JPH0519287A

JPH0519287A - 空間光変調素子

Info

Publication number: JPH0519287A
Application number: JP17543291A
Authority: JP
Inventors: Junko Asayama; 純子朝山; Akio Takimoto; 昭雄滝本; Koji Akiyama; 浩二秋山; Michihiro Miyauchi; 美智博宮内; Yasunori Kuratomi; 靖規蔵富; Koji Nomura; 幸治野村; Kuni Ogawa; 久仁小川
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1991-07-16
Filing date: 1991-07-16
Publication date: 1993-01-29

Abstract

(57)【要約】【目的】強誘電性液晶層の成膜面積が前記光導電層の
成膜面積より大きく形成したり、又は強誘電性液晶層の
中のビーズ直径がビーズ混合樹脂の中のビーズ直径より
小さく形成することにより、良好なコントラスト比と均
一な分布を有する空間光変調素子を実現すると共に、こ
の素子を神経ネットワーク回路に用いて、学習の収束が
迅速で且つ文字認識率の高いシステムを構築する。【構成】ガラス基板１、２上に、透明電極３、４、光
導電層５、マトリクス状反射電極７、高分子膜８、９を
形成し、まず一方のガラス基板１の上に、約２．６μｍ
直径の樹脂製ビーズを混合した樹脂１０を印刷して、も
う一方のガラス基板２の上には約１．０μｍ直径の樹脂
製ビーズ１１を混合した溶液をスプレーして、ガラス基
板同志を貼り合わせて強誘電性液晶層６を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、パターン認識、連想記
憶、並列演算処理等を行なう神経ネットワーク回路にお
いて、光演算装置やディスプレイ装置として用いられる
空間光変調素子に関し、特に光変調層である強誘電性液
晶層の層厚の均一化を実現する空間光変調素子に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】パターン認識、連想記憶、並列演算処理
等を行なう光ニューロシステムの一例として、入力情報
を与える画像から出た光を、シナプス荷重に相当する光
学マスクパターンを通して光閾値素子に入射し、閾値処
理された出力を読み取るという構成がある。このシステ
ムに学習機能を与える場合には、光学マスクには電界の
印加や光の入射によって光の透過量を制御できる書換え
可能な空間光変調素子が用いられ、学習機能を持たない
場合には固定マスクパターンが使用される。

【０００３】そして、ニューロコンピューティングの重
要な演算処理には、多数の入力に対する和算処理やその
結果に対する閾値処理があり、このような演算機能を行
う空間光変調素子は、ニューラルネットワークを構成す
る素子として重要である。

【０００４】従来、和算及び閾値処理機能を有する空間
光変調素子又はこれを用いた光ニューロコンピュータと
して、(1) 複数の光導電層を直列に配列したものを液晶
層と電気的に接続した光閾値素子、(2) 複数の直列に配
列した光導電層と電界効果型トランジスタと液晶層を電
気的に接続した光閾値素子、(3) これらの光閾値素子を
用いて構成したニューラルネットワーク、が提案されて
いる（特願昭６３−２９８７０１号、特願平１−７８８
２０号、特願平１−１８６３９３号）。

【０００５】また、(4) 光和算機能を実現するとき各シ
ナプス結合に相当する光導電層を並列に結合する構成と
して、液晶層と組み合わせた光和算及び光閾値演算を高
速に行なうことを可能とした空間光変調素子、が本発明
者らによって提案されている（特願平３−１１４５号、
特願平３−１１４６号）。この構成では、閾値処理及び
和算処理を高速に行うための液晶層として、強誘電性液
晶を採用している。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述した(4) の空間光
変調素子は、多数のニューロンに相当する受光部、光変
調部が平面状に積層されるが、これらは全面に渡って均
一な光演算機能が実現することが必要である。特に、光
変調部である強誘電液晶層の層厚は、コントラスト比
（出力光の最大値／出力光の最小値）が最大となり且つ
閾値が全面に渡って一定値とするため、例えば層厚が１
μｍの場合に層厚誤差分布を約３％以下に抑える必要が
ある。そこで、上記(4)の空間光変調素子においては、
一対のガラス基板間に、形状寸法が均一な球状の樹脂を
分散させることにより、液晶の層厚の均一化を図ってい
る。

【０００７】しかしながら、このような素子及び製造方
法においては、一対のガラス基板間に液晶を注入する
際、液晶の層厚が注入工程の前後で変化し易く、全面に
渡って均一な素子特性が得られにくいという課題があっ
た。

【０００８】そこで、本発明は、上述の課題を解決する
ため、強誘電性液晶層の成膜面積や強誘電性液晶層中の
ビーズ径を制御することにより、強誘電性液晶層の層厚
の均一化を図ることを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するた
め、本発明の空間光変調素子は、一対の透明基板の間に
光導電層と強誘電性液晶層を有する空間光変調素子であ
って、前記強誘電性液晶層の成膜面積が前記光導電層の
成膜面積より大きいことを特徴とする。

【００１０】また、本発明の空間光変調素子は、一対の
透明基板の間に光導電層と強誘電性液晶層を有し、前記
強誘電性液晶層の中にビーズが分散され、且つ前記透明
基板がビーズ混合樹脂により接合される空間光変調素子
であって、前記強誘電性液晶層の中のビーズ直径が前記
ビーズ混合樹脂の中のビーズ直径より小さいことを特徴
とする。

【００１１】前記構成において、強誘電性液晶層の中の
ビーズ直径が０．５μｍから２．５μｍの範囲であっ
て、ビーズ混合樹脂の中のビーズ直径が１．０μｍから
７．５μｍの範囲であることが好ましい。

【００１２】

【作用】以下、本発明の空間光変調素子の構造を示した
図１を参照しながら、作用を説明する。

【００１３】ガラス基板上に成膜される光導電層の占め
る面積を強誘電性液晶層の占める面積よりも小さくする
と、図１ｂの断面図が示すように光導電層は台地状に基
板面に形成される。強誘電性液晶層６の厚みは、光導電
層の面上に分散されたビーズ１１の直径によって決定さ
れる。光導電層上にビーズを分散させ、基板１及び２を
貼り合わせ、真空下で放置しながら、接着用の樹脂１０
を硬化させるか、又は大気圧より高い圧力下で樹脂１０
を固めて、セル厚さの精度を確保しながら組み立てる。
最後に、通常の大気圧状態に戻すが、このとき前者の組
み立て方法であれば、セル内に空気が流れ込んで内部の
厚さが増して膨れ上がる形状となる。一方、後者の組み
立て方法であれば、高圧状態から大気圧への復帰工程に
おいて樹脂１０の縦方向への膨脹変形に伴って空気が流
れ込み内部の厚さが増加する。いずれの組み立て方法を
用いても、この工程で強誘電性液晶層の内部が膨れて、
空間光変調素子の中央部の厚さが増加することになる。
その後、液晶注入工程の際には、素子全体を減圧下に置
く工程が続く。

【００１４】従って、光導電層５の成膜面積が強誘電性
液晶層６の成膜面積と同一又はそれ以上である空間光変
調素子は、光導電層５の上に直接に樹脂が形成される構
造で、且つビーズ１１の直径と樹脂１０中に混合された
ビーズ直径が同一となるため、基板１、２を組み立てる
際に、内部膨らみが大きくなる。一方、光導電層５の成
膜面積が強誘電性液晶層６の成膜面積より小さい空間光
変調素子は、光導電層５の上に直接に樹脂が形成され
ず、且つ樹脂１０中に混合されたビーズ直径がビーズ１
１の直径より大きくなるため、基板１、２の組み立て時
に、内部の層厚変位が少なく且つ画像入出力面全体に渡
って層厚分布も小さくなる。

【００１５】また、予め基板周辺の樹脂１０の中に、光
導電層厚と、所望の液晶層厚の合計以上の大きさのビー
ズ径を有する樹脂を混合させることで更に層厚の精度、
分布を向上させることができる。

【００１６】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照しながら
説明する。（実施例１）図１ａは本発明の空間光変調素子の一実施
例の平面図であり、図１ｂはそのＡ−Ａ´断面図であ
る。この空間光変調素子を以下の手順で作成することが
できる。２枚のガラス基板１、２上に、０．０５μｍ〜
０．５μｍ厚のＩＴＯ等の透明電極材料をスパッタ法を
用いて成膜し、各基板上に透明導電性電極３、４を形成
する。次に、光導電層５として、ｐ／ｉ／ｎダイオード
構成のａ−Ｓｉ：Ｈ膜を２μｍ厚程度になるように、プ
ラズマＣＶＤ法を用いて積層して、成膜形状が四角形状
の２５ｍｍ×２５ｍｍの寸法になるように形成する。

【００１７】なお、光導電層５に使用できる材料は、暗
時では高抵抗の誘電体として動作し、光照射時には光導
電性により低抵抗層となるものであり、例えば、Ｃｄ
Ｓ、ＣｄＴｅ、ＣｄＳｅ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＧａＡ
ｓ、ＧａＮ、ＧａＰ、ＧａＡｌＡｓ、ＩｎＰ等の化合物
半導体、Ｓｅ、ＳｅＴｅ、ＡｓＳｅ等の非晶質半導体、
Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｉ_1-xＣ_x、Ｓｉ_1-xＧｅ_x、Ｇｅ_1-x
Ｃ_x（０＜Ｘ＜１）等の多結晶又は非晶質の半導体、又
は（１）フタロシアニン顔料（以下「Ｐｃ」と略す）、
例えば無金属Ｐｃ、ＸＰｃ（Ｘ＝Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｔ
ｉＯ、Ｍｇ、Ｓｉ（ＯＨ）₂等）、ＡｌＣｌＰｃＣｌ、
ＴｉＯＣｌＰｃＣｌ、ＩｎＣｌＰｃＣｌ、ＩｎＣｌＰ
ｃ、ＩｎＢｒＰｃＢｒ等、（２）モノアゾ色素、ジスア
ゾ色素等のアゾ系色素、（３）ペニレン酸無水化物、ペ
ニレン酸イミド等のペニレン系顔料、（４）インジゴイ
ド染料、（５）キナクリドン顔料、（６）アントラキノ
ン類、ピレンキノン類等の多環キノン類、（７）シアニ
ン色素、（８）キサンテン染料、（９）ＰＶＫ／ＴＮＦ
等の電荷移動錯体、（１０）ビリリウム塩染料とポリカ
ーボネイト樹脂から形成される共晶錯体、（１１）アズ
レニウム塩化合物等の有機半導体、等がある。また、非
晶質であるａ−Ｓｉ、ａ−Ｇｅ、ａ−Ｓｉ_1-xＣ_x、ａ
−Ｓｉ_1-xＧｅ_x、ａ−Ｇｅ_1-xＣ_xを光導電層１０５
に使用する場合は、水素又はハロゲン元素を含めること
も好ましく、また、誘電率を小さくする目的及び抵抗率
を増加する目的で、酸素又は窒素を含めることも好まし
い。抵抗率を制御するたるに、ｐ型不純物であるＢ、Ａ
ｌ、Ｇａ等の元素を添加するか、又はｎ型不純物である
Ｐ、Ａｓ、Ｓｂ等の元素を添加することも好ましい。

【００１８】このように不純物を添加した非晶質材料を
積層して、ｐ／ｎ型、ｐ／ｉ型、ｉ／ｎ型、ｐ／ｉ／ｎ
型等のダイオード接合を形成し、光導電層５内に空乏層
を形成することにより、誘電率及び暗抵抗又は動作電圧
極性を制御することが可能である。また、非晶質材料だ
けでなく、上記の材料を２種類以上積層してヘテロ接合
を形成することによって、光導電層５内に空乏層を形成
してもよい。

【００１９】次に、光導電層５の面上に、２．５ｍｍ角
のアルミニウム電極パターンが６×６マトリクス（＝３
６画素）に配置された反射電極７が、抵抗加熱法を用い
て形成する。なお、電極パターンはｎ×ｍマトリクス
（ｎ、ｍは自然数）の配置でも構わない。

【００２０】そして、高分子膜８、９は、強誘電性液晶
分子の配向が素子の厚さ方向と平行になるように、約２
００オングストローム厚で成膜し、配向処理を施す。な
お、高分子膜８、９の厚さは、１０００オングストロー
ム以下が好ましく、特に２００オングストローム以下が
好ましい。

【００２１】光導電層５を積層した方のガラス基板１の
上に、約２．６μｍ直径の樹脂製ビーズを混合したＵＶ
硬化樹脂等の樹脂１０を、開口部１７を除いて光導電層
５全体を包囲するように印刷する。もう一方のガラス基
板２の透明導電性電極４の上には、イソプロピルアルコ
ールに約１．０μｍ直径の樹脂製等のビーズ１１を混合
した溶液をスプレーして、ビーズ１１を全体に付着させ
る。

【００２２】次に、これらの一対のガラス基板１、２を
貼り合わせて、真空袋に入れ真空引きして密閉した後、
内部を真空状態を保ちながら紫外線を照射し樹脂１０を
硬化させる。そして、真空状態で強誘電性液晶を８０℃
で加熱しながら、窒素ガス導入による加圧と毛管現象を
利用して、ビーズ１１の周囲に液晶が均一に充填される
ように、樹脂１０の開口部から注入した。次に、液晶分
子が均一配向となるために、この素子を恒温槽に入れて
液晶相転移温度以上の例えば約９０℃まで加熱し、１分
間当り約０．２℃の割合で室温まで徐冷した後、樹脂１
０の開口部を樹脂で密閉した。なお、液晶層６の液晶材
料は、強誘電性液晶であるカイラルスメクティックＣ液
晶を用いるのが好ましい。また、出力光のコントラスト
比を高くするためには、透過型空間光変調の場合、強誘
電性液晶層の厚みは約２μｍに形成するのが好ましく、
反射型空間光変調の場合、その厚みは約１μｍに形成す
ることが好ましい。このようにして、本発明の空間光変
調素子を得ることができた。

【００２３】次に、空間光変調素子の評価について説明
する。なお、比較のために、光導電層５の成膜形状が、
強誘電性液晶層６の成膜形状と同一である３０ｍｍ×３
０ｍｍの寸法のものも作成した。評価用光学系は、被変
調光が偏光子を介して空間光変調素子の強誘電性液晶層
に入射して変調され、反射した変調光は検光子を通って
出力光として検出する光学系で、偏光子の偏光方向と検
光子の偏光方向がお互いに直交するように配置して、空
間光変調素子の特性評価を行った。透明導電性電極３、
４の間に交流電圧を印加した状態で、白色光の入力光１
５を光導電層５へ入射して光変調特性を測定した。

【００２４】その結果、入力光１５に対する出力光の強
度比は、偏光子及び検光子の損失分を除外して考える
と、７０％〜８５％と非常に大きく、しかも入力光１５
の強度が約２μＷ／ｃｍ²以上あれば、出力光の変調が
観測され、入射光１５に対する感度が極めて高い光変調
特性を確認することができた。

【００２５】図２は、印加交流電圧が一定の場合に、入
力光１５の強度を増加したときの出力光強度の変化を示
す入出力特性のグラフである。実線は、光導電層５の成
膜面積が強誘電性液晶層６の成膜面積より小さい場合
で、破線は、光導電層５の成膜面積と強誘電性液晶層６
の成膜面積が同一の場合である。図２からは、光導電層
５の成膜面積が強誘電性液晶層６の成膜面積より小さい
空間光変調素子は、コントラスト比（出力光の最大値／
出力光の最小値）が２００以上となり極めて大きいこと
が理解される。

【００２６】また、６×６マトリクスの３６画素の出力
光強度の分布は標準偏差５％以内となって、全面に渡っ
て均一な光入出力特性を有することを確認した。なお、
空間光変調素子を連続駆動をしてもこの閾値特性は変化
なく、また駆動を止めた後のメモリー状態も安定で少な
くとも１ケ月以上保持することを確認した。

【００２７】一方、光導電層５の成膜面積と強誘電性液
晶層６の成膜面積が同一である空間光変調素子は、コン
トラスト比が２．５と極めて悪い。この原因として、図
１において光導電層５の成膜面積が強誘電性液晶層６の
成膜面積と同一又はそれより大きい場合、樹脂１０が光
導電層の上に印刷され、且つ樹脂１０中に混合されたビ
ーズ直径と液晶層６の中のビーズ直径が同一のものを使
用することになるため、一対のガラス基板１、２を貼り
合わて接合すると、ガラス基板１、２の中央部が膨らん
で、液晶層６の厚みが全体で不均一になり、６×６マト
リクスの３６画素の出力光強度の分布が大きくなったた
めと考えられる。

【００２８】（実施例２）本実施例においては、実施例
１と同様な構成であって、樹脂１０に混合するビーズＡ
の直径が各々２．５μｍ、３．０μｍのものと、イソプ
ロピルアルコールに混合するビーズＢの直径が各々１．
０μｍ、１．５μｍのものとを組み合わせて空間光変調
素子を作成した。こうして得られた計４種類の空間光変
調素子を評価し、各素子のコントラスト比と各画素間の
バラツキを標準偏差として（表１）に示す。表１から
は、ビーズＡとビーズＢのビーズ径の差が１．０μｍ近
いほどコントラスト比が良好な閾値特性を示すことが理
解される。

【００２９】

【表１】

【００３０】次に、本発明の空間光変調素子を用いた神
経ネットワーク回路の実施例について説明する。（実施例３）図３は、実施例１で示した空間光変調素子
を、光和算及び光閾値演算機能を担う素子として用いた
神経ネットワーク回路の概略斜視図である。入力画像パ
ターン３３は、アルファベット３文字（Ｏ、Ｐ、Ｔ）又
は文字の一部を欠いた不完全文字とした。直径３ｍｍ、
焦点距離２０ｍｍのレンズを２次元に６×６の＝３６個
配列したマルチレンズアレイ３４によって、光学マスク
３５上に入力画像パターン３３を展開する。光学マスク
３５は、予め３文字を直交学習法によって学習させたシ
ナプス結合強度を透過率に対応するように、透明フィル
ム上に銀塩写真として１６階調で構成した。

【００３１】各ニューロンに相当する各アルミニウム反
射電極７は、６×６＝３６個のシナプス結合に相当する
光入力がある。従って、空間光変調素子３６への光入力
は、展開画像と光学マスクの透過率の積となる。光導電
層５では光入力の和に相当する光キヤリアが発生し、電
気抵抗が下がる。これによって強誘電液晶層６にかかる
電界が増加し、ある閾値以上の電界によって、メモリー
状態が反転し、オン状態に移行する。なお、光スイッチ
ングに必要な照射光強度は図２に示すように約２０μＷ
／ｃｍ²以上である。

【００３２】以上のような神経ネットワーク回路を用い
て、文字認識の評価を行った。実施例１で説明したコン
トラスト比が２．５の空間光変調素子を用いたところ、
（Ｏ、Ｐ）の完全文字パターン入力に対しては完全な出
力が得られず文字認識が不可能であったのに対して、実
施例１で説明したコントラスト比が２００の空間光変調
素子を用いた場合は、（Ｏ、Ｐ、Ｔ）の完全文字パター
ン入力に対して、完全文字想起が確認された。更に、ハ
ミング距離２までの不完全文字パターン入力に対して
も、文字認識率が１００％であることを確認した。

【００３３】（実施例４）図４は、実施例３に示した神
経ネットワーク回路のシステムにおいて、固定シナプス
結合を表わした光学マスク３５の代わりに、学習能力を
有するトランジスター駆動の液晶表示素子４４で構成し
た神経ネットワーク回路の概略斜視図である。

【００３４】入力画像は、６×６＝３６個のＬＥＤ２次
元アレイ４２である。実施例３に示したマルチレンズア
レイ４３及び実施例１に示した光演算機能を有する空間
光変調素子４５を配置する。液晶表示素子４４は３６×
３６のシナプス結合を表わす様に１シナプス当り４００
μｍ×４００μｍの画素で構成した。文字認識の学習
は、出力画像パターン４９をＣＣＤカメラ４７でとり、
完全パターンの入力画像との差をコンピュータ５０上で
計算し、液晶表示素子４４の透過率を調整することによ
り行う。

【００３５】以上のような神経ネットワーク回路を用い
て、実施例３と同様にアルファベット３文字の不完全文
字パターンの入力に対しての文字認識の評価を行った。
なお、文字認識の学習はマスク透過率書換えが１０％以
下になるまで繰り返すことにより行う。

【００３６】実施例２で示したコントラスト比が５５の
空間光変調素子を用いたところ、アルファベット３文字
の完全文字パターンの入力に対しても学習終了までに２
５回のマスク透過率書換えが必要であった。また、ハミ
ング距離１の不完全文字パターン入力に対しては文字認
識率が１００％であったが、ハミング距離２の不完全文
字パターン入力に対しては文字認識率が３３％まで低下
した。

【００３７】一方、実施例１で説明したコントラスト比
が２００の空間光変調素子を用いた場合は、学習終了ま
でにマスク透過率書換えが５回で完了した。次に、ハミ
ング距離３の不完全文字パターン入力に対しても、文字
認識率が１００％であることを確認した。

【００３８】

【発明の効果】以上詳説したように、本発明の空間光変
調素子によれば、光導電層の成膜面積が強誘電性液晶層
の成膜面積より小さく形成することにより、強誘電性液
晶層の内部が膨れることが解消され、液晶層厚の精度、
分布が向上して、空間光変調素子のコントラスト比が良
くなると共に閾値が全面に渡って一定値に均一化するこ
とができる。

【００３９】また、強誘電性液晶層の中のビーズ直径が
ビーズ混合樹脂の中のビーズ直径より小さくすることに
より、素子の組み立て工程の中の減圧工程や加圧工程の
際に、液晶層の層厚分布が小さくなり、画像入出力面全
体に渡って均一なコントラスト比及び閾値を有する空間
光変調素子を得ることができる。

【００４０】従って、本発明の空間光変調素子を用いた
神経ネットワーク回路は、文字認識の学習の収束速度に
優れ、文字認識率の高いシステムを構築することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１ａは本発明の空間光変調素子の一実施例の
平面図であり、図１ｂはその断面図である。

【図２】印加交流電圧が一定の場合の空間光変調素子の
入出力特性のグラフである。

【図３】本発明の空間光変調素子を用いた神経ネットワ
ーク回路の一実施例の概略斜視図である。

【図４】本発明の空間光変調素子を用いた神経ネットワ
ーク回路の他の実施例の概略斜視図である。

【符号の説明】

１ガラス基板２ガラス基板３透明導電性電極４透明導電性電極５光導電層６強誘電性液晶層７反射電極８高分子膜９高分子膜１０樹脂１１ビーズ１５入力光１７開口部３２原稿面３３入力画像パターン３４、４３マルチレンズアレイ３５光学マスク３６、４５空間光変調素子３７、４６偏光ビームスプリッタ３８出力画像パターン３９、４８光源４０、４９スクリーン４２ＬＥＤ２次元アレイ４４液晶表示素子４７ＣＣＤカメラ５０コンピュータ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者宮内美智博大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者蔵富靖規大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者野村幸治大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者小川久仁大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】一対の透明基板の間に光導電層と強誘電
性液晶層を有する空間光変調素子において、前記強誘電
性液晶層の成膜面積が前記光導電層の成膜面積より大き
いことを特徴とする空間光変調素子。
【請求項２】一対の透明基板の間に光導電層と強誘電
性液晶層を有し、前記強誘電性液晶層の中にビーズが分
散され、且つ前記透明基板がビーズ混合樹脂により接合
される空間光変調素子において、前記強誘電性液晶層の
中のビーズ直径が前記ビーズ混合樹脂の中のビーズ直径
より小さいことを特徴とする空間光変調素子。
【請求項３】強誘電性液晶層の中のビーズ直径が０．
５μｍから２．５μｍの範囲であって、ビーズ混合樹脂
の中のビーズ直径が１．０μｍから７．５μｍの範囲で
ある請求項２に記載の空間光変調素子。