミックスを、光ニューラルネットで実現する
ものである。
The present invention realizes the dynamics of the neural network shown in FIG. 5 with side-inhibiting connections using an optical neural network.

第1図において、12は光演算ユニット、13は信号入
力部、16は興奮信号ONかつ抑制信号OFFの場合の
信号入力部13からの入力信号に対する光分配器、18
は光分配器16と信号入力部13とを結ぶ完結線である
In FIG. 1, 12 is an optical calculation unit, 13 is a signal input section, 16 is an optical distributor for the input signal from the signal input section 13 when the excitation signal is ON and the inhibition signal is OFF, and 18
is a completion line connecting the optical splitter 16 and the signal input section 13.

本発明の光ニューラルコンピュータは、興奮信号の入力
と抑制信号の入力を光分配器16により分盾し、両In
号の差をとった場合と等価な処理を行う。光演算ユニッ
ト12は、2人力のうちのいずれか一方が1の時のみ1
を出力する演算、つまり排他的論理和の演算を行う。
The optical neural computer of the present invention separates the input of the excitation signal and the input of the inhibition signal by the optical distributor 16, and
Performs processing equivalent to taking the difference between the numbers. The optical operation unit 12 operates as 1 only when one of the two operators is 1.
Performs an operation that outputs , that is, an exclusive OR operation.

第8図は、第1図における光演算ユニットの具体的構成
図である。
FIG. 8 is a specific configuration diagram of the optical operation unit in FIG. 1.

第8図において、19は光入力・反射型空間光変調器、
20は複屈折板、21はハーフミラ−22は演算カーネ
ル、23は入カバターンA、  24は入カバターンB
、25は出力光、26は読み出し用レーザ光である。
In FIG. 8, 19 is an optical input/reflection type spatial light modulator;
20 is a birefringent plate, 21 is a half mirror, 22 is a calculation kernel, 23 is an input cover turn A, 24 is an input cover turn B
, 25 is output light, and 26 is a reading laser beam.

この光演算ユニットでは、光入出力の形で、ディジタル
化された2つの入カバターン間の任意の論理演算(16
種類のプール論理演算)を行うことが可能である。演算
の原理については1例えば。
This optical operation unit performs arbitrary logical operations (16
It is possible to perform various types of pool logical operations). Regarding the principle of calculation, see 1 for example.

特願昭63−26887号明細書および図面に詳述され
ているので、詳細な記載を省略する。第8図に示すよう
に、入カバターンの各画素の0,1の論理を偏波で表現
し、2人力の各画素の論理の4つの組合わせを空間的に
分離することにより符号化する。演算は、演算カーネル
により空間的に分離された偏光成分を実行する演算命令
に従って。
Since it is explained in detail in the specification of Japanese Patent Application No. 63-26887 and the drawings, the detailed description will be omitted. As shown in FIG. 8, the logic of 0 and 1 of each pixel of the input pattern is expressed by polarized waves, and the four combinations of the logic of each pixel of two people are encoded by spatially separating them. The operations are performed according to arithmetic instructions that perform spatially separated polarization components by an arithmetic kernel.

選択的に抽出することにより行うことができる。This can be done by selective extraction.

実行すべき演算処理は52入力の差をとることであるが
、光強度では負の表現ができないため、排他的論理和、
つまり2人力のうちのいずれか一方が1のときのみ1を
出力する演算を実行し、後述するように、第1図に示す
光分配器16によりこれら2種類の出力信号を分離して
、差をとることと等価な処理を行う。
The arithmetic processing to be performed is to take the difference between the 52 inputs, but since negative expression cannot be expressed with light intensity, exclusive OR,
In other words, an operation is performed that outputs 1 only when either one of the two signals is 1, and as described later, these two types of output signals are separated by the optical splitter 16 shown in FIG. Performs processing equivalent to taking .

第8図において、光入力・反射型空間光変調器19に入
射したレーザ光は、入カバターンAの2値情報(0また
は1)が書き込まれた光入力・反射型空間光変調器19
により↑→のいずれかの偏光に変調され、さらに入カバ
ターンBの2値情報が書き込まれた光入力・反射型空間
光変調器19により偏光変調さ九て、複屈折板20によ
り上下に空間分離される。従って、1画素は、(00)
(01)(11)(10)の論理値の組み合わせとなり
、論理演算に応じて演算カーネル22により4つの窓の
いずれかを開くことによって、演算結果が得られる。例
えば、A  AND  Bのときには、4つの窓の右上
のみが開き、残りは閉じる。また、A  ORBのとき
には、4つの窓の下2つが空き、上2つは閉じる。
In FIG. 8, the laser light incident on the optical input/reflection type spatial light modulator 19 is transmitted to the optical input/reflection type spatial light modulator 19 in which binary information (0 or 1) of the input coverage pattern A is written.
The polarized light is modulated into either ↑→ by the optical input/reflection type spatial light modulator 19 in which binary information of the input pattern B is written, and the birefringent plate 20 spatially separates the light into upper and lower directions. be done. Therefore, one pixel is (00)
The result is a combination of logical values (01), (11), and (10), and the calculation result is obtained by opening any of the four windows by the calculation kernel 22 according to the logical calculation. For example, when A AND B, only the upper right of the four windows opens and the rest close. Also, in the case of A ORB, the lower two of the four windows are open and the upper two are closed.

第9図は、本発明の演算方法により得られる排他的論理
和の1画素分の出力を示す図である。
FIG. 9 is a diagram showing the output of one pixel of exclusive OR obtained by the calculation method of the present invention.

第9図における27は興奮信号ONかつ抑制信号OFF
の場合の出力光、28は興奮信号OFFかつ抑制信号O
Nの場合の出力光である。このようにして、2通りの出
力が空間的に分離可能であることがわかる。
27 in Fig. 9 is the excitation signal ON and the inhibition signal OFF.
The output light in the case of 28 is the excitation signal OFF and the inhibition signal O
This is the output light in the case of N. In this way, it can be seen that the two outputs are spatially separable.

第10図は、第1図における演算カーネルの構成図であ
る。
FIG. 10 is a configuration diagram of the calculation kernel in FIG. 1.

第8図における演算カーネル22は、第10図に示すよ
うなスリットを持つマスクである。図中。
The calculation kernel 22 in FIG. 8 is a mask having slits as shown in FIG. In the figure.

29は光を遮断する不透明な板、30は画素分が占める
面積、31は光を通過させるスリットである。すなわち
、M9図に示したように、興奮信号ONかつ抑制信号O
FFの場合の出力光を通過させるスリットである。これ
らのスリットの位置と演算カーネルの位置は、各画素が
1対1に対応するように位置および寸法を合わせる必要
がある。
29 is an opaque plate that blocks light, 30 is an area occupied by a pixel, and 31 is a slit that allows light to pass through. That is, as shown in diagram M9, the excitation signal is ON and the inhibition signal is O.
This is a slit that allows output light to pass in the case of an FF. The positions and dimensions of these slits and calculation kernels must be matched so that each pixel has a one-to-one correspondence.

両者の寸法が一致しない場合には、レンズ系を挿入して
拡大または縮小することにより調整することが可能であ
る。
If the two dimensions do not match, adjustment can be made by inserting a lens system to enlarge or reduce the size.

第11図は、第1図における光分配器の構成図である。FIG. 11 is a block diagram of the optical distributor in FIG. 1.

第11図(a)において、33は入力光、34はミラー
、35.36はスリット、37は出力光、21はハーフ
ミラ−である。・また、(b)(c)に示すように、ス
リット35.36の形状は円形または円環である。なお
、29は光を遮断する不透明なiFiである。
In FIG. 11(a), 33 is input light, 34 is a mirror, 35 and 36 are slits, 37 is output light, and 21 is a half mirror. - Also, as shown in (b) and (c), the shape of the slits 35 and 36 is circular or annular. Note that 29 is an opaque iFi that blocks light.

光分配器16は、第8図の反射型空間光変調器19の入
射面上のニューロンに相当する複数の画素に光を分配す
るためのものである。
The light distributor 16 is for distributing light to a plurality of pixels corresponding to neurons on the incident surface of the reflective spatial light modulator 19 shown in FIG.

第12図および第13図は、スリットと光ビームの広が
りを示す図である。
FIGS. 12 and 13 are diagrams showing the slit and the spread of the light beam.

第12図(a )(b )では、第11図に示したスリ
ットを通過した光の回折の状態と、そのニアフィールド
の空間的な光強度分布を示している。
FIGS. 12(a) and 12(b) show the state of diffraction of the light that has passed through the slit shown in FIG. 11 and the spatial light intensity distribution in the near field.

図中の37は回折光、38は回折光の空間的な光強度分
布である。また、33は入力光、35ははスリット、2
9は光遮断用の板である。
In the figure, 37 is the diffracted light, and 38 is the spatial light intensity distribution of the diffracted light. In addition, 33 is an input light, 35 is a slit, 2
9 is a light shielding plate.

回折光の広がり角度へ〇は、光ビームをガウシアン分布
と仮定すると、第13図に示すように。
The spread angle of the diffracted light is as shown in FIG. 13, assuming that the light beam has a Gaussian distribution.

スリット35の開口径りに反比例し1次式の関係が成立
する。
It is inversely proportional to the opening diameter of the slit 35, and a linear relationship holds true.

Δθ=1.22(λ/D)  ・ ・ ・ ・ ・ ・
 (3)ただし、λは波長である。
Δθ=1.22(λ/D) ・ ・ ・ ・ ・ ・
(3) However, λ is the wavelength.

従って、開口径、スリットと空間光変調器の入力面との
距離、および両スリットに入力される光の強度比を、第
11図のハーフミラ−21の透過率を適当に定めること
により、任意の光ビームの広がりおよび強度分布を実現
することができる。
Therefore, the aperture diameter, the distance between the slit and the input surface of the spatial light modulator, and the intensity ratio of the light input to both slits can be set as desired by appropriately determining the transmittance of the half mirror 21 shown in FIG. Light beam spread and intensity distribution can be achieved.

その結果、出力の興奮信号光と他方の出力光である抑制
信号光とをそれぞれ光演算ユニットに光配線を介してフ
ィードバックすることにより、第6図に示すような側抑
制型のシナプス結合の空間的強度分布に従って、スリッ
トに入力した光を複数のニューロンに分配することが可
能である。
As a result, by feeding back the output excitation signal light and the other output light, the inhibition signal light, to the optical processing unit via the optical wiring, the space of lateral inhibitory synaptic connections as shown in Fig. 6 is created. It is possible to distribute the light input to the slit to multiple neurons according to the target intensity distribution.

第14図は、第6図の側抑制型のシナプス結合の空間強
度分布を合成した関数を示す特性図である。
FIG. 14 is a characteristic diagram showing a function that synthesizes the spatial intensity distribution of the synaptic connections of the lateral inhibitory type shown in FIG. 6.

側抑制型シナプス結合の空間強度分布を、上記方法によ
り合成すると、第14図に示す関数曲線となる。なお、
光配線はレンズ径を用いた空間配線か、あるいはファイ
バを複数本束ねたバンドルを用いることも可能である。
When the spatial intensity distribution of lateral inhibitory synaptic connections is synthesized by the above method, a function curve shown in FIG. 14 is obtained. In addition,
For the optical wiring, it is also possible to use spatial wiring using the lens diameter or a bundle of multiple fibers.

〔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
ータでは実現できなかった自己組織化機能を有するので
、自己適合的であり、複雑なパターン認識等の知的情報
処理を、光の求つ並列性。
As explained above, according to the present invention, since it has a self-organizing function that could not be realized with conventional computers, it is self-adaptive and can perform intelligent information processing such as complex pattern recognition. Parallelism.

光路の非干渉性および広帯域性の利点を利用して光学的
に行うことができる。その結果1本発明では、大型コン
ピュータを用いたAIでなければできないような各種エ
キスパートシステムへの幅広い応用が期待できる。
It can be performed optically by taking advantage of the incoherence and broadband properties of the optical path. As a result, the present invention can be expected to be widely applied to various expert systems that can only be achieved using AI 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を示す光ニューラルコンピュ
ータのブロック図、第2図は各位置のニューロンの出力
信号の時間的変化を計算した一例を示す図、第3図はニ
ューロン間の相互結合を示すモデル図、第4図は層状の
構造を有するニューラルネットの図、第5図は1次元の
ニューラルネットの図、第6図は各シナプス結合強度の
空間分布図、第7図はシグモイド型のしきい値開数を示
す特性図、第8図は第1図における光演算ユニットの具
体的な構成図、第9図は本発明の演算方法により得られ
る出力であって、空間的に分離された排他的論理和の1
画素分の出力を示す図、第10図は第8図における演算
カーネルとして用いられるスリットを持つマスクの図、
第11図は第1図における光分配器の構成図、第12図
および第13図はそれぞれスリットと光ビームの広がり
を示す図、第14図は第6図におけるシナプス結合の空
間強度分布を合成した関数を示す特性図である。 1.2.8 :ニューロン、3:フィードバックのシナ
プス結合、4:他のニューロンからのシナプス結合また
は入力層とのシナプス結合、5:他のニューロンへの出
力のシナプス結合、6,7:ニューロン#1から#2、
ニューロン#2から#1のシナプス結合強度、9:シナ
プス結合、10:入力信号、11:出力信号、12:光
演算ユニット、13:信号入力部、16:興奮信号ON
かつ抑制信号OFFの場合の光演算ユニットからの出力
信号に対する光分配器、18:光分配器と信号入力部と
を結ぶ光結線、19:光入力・反射型空間光変調器、2
0:複屈折板、21:ハーフミラ22:演算カーネル、
23:入カバターンA。 24:入カバターンB、25:出力光、26:読み出し
用レーザ光、27:興奮信号ONかつ抑制信号OFFの
出力光、28:興奮信号OFFかつ抑制信号ONの出力
光、29:光を遮断する不透明な1板、30:画素用が
占める面積、31;光入力・反射型空間光変調器からの
反射光が複屈折板を通過し空間分離された後、通過させ
るスリット、33:入力光、34:ミラー、35,36
:スリット、37:出力光。 第 図 第 第 図 ↓ 図 第 第 図 図 第 図 シナプス結合分布 ヤ 第 図 第 図 第 図 第 図 (b) (a) 第 図 第 図
FIG. 1 is a block diagram of an optical neural computer showing an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a diagram showing an example of calculating temporal changes in the output signals of neurons at each position, and FIG. 3 is a diagram showing the interaction between neurons. A model diagram showing connections. Figure 4 is a diagram of a neural network with a layered structure. Figure 5 is a diagram of a one-dimensional neural network. Figure 6 is a spatial distribution diagram of each synaptic connection strength. Figure 7 is a sigmoid diagram. FIG. 8 is a specific configuration diagram of the optical calculation unit in FIG. 1, and FIG. 9 is an output obtained by the calculation method of the present invention, which is spatially 1 of the separated exclusive OR
A diagram showing the output for each pixel; Figure 10 is a diagram of a mask with slits used as the calculation kernel in Figure 8;
Figure 11 is a configuration diagram of the optical distributor in Figure 1, Figures 12 and 13 are diagrams showing the slit and the spread of the light beam, respectively, and Figure 14 is a composite of the spatial intensity distribution of synaptic connections in Figure 6. FIG. 1.2.8: Neuron, 3: Synaptic connection of feedback, 4: Synaptic connection from other neurons or synaptic connection with input layer, 5: Synaptic connection of output to other neurons, 6, 7: Neuron # 1 to #2,
Synaptic connection strength of neurons #2 to #1, 9: synaptic connection, 10: input signal, 11: output signal, 12: optical operation unit, 13: signal input section, 16: excitation signal ON
and an optical splitter for the output signal from the optical operation unit when the suppression signal is OFF, 18: optical connection connecting the optical splitter and the signal input section, 19: optical input/reflection type spatial light modulator, 2
0: Birefringent plate, 21: Half mirror 22: Computation kernel,
23: Inlet cover turn A. 24: Input cover turn B, 25: Output light, 26: Readout laser light, 27: Output light with excitation signal ON and inhibition signal OFF, 28: Output light with excitation signal OFF and inhibition signal ON, 29: Block light 1 opaque plate, 30: area occupied by pixels, 31; slit through which the reflected light from the light input/reflection spatial light modulator passes through the birefringent plate and is spatially separated, 33: input light; 34: Mirror, 35, 36
: slit, 37: output light. ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)コンピュータの処理装置を構成する複数個のニュ
ーロンはそれぞれ多入力−1出力の非線形入出力特性の
プロセッサであり、かつ自己へのフィードバックループ
と、他のニューロンへの出力線と、他のニューロンから
の複数の入力線とにより相互に結線され、外界から受容
した感覚入力に対してニューロンどうしが正のシナプス
結合により共に興奮する協調作用と、負のシナプス結合
により他のニューロンの興奮を抑える競合作用とを行い
、外界へ応答を出力して並列分散処理を行うニューラル
コンピュータにおいて、上記各ニューロンをそれぞれ光
学素子を用いた光ニューロンとし、該光ニューロンを複
数個の2次元平面上に配列された光論理演算ユニットで
構成するとともに、該光ニューロン相互間のシナプス結
合を光信号を分岐する光分岐素子と該光分岐素子からの
光信号を送信する光結線で構成することを特徴とする光
ニューラルコンピュータ。
(1) Each of the plurality of neurons constituting a computer processing device is a processor with nonlinear input/output characteristics of multiple inputs and one output, and has a feedback loop to itself, an output line to other neurons, and a It is interconnected with multiple input lines from neurons, and in response to sensory input received from the outside world, neurons are excited together through positive synaptic connections, and negative synaptic connections suppress the excitation of other neurons. In a neural computer that performs parallel distributed processing by performing competitive actions and outputting responses to the outside world, each of the neurons described above is an optical neuron using an optical element, and the optical neurons are arranged on a plurality of two-dimensional planes. an optical logical operation unit, and a synaptic connection between the optical neurons is composed of an optical branching element that branches an optical signal and an optical connection that transmits the optical signal from the optical branching element. neural computer.
(2)上記光論理演算ユニットは、各光ニューロンが光
結線を介して入力される他の複数の光ニューロンからの
光入力信号を受容し、受容した光入力信号をもとに正の
シナプス結合を行うための興奮信号と、負のシナプス結
合を行うための抑制信号をそれぞれ別個に生成し、両信
号の差を各光ニューロンごとに光学的に計算し、計算結
果の出力光信号のうち興奮信号ONかつ抑制信号OFF
の場合の出力信号のみを分離し、該出力光信号を抽出し
て他の複数の光ニューロンへの入力信号として、光結線
を介し帰還させることを特徴とする請求項第1項記載の
光ニューラルコンピュータ。
(2) In the optical logic operation unit, each optical neuron receives optical input signals from a plurality of other optical neurons inputted via optical connections, and creates positive synaptic connections based on the received optical input signals. An excitation signal to perform this and an inhibitory signal to perform negative synaptic connection are generated separately, and the difference between the two signals is optically calculated for each optical neuron. Signal ON and suppression signal OFF
2. The optical neuron according to claim 1, wherein only the output signal in the case of 1 is separated, and the output optical signal is extracted and fed back via an optical connection as an input signal to other plurality of optical neurons. Computer.
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH03265077A (en) * 1990-03-14 1991-11-26 Nec Corp Feedback neural cell model
JPH03268352A (en) * 1990-03-16 1991-11-29 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> Optical integrated circuit
JP2000166962A (en) * 1998-12-08 2000-06-20 Tatsu Ifukube Device and method for stimulating tactile sense
US7847225B2 (en) 2008-05-02 2010-12-07 Hiroshima University Optical neural network

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