JPH04205891A

JPH04205891A - 光連想メモリ装置及びその入力信号生成方法

Info

Publication number: JPH04205891A
Application number: JP33508990A
Authority: JP
Inventors: Yasunori Kuratomi; 蔵富　靖規; Teruhiro Shiono; 照弘塩野; Kuni Ogawa; 小川　久仁
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1990-11-29
Filing date: 1990-11-29
Publication date: 1992-07-28

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、人間の大脳神経系と類似な入出力動作を模倣
して構成される、連想機能の優れた光連想メモリ装置及
び入力信号生成方法に関するものである。

従来の技術近時、人間の大脳神経系における情報処理を模倣したニ
ューラルネットワークのハードウェア化として、光伝搬
路を設けた基板上に、反射型レンズアレイ、反射型空間
光変調素子を一体化した光連想メモリ装置が提案されて
いる。

二の光連想メモリ装置は、第２図に示す階層ヘリの２層
のネットワークモテルに基づいて構成されている。すな
わち、人力層２０１と出力層２０３の２Ｎにより構成さ
れており、人力層の神経′Ｓ胞にニューロン）２０２は
出力１２ｏ３の全てのニューロン２０４と重み付けされ
て接続されており（シナプス結合２０５）、各ニューロ
ン２０２からの入力信号は、所定の値（シナプス荷重）
で重み付けをされ、出力層２０３のニューロン２０４に
人力される。出力Ｎ２Ｏ３のニューロン２０４は、重み
付けされ人力された全ての信号の和をとり、闇値処理後
出力を行うのである。入力信号としては、第３図に示す
ような２次元の文字パターンを、０、ｌの２値で表現し
たものを使用している。

従来例の光連想メモリ装置の構成図を第１１図に示す。

この光連想メモリ装置は、光伝搬路を設けた基板４０１
、人力媒体４０２、反射型レンズアレイ４０３、反射型
空間光変調素子４０４、光検出センサ４０５、光源４０
６により構成されている。

入力信号は、人力媒体４０２に表示され、入射光４０７
により読み出された入力信号は、基板４０１内で反射を
繰り返しつつ、ニューラルネットワークモテルに於ける
シナプス結合を実現するための反射型レンズアレイ４０
３に入射し多重展開され、シナプス荷重に相当する重み
付けを行う反射型空間光変調素子４０４に入射し、出力
層のニューロンに相当する光検出センサ４０５に入射す
る。

この光連想メモリ装置においては、基板４０１に入射し
た光を、人力媒体４０２に斜め方向から入射し、変調さ
れた反射光を、入力信号としている。例えば、第３図に
示すような文字パターンを入力信号として連想する場合
には、１つのマスを１つの二１−ロンと見なし、白い部
分をニューロンが発火した状態、すなわち入力信号１、
黒い部分を入力信号０とみなして、このパターンを反射
型液晶パネル等の人力媒体に表示して、入射光を人力媒
体に斜めに大引して、変調後の反射光を入力信号として
用いている。

発明が解決しようとする課題従来例においては、人躬尤の人力媒体に対する入射角と
出Ｉｔ角か同しである。つまり、入射光か人力媒体に入
射したときの反Ｑ・ｊ光を入力信号と１ノでいた。従っ
て、入力信号を表示する人力媒体に依っては、０．１の
２値で表現される入力信号を正確に表現できないという
問題があった。たとえは、人力媒体として、紙に印刷さ
むた第３図のような文字を使用する場合には、その文字
の印刷されていない部分からの反射光を１とみなし、文
字の印刷されている部分からの反射光を０とみなさなけ
れはならない。しかし、光源からの入射光の人力媒体に
対する入射角と出射角が等しい従来例では、反射光の強
度は、紙自身の反射率の影響を強く受け、反射率が高い
紙をもちいる場合には、入力信号１０部分からの展開光
強度と、入力信号０の部分からの反射光強度の明暗比（
コントラスト）が悪くなり、連想機能の低下を引き起こ
してし・ようという課題があった。つまり、使用する紙
の反射率が高いと、全体に０であるへき信号強度が強く
なり、１の部分の信号強度と殆と差がなくなってしまう
といら課題があった。これは、実際的な文字認識のため
の光連想メモリ装置を構成する一ヒての大きな課題の−
っである。

本発明は、上記従来の光連想メモリ装置の課題を解決し
、コントラストの良い入力信号を形成する入力信号生成
方法、及び連想機能の高い光連想メモリ装置を提供する
ことを目的とする。

課題を解決するための手段本発明は、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、前記基板上に設置された反射層と、人
力媒体と、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、前記人力媒体に入射し、前記人力媒体による変
調を受けた入力信号が、前記基板内で反射を繰り返しつ
つ、前記反射型レンズアレイ、前記反射型空間光変調素
子、前記光検出センサに順次入射するよ−）構成される
光連想メモリ装置で、前記人力媒体への入射光が直接反
射した光と異なる方向の光を、前記入力信号とする入力
信号生成方法である。

また、本発明は、光源と、ジグザグ状に光が伝搬する光
伝搬路を有する基板と、前記基板上に設置された反射層
と、人力媒体と、人力媒体設置基板と、反射型回折光学
レンズがアレイ化された反射型レンズアレイと、反射型
空間光変調素子と、光検出センサを備え、前記光源から
の光が前記光伝搬路に導かれた後、前記入力媒体設置基
板上の前記人力媒体に入射し、所定の変調を受け、入射
光の直接の反射光と違う方向の成分の光の入力信号か、
前記基板の対向する面に設置された前記反射層により反
射を繰り返しつつ、前記基板内を伝搬し、前記反射型レ
ンスアレイ、前記反射型空間光変調素子、前記光検出セ
ンサに順次人力するよう構成された光連想メモリ装置で
ある。

作用本発明によれは、人力媒体から入力信号を読みたすさい
に、光源からの入射光が人力媒体に大引し、変調を受け
た後の光の中で、入射光の直接の反射光と違う方向の成
分の光を入力信号としている。従って、従来例のように
入射光の直接反射光による影響を受けず、人力媒体自身
の表面の反射率が高い場合に於いても、充分高いコント
ラストの入力信号が得られる。

実施例以下本発明の実施例について図面を参照して説明する。

実施例１本実施例に使用したネットワークモデルは、第２図と同
様に、入力Ｉｉｉ！２０１及び出力ｐＭ２０３（７）２
Ｎにより構成した。即ち、人力層２０１のニューロン２
０２は出力層２０３の全てのニューロン２０４とシナプ
ス結合２０５て接続されている。

人力Ｎ２０１のニューロン２０２は、このシナプス結合
２０５により出力Ｆｊ２０３の各ニューロン２０４に入
力信号を伝達する。その際、入力信号”　は各シナプス
結合に特有のシナプス荷重で重み付けされ人力される。

出力層２０３のニューロン２０４は、特有のシナプス荷
重で重み付けされ人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
る。

尚、シナプス荷重を可逆的に変化することにより、学習
機能は実現される。

このようなニューラルネットワークの結合を、光技術を
用いて実現するためには、入力信号を多重展間する必要
がある。この多重展開の手法を第５図に示す。人力層５
０１の中の１つのニューロン５０２が発火している場合
には、この２次元の入力信号を出力層５０３の全てのニ
ューロン５０４〜５０６に入力せねばならない。従って
、光の空間並列性を活かして人力するためには、入力層
による２次元の入力信号を第５図に示すように、多重Ｍ
間することにより、出力層の全てのニューロンに人力層
からの入力信号が人力される。

上記モデルに基づき構成した、本発明の実施例を第１図
に示し、その構成及び動作について説明する。

入力信号は、光伝搬路である基板１０１内に導かれた入
射光１０７が人力媒体１０２に入射し、変調を受けるこ
とにより生成される。その際、光源１０６からの入射光
１０７は人力媒体１０２に例えば垂直に入射し、変調後
の散乱光を入力信号として用いる。この入力信号は、基
板１０１上に設置された反射層１０８により反射し、基
板内を伝搬してゆく。反射層は、不用な信号を除去する
ため、基板の底面に不連続に設置した。反射型レンズア
レイ１０３は、第２図に示したニューラルネットワーク
におけるシナプス結合を実現するため、人力像を出力層
のニューロン数と同数個に多重展開する。多重展開され
た人力像は、再び反射Ｎ１０８により反射し、反射型空
間光変調素子１０４に入射し、変調を受ける。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
重み付けに相当する。次に、変調された信号は、再度反
引Ｎ１０８で反射され、光検出センサ１０５に入射し光
量を検出され、各ニューロン毎に光量の和を計算され閾
値処理後出力される。

光源１０６は、反射型回折光学レンズｌ　０３　Ｍおけ
る色収差を最小限に抑えるため、単帥、′Ｎ：源か望ま
しく、本実施例に於いては、例えは１−ｉｅ−Ｎ＋・レ
ーザ（波長６３２．８ｎｍ）を使用した。入り４九１０
７は、第１図（ｂ）に示すように基板１０１の底面から
入射し、人力媒体１０２に垂直に大引した。

人力媒体１０２は、入力信号を表示するもので、反射型
の液晶パネルに文字を表示しても良いが、実用的な文字
認識を考えると、例えは紙に印刷された文字を用いる場
合が考えられる。今回は、入力信号として第３図に示す
ように、８Ｘ８のマトリックスで文字パターンを作製し
た。

基板１０１は使用波長に対して透明であれは良く、例え
は石英なとのガラス基板は温度的にも安定であり、また
例えは合成樹脂を用いた場合には軽量になる。本発明に
於いては、基板１０１の一例として厚さ３ｍｍの石英ガ
ラス（屈折率１．５）を用いた。つぎに、本発明に於け
る反射型レンズアレイの平面図を第６図に、反射型回折
光学レンズの平面図を第７図（ａ）に、断面図を第７図
（ｂ）にそれぞれ示す。

反射型レンズアレイは第６図に示すように、出力層のニ
ューロン数と同数個の反射型回折光学レンズを２次元状
に配列している。第６図は９ニユーロンの場合である。

個々の反射型回折光学レンズは第７図（ａ）に示すよう
に、基板７０３上に形成した複数のグレーティングゾー
ン７０２と、このグレーティングゾーン７０２上に設け
た反射層７０３から構成されている。クレーティックゾ
ーン７０２の形状は、ｘｙ平面に於いて入射光の傾いて
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７０２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。第７図（ｂ）は、点光
源７０４から出射した光が点７０７に集光される様子を
表わしている。

この反射型回折光学レンズ７０６は、公知の技術である
電子線描画法（Ｔ、シオノ他（Ｔ、５ｈｉｏｎｏ、ｅｔ
ａｌ、）、　　ｒフ゛ライト１ノ゛ｉ（りＺ（Ａｐｌ＋
１．Ｉ）１＋ｔ、、）、〜’０１．　２８、Ｎｏ、１５
．　ｌｉｐ、　３４３４−３４４２　（１９８９））を
用いて形成した。この電子線描画法は、サフミク［、−
７ンの学位で制御可能なため、アライメントを精度良く
実現できるという利点を持１ている。また本実施例にお
いては、電子描画法てクレーティックゾーン７゜２を形
成後に、反射層７０３として銀を約４０００人蒸着した
。

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
を行うための反射型空間光変調素子は、例えは反射型液
晶パネルを使用しても良いが、本実施例に於いては、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シナプス荷重を表現した
。各シナプス結合に於けるシナプス荷重は、第３図に示
す３文字について直交学習法（Ｍ、インｈつ他（Ｍ、　
ｌｓｌ＋ｉｋａ＋ｙａ。

ｅｔ、　　ａｔ、、）、？ブライトー４ブＴ（クス（Ａ
ｐＨ１，Ｏｐｔ、、）　　Ｖｏｌ、２８（＋９８９））
により、予めコンピュータで計算した値を用いた。レン
ズの回折効率は、クレーティックゾーン７０２の最大膜
厚により決定される。ここ　′て、クレーティングゾー
ン７０２の最大膜厚とは、第７図に於けるしである。こ
のクレーティングゾーン７０２の最大膜厚と、回折効率
の関係を第８図に示す。第８図よりクレーティングゾー
ン７０２の最大膜厚を０．２μｍ迄は、厚くするほど回
折効率が高くなることが分かる。従って、大きなシナプ
ス荷重を表現するレンズはど、クレーティングゾーン７
０２の最大膜厚を厚くずれは良いことか分かる。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ーパタ
ーンの一例を第９図に示す。各々の反射型回折光学レン
ズの構造は、第７図に於ける反射型回折光学レンズと同
一である。この反射型回折光学レンズも電子線描画法に
より作製するため、アライメントが精度良く実現できた
。

光検出センサ１０５は、各ニューロン毎にシナプス荷重
で重み付けされた入力信号の和を求め、同値処理後出力
する機能か必要である。本実施例に於いては、光検出セ
ンサ１０５としてＣＣＤカメラを用い、Ａ／Ｄ変換変換
算計算機り各ニュー［７ン毎の和を求め閾値処理を行い
計算結果をティスプレィ上に表示した。

本実施例に於いては、人力媒体として、：３種類の紙ｌ
（反射率５％）、２（反射率ｌＯ％）、３（反射率２０
％）に印刷された第３図に示す３文字を用い、従来例と
の認識率の比較を行った。その結果、従来例では紙ｌの
場合には、３文字の認識が可能であったが、反射率の高
い紙２．３に印刷された文字を人力媒体とした場合には
、との文字を入力しても第１Ｏ図に示すような出力とな
り、認識できなかった。これは、紙の反射率が高く、入
力信号のコントラストが悪かったためである。しかし、
本実施例で用いた人力方法の場合には、使用した全ての
紙に於いて３文字共認識が可能であることを確認した。

実施例２実施例１と同様のニューラルネットワークモテルに基つ
き構成した本発明の第２の実施例の光連想メモリ装置の
構成図を第１１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ｌＯ１基板１１、人力媒体１
２、人力媒体設置基板１３、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１４、反射型空間光変調
素子１５、光検出センサ１６、反射層１７、光吸収層１
８により構成されている。各構成要素の基本的な動作は
実施か１１と同様である。

本実施例において、図に示すように人力媒体１２は、人
力媒体設置基板１３Ｆの中心１立置より左側に設置した
。すなわち、入力信号が伝搬して行く方向と逆の方向に
偏って設置した。この人力媒体設置基板１３は、基板１
１と光学ボンドて接着してあり、材質としては、使用す
る光の波長に対して透明であれはよく、本実施例におい
ては石英ガラスを使用した。人力媒体設置基板１３の側
面には、反射層１７及び、光吸収層１８を設置した。人
力媒体１２を人力媒体設置基板１３上に設置したのは、
人力媒体１２に光ＲＩＯからの光が入射することにより
生しる散乱光の中で、基板ｌｌ内を全反則して伝搬して
行く不要な散乱光を、基板ｌｌ内に入射させないためで
ある。従って、基板１１側面の一方には反射層１７を設
け、対向ずろ面には光吸収層１８を設置し・た。反ＱＪ
層１７としては、銀を４０００　Ａ蒸着し、光吸収層１
８は、使用波長に応して有機染料あるいは有機顔料等を
用いれはよく、本実施例においては、６４０ｎ　Ｉｌｌ
ζこ吸収波長のピークを持つアシトラキノンを蒸着し・
た。また本実施例においては、基板１１の反射層１７を
不連続ζこ設置し、反射層１７の間に光吸収Ｎ１８を設
置した。入力信号は、基板１１内で計１１回反射後に反
射型レンズアレイ１４に入射し、反射型レンズアレイ１
４により多重展開された信号は、基板１１内で５回反射
後に光検出センサ１６に人力させた。これは、基板ｌｌ
内を伝搬ずろ過程において不要な信号を除去しＳ　／　
Ｎ比を向上するためである。

本実施例の光速懇メモリ装置に於いても、３種類の紙を
用いて認識率を調べたところ、いずれの紙においても、
３文字とも想起できることを確認し・　た。

尚、本発明は上記実施例に限定されろものてはなく、本
発明の主旨に基づいて種々の変形が＝Ｔ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い。

発明の詳細な説明したところから明らかなように、本発明は、人力
媒体からの散乱光を入力信号として用いるため、人力媒
体の反射率が高い場合にも、良好なコントラストの入力
信号を得ることができる。従って、光連想メモリ装置の
連想機能を大幅に向上できる。

また、本発明は、人力媒体を、人力媒体設置基板上に設
置しており、反射層を不連続に形成しているため入力信
号のＳ／Ｎを向上でき、光連想メモリ装置の連想機能を
大幅に向上できる。

【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於
ける光連想メモリ装置の平面及び断面図、第２図は本発
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図は本発明の実施例で使用した文字パターン図、
第４図は本発明の一実施例で使用した入力信号の変換手
法の概略構成図、第５図は本発明の一実施例で構成した
展開型しンスアレイの平面図、第６図（ａ）及び（１）
）は各々、本発明の一実施例において構成した反射型回
折光学レンズの平面及び断面図、第７図は本発明の一実
施例て使用した反射型回折光学レンズの最大膜厚と、回
折効率の関係を表したクラブ、第８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９図は各
入力信号に対ずろ出力結果を表した構成図、第１０図（
ａ）、　（ｂ　）は各々、本発明の他の実施例で構成し
た光連想メモリ装置の平面及び断面図、第１１図（ａ）
、（ｂ）は各々従来例で構成された光連想メモリ装置の
平面及び断面図である。１０１・・・基板、１０２・・・人力媒体、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・・・光源、
　１０７・・・入射光、１７、１０８・・・反射層、１
８・・・光吸収層。代理人　弁理士　松　１）正　道第１図（ａ）大引尤、１０８　　反射層第２図第３図第４図第５図第７図０　　　０．１　　０．２最大膜厚　Ｌ（μｍ）第８図第９図入力文字パターン出力結果第１０図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）光源と、ジグザグ状に光が伝搬する光伝搬路を有
する基板と、前記基板上に設置された反射層と、入力媒
体と、反射型回折光学レンズがアレイ化された反射型レ
ンズアレイと、反射型空間光変調素子と、光検出センサ
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、前記入力媒体に入射し、前記人力媒体による変調
を受けた人力信号が、前記基板内で反射を繰り返しつつ
、前記反射型レンズアレイ、前記反射型空間光変調素子
、前記光検出センサに順次入射するよう構成された光連
想メモリ装置で、前記人力媒体への入射光が直接反射し
た光と異なる方向の光を前記入力信号とするものである
ことを特徴とする人力信号生成方法。
（２）光源と、ジグザグ状に光が伝搬する光伝搬路を有
する基板と、前記基板上に設置された反射層と、入力媒
体と、入力媒体設置基板と、反射型回折光学レンズがア
レイ化された反射型レンズアレイと、反射型空間光変調
素子と、光検出センサを備え、前記光源からの光が前記
光伝搬路に導かれた後、前記入力媒体設置基板上の前記
入力媒体に入射し、所定の変調を受けることにより、入
射光の直接の反射光と違う方向の成分の光の入力信号が
、前記基板の対向する面に設置された前記反射層により
反射を繰り返しつつ、前記基板内を伝搬し、前記反射型
レンズアレイ、前記反射型空間光変調素子、前記光検出
センサに順次入力するよう構成されたことを特徴とする
光連想メモリ装置。
（３）基板上に設置される前記反射層が、前記基板上に
不連続に設置されたことを特徴とする請求項２記載の光
連想メモリ装置。
（４）基板上に不連続に設置される前記反射層と反射層
の間に光吸収層が設置されたことを特徴とする請求項２
記載の光連想メモリ装置。
（５）基板上に設置される前記入力媒体設置基板の側面
に反射層が設置されたことを特徴とする請求項２記載の
光連想メモリ装置。
（６）基板上に設置される前記入力媒体設置基板の側面
に光吸収層が設置されたことを特徴とする請求項２記載
の光連想メモリ装置。
（７）入力媒体設置基板上に設置される前記入力媒体の
位置が、入力光の伝搬方向と逆の方向に偏って設置され
たことを特徴とする請求項２記載の光連想メモリ装置。