JPH04287014A - 加算用空間光変調器 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、画像処理装置や連想メ
モリ装置などに適用して高速な行列加算を実現する加算
用空間光変調器に関するものである

【０００２】

【従来の技術】従来、光ニューラル処理や画像処理など
で頻用される２次元の行列要素の加算は、必要な演算処
理を光学的に行ったあとで、フォトダイオードアレイや
ＣＣＤアレイの１次元のディテクタアレイで光電変換し
、電気的にオペアンプにより処理したり、アナログ−デ
ジタル変換し、デジタル的に時系列処理されていた。

【０００３】具体的にはＪｅｓｅｐｈ　　Ｗ．　　Ｇｏ
ｏｄｍａｎ　　ａｎｄ　　Ｍｏｏｎ　　Ｓ．Ｓｏｎｇ，
‘Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　　ｌｉｍｉｔａｔｉｏｎｓ
　　ｏｆａｎａｌｏｇ　　ｍｅｔｈｏｄ　　ｆｏｒ　　
ｓｏｌｖｉｎｇ　　ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓｌｉｎｅ
ａｒ　　ｅｑｕａｔｉｏｎｓ，’Ａｐｐｌｉｅｄ　　Ｏ
ｐｔｉｃｓ，Ｖｏｌ．２１，Ｎｏ．３，ｐｐ．５０２−
５０６（１９８２）の例がある。図４にその構成を示す
。図中、３１はＬＥＤアレイ、３２はデータの行列、３
３はディテクタアレイ、３４はシリアルデータバス、３
５は電子回路で構成される処理部である。データ行列３
２は、データが一定の場合はマスクが用いられ、データ
の更新が必要な場合は液晶テレビなどが用いられる。ま
た、３１と３２の間および３２と３３の間にはそれぞれ
シリンドリカルレンズが入るが、図中では省略されてい
る。

【０００４】この従来例において、演算は次のようにな
される。ＬＥＤアレイ３１は光源として用いられ、シリ
ンドリカルレンズで各光源から出射した光は縦方向の扇
状に広げられる。データ行列３２は、例えば液晶テレビ
などで強度変調された光線ビームとなり、再度シリンド
リカルレンズで横方向（行要素）に集光され、該当のデ
ィテクタアレイ３３中のディテクタに入射する。その結
果、行要素の総和はディテクタに入射する光線ビームの
光強度に対応し、この値は光電変換されて処理部３５に
入力される。処理部３５では、しきい値処理や２次元の
演算が行われ、その演算の継続のためには、各データは
次のデバイスまで一旦シリアルデータバス３４で転送さ
れることになる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の技術による行列演算方法では、行列の加算が光学的
に即座に実行されるが、結果（総和）は１次元のディテ
クタアレイ３３で光電変換され、シリアルな処理系を通
って演算されるため、本質的にはシリアルデータバス３
４が高速処理のボトルネックとなっていた。すなわち、
上述した従来の技術は、光ニューラル処理や画像処理に
おける画面の情報量にかかわらず１から数１０要素ずつ
を単位として演算を繰り返すことによって行列演算を行
っていたので、画面の画素数が大きくなったり、フレー
ムレートが上がったり、また行列要素の精度が高くなる
と処理時間が長くなるという欠点があった。

【０００６】本発明は、このような背景の下になされた
ものであり、その目的は、行列要素の加算を光学的に実
行することによって、簡単な構成でかつ高速処理可能な
加算用空間光変調器を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明の加算用空間光変調器においては、光強度で
表現される２次元の行列データの配列を入力し各行内も
しくは各列内の要素の総和を求める空間光変調器であっ
て、一方の透明電極を有する一方の透明基板上に光伝導
層と縞状電極と液晶配向膜とを配置し、他方の透明電極
を有する他方の透明基板上に液晶配向膜を配置し、上記
一方と他方の両透明基板をスペーサを介して対向して配
置してその間隙に液晶を充填し、上記一方と他方の両透
明電極にリード電極を接続することを特徴としている。

【０００８】

【作用】本発明の加算用空間光変調器では、液晶を利用
した空間光変調器を縞状電極で区割りすることにより、
光伝導層と液晶膜の間で該当の縞内で等電位面を実現し
、縞内に入射した書き込み光強度の総和が読み出し光強
度に対応する特性を持たせる。これにより、行列の要素
間の加算を行列の大きさにかかわらず該当の縞内の画素
で一括してかつ並列に実行し、１回の加算時間相当でそ
の行列の要素間の加算を終了できるようにする。

【０００９】

【実施例】以下、本発明の実施例を、図面を参照して詳
細に説明する。

【００１０】図１（ａ），（ｂ）は本発明の一実施例の
加算用空間光変調器の構造を示す図であり、（ａ）は断
面図、（ｂ）は上面図である。（ｂ）中のｃ−ｃ′は破
断面を示し、（ａ）はその破断面ｃ−ｃ′から見た断面
図である。

【００１１】図において、１は一方のガラス基板、２は
他方のガラス基板、３は透明電極、４は光伝導層、５は
誘導体ミラー、６は配向膜、７は透明電極、８は配向膜
、９はスペーサ、１０は強誘電性液晶（以下、ＦＬＣと
略す）、１１は縞状の金属電極、１２は透明電極、１３
は導電性接着剤、１４はエポキシ、１５，１６はリード
電極、２０は加算用の空間光変調器（以下、ＳＬＭと略
す）である。

【００１２】まず、本実施例の加算用ＳＬＭ２０の製造
手順について述べる。ガラス基板１は光学研磨した石英
ガラスで形成し、この片面に透明電極３，１２を蒸着す
る。透明電極３，１２には、酸化インジウム錫膜（ＩＴ
Ｏ）やネサ膜が使える。ここでは、例えば厚さ０．１μ
ｍ，シート抵抗１００Ω／□のＩＴＯをスパッタ蒸着す
る。光伝導層４にはプラズマＣＶＤ法で堆積させた水素
化アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）を用い、その
厚さは電気的な設計からは厚い方が良いが、ａ−Ｓｉ：
Ｈの堆積レートやガラス基板１の反りの問題などから１
〜１０μｍが適当である。この上にはミラーと電極とし
ての機能を兼ね備えたＡｌ膜を縞状にスパッタ蒸着し、
金属電極１１を形成する。金属電極１１としては、Ａｌ
のほかにチタンや金，さらに導電性を有する酸化膜、た
とえばＩＴＯが使用できる。さらに金属ミラーを兼ねる
金属電極１１の縞の外から光伝導層４へ読み出し光が入
るのを避けるため、誘電体ミラー５を成膜する。誘電体
ミラー５は、光学長ｎ・ｄ（ｎは屈折率、ｄは膜厚）が
それぞれ読み出し波長の４分の１である高屈折率膜と低
屈折率膜を交互に積層して成膜される。高屈折率膜には
ＴｉＯ２を、低屈折率膜にはＳｉＯ２を用い、例えば合
計で１７層積層することにより９９％以上の反射率を実
現することができる。なお、読み出し光強度が特に強く
ない場合や、読み出し光としてａ−Ｓｉ：Ｈが感受しな
い波長８００ｎｍ以上の赤外光を用いる場合には、誘電
体ミラー５は省略することができる。このあと、液晶の
配向膜６をスピンコートし、ラビングによる配向処理を
行う。配向膜６と８のラビングの方向は平行にする。そ
の角度は図１（ｂ）で示されるようなＡ方向でｘ軸から
時計周りに２２．５°である。また、コントラストと読
み出し効率を最大にするために、チルト角２２．５°の
ＦＬＣを用いるのが好適である。

【００１３】他方のガラス基板２もガラス基板１と同じ
研磨した石英ガラスで形成され、透明電極７も透明電極
３と同様にして成長される。透明電極７上には配向膜８
をコートし、平行配向処理を行う。

【００１４】次に、ガラス基板１とガラス基板２の間で
液晶を充填すべき間隔を保持しながら、貼り合わせるた
め、導電性接着材１３をガラス基板１にスクリーン印刷
した後、スペーサ９を散布する。スペーサ９の径は後述
する。このあと、前述の間隙に強誘電性液晶（ＦＬＣ）
１０を加熱して封入する。ＦＬＣ１０は室温でカイラル
スメクティックＣ相を示す材料を用いる。その厚さｄＬ
Ｃは液晶の複屈折をΔｎ、読み出し光の波長をλとした
場合、Δｎ・ｄＬＣ＝ｉλ／４（ｉ＝１，２，３，…）
が適当である。たとえば、Δｎ＝０．１５，ｉ＝１，λ
＝６３３ｎｍとすれば、厚さは１．１μｍとなる。結局
、スペーサ１０は１．１μｍ径のものを用いる。最後に
、エポキシ１４でＦＬＣ１０の周囲を封止し、透明電極
３と１２からリード電極１５と１６を引き出す。

【００１５】以上のように構成した一実施例の動作およ
び作用を述べる。

【００１６】まず、本実施例の動作原理を述べる。図２
，図３（ａ），（ｂ）は本実施例の動作原理を説明する
ための図である。図２は上記実施例における原理と光学
系の配置を示した図であり、図中の２０はＳＬＭ、２１
は偏光ビームスプリッタ（以下ＰＢＳと記す）である。 また、図３（ａ），（ｂ）は上記実施例における空間光
変調器の光入出特性を示した図である。

【００１７】図１のＳＬＭ２０では、光変調材料として
ＦＬＣ１０を用いているが、ＦＬＣ１０は上述のような
数μｍ以下の狭ギャップに充填された場合、オンまたは
オフの２値のスイッチ動作をし、その状態は印加電圧を
取り除いたあともメモリされる。メモリ動作にはしきい
値が存在し、その条件は、印加される電気パルスの電圧
（Ｖｆ）とパルス幅（τ）の積Ｖｆ・τである。このし
きい値をＶＴと書くこととする。さて、ＳＬＭ２０では
印加電圧が、光伝導層４と、誘電体ミラー５と、ＦＬＣ
１０とで分圧されることになるが、ＦＬＣ１０での電圧
降下Ｖｆは、照射される光強度で抵抗が変化する光伝導
層４で決まる。ここで、配向膜６，８と縞状の金属電極
１１とによる電圧降下は無視することとする。光伝導層
４の光伝導膜の抵抗は光強度にほぼ反比例して減少する
ので、光が照射されない場合はＦＬＣ１０での電圧降下
は小さく、光照射がある場合は電圧降下は大きくなる。 そこで、光照射があった場合にＶｆ・τがＦＬＣ１０の
しきい値ＶＴを越えるようにパルス電圧・幅を設定して
おけば、光強度によって読み出し光強度を制御できる。 極性と液晶分子の方向は、負電圧印加時にダウン状態で
ｘ軸と平行になり、正電圧印加時にアップ状態でｘ軸か
ら時計周りに４５°回転するように設定する。

【００１８】図２は光学系の構成例を示した図であるが
、ＳＬＭ２０と偏光ＰＢＳ２１を配置し、正の書き込み
パルスを印加すれば、書き込み光強度の増加に対して、
読み出し光強度は単調増加する。ＳＬＭ２０中に描いた
破線は縞状の金属電極１１のパターンを示す。その特性
については、図３に示したようになる。書き込み時も印
加電圧を＋２０Ｖ、パルス幅を０．５ｍｓとし、読み出
しタイミングを書き込み終了から１ｍｓ後と０．１ｍｓ
後にした場合の光入出特性がそれぞれ図３（ａ）および
（ｂ）に示されている。図３の横軸は書き込み光強度Ｉ
Ｗ、縦軸は読み出し光強度ＩＲである。図示されたよう
に、書き込みから液晶の応答時間を十分越えてから読み
出せば、応答は２値的となりしきい特性を持ち、一方、
書き込みから液晶の応答時間程度で読み出しを行えば、
応答は書き込み光強度が非常に強い領域で飽和すること
を除けば、ほぼ線形に応答する。

【００１９】特に、画素化していないＳＬＭ（例えば、
福島ら、特願平２−２３７７０号、「空間光変調素子及
び空間光変調装置」）においては、ＳＬＭ上で書き込み
のなされた位置と読み出される位置で対応して、図３の
ような応答が生じる。ところが、本発明のＳＬＭ２０で
は縦縞状に配置された金属ミラーを兼ねる金属電極（以
下、場合により金属ミラーと略す）１１によって、その
同一のパターン内のそれぞれの位置において、ＦＬＣ１
０の電圧降下は全く等しくなる。すなわち、それぞれの
金属ミラー１１で構成された画素の応答は、その面積全
体に照射された書き込み光の総和によって決まる。すな
わち、読み出しが書き込みの約１ｍｓ後であるとき、書
き込み光の総和がしきい値を越えればパターン内全体が
オンになり、しきい値以下であれば全体がオフになる（
図３（ａ））。また、読み出しが書き込みの０．１ｍｓ
後になされれば、書き込み光の総和とパターン内の読み
出し光強度は図３（ｂ）のように線形応答になる。

【００２０】次に上記のように動作するＳＬＭ２０によ
る加算の原理を図２を用いて説明する。図２において、
２２は入力行列ａを示し、２３は強度変調された行列ａ
を、２４は加算後にしきい値処理された結果ｃ（または
ｂ）を示す。２３中において、白は１を、濃密な斜線部
は０を、粗い斜線部は０．５に対応している。ここでは
、４×４の行列ａの列内の総和を求め、求めた総和に対
してしきい処理することを例とする。総和のベクトルを
ｂ、さらにしきい処理されたベクトルをｃとすると、こ
こで、求める演算は、ｂｉ＝ａ１ｉ＋ａ２ｉ＋ａ３ｉ＋
ａ４ｉ…（１）、ｃｉ＝４×ｓｔｅｐ（ｂｉ−Ｔｈ）…
（２）のように書くことができる。ただし、ｓｔｅｐは
ｓｔｅｐ（ｘ）においてｘ≦０ならば０、ｘ＞０ならば
１とする関数で、Ｔｈはしきい値である。入力の行列ａ
はその要素の値が明暗に対応するように強度変調されて
、ＳＬＭ２０の光伝導膜（光伝導層４）側に照射される
。読み出し光はＰＢＳ２１を介して、ｐ波のみがＳＬＭ
２０の液晶（ＦＬＣ１０）側へ入射して、誘電体ミラー
５および金属ミラー１１で反射され再びＰＢＳ２１へ戻
る。このうち、ｓ波のみが反射され読み出される。一例
としてａ１１，ａ２１，ａ３１，ａ４１は丁度金属ミラ
ー１１の一列のパターンに対応して入射されるように配
置しておけば、各要素の総和と読み出し光強度は図３（
ａ）および（ｂ）のようになる。ここでは図３の横軸は
、書き込み光の総和ΣＩＷと読み替えられる。すなわち
図３（ｂ）の応答に読み出しを設定すれば、式（１）で
与えられる総和ベクトルｂが求められ、図３（ａ）の応
答に読み出しを設定すれば、式（２）で与えられる総和
に対してしきい処理を行ったベクトルｃが求められる。 この結果の一例は図中のｃ（２４）に示されている。第
１列に着目すれば順に１，０，１，０．５の各要素がＳ
ＬＭに入射し、その結果はしきい値Ｔｈが２であれば、
総和ｂ１は２．５（図示されない）、しきい処理結果ｃ
１は４になる。

【００２１】本実施例では、ＳＬＭ２０内の光伝導層４
とＦＬＣ１０の膜の間で該当の縞内で等電位面を実現す
るための金属ミラー１１を配置したことにより、縞内に
入射した書き込み光強度の総和が読み出し光強度に対応
する特性を持たせることができ、２次元の行列要素の総
和を、行列の大きさにかかわらず光学的に並列に同時に
求めることができる。例えば、行列がｍ行ｍ列の配列デ
ータを持っており、各行内の総和を求める場合、ｍ・（
ｍ−１）回の加算を実行しなければならない。本実施例
によれば、行内の加算はＳＬＭの１行の画素で一括して
、かつ各行の演算は並列に実行されるので、１回の加算
時間相当ですべての加算は終了する。したがって、演算
に必要な時間は著しく短縮される。

【００２２】なお、図示しないが本発明の構成において
は、液晶材料として強誘電性液晶に代えて、ネマティッ
ク液晶を用いることもできる。厚さが３〜２０μｍの４
５°ツイストのツイストネマティック液晶を用いれば図
３（ｂ）のような線形性の良い応答を持つ加算用ＳＬＭ
が実現でき、また厚さが３〜１０μｍでツイスト角１８
０〜２７０°のスーパーツイストネマティック液晶を用
いれば図３（ａ）のようなしきい特性を持つ加算用ＳＬ
Ｍが実現できる。強誘電性液晶を用いた場合には、他の
液晶材料を用いた場合よりも、高速化が図れる利点があ
る。また、上記実施例において、誘電体ミラー５は、上
記実施例では光伝導層４と縞状の金属電極１１の間に挿
入しているが、金属電極１１と配向膜６の間に挿入して
も良い。この誘電体ミラー５は、先にも述べたように、
読み出し光強度の大きい場合にも入出力特性を安定良好
にするものであるが、通常の読み出し光強度の場合には
省略しても本発明の目的とする効果を達することが可能
である。このように本発明は、その主旨に沿って種々に
応用され、種々の実施態様を取り得るものである。

【００２３】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明の
加算用空間光変調器によれば、空間光変調器内に光伝導
層と液晶膜の間で該当の縞内で等電位面を実現するため
の金属ミラーを配置したことにより、縞内に入射した書
き込み光強度の総和が読み出し光強度に対応する特性を
持たせることができ、ひいては光学的に行列要素の総和
を並列に同時に求めることができるので行列の加算等を
高速で行える利点が得られる。これにより本発明の加算
用空間光変調器は、光ニューラル処理や画像処理などの
行列処理を多用するシステム内に好適に利用することが
できる。

【００２４】また、請求項２の発明によれば、特に読み
出し光強度が強いときでも入出力特性を安定することが
できる。さらに請求項３の発明によれば、特に一層高速
化が図れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の構造図であり、（ａ）は断
面図、（ｂ）は上面図

【図２】上記実施例における原理と光学系の配置を示し
た図

【図３】（ａ），（ｂ）は上記実施例における空間変調
器の光入出力特性を示した図

【図４】従来例の行列演算方法を説明するための構成図

【符号の説明】

１…一方のガラス基板、２…他方のガラス基板、３…透
明電極、４…光伝導層、５…誘電体ミラー、６…配向膜
、７…透明電極、８…配向膜、９…スペーサ、１０…強
誘電性液晶（ＦＬＣ）、１１…縞状の金属電極、１２…
透明電極、１３…導電性接着剤、１４…エポキシ、１５
−１６…リード電極、２０…加算用空間光変調器、２１
…偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　光強度で表現される２次元の行列デー
   タの配列を入力し各行内もしくは各列内の要素の総和を
   求める空間光変調器であって、一方の透明電極を有する
   一方の透明基板上に光伝導層と縞状電極と液晶配向膜と
   を配置し、他方の透明電極を有する他方の透明基板上に
   液晶配向膜を配置し、上記一方と他方の両透明基板をス
   ペーサを介して対向して配置してその間隙に液晶を充填
   し、上記一方と他方の両透明電極にリード電極を接続す
   ることを特徴とする加算用空間光変調器。
2. 【請求項２】　　光伝導層と縞状電極の間に、もしくは
   縞状電極と液晶配向膜の間に誘電体ミラーを挿入したこ
   とを特徴とする請求項１記載の加算用空間光変調器。
3. 【請求項３】　　液晶が強誘電性液晶であることを特徴
   とする請求項１または２記載の加算用空間光変調器。