JPH03157618A

JPH03157618A - 空間光変調素子

Info

Publication number: JPH03157618A
Application number: JP1298201A
Authority: JP
Inventors: Eiichiro Tanaka; 栄一郎田中; Akio Takimoto; 昭雄滝本; Koji Akiyama; 浩二秋山; Michihiro Miyauchi; 美智博宮内; Koji Nomura; 幸治野村; Kuni Ogawa; 小川　久仁; Junko Asayama; 純子朝山
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1989-11-16
Filing date: 1989-11-16
Publication date: 1991-07-05

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】産業上の利用分野本発明は、光演算装置や投射型デイスプレィに用いられ
る空間光変調素子および神経系と類似な入出力動作、例
えばパターン認識、連想記憶、並列演算処理などを行う
神経ネットワーク回路に関するものである。

従来の技術空間光変調素子は、入射する光の透過率、反射率あるい
は位相、偏光角等を空間光変調素子に記録された２次元
情報で入射光を変調する素子である。

空間光変調素子には、ポッケルス効果を利用した光学結
晶を用いたもの、屈折率の異方性を利用した液晶等が多
く用いられている。

とくに後者は、大面積化が容易で、低コストであること
から多くの注目を集めている。

液晶を用いた空間光変調素子の多くは、電気信号によっ
て容易に入力光を変調できる電気−光空間変調素子とし
て、駆動回路を備えた液晶テレビ等に用いられる液晶セ
ルが用いられている。

また、光によって２次元情報を変調信号として用いた、
光−光空間変調素子として、更に、しきい値処理機能を
も有するものとして、Ｂ１＋２５ＩＯ□６などの先導？
！！層を液晶層に積層した空間光変調素子が提案されて
いる（滝沢國治　他、第３５回応用物理学会関係連合講
演会講演予講集　昭和６３年春季３０ｐ−ＺＦ−３，３
０９−ＺＦ−４）。

神経機能を模倣した神経ネットワーク回路を、光を用い
てハードウェアで実現した多くのニューロコンピュータ
では、学習機能およびしきい値処理を光技術によってハ
ードウェア化したものでなく、多くは、これらの機能を
計算機に依存している。

発明が解決しようとする課題液晶状態にある低分子のネマティック、コレステリック
液晶はメモリー機能を有していないため、空間光変調素
子では液晶をはさむ電極間に電圧を印加し続けなければ
、光変調機能を維持できない。

強誘電性を有するスメクティック液晶はメモリー機能を
有するものの長期にわたっての安定性にはかける。

このため、液晶材料による空間光変調素子を用いて、ハ
ードウェアで実現したニューロコンピュータの多くは、
学習機能およびしきい値処理を計算機で行って後、学習
の結果は計算機の補助記憶装置に記憶し、学習結果の喪
失を防いでいる。この学習結果をもとに種々の入力信号
に対して認識あるいは連想等を実行させるには、空間光
変調素子に学習結果を再度、記録する必要がある。この
ため、本来なら、学習後は不要となる学習結果を記憶し
たメモリーを、不揮発な状態で記憶しておくことが必要
さなる。さらにこれらのメモリーは、より複雑な認識あ
るいは連想を行う高度なニューロコンピュータでは多大
なものとなる。

本願第１の発明は、以上のような従来の問題点を解決す
るためのもので、空間変調素子自身に学習結果を記憶す
る機能をもたせることを、本願第２の発明は、入力光信
号を変調する２次元情報を自己保持するのみでなく、さ
らには２次元情報を書換え可能な、あるいは追記が可能
な空間変調素子を提供することを目的とするものである
。

本願第３の発明は学習機能をもち、補助記憶装置が不要
な、あるいは、しきい値処理機能をハードウェアで実現
した神経ネットワーク回路を提供することを目的とする
ものである。

課題を解決するための手段本願第１の発明は、入力する光を書換え可能な２次元情
報によって変調し、変調された透過光を出力する空間光
変調素子において、入力する光を変調する際の温度にお
いて、上記空間光変調素子が固相である液晶材料をもち
いる。

本願第２の発明は、液晶材料として昇温によって液晶相
となる材料を用いる、あるいは固相液晶材料の２次元情
報を記録する際、記録エネルギーとして光あるいは熱の
内少なくともいずれかをもちいる。

また本願第３の発明は、少なくとも空間光変調素子およ
び発光素子を備えた神経ネットワーク回路において、学
習結果をシナップス結合荷重として記録された固相の液
晶材料からなる空間光変調素子をもちいて神経ネットワ
ーク回路を構成する。

作用これらの電界による２次元情報を記録する液晶素子に用
いられる液晶材料うち、サーモトロピック低分子液晶は
、材料固有の特性として室温温度付近の範囲で液晶相を
示し、容易に高速に記録情報の書換・えが可能である。

また、その液晶相温度域以下では固相となることから、
との固相状態では比較的安定に記録状態が維持できる。

しかしこの時、液晶相から固相への変化の際、結晶化を
ともなう変化から記録状態が変化し、正確な記録情報が
安定に保持するには問題があると言える。

一方、高分子液晶は、室温付近では固相であり、約４０
〜２７０℃に数十℃の範囲で空間光変調機能に適用可能
な液晶相があり、さらに温度が上昇すると等方性流動相
となる。

液晶相温度に加熱された空間光変調素子をもちいて、電
極間に電圧を印加し２次元変調情報を記録する。この電
圧を印加した状態で急冷することによって記録状態が保
たれたままガラス化する。

この状態は、室温ではあるものは数年以上にわたっても
安定である。

また、同様に室温では固相であるコレステリック液晶高
分子では特有の波長選択的な反射によって着色し、光透
過、あるいは反射特性に波長依存性を有する。この液晶
に光あるいは熱を直接印加することによってラセンピッ
チが変化し、さらに急冷されることによって反射波長が
短波長にシフトした状態で凍結される。これにより、シ
フト後の短波長域では大きく反射率が上昇し、逆に長波
長域では反射率が減少する。このようにして光あるいは
熱の印加によって記録された２次元情報にしたがって、
光変調を与えることができる。このような高分子液晶で
は、記録エネルギーにしきい値があり、低い入射光では
記録状態が変化しない。

また、これらは、しきい値以上のエネルギーを印加する
ことによって追記が可能である。

また、このような空間光変調素子をもちいて神経ネット
ワーク回路を形成することによって、学習結果を液晶状
態まで加熱した素子に記録後、急冷することによって神
経細胞が有するシナップス結合強度の情報を、補助記憶
装置なしで長期にわたって保持できる。

また、神経ネットワーク回路をコレステリック高分子液
晶をもちいた空間光変調素子をもちいて構成した場合、
神経細胞の入力に相当する入射光の熱エネルギーによっ
て透過あるいは反射する光を制御する、いわゆる可塑性
を付加するすることができる。

実施例本発明の実施例について、図面を参照しながら説明する
。

第１図（ａ）、　　（ｂ）にそれぞれ第１の発明の空間
光変調素子の構成の例を示す。

（ａ）では、透光性基板上１１．１５に、固相の液晶材
料Ｉ３が導電性電極１２．１４によってサンドイッチさ
れた、通常の液晶セルと同様な構成をもつ。（ｂ）では
、電極をもたない液晶材料１３のみを用いたオーブンセ
ルの例を示したものである。

これらの材料では、記録後の安定性、あるいは加熱する
場合の時間を考慮すれば４０〜１５０℃で、１０℃以上
の温度範囲で液晶相を示すことが望ましい。

［実施例１］第１図（ａ）の空間光変調素子の例として、導電性電極
１２．１４として透明電極ＩＴＯをＸ−Ｙアドレス式の
サンドイッチセル構成で用い、液晶材料１３として高分
子液晶の１つである、主鎖型のネマチック高分子液晶を
検討した。

主鎖型のネマチック液晶の例としては、以下の（１）、
（２）の構造を持つ、分岐メチルグループをもった屈曲
銀をブチレン鎖としたポリエステルを用いた。

これらの材料は１１５℃から　１７０℃にわたって２５
〜５５℃の温度範囲においてネマチック液晶相を示した
。この時の、セルの液晶膜厚は１０μｍとした。

ここで、Ｐｈはｐ−フェニレンの省略記号である。

この空間光変調素子を温度１２０℃に昇温し５００　Ｈ
ｚ。

２４Ｖで記録を行った。電圧を印加しながら温度を０．
５〜ｌＯ℃／秒の速度で室温付近まで冷却した。この時
、昇温時の記録状態と、冷却後の記録状態の相違は１０
％以下であった。

この状態は、数週間放置しておいても変化することはな
かった。

また、同様な構成において、側鎖型のネマチック高分子
液晶として、（３）の構造を有する、シアノビフェニル
基を側鎖とするネマチック性のアクリラート糸筋分子液
晶も同様に、もちいることができる。

Ｃｏ（１（−ＣＨ２−）−−０−Ｐｈ−Ｐｈ−ＣＮｐｈ
：ｐ−フェニレン　　　２＜　ｎ　＜　１５このときの
分子量は、３８００〜５０００で、ラジカル重合によっ
て得た。この高分子液晶は、９８〜１１５℃以上で２０
〜５０°Ｃの温度領域にて液晶相を示した。

これらの、上述のように１２０℃に昇温後、同様な条件
下で記録し、冷却後の相違を測定した。この材料におい
ても、１５％以下の相違が見られるものの、冷却後は同
様に安定であった。

［実施例２コ強誘電性を有する高分子液晶を用いる例として以下の構
造のアクリラート系スメクチック高分子液晶が用いられ
る。

ＣＯＯ−（−ＣＨｚ　）Ｉｌ−０−Ｐｈ−Ｐｈ−ＣＯＯ
ＣＨｔ＊ＣＨＣｔ　ＨｓＰｈ：ｐ−フェニレン　　　　
　　　　２＜　　ｎ　＜　１５また、ポリ　コレステリ
ルω−メタクリロイルオキシアルカノエート［ｐＣｈＭ
Ｏ−ｎｌ　ｎはスペーサーメチレン鎖の炭素数　２＜　
ｎ　＜　１５１も側鎖型スメクチック液晶高分子として
用いることができ、５０〜１００℃の温度領域で液晶相
を示す。

これらは、５〜１０μｍ、　　２ＫＨｚ１５５Ｖの動作
条件において、５ａ＋ｓｅｃの応答速度で、記録、消去
が可能であった。

この空間光変調素子では、記録条件での電圧印加の下で
、急冷することによって数週間以上の安定な記録が行え
ることが分かった。

［実施例３コ上記の空間光変調素子を用いて、第２図のような逆伝搬
型学習法を用いた神経ネットワーク回路を形成し、英大
文字２６字の認識を試みた。２１は入カバ９−７．２２
．２５はマイクロレンズアレイ、２３は空間光変調素子
、２４は光電変換素子を内蔵したしきい値処理を行う光
しきい値素子、２Ｇは充電変換素子で出力最大のものを
選択し、表示する。

シナップス結合定数の決定には、予め計算機によって上
記学習法を用いて求めておいたシナップス結合強度を、
空間光変調素子に書き込んだ。

この書き込みの際には、液晶温度まで空間光変調素子を
昇温した後行った。

また、シナップス結合強度の計算には以下の手順で計算
を行った結果を用いた。アナログ計算後に、空間光変調
素子の階調分解能と等しいか、あるいはそれ以下の離散
値に変換した結合定数を用いて再度計算を行い、集束化
を行い、その後の離散値化したシナップス結合強度値を
用いて空間光変調素子に記録した。実施例１のネマチッ
ク型高分子液晶を用いる場合には、階調性は、５〜１６
階調を示すことから、３〜５値の離散値を、実施例２に
おける、強誘電性液晶高分子を用いる場合には、２値を
用いて記録した。

このような、離散値を用いることによって実際の文字認
識率が計算結果と一致することが確認された。離散値を
用いないで計算結果のみを直接記録しても十分な認識率
が得られなかった。

このようにして、学習後の空間光変調素子を用いて学習
パターンに対しては１００％の回答率が得られた。

［実施例４］第１図（ｂ）の電極を必要としない空間光変調素子の例
として、コレステリック型液晶高分子を用いることがで
きる。

このような材料として以下の分子構造を有するものを用
いた。

ＣＢ。

−（−Ｓｆ−０−）、−（５）（ＣＨａＬ−Ｃｈｏｌｅｓｔｅｒｏｌ２＜ｍ＜１０　　Ｃｈｏｌｅｓｔｅｒｏｌ：Ｃ＊ｖＢＪ
ｓ＋Ｃ＋＊）１４ｙ等（ＣＨａ　）ａ　−Ｃｈｏ　１ｅ
ｓｔｅｒｏ　１２く■＜１０ネマチックペンダントの代表的なものとしては、−ＣＨ
＝ＣＨ−ＣＨ＝ＣＨ−Ｃ＝Ｏ、−Ｐｈ−Ｎ：ＣＨ−Ｐｈ
−０−ＲＯＲ（Ｐｈ：ｐ−フェニレン、　　Ｒ：メチル
、　　エチル）等が上げられる。

特に（６）の構造式のものは、コレステロールとネマチ
ックのペンダントの比を変化させることによって、干渉
による反射光の色を紫外光域から近赤外光域まで変化す
る。

上式（６）の等比のものを透光性基板上に塗布し、液晶
範囲温度まで加熱すると、ポリドメインとなる。これを
等労相転移温度より少し低い温度で数時間アニールする
と膜全体が均一な配向を示し、第３図（ａ）に示すよう
な、約ｆｉ７０ｎｍの光に反射ピークを持つ液晶高分子
層が得られた。

この空間光変調素子に、サーマルヘッド、あるいは半導
体レーザーの光によって、０．１５〜Ｑ　、ＩｌｉｍＪ
／ｃＩ１１２のエネルギーで照射することによって、第
３図（ｂ）に示すように短波長ヘシフトする。

これによって、Ｇ７０ｎｍ光の透過率は向上する。つま
り、光あるいは熱エネルギーによって記録された２次元
変調信号によって、Ｂ７０ｎｍ光の透過率が変調される
ことが分かる。

この場合に、光記録のエネルギーしきい値は０．１ｍＪ
／ｃｍ’で、これ以下の入射光では記録状態が変化しな
い。このため、学習時に高い光エネルギーを用いれば直
接、光による可塑性・つまり入射光が大きいところがさ
らに光透過が大きくなる。

この液晶高分子のガラス転移温度は２５℃である。空間
光変調素子をガラス転移温度以下で保持、使用すること
によって、これらの記録信号は数年の長期にわたっても
安定であった。

［実施例５コ実施例４の空間光変調素子を用いて、実施例３と同様に
逆伝搬型学習法を用いた神経回路網を形成し、英大文字
２６字の認識を試みた。２３の空間光変調素子に本空間
光変調素子を用いた。

この書き込みの際には、半導体レーザーによって行った
。

また、シナップス結合強度の計算には！６の離散値に変
換した結合定数を用いて実施例３と同様な計算方法で求
めた。記録はドツト単位の面積階調で記録した。

このようにして、学習後の空間光変調素子を用いて学習
パターンに対しては１００％の回答率が得られるだけで
なく、ハミング距離３以下の不完全パターンに対しても
正しい回答を想起することができた。

これらの、空間光変調素子は長期にわたって安定で、変
調信号を記憶する補助記憶装置の必要もなく安定動作す
る。

また、これらの高分子液晶は等労相温度まで加熱するこ
とによって記録信号が消去でき、書換えが可能である。

発明の効果本発明によれば、変調信号を記憶する補助記憶装置の必
要もなく長期にわたって、安定動作する空間光変調素子
を提供することが出来る。

またこれらの空間光変調素子を用いた神経回路網は、空
間光変調素子に変調信号を記録するための補助記憶装置
が不要なため、安価で小型な神経回路網が構成できる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）及び（ｂ）は、本発明における空間光変調
素子の一実施例の断面図、第２図は、本発明による神経
回路網を用いた文字認識装置の一実施例の斜視図、第３
図は、本発明における反射型空間光変調素子の一実施例
の特性を示すグラフである。１１、　１５・・・・透光性基板、１２．１４ストライ
ブ電極、１３・・・・液晶材料、２１・・・・入カバタ
ーン、２２．２５・・・・マイクロレンズアレイ、２３
・・・・空間光変調素子、２４・・・・光しきい値素子
、２Ｂ・・・・光電変換素子の最大出力表示装置。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）入力光を２次元情報によって変調し、透過あるい
は反射光として出力する空間光変調素子において、上記
空間光変調素子が少なくとも、入力光を変調する際の空
間光変調素子の温度において、固相となる液晶材料を有
することを特徴とする空間光変調素子。
（２）液晶材料が高分子液晶よりなる請求項１記載の空
間光変調素子。
（３）高分子液晶材料のガラス転移温度が入力光を変調
する空間光変調素子の温度以上である請求項２記載の空
間光変調素子。
（４）請求項１記載の空間光変調素子を用い、液晶材料
に２次元情報を記録する際、記録エネルギーとして光あ
るいは熱の内少なくともいずれかを用いる空間光変調素
子の記録方法。
（５）少なくとも空間光変調素子を備えた神経ネットワ
ーク回路において、前記空間光変調素子が学習結果をシ
ナップス結合荷重として記録された固相の液晶材料から
なるなることを特徴とする神経ネットワーク回路。
（６）少なくとも学習時のシナップス荷重を書き換える
際、加熱によって液晶相となる液晶材料を光空間変調素
子として用いたことを特徴とする請求項５記載の神経ネ
ットワーク回路。