JPH03208029A - 空間光変調器 - Google Patents

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、空間光変調器に係る。

発明の背景 電気的にアドレスされる空間光変調器（ＳＬＭ）の設計
は、良い表示器の要件と良いＳＬＭの要件とに大きな違
いがあるものの、表示器産業により相当程度に影響を受
けてきた。典型的には、第１図に示されＳＬＭの基礎を
なす従来型の液晶表示器は、シリコン基板１と、ソース
及びドレーン領域２，３より成る電界効果トランジスタ
（ＦＥＴ）と、シリコン二酸化層５におけるゲート４と
より成り、該層は透明電極６とドレーン３との間に電気
的接触関係があるようにすき間かあけられている。別の
透明電極７は透明パネル８に設けられている。液晶、た
とえば強誘電効果キラル（ｃｈｉｒａｌ）スメクチック
液晶材料９は電極６と７の間に設けられる。セル（ピク
セル）は、電極６が他の電極７に対して正または負の電
圧に駆動されてその２つの安定状態の間で強誘電性液晶
材料を切換えるように、すなわち例えばそれを明るくし
たり暗くしたりするように、制御信号をゲートに印加す
る。強誘電性液晶表示器の構成及び作動の種々の側面を
説明した本出願人の英国特許２１４９５５５Ｂ，２１４
９１７６Ｂ，２１６６２５６Ｂ，２１８８７４２Ｂに注
意を向けられたい。

キラルスメクチック液晶における第２の重要な電気光学
効果は「ソフトモード」誘電反応（バール，　　Ｃ．　
Ｈ．　、ヘプケ，Ｇ　液晶　２（６）８２５〜８３５頁
　１９８１年：　コリングス，Ｎ．、クロスランド，　
Ｗ．　　Ａ．　、チテック　Ｒ．　　Ｃ．、ポーン，Ｍ
．Ｆ．Ｐｒｏｃ．ＳＰＩＥ　　９６３頁（出版中）１９
８９）を用いた「電子診断効果ｊである。この電子診断
効果は強誘電効果がそうであるようにマイクロセカンド
より小さい応答が可能であるが、該電子診断効果はまた
電圧にアナログ応答を与える。すなわち液晶媒体の光軸
は印加された電圧に比例する量だけ（液晶層の面におい
て）回転する。数百ナノ秒のスイッチングタイムが観察
され（デイヴイ，　Ａ．　Ｂ．及びクロスランド．Ｗ．
Ａ．　、１９８９年６月，スウェーデン，ゴテベルグ，
強誘電性液晶に関する第２回国際会議）、またシリコン
集積回路と調和する電圧での相当な光学反応も観察され
ている。

原則として、キラルスメクチック液晶における強誘電効
果は入射光線の振幅及び／又は位相を変える。

強誘電性液晶（Ｓｍ　　Ｃ”のような傾斜したキラルス
メクチック位相）における電気光学効果は原則的に光ビ
ームの位相変調及び強度変調を可能にするゴールドスト
ーンモード誘電緩和を用いる（トーマス　カールソン、
ボスジャー　ゼクス、シーン　フィリピック、アリジャ
ン　レヴスリツクの強誘電、■９８８年８４巻２２３〜
２４０頁）。これは、光軸と一致する液晶の旦ディレク
タは光ビームに直交する面でのみ動くようには制限され
ていない。これは円錐の角度のいかなる位置にも適応で
きる。この面からの移動はしばしば、たとえば所謂「表
面安定化」装置（Ｎ．　Ａ．　　クラーク、Ｓ．Ｔ．　
　ラガーウォールの応用物理Ｌｅｔｔ．３６、８９９頁
、１９８０年）のように、電気光学効果の実現において
抑圧される。しかし、これは必ずしも必要ではない（Ｗ
．　Ａ．　　クロスランド、Ｍ．ポーン、Ｐ．　Ｗ．　
　ｏス、Ｐｒｏｃ．Ｓ．Ｉ．Ｄ．２９巻３号、２３７〜
２４４頁、１９８８年）。

キラルスメクチックＡ液晶における電子診断効果はソフ
トモード誘電緩和を用い、主光軸は光ビームに直交する
面でのみ電界により回転されるので、これは通常使用さ
れる装置配列（バール，Ｃ．Ｈ．及びヘブケー前掲）で
は通常の入射光ビームの位相のアナログ変調を許容しな
い。

両方の「安定化」ゴールドストーンモード装置（強誘電
性）または電子診断（ソフトモード）装置につき、光の
入射角度がスメクチック層の面に平行でなくまた光軸の
動きを含まない面に直交しない場合に、入射光ビームの
位相は電気光学効果により変調されうる。

発明の概要 本発明の一側面によると、半導体基板に設けられたキラ
ルスメクチック液晶光変調器より成り、それと協働し変
調器の近辺の半導体基板に形成された電子回路を有し、
該回路は変調器を切換えるのに必要なものに付加的なも
のであり、変調器での点のような動作を提供するもので
あるスマートピクセルが提供される。

本発明の別の側面によると、半導体基板に設けられたキ
ラルスメクチック液晶光変調器より成り、それと協働し
変調器の近辺の半導体基板に形成された電子回路を有し
、該回路は変調器を切換えるのに必要なものに付加的な
ものであり、電気信号処理及び状態設定を行うものであ
るスマートピクセルが提供される。

本発明の他の側面によると、単一水晶シリコン基板に設
けられたキラルスメクチック液晶光変調器より成り、そ
れと協働し変調器の近辺でのシリコン基板にＶＬＳＩ技
術により形成された電子回路を有し、該回路は変調器を
切り換えるのに必要なものに付加され変調器において局
部化された知能を提供する役割を果たすスマートピクセ
ルが提供される。

好ましい実施例の説明 従来型の空間光変調器では、ピクセルがディジタルまた
はアナログ電圧に応答する。本発明は、空間光変調器、
すなわち所謂スマートピクセルに係る。ピクセル（光変
調器）で「局部化された知能ｊが含まれる時に、スマー
トピクセルの概念が生まれる。かかる局部化知能は、た
とえば静電記憶装置、ディジタルーアナログ変換、光検
出器／閾値回路を有し、その例及び他の可能性を以下に
説明する。この局部知能は特別の回路により変調器の基
本スイッチング機能のために設けられたものに与えられ
、これは上記でＦＥＴとして説明した。特別回路は変調
器と同じ基板領域または少なくともその近辺で形成され
る。

キラル液晶と単一水晶シリコンＶＬＳ　Ｉ基板技術の結
合はスマートピクセル装置につき最も有望なものと考え
られている。シリコンＶＬＳＩ技術により１ミクロンよ
り小さい機構規模が予測されている。これは、回路の有
用部分がたとえば１（１０ミクロン四方の単一ピクセル
光変調器で集積されうることを意味する。キラル液晶技
術は強誘電性で電子診断効果を有し、比較的低電圧で大
きな電子光学変調効果を提供する。したがって、たとえ
ばＰＬＺＴ変調器で可能なよりも相当に優れたライン技
術が開発可能である。さらに、これら装置のより優れた
型では軽視できない全電力消費は、キラル水晶材料の低
キャパシタンスと低作動電圧により有利となる。電子光
学変調の一切の可能性、たとえば二元振幅（強誘電性）
、二元位相（強誘電性）、アナログ振幅（電子診断）、
アナログ位相（電子診断または強誘電性）も想定されて
いる。

かくて、スマートピクセルの概念は個々の光変調器素子
（ピクセル）がピクセルでの信号またはデータの電子状
態または処理、またはビクセル間のデータの電子通信を
可能にする電子回路及び／又は光検出器と付加的に協働
する時に生まれる。

この方面から、ピクセルにより多くの機能が追加される
と考えることができる。第２の方面から、スマートピク
セルに等しい電子アイランドの認識に到達する。

最適化された電子光学システムでは、スマートピクセル
の大きさは、それが光を用いるより電子を用いてより効
率の良い通信ができる距離に対応する。可能な最速のク
ロック周波数で作動するシリコン論理についてはこの大
きさは数百ミクロンからミリメートルの範囲にある。し
かし、これはピクセルの大きさがこの値より小さい場合
にシステムがスマートピクセルの構成に依存することで
はない。

かかるピクセルの配列における最も一般的なスマートピ
クセル（第２図）は３つのソースからデータを受け：即
ち周辺回路からの電子人力；近接するピクセル回路から
の電子人力；離れた配列から光学入力を受ける。ピクセ
ルはデータを（それが純粋な光検出器である場合には）
周辺回路に、（局部近接動作またはスクローリングが必
要な時には）近接ピクセルに、または液晶変調器を介し
て光領域に送る。

表示装置においてネマチック状態の液晶ピクセルを駆動
するのに用いられる従来の装置を第１図に示す。同様の
装置は空間光変調器における強誘電性液晶ピクセルの駆
動に用いられる。強誘電性液晶ＳＬＭにおいてこの装置
を採用する目的は、直接に多重送信されるピクセル配列
に比してデータの１フレームにアドレスする時間を減少
させ、明度比をおそら＜１（１０：１からより大きい値
に改善することにある。

第１図では、スイッチングトランジスタが夫々のピクセ
ルに設けられてそれを切り換えるようになっている。図
示の如く、各ピクセルに１つのスイッチングトランジス
タを含む作用背面があり、ピクセル回路は誘電性コンデ
ンサとしての強誘電性液晶を有するダイナミックランダ
ムアクセスメモリ（ＤＲＡＭ）セルに類似する。しかし
、かかる装置は「スマート」ではない。

上述のＤＲＡＭピクセル構或とそこにアドレスする作用
背面とともに、行と列の伝導体がある。

行はトランジスタのゲートに接続され、列はソースに、
ピクセルパッド（電極）はドレーンに接続される。キラ
ルスメクチック液晶変調器配列での電力消費は低い。液
晶の高い固有抵抗（　１　０　”Ω０のオーダの固有抵
抗）のため、ピクセルは無視可能なリークを有するコン
デンサとして作用する。

したがって、電力はトランジスタドライバで消費されピ
クセルへのトラックを伝導する。

シリコン技術にキラルスメクチック液晶を用いたＤＲＡ
Ｍタイプのセルについては、スイッチング時間を減少さ
せフレーム速度を増大させるために液晶の随意の分極を
増大させようとする際には制限がある。かかる問題は、
スタティックＲＡＭメモリーセルに似たピクセル回路を
用いて電子光学スイッチングが隔離されたコンデンサで
起こらないようにしてビクセルの複雑さを増大させる犠
牲のもとに大いに減少させられ、むしろビクセルコンデ
ンサ電圧は各ピクセルにｄｃ電圧を供給することにより
維持される。スタティックＲＡＭメモリセルに似ており
実質的に遅いネマチック状態の液晶を用いたピクセル回
路が提案されている。

しかし、本発明はキラルスメクチック液晶とともにシリ
コン集積回路技術（ＶＬＳＩ）に基づいたスマートピク
セルを提案している。シリコンＶＬＳｌ技術でのキラル
スメクチック液晶の使用は、一方の技術の速度は電力消
費を最小にしながら他方のそれを補完するので、有利で
ある。キラルスメクチック液晶を用いたスタティックＲ
ＡＭメモリセルは、スマートピクセル、すなわちそこに
「局部化された知能」を有するピクセル、また言い換え
ると信号処理及び状態設定を組み込んだピクセルのほん
の一例である。スマートＳＬＭ（ピクセル）が用いられ
る光信号／情報処理において種々の応用がある。ピクセ
ルは光変調が振幅または位相において二進またはアナロ
グである状態で光学的または電気的にアドレスされる。

ディジタル光学処理において、２つの画像配列に関する
算術及び論理演算は最も近い近接ピクセル（左、右、上
、下：またはＮ，　Ｓ，　Ｅ．　Ｗ，（北、南、東、西
））に関わる７つの基本演算を用いて実施される。これ
らはシフト演算子（左、右、上、下）、配列補数演算子
、代替演算子（これはターゲットパターンを検出しそれ
を画像のあらゆる場所でｒｉｃｏｎＪパターンで置き換
える）、２つの画像でピクセルによりピクセルを演算す
る配列ＯＲ演算子である。基本論理演算はスマート二進
ピクセルを処理配列として用いて簡便に実現可能である
。論理配列間の適合相互接続はＮＸＮ光クロスーパース
イッチにより特定される。

スマート二進ピクセルはまたデータ画像の一時的記憶を
与えるのにも用いられる。ディジタル光学処理は以下に
第９図〜第１３図を参照しながらより詳しく説明する。

光学プロセッサ、たとえばコヒーレントプロセッサ（こ
れに限定されないが）においては、高品質のＳＬＭは入
力面またはフーリエ変換面での適合空間フィルタとして
用いられ、画像のエンハンスメントとパターン認識作業
を実時間で行う。コヒーレントシステムにおいて必要と
される最も一般的で基本的な手続ははっきりとした波ベ
クトルを有する光ビームの波面の振幅と位相の正確なア
ナログ変調である。数個の光パスを有する進んだシステ
ムにおいては、多くの正確に変調されたビームの重畳が
必要とされる。コヒーレント重畳のフエーザの性質は、
疑似強度変調が回避されるべき場合には位相の許容可能
な変化に厳しい制限を付する。最適な性能のために疑似
位相変化を≦０．１ラドに制限するために、高いオプチ
カルフラット（反射装置では〜λ／１（１０ｎｍ）と均
一さが必要とされる。各ピクセルにＤＡＣ回路を有する
スマートピクセルは以下に説明するが、これは装置の領
域にわたって光学的反応を同調させる機構を提供するこ
とにより、これらの厳しい機構的許容範囲を緩和してい
る。

グレースケール機構を有する基本的なスマートアナログ
ＳＬＭは第３図に示される機能を組み込んだスマートピ
クセルを有する。ピクセルは配列の（ｉ，ｊ）番目であ
る。ピクセル電極／ミラーｌＯは半導体基板に設けられ
る。キラルスメクチック液晶層ｌ２の上に対向電極１ｌ
がある。記憶レジスタ１３とスイッチレジスタンスネッ
トワーク（またはＤＡＣ−ディジタルアナログ変換器）
ｌ４がある。液晶駆動信号はネットワーク１４に印加さ
れる。駆動信号は以下のうちのいずれかから発する。

（ａｌ　　全ピクセルに同一の一定電圧を与えるための
共通電力レール； （ｂ）　　外部Ｄ．　Ｃ．またはＡ．Ｃ．（すなわちク
ロック化された）電圧ソース； （Ｃ）　　ピクセル回路中の光センサーでの入射光の強
度により生じた電圧信号； （ｄ）　　近接するピクセルに照会することにより生し
た電圧信号。

駆動信号はネットワークすなわちＤＡＣ　１　４を用い
て電子的にピクセルに同調される。３ビット制御ネット
ワークは各ピクセルにおける液晶層にわたって印加され
た信号で８レベルの振幅制御を提供することができる。

動作は以下の如くである。

リセットに続き、「重要部分」信号が発せられ、送信さ
れようとしているデータレコードが最も重要なグレーレ
ベルの画像のビットパターンを構成することをシリコン
配列に知らせる。各ピクセルについて行「データ」ライ
ンでの信号は列「イネーブル」パルスによりゲートされ
て記憶レジスタの最重要ビットに送り込まれ、これはピ
クセルのミラー／電極に送られた液晶駆動信号を変更す
るように「抵抗ラダー」を設定する。次に、「重要部分
」信号は再度活性化されて次のデータピットを記憶レジ
スタの次の重要ビットに送る。勿論、これは液晶駆動信
号の一層の変更を生じさせる。

この仮定は最も重要でないビットがロードされるか、ま
たはたとえば画像における重要性の適当な特徴が検出さ
れて動作を制御するマイクロコンピュータにより画像の
書込みが中断されるまで続く。

抵抗ネットワーク／ＤＡＣの適当な設計によりシリコン
背面はある状況において、（ａｌ　Ｓ　Ｌ　Ｍにおける
機構的欠陥を調整し、（ｂ）ますます詳細になるレベル
でグレーレベルパターンを表示し、（Ｃ）液晶駆動信号
がピクセルにかかる光の強度から得られる場合には、ピ
クセルミラーから反射される光で算術演算を実行する。

局面（Ｃ）はまた二進アドレスされたＳＬＭにも適用可
能であり、これは以下に特に神経ネットワークを参照し
ながら詳細に説明する。第４図は８個の値（２ｎπ、（
２ｎ−１）Ｍ、及び６個の中間値。ｎはセルの光学的厚
さで決まる）で位相変調を生じさせるスマートピクセル
回路の実施例を示す。データは状態記憶レジスタ２０に
ロードされ、データ言語Ｄ３Ｄ２　ＤＩ　ＤｏはＤＡＣ
２１での抵抗ネットワークを制御するのに用いられる。

ＤＡＣ２１のアナログ出力は入力Ｄ３Ｄ２　ＤＩ　Ｄｏ
が信号（ＶＢ　／２＋ＶＤ　）を生成し補足人力Ｄ３　
Ｄ！　ＤＩ　ＤＯは（ＶＢ／２−ＶＤ）を生成する。示
されたＸＮＯＲ装置では、ピクセルミラ−２２での電圧
は１　／　２　Ｖ　ｎの平均直流レベルについて振幅Ｖ
，を有するクロツク周波数で振動する。対向電極２３で
の電圧バイアスは、液晶２４について周辺に品質低下を
もたらすような平均直流電圧はないことを保証する。

ディジタル画像処理においては、対象をとらえるのに続
いてエッジと輪郭を検出し、そして処理の初期段階とし
ての画像を分解する。大規模なデータ配列の実時間の分
析を必要とするこれらの作業につき、光学的先行処理が
必要であり、したがって高速で基本処理を実行可能なス
マートピクセルが必要である。これはシリコンチップに
おいて、光変調ピクセルの光学的配列で相互離間されシ
リコン表面に直接蒸着された小さなアルミニウムミラー
上の液晶層により形成された光検出器の入力配列を制作
することにより、実現される。各ピクセルの光伝送は、
ミラー電極に送られた電圧駆動信号により制御され、そ
の駆動信号は近接する光ダイオードの状態により決定さ
れる。各ピクセルに適切に設計されたディジタル回路を
組み込むことにより、装置からの反射読取り光は、不完
全な入力画像から出力画像に対し、必要に応じ増強され
たエッジや、改善されたコントラストや、分解された画
像を与える。これらピクセルは反射モードで作動するが
、送信モードで作動するピクセルは１ミクロンより大き
い波長で可能であり、その場合アルミニウムミラーはな
い。

神経ネットワークは、非アルゴリズム的に情報処理する
ための平行に分布したシステムであり、基本的にパター
ン認識システムである。典型的な応用は光通信リンクに
おけるエラー補正サブシステム、計算システムにおける
関連メモリ、正確な分析手続が可能でなく制御システム
が専門知識を用いて構築されなければならない場合にお
ける生産ラインの維持・制御などである。光学は平行相
互接続を経済的かつ大規模に提供可能なものであるため
、神経ネットワークにとって有望な技術と考えられてい
る。多くの神経ネットワーク構成を統合する共通の特徴
は、入力ベクトルを重量の行列で乗算し、引続き非線形
閾値を積ベクトルの要素に適用することである。行列ベ
クトル乗算により数学的に表されるこれら神経ネットワ
ークにつき、かかる神経ネットワークの光学的実施用の
従来型の装置は第５図に示されている。入力ベクトルＳ
＝　［ＳＩ　３２．．．ＳＮ］Ｔは安定化された光源の
列として表わされ、夫々はマスク（行列）Ｍ＝［Ｍ目コ
での要素の一つの列を均一に照らす。

光学的伝達装置（レンズまたはホログラム）は、マスク
のｊ番目の列を通る光が光検出器Ｄ’　　Ｉにより集め
られることを保証する。出力ベクトルは行Ｄ’　　＝　
［Ｄ’　　＋　Ｄ’　２．１１１１　　Ｄ’　Ｎ］であ
る。

ｊ番目の光検出器にかかる光の強度ＩＩはＩＩ一写１　
ｏ　Ｓ　ＩＭ＋＋である。たとえば、ホップフィールド
モデル（Ｊ．　Ｊ．ホップフィールドの米国Ｐｒｏｃ．
Ｎａｔｌ．Ａｃａｄ．ｓｃｉ．　　　１９８２年　７９
号　２５５４〜５８頁）では、Ｓ，は２元の値をとり、
Ｍ．は０から１の範囲のアナログ値をとり、閾値は「ハ
ード」である。Ｉｏは、ただ一つのソースと一つのマス
ク素子が完全にオンになっている時の強度である。最も
簡単な型では、以下の状況にしたがったソースＳ１を切
換えるフィードバック装置が必要となる。

Ｓ，　＝１　（オン）　　　■，〉θ，のときＳ，　＝
１　　（オフ）　　　Ｉ＋　≦０１のときここで、θ１
は制御可能な閾値である。これは「ハード」閾値の例で
ある。

任意の入力ベクトルが光源でのパターンを少しの間強制
することにより与えられる場合には、システムはマスク
に記憶された最も適合するパターンを探して表示するこ
とにより反応する。一時的記憶を有する適合マスク（す
なわちＳＬＭ）が使用されるならば、ネットは必ずしも
同一ではないが同様の入力パターンによる後の再コール
のためにターゲットパターンを記憶するようにされる。

光学神経ネットワークは、１９８７年１２月１日発行『
応用光学』第２６巻２３号５０５５〜５０６０頁掲載の
Ｃ．ゲスト他「光双方向連合記憶ｊに示されている。そ
こに示される小型双方向連合メモリの実施は、同様の形
式の光変調器と対になった単一素子検出器の配列より成
る空間光変調器を採用する。検出器にかかる光はその協
働変調器がより透明になるようにする。第６図に示され
る既知の空間光変調器はシリコン光検出器３１と電子光
学変調器３２の交互のストライプになっている。各検出
器についての信号はシリコン駆動回路３３により増幅さ
れ制限され、該回路は次に協働変調器を駆動する。その
間の接続マトリックスで直交に配置された２つのかかる
装置配列は光学双方向連合メモリを実施するのに用いら
れる。

上記論文において、かかる空間光変調装置はシリコン検
出器と回路とＰＬＺＴ変調器を有するハイブリッドシス
テムより成ることが提案されている。

本発明によると、これは、光検出器と液晶変調器セルと
適当な駆動回路とを組込みシリコン技術でキラルスメク
チック液晶により形成されたスマートピクセルより成る
。第７図はかかるスマートピクセルの基礎となる回路を
示す。これは光検出器４ｌと、パストランジスタ４２と
、メモリラッチ４３と、ＸＮＯＲ装置４４と、その間に
液晶４８が配置されるピクセルミラ−４６と対向電極４
７を有する液晶変調器セル４５とより成る。第８図はピ
クセル回路より成るトランジスタ、すなわちパストラン
ジスタ４２と、メモリラッチ４３と、ＸＮＯＲ４４の可
能な配置を示す。

この回路は回路機能が電気光学媒体（たとえば液晶）を
用いてどのように実行されるかを示すが、ＲＭＳ印加電
圧に反応する。キラルスメクチック液晶の効果に関する
ここでの想定例では、この回路はこれら電気光学材料の
極性感度反応を反映するように変形される。

バストランンスタがイネーブルである時にピクセルラッ
チがトリガーされる閾値θ１は電圧バイアスＶ　ｂ　ｌ
　ａ　ｍにより決定される。したがってラッチは、光検
出器（光ダイオード）４１に入射された光の全強度に依
存してセットまたはリセットされる。メモリラッチの出
力はＸＮＯＲ配置により、ミラー電極に印加される電圧
駆動信号を制御する。

ラッチを設けることは、印加された電圧が、ピクセル（
液晶）での電圧を衰えさせることなく除去されうること
を意味する。ユニバーサルクロック信号ＣＫまたはその
補数がＸＮＯＲ装置に印加され、クロツク信号ＣＫは対
向電極に印加される。

補足入力は画像反転がなされるようにし、液晶にわたっ
てネット直流バイアスが印加されないよう保証する。イ
ネーブル入力の状態に依存して、セルは非対称的にまた
はクロック化された同期論理で作用される。第７図の回
路素子はすへてシリコン技術で形或され、液晶がつねに
検出器を通って送信され検出器にかかる光による光駆動
から変調駆動回路を隔離する方法がある場合に限り、液
晶は変調器だけでなく検出器にも応用される。本出願人
の出願に係る英国特許出願第８９１１９１７、６号（Ｎ
．　　コリングス−８）は神経ネットワーク適用の神経
面としての光検出器／閾値回路スマートピクセルの使用
を説明しており、その内容をここに参考文献とする。

スマートピクセルの構成部分及び機能の種々の例は以下
に要約される。

ｌ．光ダイオード、，ラッチ；高制限閾値及ひ強誘電性
液晶変調器。かかるスマートピクセルの配列ホップフィ
ールド神経ネットワークの実施を可能にする。

２．光ダイオード；ラッチ；近接するＮ，　Ｓ，Ｅ，　
Ｗピクセル及び強誘電性変調器と協働するＡＮＤ／ＯＲ
論理。かかるスマートピクセルの配置は二進画像代数の
基本演算の実行を可能にする。

３．光ダイオード；ラッチ：Ｎ＋　ｓ，　Ｅ，　Ｗ接続
及び強誘電性変調器。かかるスマートピクセルは、たと
えばシステムを制限する空間の変化の可能性がある場合
や座標変換が実行され画像を正確に中央に置くのが重要
な場合に光学相関器で用いられる。この場合には捕捉さ
れた画像の横方向の動きが重要である。

４．３として、また配置の周辺での検出回路と共に。相
関ピークのシーケンスを認識するスマートピクセル光検
出器配置がかくて得られる。

５，光ダイオードが１つの変調器をオンにし残りはオフ
にしておけるように、一列の変調器及びハードワイヤー
ド論理と協働する１つの光ダイオード。この装置はＳＬ
Ｍクロスバースイッチの重要な構成要素である。

６，ラッチ；抵抗ラダー；強誘電性／電子診断変調器。

これはＤＡＣ機能を実行可能である。

７．６４素子光ダイオード配置：マイクロプロセッサ，
６４強誘電性変調器。これはプロセッサ間で相互接続さ
れた６４チャンネル光バスを実行可能である。

上記の説明は可能なスマートピクセルの例を示したにす
ぎない。ピクセルと協働する正確な集積回路は、スマー
トピクセルの所望の機能に応じて変化することは明らか
である。シリコン領域を経済的に利用するために、集積
回路は光変調器（ミラー）の下に配置され、そのための
作用背面を提供すべきである。これにより、集積回路で
オプチカルフラット面を生じさせるために平面化技術を
使用することが必要となる。

上述の変調器での局部化された知能は変調器での局部化
された点状演算、たとえば配置にあるピクセルの場合の
最も近い近接ピクセル値の計量値であるソベル演算子よ
り成る。ビクセルでの電気信号処理及び状態設定は、た
とえば、スレショルディングよりなる。１つまたはそれ
以上の光検出器を各ピクセルに設けることにより、知能
は電子的だけでなく光学的にも変更される。

スマートピクセルを用いたデイジタル光学処理をさらに
詳しく説明する。ディジタル画像処理において周知なの
は、２−Ｄビット配置のデータ（２進画像）に関する任
意の二進論理関数を実行する機械は基本セットから選択
された論理ゲートの組合せを用いて構成されうる、とい
うことである。

論理ゲート、関数又は演算子の典型的な基本セットは以
下のものである： １．．２−Ｄビット配列を変化させないようにする一致
演算子。

２，上下左右に単一のビットに対して完全なるイメージ
を配置することにより配列指標に関してイメージの動作
を生成する上下左右シフト演算子。

３．配列の各ピクセルの論理値を論理補数により置換す
る配列補数演算子。

４．第１のイメージのピクセル中のデータ値と第２のイ
メージの対応ピクセル中のデータ値との間に論理ＮＡＮ
Ｄを生成するＮＡＮＤ演算子。

他の望ましい演算子はイメージ中のパターンを検出し、
点在するそのパターンを他の（代用）パターンにより置
換する代用濱算子である。

光論理プロセッサ又はコンピュータのために基本素子を
形成できるハイブリッド電子光学装置は第９図に概略的
に示されている。該装置は基板に作られた２次元配列の
スマートピクセルからなる。

各ピクセルは（ａ）光入力信号を検出する光センサＰと
、（ｂ）送信光ビームを変調するトランスデューサ又は
光出力信号のように光ビームを生成するソースと、（Ｃ
）基板上に組み立てられ、光出力信号ビームの変調を制
御する超小型回路とを有する。第９図中、配列のｉ番目
の行とｊ番目の列のピクセルに対して、Ｐ（ｉ，ｊ）は
光検出器を表わし、Ｍ（ｉ，ｊ）は変調器（又はソース
）を、Ｃ（ｉ，ｊ）は超小型回路を表わす（ｉ＝１．２
１　．　．　．　　ＡＩ　　Ｊ＝１＋　　２１　．　．
　．　ｍ）。

各ビクセルの超小型回路の演算子は、配列中の全てのピ
クセルに送信される電気信号Ｅ（１），Ｅ　（２），　
，　．　　Ｅ　（ｎ）によって制御される。近接ピクセ
ルは相互接続されているので、（１１ｊ）番目のピクセ
ルからの光出力信号Ｌ（ｉ，ｊ）は（ｉ，　　ｊ）参目
のピクセルに印加される人力光信号Ｂ　（ｉ，　　ｊ）
，　　Ｂ　（ｉ＋１．　　ｊ），　Ｂ（ｉ−１．　　ｊ
）．．．等と電気入力信号Ｅ（ｋ）．ｋ＝１，．．．ｎ
の値によって決定される正確な応答をするその近辺に依
存する。応答がプール式又は等価関係において特定され
るように配列することによって（「適応フーリエ光プロ
セッサ」アンダウッド、ウィルソン、シリト、バス共著
　１９８７年２月８日８６０号参照のこと）、上述した
基本２次元論理処理関数の全ては単一の装置において実
現され、電気的制御の下で選択されうる。

Ｌ（ｉ，』）・Ｒ（ｉ，ｊ）．Ｅ（６）＋Ｒ（ｉ，ｊ）
．Ｅ（６）　　　　（１）　ここで、 ＋Ｅ（５）．Ｂ（ｉ＋１，　ｊ） である。

有効出力信号は以下のｉ，ｊを有する全てのピクセルに
対して得られる。

ｉ＝２．　　３，　．　．　．　，　　（１−１）ｊ＝
２．　　３，，．．，　　（ｍ−１）式（１）の関数は
、この論理式の多くの異なる等価異形符号により実現さ
れつる。例えば、ド・モルガンの法則からＡＮＤとＯＲ
の関数は交換できる。

原則的に個々のピクセルは、十分多数の電気制御信号を
含むことによって、またより効率的には、各ピクセルの
制御符号の蓄積用に記憶レジスタを超小型回路内で設け
ることによって独立して夫々特定の論理演算を実行する
ようにプログラムされる。ピクセル記憶レジスタのない
パワフル処理配列も、近接ブロック内の又はインクレー
スされた２、３の準配列の配列区分により組み立てられ
うるので、準配列の各ピクセルが同様に実行する間、そ
の準配列は、必要ならば、異なる光論理演算を実行する
。

これのシステム内での使用法を以下に第１０図（ａ，ｂ
，ｃ）を参照して説明する。第１０図にはハイブリッド
処理配列５１が、光センサに正確にレジスタされた少な
くとも２つの別の配列（５２、５３）からの出力イメー
ジ受信するようにシステムに接続されている。配列５１
は出力イメージを変調器から再度ピクセルによりレジス
タピクセルの中で正確にレジスタされた少なくとも２つ
の別の配列（５４、５５）の入力光センサヘ送信する。

イメージ光学は第１０図では詳述していないが、標準レ
ンズ、ビームスライサ（５８）、ホログラフ素子、レン
ズレット配列及び／又は集積光学技術を用いて行っても
よい。

標準光相互接続と標準ハイブリッド光電処理配列を使用
してシステムを組み立てることによって多目的光論理プ
ロセッサ又はコンピュータが変調器ユニットの２、３の
型のみから組み立てられうる。論理構築はそれ以後電気
信号により決定される。情報は光信号により論理ゲート
間で送信される。

第１図等を参照して上述したように、計算／処理装置は
高度のシリコンの超小型製作と液晶技術を用いて作られ
る。単結晶シリコン基板又は表面成長させたアモルファ
スシリコンフィルムに組み立てられた光センサのように
光ダイオードや光トランジスタを取込むことは簡単であ
る。集積された装置又は少なくとも小型の装置に光セン
サと光エミッタ又は光変調器を配設しつるような超小型
回路の組み立て技術は明らかに幾つかあるため、これら
はハイブリッド処理配列の製作用に使用されうる。

以下に２つの実行例について説明する。第１の実行例は
、恒等、シフト、補数演算の実行に関する。ｋ＝１，．
．．６の値をもつ各ｋに対して共通のＥ　（ｋ）信号が
配列の全てのピクセルに送信される。縦続のｑ配列に対
して以下の演算が正しく実行される。

（ｉ）　　データイメージは変化しない縦続システムを
通って同じ関連した位置で配列指標に送信され、かくて
恒等演算が実行されうる。これは、縦続の全ての装置で
Ｅ（１）・０，Ｅ（２）・Ｅ（３）・Ｅ（４）・Ｅ（５
）＝Ｅ（６）＝１とセットすることにより達威される。

（ｉｉ）　　イメージは左にｒビットにシフトされても
よい。ここで「〈ｑである。これは例えば、縦続中で、
ｒ配列をＥ（３）＝０，　Ｅ（　１　）＝ＥＣ２＞＝Ｅ
（４）＝８（５）Ｅ（６）＝１、残りの（ｑ−ｒ）配列
をＥ（１）＝０，　Ｅ（２）＝Ｅ（３）Ｅ（４）＝Ｅ（
５）＝Ｅ（６）・１とセットすることにより達成される
。右上下シフト演算はアナログ方法で行なわれてもよい
。縦続のまま残されるイメージが続いて縦続の入力に帰
還される帰還技術はｑより長いビット数でシフトされた
イメージを生成するのに使用されてもよい。同様に、最
初の行に最後の行を、最初の列に最後の列を電気的に結
合して回転演算が行われてもよい。

（ｉＩｉ）　　配列補数演算は、配列でＥ（１）・０，
Ｅ（２）Ｅ（３）＝Ｅ（４）・Ｅ（５），　Ｅ（６）・
０とセットすることによって実行されてもよい。

第２の実行例は、２つのデータイメージに関する配列Ｎ
ＯＲｍ算についてである。２つのイメージ間でＮＯＲ演
算を実行するためには、第ｌのイメージ１　　（ｐ，ｑ
）に対するデータ信号はピクセルの壓」の奇数列にのみ
を使用し、第２のイメージＩ’　（ｐ’．　ｑ’）に対
するデータ信号は配列の偶数列のみを使用するように配
列する必要がある。そして２つのイメージは単一装置の
インターレースされたフォーマットに組み込まれる。ピ
クセルからピクセルへ、インターレースされたデータセ
ットを形成する配列の２つのデータイメージを重畳する
時は、イメージＩ　　（ｐ．ｑ）を入力する装置の偶数
列は全て暗状態にセットされる。同様に、イメージＩ’
　（ｐ’，　ｑ’）に対しては、奇数列の全てが暗状態
にセットされる。奇数列で作られたイメージＩ　　（ｐ
，ｑ）と偶数列で作られたイメージＩ′（ｐ’．　ｑ’
）に対し、Ｅ（１）・Ｅ（３）・Ｅ（６）・０，　Ｅ（
２）・Ｅ（４）・Ｅ（５）・ｌの論理状態にセットされ
た全てのピクセルへの電気入力を備えたハイブリッド装
置によりイメージのピクセル様ＮＯＲ演算が実行されつ
る。ＮＯＲ演算の結果は、出力で、配列の奇数列に戻さ
れる。

ハイブリッド光処理配列のスマートピクセル用典型回路
を第ｌ１図に示す。典型回路の説明は要しないと思われ
る。少補数化のパワフルプロセッサは第１２図で使用さ
れるピクセル回路で組み立てられてもよく、該回路はピ
クセル配列の一部でそのような２つの回路を含む。なお
、第１２図も説明は要しないと思われる。この装置にと
っての有効論理関数を示す真理表を第１３図に示す。

発明の効果 本発明は、ピクセルに配置された従来の電気素子に加え
、ピクセルで電気的及び光学的に別種の関数特性を持つ
ので、電気信号によりスイッチがオンオフできるという
点で従来の空間光変調器と区別されるいわゆるスマート
ピクセルを提供する。

シリコンＶＬＳ　Ｉ技術、特にシリコンＶＬＳ　１回路
に液晶装置を作りこの付加回路を提供することにより最
高の回路の複合と変形が達或できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の液晶表示器の断面を示す図、第２図はス
マートピクセルへの入力／出力を示す図、 第３図はスマートピクセルの一実施例を概略的に示す図
、 第４図はスマートピクセルの別の実施例を概略的に示す
図、 第５図は行列ベクトル乗法の光学的実施を示す図、 第６図は従来の空間光変調器を示す図、第７図は光検出
器／閾値回路スマートピクセルの実施例を示す図、 第８図は第７図のピクセルの一部用の可能な回路を示す
図、 第９図は光センサー、変調器、マイクロサーキットの配
列を示す図、 第１０図は配列装置間の光学的相互接続計画の３方位図
ａ，ｂ，ｃ　（斜視図、平面図、立面図）を示す図、 第１１図はハイブリッド光学プロセス配列のビクセル用
回路の一例を示す図、 第１２図は第１１図の回路の代替回路を示す図、第１３
図は第１２図の回路により提供される論理関数を示す真
理値表図である。 ■一半導体基板、４−・−ゲート、ｌＯ−・・ピクセル
電極／ミラー、１１一対向電極、１３・４己憶レジスタ
、１４−スイッチレジスタンスネットワーク、２０　・
記憶レジスタ、３１　゛シリコン光検出器、３２“−電
気光学変調器、３３−シリコン駆動回路、光検出器、４
２　＝パストランジスタ。

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. （１）半導体基板（１）に設けられたキラルスメクチッ
   ク液晶光変調器（１０、１１、１２）より成り、それと
   協働し変調器の近辺の半導体基板に形成された電子回路
   （１３、１４）を有し、該回路は変調器を切換えるのに
   必要なものに付加的なものであり、変調器での点のよう
   な動作を提供するものであるスマートピクセル。
2. （２）半導体基板（１）に設けられたキラルスメクチッ
   ク液晶光変調器（１０、１１、１２）より成り、それと
   協働し変調器の近辺の半導体基板に形成された電子回路
   （１３、１４）を有し、該回路は変調器を切換えるのに
   必要なものに付加的なものであり、電気信号処理及び状
   態設定を行うものであるスマートピクセル。
3. （３）ピクセルは電気的にアドレスされる請求項１また
   は２記載のスマートピクセル。
4. （４）１つまたはそれ以上の光検出器（４１）をそこに
   有し、ピクセルは光学的にアドレスされうる請求項１ま
   たは２記載のスマートピクセル。
5. （５）近接するスマートピクセルと組合せ、電子信号が
   該スマートピクセル間に伝送される請求項１乃至４のう
   ちいずれか一項記載のスマートピクセル。
6. （６）半導体基板（１）はシリコンである請求項１乃至
   ５のうちいずれか一項記載のスマートピクセル。
7. （７）電子回路（１３、１４）はＶＬＳＩ技術により形
   成される請求項６記載のスマートピクセル。
8. （８）付加的電子回路（第１１図）は入力光信号で論理
   関数を実行するものである請求項１乃至７のうちいずれ
   か一項記載のスマートピクセル。
9. （９）どの論理関数が実行されるかは対応する電気制御
   信号（Ｅ）の付加的電子回路への印加により決定される
   請求項８記載のスマートピクセル。
10. （１０）どの論理関数が実行されるかは付加的電子回路
    の記憶レジスタ（１３）に記憶された制御コードにより
    決定される請求項８記載のスマートピクセル。
11. （１１）近接する該スマートピクセルと組合せて配列（
    第１２図）を形成し、各ピクセルは同一の局部機能を実
    行するが配列は該スマートピクセルの相互接続に従属し
    て異なった論理関数を実行する請求項８乃至１０のうち
    いずれか一項記載のスマートピクセル。
12. （１２）情報は配列中の異なるピクセルと協働する論理
    機能間で光信号（第１０図）により伝送される請求項１
    １記載のスマートピクセル。
13. （１３）単一水晶シリコン基板（１）に設けられたキラ
    ルスメクチック液晶光変調器（１０、１１、１２）より
    成り、それと協働し変調器の近辺でのシリコン基板にＶ
    ＬＳＩ技術により形成された電子回路（１３、１４）を
    有し、該回路は変調器を切り換えるのに必要なものに付
    加され変調器において局部化された知能を提供する役割
    を果たすスマートピクセル。
14. （１４）キラルスメクチック液晶変調器（１０、１１、
    １２）は強誘電性または電子診断効果を用いる請求項１
    乃至１３のうちいずれか一項記載のスマートピクセル。