JPH0424712A - ２次元レンズアレイおよび神経ネットワーク回路 - 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（上　光演算装置および神経系と類似な入出力動
作　例えばパターン認亀　連想記憶　並列演算処理など
に必要な２次元レンズアレイと、それを用いた神経ネッ
トワーク回路に関するものである。

従来の技術 神経ネットワーク回路を実現する方法に　電子を用いる
方法　光を用いる方法　電子と光を用いる方法があり、
現在勢力的に研究が行なわれている。

電子を用いる方法でｌ＆ｓｉデバイスで回路を作成して
いる。Ｓ１デバイスを用いているたム非常に高精度で高
信頼性のネットワーク回路を作成することができる。し
かし　集積度を上げ大規模ネットワーク回路を構成する
場合は　各ニューロンを結線するための配線が膨大な量
となるた嵌入規模化が難しｌ、Ｘｏ　　このたべ　デー
タを転送するために共通のバスを設けて時分割方式で信
号処理することにより、配線数を抑制する方法が考えら
れている。しかし　この方法で３表　時分割で各ニュー
ロンがデータを転送するため高速化に問題があ４ 光を用いた神経ネットワーク回路は　大規模化したとき
電子回路を用いた神経ネットワーク回路で問題となる配
線の問題を、光の特徴である並列性を利用してこの問題
を回避し各回路を結合するものである。

しかし　現在の光を用いた神経ネットワーク回路（よ　
第５図に示すように入力画像をＣＣＤ等で読み込んで、
−度光を電気信号に変換した後、この電気信号を用いて
２次元平面上に配列した発光素子を発光させて空間光変
調素子に入力している。

発明が解決しようとする課題 このように−度光信号を電気信号に変換後、この電気信
号を用いて２次元平面上に配列した発光素子を発光させ
る方法では　発光素子を駆動するための回路が必要であ
る。しかも光の特徴である並列性を利用することができ
ないため高速化できない。また　ニューロン数が大きく
なると発光素子の大型化や配線の問題がでてくる。

発光素子を用いずに光の並列性を活かす方法に２次元平
面上に多数配列したレンズアレイを用いて、入力画像を
必要な数だけ展開して人力する方法がある。この方法で
は電気的な駆動を一切行なっていないた敦　電気回路が
不用である。また多数の展開画像をすべて同時に形成す
ることができるので、ニューロン数が増えても１ニユー
ロンの動作速度か系全体の動作速度であるたぬ　非常に
高速動作が可能である。

しかしなか収　光軸に対して垂直方向に多数のレンズが
配列されているたべ　レンズの位置によって入力像を覗
く立体角が異なり、レンズを透過する光の光量が異なっ
てしまう。このたぬ　空間光変調素子にはいる入力像に
空間的に強度変調を受けてしまう。この入力像の強度変
調は　神経ネットワーク回路自身が持つ学習機能によっ
である程度は除去可能である力丈　学習の収束性東　認
識率の向上のために（よ　均一な入力光強度が望ましｌ
ｉＸ。

まｔ、　　２次元状にレンズが配置されているた敢レン
ズと物体の位置関係がレンズによって異なる。

このため同一の形状のレンズを用いると、非点収差量を
最小にすることができず、またレンズ位置によって非点
収差の量が異なるた八　同一の映像が得られなしも 課題を解決するための手段 ある１つの物体を、　２次元平面上に少なくとも２つ以
上のレンズを配列した２次元レンズアレイによって、均
一な光強度を持つ映像を２次元平面上に少なくとも２つ
以上形成するためζ、−２次元レンズアレイを構成する
レンズの径の大きさを、少なくとも２種用いて、各レン
ズに入射する光の光量を調節することによって、均一な
光強度分布を持つ映像を得る。

また　入力像とレンズアレイの配置（よ　一般にはレン
ズアレイの中心と入力像の中心が一致させるようにして
いる。このような場合、　レンズアレイの中心付近のレ
ンズによる結像画像の光強度（よレンズアレイの周辺の
レンズによる結像画像の光強度より強くなってしまう。

　したがって、　レンズの径の大きさを中心付近のレン
ズよりも周辺付近のレンズの方を大きくすることによっ
て、均一な光強度分布を持つ複数の映像を得ることがで
きる。

さらに　レンズの径の大きさが少なくとも２つ以上ある
少なくとも３つ以上のレンズを配列した２次元レンズア
レイにおいて、　レンズアレイ全体の大きさを少しでも
小型化するため番：、前記配列したレンズの間隔をレン
ズの径に合わせて、少なくとも２つ以上変える。

さらく　レンズ位置によらず各レンズによる非点収差量
を最小にじ　形成される映像をできるたけ同一にするた
ぬ　２次元平面上に少なくとも２つ以上のレンズを配列
した２次元レンズアレイにおいて、レンズとして非球面
レンズを用（（かつ、少なくとも２つ以上の非球面性を
もつレンズを用いて２次元レンズアレイを構成すること
によって、この課題を解決することができる。

さらに　光を用いた神経ネットワーク回路において、空
間光変調素子の各画素上に均一な光強度を持つ入力画像
を少なくとも２つ以上得るために入力画像を２次元平面
上に少なくとも２つ以上配列したレンズを用いて結像画
像を形成して、この結像画像を空間光変調素子に入力す
る方法において、この２次元平面上に少なくとも２つ以
上配列した各々のレンズの径の大きさを、少なくとも２
つ以上用いることによって、均一な光強度を持つ結像画
像を得ることができる。この２次元レンズアレイで形成
される映像の間隔はレンズの間隔とは異なるたべ　空間
光変調素子及び光しきい値素子の間隔はレンズの間隔と
は異なるように設計しかつ、１つに映像が１つの空間光
変調素子及び光しきい値素子に入力されるように配置す
る。

さらに　光による神経ネットワーク回路で（よレンズア
レイの中心と人力像の中心を一致させるように　入力像
とレンズアレイを配置している。

このような場合、　レンズアレイの中心付近のレンズに
よる結像画像の光強度（よ　レンズアレイの周辺のレン
ズによる結像画像の光強度より強くなってしまう。　し
たがって、　レンズの径の大きさを中心付近のレンズよ
りも周辺付近のレンズの方を大きくすることによって、
均一な光強度分布を持つ複数の映像を空間光変調素子上
に得ることができる。

さらに　神経ネットワーク回路を小型化するたメ圏　　
レンズの径の大きさにあわせてレンズの間隔を変えた２
次元レンズアレイ、および、　レンズ間隔に合わせて空
間光変調素子の間隔を変えた空間光変調素子、及び、レ
ンズ間隔に合わせて光しきい値素子の間隔を変えた光し
きい値素子を用いて神経ネットワーク回路を作成する。

さらく　空間光変調素子に　画像のボケや歪を最小にし
　なるべく同一の人力画像を入力するために　２次元平
面上に少なくとも２つ以上のレンズを配列した２次元レ
ンズアレイにおいて、それぞれのレンズによる非点収差
量を最小にし　形成される映像をできるだけ同一にする
ようζ二　少なくとも２つ以上の非球面性を持つ非球面
レンズを用いて２次元レンズアレイを構成し　この２次
元レンズアレイを用いて神経ネットワーク回路を構成す
る。

作用 ２次元レンズアレイのそれぞれのレンズの大きさを結像
面にできる像の光強度が同じになるように設計すること
によって、　２次元平面上に同一の光強度を持つ画像を
、　レンズアレイの個数だけ得ることができる。レンズ
の径に合わせてレンズ間隔を変えるため小型化できる。

また　各レンズによる結像像の収差を最小になるように
それぞれのレンズを設計し作成することによって、像の
ボケや歪の少ない結像像を得ることができる。

また　これらのレンズアレイを用いて神経ネットワーク
を構成すると、空間光変調素子に人力する入力像の強度
が場所に依存せずミ　また像のボケや歪の少ない像を入
力することができるた八　学習の収束性がよく、また想
起の時の認識率もよくな４ 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も 第１図番へ　　本発明による第１の実施例の２次元レン
ズアレイの構図を、第２図にこの２次元レンズアレイを
用いた光学系を示す。

この例では４ｘ４個すなわち１６個のレンズ１１からな
る２次元レンズアレイ１ｏについて示していも　丸の内
部が集光レンズになっている。レンズとレンズの間を通
った光はノイズとなるたへレンズとレンズの間には光を
遮断する遮光膜１２を形成している。各レンズは　各レ
ンズの光軸が全て同一の方向を向くように配列している
。レンズの主平面あるいはレンズの端面あるいは焦点位
置が同一の平面上に並ぶようにレンズを２次元上に配列
する。第２図に示すようにこの例で１よ　２次元レンズ
アレイの中心軸と読み込む文字等の入力像１５の中心軸
を一致させるように配列する場合を考えているので、レ
ンズアレイの中心にある４つのレンズの径がいちばん小
さく周辺にいくほど大きくなるように作成している。レ
ンズが奇数個の場合は　中心にある１個のレンズの径を
いちばん小さくし周辺にいくほど大きくする。

レンズアレイの中心軸と入力像の中心軸が一致しない場
合は　入力像の中心軸がレンズアレイと交わる近傍にあ
るレンズの径を最小にし　周辺にいくほど大きくすれば
良い。

用いるレンズ（よ　透過で集光するレンズであればどの
種類でも良い力（平凸レンズを用いると、作成が非常に
容易でありまた光軸合わせも容易である。

レンズの作成方法として、　レンズアレイ全体の金型を
作り全てのレンズを一体で作成する方法１つ１つのレン
ズを作成後切り出して並べる方法ガラス等の基板中のイ
オンに分布をもたした屈折率分布レンズなどがある。

形成される映像の倍率（よ　物体−レンズ間距離Ｌ１と
レンズ−映像間距離Ｌ２の比（−Ｌ２／Ｌ１、正：　正
立　負：　倒立）で決まム　第２図のように　物体医　
レンズアレイ医　映像面をある直線に垂直になるように
配列し　全ての映像を１平面上に形成する光学系の場合
、物体面と映像面が平行であるため物体−映像間距離Ｌ
３は全てのレンズで一定である。このため同一の大きさ
の映像を得るためには　物体−レンズ間距離Ｌｌおよび
レンズ−映像間距離Ｌ２は全てのレンズで等しくしなけ
ればならない。このため全てのレンズの焦点距離を等し
く、かつ、主平面か全て同じ位置になるようにレンズを
配列しなければならない。

第３図に本発明による２次元レンズアレイの第２の実施
例を示す。第１の実施例（第１図）で（よレンズの間隔
は全て等しくｔ　レンズアレイを設計したり、このレン
ズアレイを用いて光学系（デバイス）を作る場合は簡単
である力丈　レンズとして用いていない領域が存在する
。そこで第３図のようにレンズ間隔を小さいレンズのと
ころで狭くすることによって不用部分を省くことにより
、　レンズアレイの小型化をはかる。特にレンズアレイ
が１列あるいは２列の場合、レンズ間隔をレンズの大き
さ程度にできるためレンズアレイをかなり小さくするこ
とができも 次に本発明の第３の実施例による２次元レンズアレイに
ついて述べる。第１及び第２の実施例ではレンズの形状
が全て同じ場合について述べたしかしなが収　レンズに
はいる光線の位置や角度によって正確には集光される位
置が異なも　すなわち収差が生じる。例えば　球面レン
ズを用いて光軸上の光を集光する場合、　レンズの周辺
を通る光はど鋭く曲げられるたへ　周辺を通る光はど焦
点が短ｔ、％　　このた敢　収差を減らすために非球面
レンズが用いられる。

２次元レンズアレイでは物体とレンズの関係がレンズの
位置によって異なるた数　一種類の非球面レンズを用い
ると収差の量がレンズによって異なる。また　レンズと
物体の位置関係は対称でないた数　非球面レンズの表面
形状は対称より非対称にした方がより収差を減らすこと
ができる。このた数　収差をそれぞれのレンズで最小に
なるように非球面レンズの非球面性を変えて２次元レン
ズアレイを作成すも　配列の仕方は第１の実施例あるい
は第２の実施例のようにする（第１＠　第３図） 第４図に本発明の光を用いた神経ネットワー回路の構成
図を示す。例として、ここでは文字認識の場合を考える
。この図には入力層と出力層の２層からなる神経ネット
ワーク回路を示している力（同じ構成のものを直列に２
段つなぐことによって３層からなる神経ネットワーク回
路を構成することもできる。基本構成は　原稿を照射す
るための光源２０、人力画像をニューロン数だけ作成す
る２次元レンズアレイ３０、神経細胞のシナプス結合に
相当する空間光変調素子４０、入力の総和をとりしきい
値処理する光しきい値素′子５０からなる。ここでζよ
　ニューロン数が４ｘ４＝１６個の場合を示している。

　２次元レンズアレイ３０を構成するレンズ３１の数（
上　人力層にあるニューロン数と同じである。すなわ板
　レンズの個数は１６個であム　また　空間光変調素子
の数も１６個であり、　１個の空間光変調素子は１６画
素からできていも　１個のレンズによる映像は１個の空
間光変調素子に入力される。また　光しきい値素子の数
は１６個である。

光源２０からでた光ｉｔ　　照射レンズ系２１で集光さ
れ原稿面２２の１文字２３に一様に照射されも　原稿面
からの光（よ　クロストークを除去するために設けられ
たアパーチャー２４を透過する。

この透過した光（友　２次元レンズアレイ３０の各レン
ズ３１に入射する。

このレンズアレイ３０は第１図に示すような構造をして
いも　レンズの径ζ友　中心の４つがいちばん小さく周
辺にいくほど大きくなっていも　用いるレンズζよ　透
過形で集光できるものであればどの様な種類のものでも
良い力丈　焦点位置を容易にある平面上に一致させ、レ
ンズの構成・作成を簡単にするためζζ　平凸レンズを
用いている。

レンズを通った光は集光される。各レンズによる映像が
同一の大きさで一平面上に形成されるようにレンズを設
計していも　この映像面上に空間光変調素子４０を、　
１つの像が１つの空間光変調素子に入力されるように設
置する。光は直進するた数　この２次元レンズアレイを
用いた場合、映像の間隔はレンズの間隔の（１＋Ｌ２／
Ｌｌ）倍になっている。空間光変調素子の間隔は　レン
ズの間隔の（１＋Ｌ２／Ｌｌ）倍に設計している。

空間光変調素子は透過する光の強度を変調するものであ
り、神経細胞ではシナプス結合に相当する。

レンズアレイを第１図の構造のものを用いているたム　
空間光変調素子上には光強度か同一の映像が得られる。

この空間光変調素子を透過した光力丈　次に光しきい値
素子５０に入力される。　１つの空間光変調素子を通っ
た光が全て（１６画素分）１つの光しきい値素子に入力
される。光しきい値素子（上　例えばフォトコン層と発
光層からなり、光しきい値素子に入力された光の強度の
和（１６画素分）かある一定値以上であればこの素子が
ＯＮＬ　　光を発する。

光を用いた神経ネットワーク回路について、本発明の第
２の実施例について述べも　神経ネットワーク回路の構
造は前出の回路と同じである。用いるレンズアレイ（よ
　第３図に示すようにレンズ間隔が位置によって異なる
ものを用いる。このレンズアレイを用いた場合　形成さ
れる映像間隔がレンズ間隔に比例して変化し一定でなｌ
、Ｘｏ　　このたべ　空間光変調素子及び光しきい値素
子の間隔を映像位置に合うようにセットする。このよう
な構造にすることによって、装置を小型化することがで
きる。

光を用いた神経ネットワーク回路について、本発明の第
３の実施例について述べる。神経ネットワーク回路の構
造は前出の回路と同じである。用いるレンズアレイ（表
　収差量を各レンズで最小になるようζニ　レンズによ
ってその形状を変えている。収差を最小にするように各
レンズを設計しているため空間光変調素子上に非常にシ
ャープで歪の少ない像が形成される。

発明の効果 本発明のレンズアレイを用いることによって光情報処理
や光演算に必要な入力像を多数形成することが可能にな
る。また　この神経ネットワーク回路を用いることによ
って文字認識や画像処理の性能を向上させることができ
、用途は格段に増す。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）および（ｂ）は各々、本発明の一実施例に
おける２次元レンズアレイの構成を示す平面図及び断面
医　第２図は２次元レンズアレイを用いた光学系の一例
を示す断面図、第３図（ａ）および（ｂ）は各々、本発
明の他の実施例における２次元レンズアレイの構成を示
す平面図及び断面医　第４図に本発明の神経ネットワー
ク回路の構造を示す斜視図　第５図は従来例の神経ネッ
トワーク回路の構造を示す斜視図である。 １０・・・・・・２次元レンズアレイ、　１１・・・・
・・レンズ、１２・・・・・・遮光Ｉｌｌ　　１５・・
・・・・物Ｂ　　Ｌｌ・・・・・・物体レンズ開路ｉｔ
　　Ｌ２・・・・・・レンズ−映像開路１！’ＬＬ３・
・・・・・物体−映像開路能　２０・・・・・・先爪　
２１・・・・・・照射レンズ栗　２２・・・・・・原稿
ｊｉ　　２３・・・・・・文字、２４・・・・・・アパ
ーチャー レイ、　３１・・・・・・レンズ、 ５０・・・・・・光しきい値素子、

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. （１）２次元平面上に２つ以上のレンズを配列した２次
   元レンズアレイにおいて、前記２次元レンズアレイを構
   成するレンズの径の大きさが少なくとも２種あり、前記
   各レンズで形成される映像の光強度がほぼ均一であるこ
   とを特徴とする２次元レンズアレイ。
2. （２）レンズの径が、中心付近のレンズよりも周辺付近
   のレンズの方が大きいことを特徴とする請求項１に記載
   の２次元レンズアレイ。
3. （３）レンズとして平凸レンズを用いることを特徴とす
   る請求項１に記載の２次元レンズアレイ。
4. （４）２次元平面上に３つ以上のレンズを配列した２次
   元レンズアレイにおいて、前記２次元レンズアレイを構
   成するレンズの径の大きさが少なくとも２種あり、前記
   各レンズで形成される映像の光強度がほぼ均一であり、
   かつ、前記配列したレンズの間隔が２種以上あることを
   特徴とする２次元レンズアレイ。
5. （５）２次元平面上に少なくとも２つ以上のレンズを配
   列した２次元レンズアレイにおいて、前記２次元レンズ
   アレイを構成するレンズとして非球面レンズを用い、か
   つ前記レンズの非球面性が少なくとも２つ以上のあり、
   前記各レンズで形成される映像の光強度がほぼ均一でし
   かも各映像の収差が最小になることを特徴とする２次元
   レンズアレイ。
6. （６）空間光変調素子や光しきい値素子等の光を用いた
   神経ネットワーク回路において、入力画像を入力層にあ
   る少なくとも２つ以上の神経細胞に入力する方法として
   、２次元平面上に少なくとも２つ以上のレンズを配列し
   た２次元レンズアレイを用い、かつ前記２次元レンズア
   レイを構成する各レンズの径の大きさが少なくとも２種
   あり、前記各レンズで形成される映像の光強度がほぼ均
   一であり、かつ、前記レンズによって形成される映像に
   前記空間光変調素子があることを特徴とする神経ネット
   ワーク回路。
7. （７）２次元平面上に少なくとも３つ以上のレンズを配
   列した２次元レンズアレイにおいて、前記２次元レンズ
   アレイを構成するレンズの径の大きさが、少なくとも２
   種あり、前記各レンズで形成される映像の光強度がほぼ
   均一であり、かつ、前記配列したレンズの間隔が２つ以
   上あるレンズアレイと、平面上に少なくとも３つ以上形
   成された空間光変調素子の間隔が少なくとも２つ以上あ
   る空間光変調素子、及び、平面上に少なくとも３つ以上
   形成された光しきい値素子の間隔が少なくとも２つ以上
   ある光しきい値素子からなることを特徴とする神経ネッ
   トワーク回路。
8. （８）空間光変調素子や光しきい値素子等の光を用いた
   神経ネットワーク回路において、入力画像を入力層にあ
   る少なくとも２つ以上の神経細胞に入力する方法として
   、２次元平面上に少なくとも２つ以上のレンズを配列し
   た２次元レンズアレイを用い、かつ前記２次元レンズア
   レイが少なくとも２つ以上の非球面性をもつ非球面レン
   ズからなり、前記各レンズで形成される映像の光強度が
   ほぼ均一であり、かつ、前記レンズによって形成される
   映像に前記空間光変調素子があることを特徴とする神経
   ネットワーク回路。