JPH04106792A - 光連想メモリ装置及びその製造方法 - Google Patents

光連想メモリ装置及びその製造方法

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JPH04106792A
JPH04106792A JP22702290A JP22702290A JPH04106792A JP H04106792 A JPH04106792 A JP H04106792A JP 22702290 A JP22702290 A JP 22702290A JP 22702290 A JP22702290 A JP 22702290A JP H04106792 A JPH04106792 A JP H04106792A
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reflective
light
memory device
associative memory
optical
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JP22702290A
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Yasunori Kuratomi
藏富 靖規
Teruhiro Shiono
照弘 塩野
Kuni Ogawa
小川 久仁
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Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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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 本発明番瓜  人間の大脳神経系と類似な入出力動作を
模倣して構成され黴 連想機能の優れた光連想メモリ装
置及びその製造方法に関するものであ従来の技術 ニューラルネットワークのハードウェア化トシて空間光
変調素子を用いて、光連想メモリを構成することが提案
されていも 光連想メモリ!上 人力層及び出力層の2
層からなるニューラルネットワークモデルに基づいてお
り、第10図に示すように 人力像11を透過型レンズ
アレイ12によって多重展開し 空間光変調素子13に
よりシナプス荷重に相当する重み付けを行−(閾値素子
14によりニューロン毎に閾値処理を行い出力すること
を基本構成としていも その服 第11図(a)に示す
ようく 点光源15から出射した光ζ友 透過型レンズ
アレイ16の周辺部において入射角θ1が垂直方向から
傾いていも 発明が解決しようとする課題 従来例で1よ この入力像の多重展開は 同一仕様の球
面レンズアレイ(透過型)により行っており、 レンズ
アレイの中心部の展開像は良好であるが、周辺部のレン
ズでは入射角θ1が垂直方向から傾くたべ 像のぼけが
大きく、良好な連想機能を有する光連想メモリを構成で
きないという課題があっ九 本発明は、 上記課題を解決し 均一な多重展開像を形
成し 連想機能の高い光連想メモリ装置及びその製造方
法を提供することを目的とすも課題を解決するための手
段 光源と、ジグザグ状に光が伝搬する光伝搬路を設けた基
板と、反射型回折光学レンズをアレイ化した反射型レン
ズアレイと、反射型空間光変調素子と光検出センサーを
具1iIL  前記光源からの光が前記光伝搬路に導か
れた跣 入力媒体に入射し出射した後、前記反射型レン
ズアレイに入射し出射した喪 前記反射型空間光変調素
子に入射し出射した後、前記光検出センサーに入射する
力\あるい1友 前記光源からの光が前記人力媒体に入
射し 出射した檄 前記光伝搬路に導かれ 前記反射型
レンズアレイに入射し 出射した森 前記反射型空間光
変調素子に入射ニ 出射した後、前記光検出センサに入
射するよう構成すも作用 本発明によれば 反射型回折光学レンズをアレイ化した
反射型レンズアレイを用いて多重展開を行うが、 斜入
射のため反射型レンズアレイ中央部と周辺部における入
射角の差が従来例よりも小さくなり、また 屈折率が基
板内(ガラス基板の場合は通常屈折率1.5から1.6
程度)では空気中(屈折率1)より大きくなるた教 従
来例の透過型レンズアレイの各レンズと同一の焦点距離
fを有する反射型回折光学レンズを使用してL 焦点距
離は基板内でCヨ  基板の屈折率倍長くなるたべ 入
射角の差をより一層小さくできも 従って、反射型レン
ズアレイの中の1つのレンズに対して良好な結像ができ
るようにしておけば 反射型レンズアレイのうちほかの
レンズにより形成される像のぼけも小さくでき、連想機
能を向上できも実施例 以下、本発明の実施例の光連想メモリ装置について、図
面を参照しながら詳細に説明すも実施例1 本発明に使用したニューラルネットワークのモデルは、
 第2図に示すよう艮 人力層201及び出力層203
の2層から構成されていも 入力層201の神経細胞に
ニューロン”) 202iL  出力層203の全ての
ニューロンとシナプス結合205で接続されていも人力
Mi201のニューロン202ハ  このシナプス結合
205により出力層203の各ニューロン204に入力
信号を伝達すム その際 人力信号は各シナプス結合2
05に特有のシナプス荷重で重み付けされ入力されも 
出力層203のニューロン2041L  特有のシナプ
ス荷重で重み付けされ入力される全ての入力信号の総和
を計算し 入力信号の総和が特定の閾値以上の場合に出
力す4K  シナプス荷重を可逆的に変化することによ
り、学習機能を実現すも このようなニューラルネット
ワークの結合を、光波術を用いて実現するために6友 
人力信号を多重展開する必要があム この多重展開の手
法を第3図に示す。入力層301の中の1つのニューロ
ン302が入力信号308を出力している場合、この入
力信号308を出力層303の全てのニューロン304
〜307に入力せねばならな(−従って、光の空間並列
性を活かして人力するたべ 人力層301による入力像
を第3図に示すように多重展開することにより、出力層
302の全てのニューロンに入力層301からの人力信
号が入力されも 上記モデルに基づき構成した 第1図に示す本発明の光
連想メモリの動作の説明を行う。入力信号に相当する入
力像法 光伝搬路である基板101内に導かれた光力t
 入力媒体102に入射し 変調を受けることにより生
成されも この入力像(表 基板101の下面において
全反射し 反射型レンズアレイ103に入射する。反射
型レンズアレイ103i友  第2図に示したニューラ
ルネットワークに置けるシナプス結合を実現するた教 
入力像をニューロン数と同数個に多重展開すム 多重展
開された入力像ζ友 再び基板101の下面で全反射し
 反射型空間光変調素子104に入射L 変調を受けも
 この変調はニューラルネットワークにおけるシナプス
荷重による重み付けに相当す4 次に 変調された信号
は、 再度基板+01の下面で全反射L 光検出センサ
105に入力し光量を検出され 各ニューロン毎に光量
の和を計算され閾値処理後出力されも光源106i1 
 反射型回折光学レンズ103における色収差を最小限
に抑えるた教 単色光源が望ましく、本実施例において
(表 例えばHe−Neレーザ(波長632.8層m)
を使用した 第1図(b)に示すように基板101の端
面に角度をつけ入射面とし ある−定角度以上の入射角
で基板に入射すると、入射光107!表  基板101
内で全反射を起こすので、反射層が不要であり、臨界角
以下の入射角で基板に入射する光(上 基板外に出射す
る。従って、基板内で散乱の結果生じる不要な光(表 
基板101外に出射するたA  S/N比を向上できも
 本実施例においては 基板101の端面の角度θ−4
5″ 基板への入射角をθ1−45°とした その結果
 基板内における基板面に対する入射角はθ2=73.
1°となり、全反射を起こすための臨界角41.8° 
(基板101の屈折率1.5)以上であるか収 入射光
107は全反射により伝搬してゆく。
基板101は 使用波長に対して透明であれば良く、例
えば石英などのガラス基板は温度的にも安定であり、例
えば合成樹脂を用いた場合には軽量になム 本発明にお
いては、 基板101の一例として厚さ3mmの石英ガ
ラス(屈折率1.5)を用い九九入力媒体102として
、市販の反射型液晶パネルを使用し九 本発明における反射型レンズアレイの平面図を第4図に
 反射型回折光学レンズの平面図を第5図(a)に 断
面図を第5図(b)に示す。反射型レンズアレイ401
は第4図に示すように 二二ロン数と同数個の反射型回
折光学レンズ402を2次元状に一配列していも 本実
施例は9ニユーロンの場合であム 個々の反射型回折光
学レンズ40 Q C&第5図に示すように 基板50
1上に形成した複数のグレーティングゾーン502と、
このグレーティングゾーン502上に設けた反射層50
3から構成されて0ム グレーティングゾーン502の
形状ζt、xy平面に於て、入射光の傾いている方向(
−y方向)を長軸とする楕円形に形成され グレーティ
ングゾーン502の外周部にいくに従って、楕円形の中
心位置を入射光の傾いている方向(−y方向)に徐々に
ずらした配置とした 詳細に検討すると、波長をλ、基板の屈折率をnとおく
と、 レンズの位相シフト関数Φは 第5図の座標系で Φ。=nlc[x’1−(y−asin#)”+a”c
os2θ  −(1)+  xF+ (y+bs i 
n&)”+b”cos”#−a−bコー25Iυτ(た
だL  k=2π/λ、mはO≦Φ≦2πを満たす整数
) で求められも 従ってグレーティングゾーン502の形
状はxy平面において、 (x/x、) 2+ ((y−y、)/y−)’= 1
・・・(2) なる楕円形状で与えられも ただし x、=  pr  ・・・(3) y、= y、: pqr・・・(4) (a−b)psinθ S ・・・ (5) q=(a+bB r==abcos”θ m^         mλ −4−−(a + b +    )  ・・・2n 
         2n s= (a+b)”cos”θ である。
このようなグレーティングゾーンの形状であれば この
反射型回折光学レンズは斜入射時におけ衣 例え(渋 
球面数基 非点数基 およびコマ収差を補正し良好な結
像ができることがわかっ九すなわ杖 第5図(b)に示
すように 基板501上の点光源504からの出射光(
友 基板101の下面505により全反射九 反射型回
折光学レンズ506に入射し再度基板101の下面50
5のより全反射後基板上の一点507に集光すム 従っ
て、反射型回折光学レンズの形状を最適に設計すること
により収差のないレンズが構成できa 本実施例の場合
、第5図(b)の座標系でa=bであるた取 入力像と
同じ大きさの多重展開像が形成されも 従って、この場
合には人力像の大きさ+i  展開像が入射される反射
型空間光変調素子の各ニューロンに相当する領域よりも
小さくせねばならない。また 反射型回折光学レンズの
グレーティングゾーンの形状は楕円形であるが、楕円形
の中心位置をずらさなくても良好な像が得られ九 この
ことは、 第(5)式にa=bを代入するとy0=0と
なることからも裏付けられ九 この反射型回折光学レンズは、 公知の技術である電子
線描画法(T、  シオノ他(T、5hiono、  
etal、 、 )アブライドオブティクス(AI)I
)1.opt、、)  vol、 28.  No、 
15. pp、 3434−3442  (1989)
)を用いて形成し九 この電子線描画法(主 サブミク
ロンの単位で制御が可能なたべ アライメントを精度良
く実現できるという利点を持っていも また本実施例に
おいては 電子線描画法でグレーティングゾーンを形成
後に 反射層503として銀を約4000人蒸着しt4 本実施例1においては 第4図に示すように1個の反射
型回折光学レンズだけ最適設計を行しく他のレンズを、
その最適設計を行ったレンズと同一形状とする反射型レ
ンズアレイを用いたが、 従来例のように像の大きなぼ
けは生じなかつ九 なぜなぺ 本発明においては、 光
は反射型レンズアレイに一方向から斜入射し また 基
板として屈折率n(=1.5)の大きい石英ガラスを用
いているたべ 焦点距離が屈折率倍長くなるので、第1
1図(b)に示すように 入力像のある一点17からの
光が基板18内に入射し 反射層19で反射微反射型レ
ンズアレイ20に入射する場合 反射型レンズアレイの
中央部と周辺部への入射角θ1、θ2、θ3の差が、透
過型の光学系である従来例のθ1θ2′の差に比べて充
分小さいからであム入力信号のシナプス荷重による重み
付けに相当する変調を行なうための反射型空間光変調素
子ζ友例えば反射型液晶パネルを使用しても良いが、本
実施例においてζよ 直交学習法(M、イシカワ、他(
M、Ishikawa、 et al、、)アブライド
オプテイクス(Appl、Opt、、)  Vol、2
8 (1989) )により、予めコンピュータで計算
したシナプス荷重の2次元分布(メモリパターン)を、
反射型回折光学レンズを2次元に分布し 各々のレンズ
の回折効率を変化することにより実現し總 レンズの回
折効率は、 グレーティングゾーンの最大膜厚により決
定される。ここで、グレーティングゾーンの最大膜厚と
は 第5図に置けるLであも このグレーティングゾー
ンの最大膜厚と、回折効率の関係を第7図に示す。第7
図よりグレーティングゾーンの最大膜厚を0、2μmま
では厚くするほど回折効率が高くなることが分かも 従
って、大きなシナプス荷重を表現するレンズほど、グレ
ーティングゾーンの最大膜厚を厚くすれば良いことが分
かもこの反射型回折光学レンズを2次元状に配置したメ
モリパターンの一例を第6図に示す。各々の反射型回折
光学レンズの構造は、 第5図に置ける反射型回折光学
レンズと同一であム この反射型回折光学レンズも電子
線描画法により作製するた敷アライメントが精度良く実
現できも 光検出センサは 各ニューロン毎にシナプス荷重で重み
付けされた人力信号の和を求へ 閾値処理後出力する機
能を要求されa 本実施例においては 光検出センサと
してCCDカメラを用(\A/D変換後変換機計算機各
ニューロン毎の和を求め閾値処理を行い計算結果をデイ
スプレィ上に表示し九 また大量生産のためには、 第5図におけ4 反射層を
堆積する前の素子を原盤として、例えばニッケル電鋳法
で金型を作製し 例えばUV硬化樹脂を用いて金型から
複製菱 反射層を堆積すれば 原盤と同一の光学レンズ
素子が低価格で作製可能であム 従って、本実施例のよ
うに シナプス荷重の重み付けに相当する変調を、反射
型回折光学レンズを用いて行し\ 反射型レンズアレイ
と、反射型回折光学レンズによるメモリパターンを同一
面上に形成すれば 同時に 一体化して複製可能であり
、効率よく、かつ低価格で大量生産できる。
鑞 本発明においては 反射型回折光学シンX反射型空
間光変調素子を同一基板面上に設置しているた八 振紘
 温度変化などの環境変化に対して、非常に安定な光連
想メモリを構成できも またミクロンオーダーで制御可
能な電子線描画法により反射型回折光学レンズを作製す
るたム アライメントを精度良く実現できるという利点
を合わせもつ。
実施例2 実施例1と同様のニューラルネットワークモデルに基づ
き構成した 本発明の第2の実施例の光連想メモリの構
成図を第8図に示す。基本的な構成は第1図に示した実
施例1と同様で、光源801、基板802.  反射型
回折光学レンズをアレイ化した反射型レンズアレイ80
1  反射型空間光変調素子80東光検出センサ805
により構成されてい7)。九 本実施例において(表 
光学素子を設置した面の一部及び、光学素子を設置した
面と対向する面にも反射層806を設置した 本実施例
において(表 反射層806として、銀を約4000人
蒸着し九 入力光807(表  入射面に対して垂直な
偏光方向を持つS偏光のHe−Neレーザ光(波長= 
632.3%m)を−例として使用しk このS偏光と
、入射面内の偏光方向を持つP偏光の伝搬ロスを比較す
ると、銀を約4000人蒸着した反射層をもつ基板(屈
折率1574)において、He −N eレーザ光(λ
=632.80![l)の1回反射当りの伝搬ロスは、
 入射角θ=30°のときP偏光2.6%に対してS偏
光1. 8%であることが判った 従って、本発明のよ
う紙数回の反射を繰り返す場合には S偏光の方が伝搬
ロスを小さくでき、例えば7回反射の場合にはP偏光の
伝搬ロスは 17%であるのに対して、S偏光では12
%に抑えられることが確認で畝理論的にも裏付けられた
 また 他の金属を用いた反射層でL 同様の傾向が確
かめられた人力像を表示する入力媒体806i1  透
過型液晶パネルを使用し 反射型レンズアレイ803を
構成する各反射型回折光学レンズは、 各々最適設計を
行なうことにより、球面数基 非点酸基 及びコマ収差
を最小とするよう、電子線描画法により作成し九 光源
801から出射した光807ft、  人力媒体808
である透過型液晶パネルに入射後、基板802に入射し
3回反射後反射型レンズアレイ803に入射すも 従っ
て、実施例1における第(5)式において、 b=2a
であるた人 反射型回折光学レンズの球面数基 非点酸
基 及びコマ収差を補正するためくグレーティングゾー
ンのパターン形状の楕円形の中心位置を長軸方向に徐々
にずらして作成し九また各レンズの長軸が光源の方向を
向くように配置した 本実施例に用いた反射型レンズア
レイの平面図を第9図に示す。
シナプス荷重による重み付けに相当する変調は実施例1
と同様へ 反射型回折光学レンズの最大膜厚を変化する
ことによって実現した 光検出センサ805として、C
CDカメラを用1.X、光量をA/D変換丸 計算機に
より、各ニューロン毎へ 人力信号の和を束数 閾値処
理後デイスプレィ上に結果を表示し九九  光検出セン
サ805としては液晶と光導電性材料を組み合わせた閾
値素子を用いてもよし℃ 本実施例2において(友 上記のよう!;b=2aであ
るた数 多重展開像の大きさCヨ  入力像の大きさよ
りも小さくなも そのた敢 実施例1よりも入力像を大
きく表示できも また第11図、(b)に示した反射型
レンズアレイの中央部と周辺部におけ4 入射角θ1、
θ2.63間の差をより一層小さくでき、その結果像の
ぼけを小さくでき、従来例に比べて連想機能を大幅に向
上でき九九反射型レンズアレイに入射するまでへ 入力
光の反射回数を増やすことにより、反射型レンズアレイ
により形成される多重展開像の大きさをより小さくする
ことができも シナプス結合の数(ミ ニューロン数の
2乗に比例して増加するた数 従来例では大容量のニュ
ーロン数の光連想メモリをコンパクトに形成するために
は シナプス荷重を表現する反射型空間光変調素子を小
さくすると同時に入力像も小さくする必要があった 本
実施例1よ多重展開像を小さく形成できるた数 入力像
を小さくする必要がなく、大容量のニューロン数の連想
メモリをコンパクトに構成可能であるという利点を有す
ム 雌 本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本
発明の主旨に基づいて種々の変形が可能であり、これら
を本発明の範囲から排除するものではなtも 発明の効果 本発明によれば次のような効果を奏すことができも (1)反射型レンズアレイへの中央部と周辺部への入射
角の差が小さいた八 ぼけの少ない多重展開像が形成で
き、光連想メモリの連想機能の向上が図れも (2)アライメントを正確に実現できるた敦連想機能の
向上が図れも (3)環境変化に対して安定に動作できる光連想メモリ
を構成できも (4)大写1のニューロン数であってL コンパクトな
連想メモリの構成が可能になも(5)大量生産が容易に
可能であも
【図面の簡単な説明】
第1図(a)及び(b)は各々、本発明の一実施例にお
ける光連想メモリの平面図及び断面は第2図ci、本発
明が適用されるニューラルネットワークモデルの平面図
 第3図CL 本発明で使用した 人力信号の変換手法
の概略皿 第4図は、本発明の一実施例で構成した反射
型レンズアレイの平面図 第5図(a)及び(b)は各
々、本発明の一実施例において構成した反射型回折光学
しンズの平面図及び断面医 第6図!上 本発明の一実
施例で構成したメモリパターンの平面図 第7図は本発
明の一実施例で使用した回折光学レンズの最大膜厚と、
回折効率の関係を表した阻 第8図(a)及び(b)は
各々、本発明の一実施例で構成した光連想メモリの平面
図及び断面医 第9図C1本発明の一実施例で構成した
反射型レンズアレイの平面図 第10図GEL  従来
例における光連想メモリの構成医 第11図(a)は従
来例で使用する透過型レンズアレイへ 第11図(b)
は 本発明の一実施例で使用した反射型レンズアレイへ
 それぞれ光が入射する際の中央部と周辺部における入
射角の差を示す図であム 101・・・基板102・・・入力媒体103・・・反
射型レンズアレイ、104・・・反射型空間光変調素子
、105・・・光検出センサ、106・・・先爪107
・・・入力光代理人の氏名 弁理士 小鍜治 明 はか
28第 図 基板 J2 第 図 系′に暉/! ム (P祇p 第 図 第 図 色) 8θ6 第 図 110図 (α)梗米97

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)光源と、ジグザグ状に光が伝搬する光伝搬路を設
    けた基板と、反射型回折光学レンズをアレイ化した反射
    型レンズアレイと、反射型空間光変調素子と光検出セン
    サーを具備し、前記光源からの光が前記光伝搬路に導か
    れた後、入力媒体に入射し、出射した後、前記反射型レ
    ンズアレイに入射し、出射した後、前記反射型空間光変
    調素子に入射し、出射した後、前記光検出センサーに入
    射するか、あるいは、前記光源からの光が前記入力媒体
    に入射し、出射した後、前記光伝搬路に導かれ、前記反
    射型レンズアレイに入射し、出射した後、前記反射型空
    間光変調素子に入射し、出射した後、前記光検出センサ
    に入射することを特徴とする光連想メモリ装置。
  2. (2)入力媒体が、反射型液晶パネルであることを特徴
    とする請求項1に記載の光連想メモリ装置。
  3. (3)基板が、光を反射する面に反射層を具備すること
    を特徴とする請求項1に記載の光連想メモリ装置。
  4. (4)伝搬する光の偏光方向は、入射面に垂直である(
    S偏光)ことを特徴とする請求項1に記載の光連想メモ
    リ装置。
  5. (5)入力媒体から出射した光は、光伝搬路内で複数回
    反射後に反射型レンズアレイに入射することを特徴とす
    る請求項1に記載の光連想メモリ装置。
  6. (6)反射型レンズアレイを構成する反射型回折光学レ
    ンズは、基板上に形成した複数のグレーティングゾーン
    と、前記グレーティングゾーン上に設けた反射層を具備
    し、前記グレーティングゾーンのパターン形状が楕円形
    であり、前記楕円形の中心位置が前記グレーティングゾ
    ーンの外周部にいくに従って、前記楕円形の一方の長軸
    方向に徐々にずれていることを特徴とする請求項1に記
    載の光連想メモリ装置。
  7. (7)反射型レンズアレイを構成する反射型回折光学レ
    ンズの前記グレーティングゾーンの形状が、レンズ毎に
    異なっていることを特徴とする請求項6に記載の光連想
    メモリ装置。
  8. (8)反射型レンズアレイを構成する反射型回折光学レ
    ンズは、光源に近い配置の前記反射型回折光学レンズほ
    ど焦点距離は短く、前記グレーティングゾーンの前記パ
    ターン形状は、楕円形の長軸が光源方向に向いているこ
    とを特徴とする請求項7に記載の光連想メモリ装置。
  9. (9)反射型空間光変調素子として、反射型回折光学レ
    ンズを使用することを特徴とする請求項1に記載の光連
    想メモリ装置。
  10. (10)反射型空間光変調素子を構成する、反射型回折
    光学レンズの最大膜厚または、溝の深さが、前記反射型
    回折光学レンズ毎に異なっていることを特徴とする請求
    項9に記載の光連想メモリ装置。
  11. (11)請求項10に記載の光連想メモリ装置の製造方
    法であって、少なくとも反射型レンズアレイと反射型空
    間光変調素子とを同時に含む金型を作製し、前記金型を
    用いて、前記反射型レンズアレイと前記反射型空間光変
    調素子とを同時に複製することを特徴とする光連想メモ
    リ装置の製造方法。
JP22702290A 1990-08-28 1990-08-28 光連想メモリ装置及びその製造方法 Pending JPH04106792A (ja)

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JP22702290A JPH04106792A (ja) 1990-08-28 1990-08-28 光連想メモリ装置及びその製造方法

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5617376A (en) * 1992-12-02 1997-04-01 Seiko Epson Corporation Gear train structure of an electronic watch

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US5617376A (en) * 1992-12-02 1997-04-01 Seiko Epson Corporation Gear train structure of an electronic watch

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