JPH05273511A

JPH05273511A - 液晶演算素子及びこれを用いた画像処理システム

Info

Publication number: JPH05273511A
Application number: JP3286740A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Ishii; 裕石井; Yoshitaka Yamamoto; 良高山元
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1991-10-31
Filing date: 1991-10-31
Publication date: 1993-10-22
Anticipated expiration: 2013-04-08
Also published as: JP2738613B2; DE69224144D1; EP0540367A3; KR960012668B1; EP0540367A2; EP0540367B1; US5321536A; KR930008662A; DE69224144T2

Abstract

(57)【要約】【目的】画像の演算の全て、もしくは一部をＬＳＩを
介することなく直接に行い得、演算を高速化でき、しか
も位置合わせを不要にできるようにする。【構成】本発明の液晶演算素子にあっては、１例とし
て次のような演算がなされる。先ず、ソースライン７と
下部電極４に電圧を印加した状態で、画像情報をもつ光
をガラス基板１側から照射すると、光の当たった箇所の
み補助容量Ｃ１に電荷が蓄積される。次に、下部電極４
と対向電極９とを短絡すると、補助容量Ｃ１に蓄積され
た電荷の一部が液晶容量Ｃ２に転送されて、前記画像情
報が記憶される。続いて、前記画像情報とは異なる別の
画像情報をもつ光を同様にして照射し、その後、同様に
下部電極４と対向電極９とを短絡すると、補助容量Ｃ１
に蓄積された電荷の一部が液晶容量Ｃ２に転送され、こ
の転送による画像情報が先に転送された記憶情報に上書
きされる。これは、ほんの１例であり、他の処理によっ
て種々の演算が可能である。更に、この液晶演算素子と
空間光変調素子とを組み合わせると、画像演算の連続処
理が可能となる。

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、イメージ処
理、図形処理を実行する工業製品，ＦＡ関連商品等に広
く適用される液晶演算素子及びこれを用いた画像処理シ
ステムに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、コンピュータ技術の導入に伴っ
て、医療用機器、リモートセンシング、ロボットビジョ
ン等の分野での画像処理技術に著しい進展がもたらされ
た。今日では、さらに、先端ＬＳＩ技術と組み合わせら
れてディジタル画像処理技術が急速に発展しＡＶ機器や
ＯＡ機器等の民生機器へも用途が拡大してきている。

【０００３】上記ディジタル画像処理技術としては、画
素間演算（加算、減算等）、データ変換、ヒストグラム
作成、周辺分布作成、論理演算（収縮、膨張、輪郭抽出
等）、ラベリング等を行い、（１）Ｘ線画像、温度分布画像等の可視化（２）雑音除去や明るさ補正等による画像の鮮明化（３）画像の特徴抽出、計測（４）画像認識、画像理解を最終的に導き出すことを目的としている。

【０００４】ところで、図１０に画像認識を行う場合の
一般的な画像処理の流れを示す。ＴＶカメラ８１で捉え
られた画像データ（アナログ信号）をＡ／Ｄ変換器８２
へ与えてディジタル信号に変換し、変換されたディジタ
ル信号を画像メモリ８３に記憶し、その記憶された信号
に基づき外部演算装置８４が画像処理を行い、その後、
画像計測を実施することにより画像認識を行っている。
この場合に処理される画像データの特質は、２次元的であること大量であること、例えば１画面当り２５６ＫＢ〜１Ｍ
Ｂ程度であること画像当りの階調（ビット数）がまちまちであることなどが挙げられる。

【０００５】このような特質を持った画像データを高速
にディジタル処理するためには、画像メモリ８３に蓄積
されたデータをより高速に処理することが必要であり、
その処理方式が種々提案されている。下記に代表的なも
のを挙げる。

【０００６】１つは完全並列処理といわれる方式であ
り、２次元画像データを捉える各画素に１対１で対応す
る基本演算モジュールを２次元的に配設し、各モジュー
ルを同時に並列動作させることにより、実時間で画像処
理を可能とする方式である。

【０００７】第２の方式は局所並列処理といわれ、画素
数を３×３個〜１５×１５個程度とした局所領域に対し
て、データアクセスと演算を並列的に行い、その局所処
理を全画素に対して逐次行っていく方式である。

【０００８】第３の方式はパイプライン処理である。こ
れは、画像データをパイプライン状に接続した処理モジ
ュールに連続的に送り込み、ある遅延時間後に連続して
処理結果を得る方式である。

【０００９】しかし、いずれの方式も、現状では十分な
処理能力を有しておらず、例えば膨大な画像データを取
り扱うための処理に長時間を要し、また外部記憶装置と
主記憶装置（画像メモリ）との間のデータ転送にも時間
がかかるという問題がある。更に、第１の方式では、回
路規模やコストが増大するという欠点も有る。

【００１０】従って、大量の画像データを並列的に迅速
な処理を行い得、同時的に画像認識が可能な画像処理シ
ステムの出現が望まれている。

【００１１】この要望に対して、液晶デバイスを画像処
理に応用することが提案されている（電子情報通信学会
論文誌Ｃ−II，ＶＯｌ−Ｊ７３−Ｃ−II、Ｎｏ．１
１、ＰＰ７０３〜７１２、１９９０）。

【００１２】図１１は提案された画像演算装置９０の構
成を示す系統図である。画像演算装置９０は赤、青、緑
の三色の光を発する光源９７を備え、光源９７からの光
はカラー偏光板９１、一例としてアクテイブマトリクス
型でモノクロ表示を行う液晶表示素子９２、カラー偏光
板９３、同様な液晶表示素子９４およびカラー偏光板９
５からなる構成に入射され、カラー偏光板９５から出射
する光が演算画像となる。ここで、カラー偏光板９１、
９３、９５は、予め定める特定波長の光に対してはこれ
を直線偏光に変換するが、前記特定波長以外の波長の光
は直線偏光に変換されることなくそのまま通過する特性
を有するものである。

【００１３】図１２は画像演算装置９０の作用を説明す
る図である。図１２（１）は液晶表示素子９２、９４の
表示画像Ｇ１、Ｇ２の論理積（Ｇ１・Ｇ２）を演算する
画像演算装置９０ａを示す。この例では、カラー偏光板
９１、９３、９５は波長λ１の光に対して、すべて同一
方向の直線偏光に変換する。したがって、カラー偏光板
９１を透過した直線偏光の光は、例として液晶表示素子
９２の斜線で示す非透過領域では所定角度だけ旋光し、
斜線を付さない透過領域では直線偏光のまま透過する。
したがって、その透過領域の光は、カラー偏光板９３を
そのまま透過し、つぎに液晶表示素子９４の斜線で示し
た非透過領域に相当する部分が旋光され、斜線を付さな
い透過領域に相当する部分ではそのまま透過する。この
透過した光がカラー偏光板９５を透過する際に、液晶表
示素子９４で旋光された光は遮断され、旋光されない光
が透過する。液晶表示素子９２で旋光された光は、カラ
ー偏光板９３で遮断される。したがって、演算画像９６
として半円形の表示部分が得られる。

【００１４】図１２（２）は、図１２（１）と同様な表
示画像Ｇ１，Ｇ２の論理和（Ｇ１＋Ｇ２）を実現する画
像演算装置９０ｂの構成を示す。用いる光は、波長λ
２、λ３の２種類の波長の光を用いる。ここでカラー偏
光板９１は、波長λ２の光のみに対しても直線偏光に変
換し、カラー偏光板９３は波長λ２、λ３のいずれの光
に対しても直線偏光に変換し、カラー偏光板９５は波長
λ３の光のみに対して直線偏光に変換する。したがって
波長λ２の光は、カラー偏光板９１を透過して直線偏光
に変換され、波長λ３の光は直線偏光に変換されること
なくそのままカラー偏光板９１を透過する。波長λ２の
光は、液晶表示素子９２およびカラー偏光板９３を透過
すると、液晶表示素子９２において斜線を付さない円板
型領域のみを透過する。このような波長λ２の光は、液
晶表示素子９４に入射すると、斜線を付さない部分では
旋光せずに透過し、斜線を付した部分では旋光して透過
するが、カラー偏光板９５は波長λ２の光はすべて透過
するため、前記円板形領域の形状の透過光が得られる。

【００１５】一方、波長λ３の光はカラー偏光板９３を
透過する際に、初めて直線偏光に変換され、従って液晶
表示素子９４およびカラー偏光板９５を透過することに
より、液晶表示素子９４において斜線を付さない長方形
の範囲の光が透過する。したがって演算画像９６として
は、前記円形画像Ｇ１と長方形画像Ｇ２とが重畳した画
像、すなわち論理和の画像が得られる。

【００１６】図１２（３）は前述と同様な画像Ｇ１、Ｇ
２の排他的論理和（Ｇ１ＥＸＯＲＧ２）の反転画像を
得る画像演算装置９０ｃの構成を有している。このとき
波長λ４の単色光を用い、カラー偏光板９１、９５はこ
の波長λ４に対して直線偏光に変換するが、カラー偏光
板９３は波長λ４の光をそのまま透過する。すなわち、
カラー偏光板９３は配置しなくともよく、或いは透明な
ガラスなどでもよい。波長λ４の光はカラー偏光板９１
を透過して直線偏光に変換され、この光は液晶表示素子
９２において斜線を付さない円形領域ではそのまま透過
し、斜線を付した領域では所定角度だけ旋光する。

【００１７】このような状態の光が液晶表示素子９４に
入射すると、液晶表示素子９４の斜線を付した部分に入
射した光は所定角度だけ旋光される。すなわち、液晶表
示素子９２を透過する際に、旋光した光はさらに旋光さ
れてカラー偏光板９５の偏光方向と平行な直線偏光とな
る。液晶表示素子９２で旋光しなかった範囲は、液晶表
示素子９４の斜線部分で旋光し、カラー偏光板９５で遮
断される。液晶表示素子９４の斜線を付さない透過部分
についても同様な現象が生じ、したがって図１２（３）
に示すような画像Ｇ１、Ｇ２の排他的論理和画像の反転
画像が演算画像９６として得られる。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、提案さ
れた従来方式では、基本的に２枚の液晶表示素子を用い
て光演算をさせるため、両液晶表示素子の正確な位置合
わせを要し、煩わしいという問題があった。また、各々
の液晶表示素子に画像を形成させるためには画像発生装
置からのデータ転送を必要とするが、それに長時間を要
し、結果的に処理時間も長くかかるという難点があっ
た。

【００１９】更に、従来方式により画像処理を連続的に
行う場合も、例えば被撮像物体からの出力光をＣＣＤ等
の撮像素子で受光して光電変換した後、電気信号Ｂを順
次液晶表示素子９４へ転換して処理画像を液晶表示素子
９４で表示する。次に、演算したい画像を電気信号Ａを
通じて液晶表示素子９１に表示させた後、所望の光を通
過させ演算させる。この場合においても、明かな様に光
電変換工程が２つの液晶表示素子９１、９４のいずれか
一方の光路の中で必要となるため安全な並列処理を採れ
ず、光処理の有効性が損なわれるという問題がある。

【００２０】一方、図１０に示すシステムのようなＬＳ
Ｉを用いた画像処理では、完全並列処理が最も好ましい
が前述の如く回路規模が莫大となる。また、チップ面積
が大きくなる上、コスト的にも極めて高くなるという欠
点がある。

【００２１】本発明は、このような従来技術の問題を解
決すべくなされたものであり、画像の演算の全て、もし
くは一部をＬＳＩを介することなく直接に行い得、演算
を高速化でき、しかも位置合わせを不要にできる液晶演
算素子及びこれを用いた画像処理システムを提供するこ
とを目的としている。

【００２２】

【課題を解決するための手段】本発明の液晶演算素子
は、液晶層を挟んで設けられた一対の基板を備え、一方
の基板の内面側に複数の第１の電極と複数の第２の電極
とが、少なくとも一部を対向させ、かつ間に絶縁膜を挟
んだ状態で、第１の電極側を該基板側に配して形成さ
れ、他方の基板の内面側に第３の電極が、第２の電極の
複数個と対向して形成されており、該絶縁膜を挟む第１
の電極と第２の電極との間で第１容量が、また該液晶層
を挟む第２の電極と第３の電極との間で第２容量がそれ
ぞれ形成され、更に第２の電極と該電極の近傍に配線し
た信号線との間が、両者間に掛渡した感光性を有する光
導電材料を介して接続又は遮断される構成としてあり、
これにより上記目的を達成することが可能となる。

【００２３】また、本発明の画像処理システムは、液晶
層を挟んで設けられた一対の基板を備え、一方の基板の
内面側に複数の第１の電極と複数の第２の電極とが、少
なくとも一部を対向させ、かつ間に絶縁膜を挟んだ状態
で、第１の電極側を該基板側に配して形成され、他方の
基板の内面側に第３の電極が、第２の電極の複数個と対
向して形成されており、該絶縁膜を挟む第１の電極と第
２の電極との間で第１容量が、また該液晶層を挟む第２
の電極と第３の電極との間で第２容量がそれぞれ形成さ
れ、更に第２の電極と該電極の近傍に配線した信号線と
の間が、両者間に掛渡した感光性を有する光導電材料を
介して接続又は遮断される液晶演算素子と、該液晶演算
素子に入力画像を光学的に転送する空間光変調素子とを
少なくとも備えており、そのことによって上記目的を達
成することが可能となる。

【００２４】

【作用】本発明の液晶演算素子にあっては、１例として
次のような演算がなされる。先ず、信号線と第１の電極
に電圧を印加した状態で、画像情報をもつ光を一方の基
板側から照射すると、光の当たった箇所のみ第１容量に
電荷が蓄積される。次に、第１の電極と第３の電極とを
短絡すると、第１容量に蓄積された電荷の一部が第２容
量に転送されて、前記画像情報が記憶される。

【００２５】続いて、前記画像情報とは異なる別の画像
情報をもつ光を同様にして照射し、その後、同様に第１
の電極と第３の電極とを短絡すると、第１容量に蓄積さ
れた電荷の一部が第２容量に転送され、この転送による
画像情報が先に転送された記憶情報に上書きされる。こ
れは、ほんの１例であり、他の処理によって種々の演算
が可能である。

【００２６】更に、この液晶演算素子と空間光変調素子
とを組み合わせると、画像演算の連続処理が可能とな
る。

【００２７】

【実施例】以下、本発明の実施例を説明する。

【００２８】図１に本実施例の液晶演算素子を示す。こ
の液晶演算素子は、対向する一対のガラス基板１、２の
間に液晶３が封入されており、一方（下側）の基板１の
上には、例えばＡｌからなるストライプ状の下部電極４
が形成され、その上を覆って絶縁膜５が形成されてい
る。絶縁膜５の上には、下部電極４と対向して絵素電極
６が形成され、下部電極４と絵素電極６との間で補助容
量Ｃ１が形成されている。この下部電極４と絵素電極６
とは、図２に示すようにガラス基板１上に、多数のもの
をマトリクス状に設けられ（図では３個ずつ並べてい
る）、上側の絵素電極６は縦方向に長いソースライン７
に対し、光照射により抵抗が変化する光導電性材料から
なる感光部８を介して電気的に接続されている。ソース
ライン７は、絵素電極６に画像信号を与えるものであ
る。前記感光部８の上には、感光部８を覆ってブラック
マスク１０が形成されている。このブラックマスク１０
は、例えば上側から照射される読み出し光により感光部
８が感光しないようにするためのものである。なお、ブ
ラックマスク１０は上の基板２側に設けてもよい。

【００２９】上側の基板２の下面には、ほぼ全面にわた
り対向電極９が形成されている。この対向電極９は、液
晶３を挟んで複数の絵素電極６と対向し、各絵素電極６
との間で液晶３の誘電体性質を利用した液晶容量Ｃ２が
形成される。

【００３０】かかる構成の液晶演算素子の作製は、次の
ようにして行われる。

【００３１】まず、ガラス基板１上にＥＢ（電子ビー
ム）蒸着により、Ａｌを１５００オングストロームの厚
さで形成した後にエッチングを行い、幅を５０μｍとし
たストライプ状の下部電極４を設ける。その上に、スパ
ッタ蒸着によりＡｌ₂Ｏ₃膜及びＳｉＮｘ膜を順に形成
し、計３０００オングストロームの厚さの絶縁膜５を積
層した。

【００３２】その後、ＩＴＯをスパッタ蒸着し、エッチ
ングを行い、絵素電極６とソースライン７を形成した。
尚、絵素電極６はそのピッチを５００μｍ、サイズを３
００μｍ×３００μｍ、ヌキ幅を５０μｍとし、絵素数
を縦１２０個×横１６０個としている。

【００３３】この基板１上に、プラズマＣＶＤでａ−Ｓ
ｉ（アモルファスシリコン）を約２０００オングストロ
ームの厚みに形成した後、エッチングすることにより感
光部８を作成した。次いで、感光部８の上に黒色顔料か
らなるブラックマスク１０を形成した。

【００３４】一方、ガラス基板２の上には、その全面に
わたりＩＴＯ（酸化インジウム）を蒸着して対向電極９
を形成した。

【００３５】両基板１、２上に、更にスパッタ蒸着によ
りＳｉＯ₂を３００オングストローム形成した後、水平
配向用ポリイミド膜をスピンナーにより塗布し、９０℃
のねじれ配向になるようにラビング処理を施した。

【００３６】この両基板１、２を、間に直径６μｍのプ
ラスチックビーズを介装して張り合わせた後、例えばメ
ルク社製ＺＬＩ−１５６５の液晶３を封入して液晶パネ
ルを形成し、その後、その液晶パネルを挟んで両側に一
対の偏光板を設けることにより、液晶演算素子を完成さ
せた。尚、液晶３の抵抗値は１×１０¹¹Ωｃｍ以上にな
るように精製したものを用いた。

【００３７】次に、この液晶演算素子における基本的な
動作内容について１例を挙げて説明する。

【００３８】まず、全ソースライン７と全下部電極４に
電圧を印加しておいた状態で、演算光、例えば画像Ａを
下側から照射すると、光が当たった箇所のみ補助容量Ｃ
１に所望の電荷が蓄積される。

【００３９】次に、全下部電極４と対向電極９とを短絡
すると、補助容量Ｃ１に蓄積された電荷は一部、液晶容
量Ｃ２側に転送される（転送I）。これにより、画像Ａ
の情報が液晶演算素子内に記憶されたことになる。

【００４０】次に、全ソースライン７と全下部電極４に
前回と同極性の電圧を印加した状態となし、その状態で
演算光、例えば画像Ｂを下側から照射する。その後、前
同様に全下部電極４と対向電極９とを短絡すると、補助
容量Ｃ１に蓄積された電荷は一部、液晶容量Ｃ２側に転
送され（転送II）、電荷量が転送１の値に付加される。
これにより演算が行われる。その後、上側から読み出し
光を照射すると、演算結果が読み出される。即ち、演算
に用いる画像を照射する面と、演算結果を読み出す面と
は反対側の位置にある。

【００４１】なお、２つの電荷の付加が可能なように、
液晶３の抵抗を十分大きくして液晶３の電荷保持機能を
高めることにより、短時間では電荷の消滅が液晶３にお
いて生じないようにしておく。このため、この例では上
述したように液晶３は抵抗値が１×１０¹¹Ωｃｍ以上に
なるものを用いた。

【００４２】上述した演算内容は１例であり、他の処理
を行うことにより上記以外の演算内容についても実施で
きる。

【００４３】次に、この液晶演算素子による演算内容を
説明する。演算内容としては、例えば横長の長方形と縦
長の長方形の２つの図形のＡＮＤ、ＯＲ、ＸＯＲの演算
を行った。なお演算に際して、横長の長方形と縦長の長
方形の２枚のマスクに平行光を照射して、それぞれ画像
Ａと画像Ｂの演算光とし、この演算光を本液晶演算素子
に順次下側から照射した後、読み出し光を上側から照射
して行った。読み出し光は、例えば半導体可視レーザと
レンズで構成された光発生装置を使用した。

【００４４】（ＡＮＤ演算）まず、全ソースライン７と
全下部電極４に電圧を印加しておいた状態で、液晶演算
素子に下側から図３（１）に示す横長の長方形をした画
像Ａの演算光を照射する。これにより、光が当たった箇
所のみ補助容量Ｃ１に所望の電荷が蓄積される。このと
きの等価回路としては、図４（１）に示すように、補助
容量Ｃ１を形成する下部電極４の電位が−Ｑ、絵素電極
６の電位が＋Ｑとなる。

【００４５】次に、全下部電極４と対向電極９とを短絡
する。これにより補助容量Ｃ１に蓄積された電荷は一部
液晶容量Ｃ２側に転送される（転送I）。このときの等
価回路は、図４（２）に示すように下部電極４の電位が
−Ｑから−Ｑ（１）となり、対向電極９の電位が０から
−Ｑ（２）となる。これら−Ｑ（１）と−Ｑ（２）を加
えたものが前記−Ｑであり、絵素電極６におけるＱ
（１）とＱ（２）を加えたものが前記＋Ｑである。よっ
て、画像Ａの情報が液晶演算素子内に記憶される。

【００４６】次に、また全ソースライン７と全下部電極
４に前回と同極性の電圧を印加し、図３（２）に示す縦
長の長方形をした画像Ｂを照射する。これにより、光が
当たった箇所のみ補助容量Ｃ１に所望の電荷が蓄積され
る。このときの等価回路としては、図４（３）に示すよ
うに、液晶容量Ｃ２をそのままの状態として補助容量Ｃ
１の両電極が＋Ｑと−Ｑとなる。

【００４７】次に、全下部電極４と対向電極９とを短絡
する。これにより補助容量Ｃ１に蓄積された電荷は一
部、液晶容量２側に転送され（転送II）、電荷量が転送
１の値に付加される。このときの等価回路としては、図
４（４）に示すように、下部電極４の電位が−Ｑから−
Ｑ（１）´となり、対向電極９の電位が−Ｑ（２）から
−Ｑ（３）となる。これら−Ｑ（１）´と−Ｑ（３）と
を加えたものが前記−Ｑと−Ｑ（２）との和である。ま
た、絵素電極６におけるＱ（１）´と＋Ｑ（３）を加え
たものが前記＋ＱとＱ（２）の和である。よって、電荷
が付加された部分は、電荷量がより大きな値となる。

【００４８】このとき、上述したように液晶３の抵抗は
十分高くしているので、短時間では電荷の消滅が生じな
い。また、液晶分子が再配向するしきい値電圧を、転送
Iの場合のレベルと転送IIの場合のレベルとの間に設定
しておくと、画像ＡとＢが重なった箇所のみ、転送IIの
電荷により液晶分子の再配向が起こる。その結果、その
箇所の光学変調が生じて画像Ａと画像ＢのＡＮＤ演算が
行われる。その演算結果は、図３（３）にハッチングで
示す正方形となる。

【００４９】その後、上側から読み出し光を照射する
と、演算結果が読み出される。

【００５０】なお、液晶３が配向するしきい電圧を、転
送IIの場合における電荷以上に設定しておくと、３回以
上の画像の共通箇所（ＡＮＤ演算）のみを光学変調する
ことができる。

【００５１】また、初期化は、ソースライン７、下部電
極４及び対向電極９をＧＮＤに接地し、光を照射すれば
可能である。このときの等価回路は、図４（５）に示す
ように、補助容量Ｃ１及び液晶容量Ｃ２に電荷の蓄積が
ない状態となる。但し、次の演算を行う場合は、前回と
は極性が逆の電圧を用いた方が液晶３を交流駆動する上
で望ましい。

【００５２】（ＯＲ演算）この場合は、ソースライン７
と、対向電極９とを用いる。また下部電極４と対向電極
９を短絡して同電位とし、補助容量Ｃ１を同時に用いて
もよい。

【００５３】先ず、ソースライン７と対向電極９に液晶
３の再配向が生じるしきい電圧以上の電圧を印加し、こ
の状態で画像Ａの演算光を下側から照射する。これによ
り、光が当った絵素のみの液晶３に大きな電圧が印加さ
れ、光学変調が生じる。このときの等価回路としては、
図５（１）に示すようになる。なお、光を除去しても液
晶３自身の電荷保有機能、もしくは補助容量Ｃ１の電荷
保有機能のアシストに基づき、その液晶３の再配向状態
はメモリされている。つまり、画像Ａの形成が保持され
たままきなる。

【００５４】この状態で別の画像Ｂの演算光を下側から
照射すると、画像Ａの上に新たに画像Ｂに対応した像が
上記原理に基づき形成され、図３（４）に示すＯＲ演算
された画像が形成される。このときの等価回路は、図５
（２）に示すようになる。

【００５５】なお、この演算の場合には、電荷の保有時
間が継続する間、画像演算が可能である。また、画像Ｂ
の書き込みには、電圧の極性が画像Ａの書き込み時と逆
になっても、その電圧値で十分液晶に電圧が印加されれ
ば問題はない。更に、初期化の方法、及び次の画像演算
における電圧極性の効果は、前述のＡＮＤ演算と同じで
ある。

【００５６】（ＸＯＲの演算）この場合は、印加電圧の
極性も積極的に利用する。使用する電極はソースライン
７と対向電極９であり、下部電極４は対向電極９と短絡
し、同電位とし補助容量Ｃ１と同時に用いてもよい。

【００５７】先ず、ソースライン７と、対向電極９に液
晶３の再配向が生じるしきい電圧以上の電圧を印加し、
その状態で画像Ａの演算光を照射する。これにより、光
が当たった絵素のみの液晶３に電圧が印加され光学変調
が生じる。このときの等価回路を図６（１）に示す。な
お、光を除去しても液晶３自身の電荷保有機能、もしく
は補助容量Ｃ１の電荷保有機能のアシストに基づき、そ
の液晶３の再配向状態はメモリされている。

【００５８】次に、電圧の極性を逆にして画像Ｂの演算
光を照射する。このときの等価回路を図６（２）に示
す。なお、上記照射の際、先に行った画像Ａの演算光で
充電された電荷量を液晶３のしきい電圧以下の量に放電
させる。これにより、放電した部分の液晶３は元の初期
状態に戻ると共に、新たに画像Ｂの演算光のみが照射さ
れた絵素部分は、画像Ａの場合とは逆電圧であるが、し
きい電圧以上の電荷が充電されて光学変調が生じる。加
えて、画像Ａの演算光が照射され、かつ画像Ｂの演算光
が照射されなかった絵素部分は、前記電荷保有機能によ
り光学変調を保持している。このときの等価回路を図６
（３）に示す。

【００５９】以上の処理により、図３（５）に示すよう
なＸＯＲ演算の結果が形成される。なお、この場合もま
た、初期化の方法や次の画像演算における電圧極性の効
果は前述のＡＮＤ演算と同じである。

【００６０】したがって、本実施例の液晶演算素子を用
いる場合には、上述したＡＮＤ、ＯＲ、ＸＯＲの各演算
を１つの液晶演算素子のみで行い得、従来のような位置
合わせが不要となる。

【００６１】次に、本実施例の変形例を説明する。

【００６２】感光部８の材料としては、上記実施例では
ａ−Ｓｉを用いているが、この他にａ−ＳｉＣ、ａ−Ｓ
ｉＮ等のアモルファスシリコン系、ａ−Ｓｅ、ａ−Ｓｅ
・Ｔｅ、ａ−Ｓｅ・Ａｓ、ａ−Ａｓ₂Ｓｅ₃等のアモルフ
ァスカルコゲナイド系の無機材料，ＺｎＯ、ＣｄＳ、Ｂ
ＳＯ（Ｂｉ₁₂ＳｉＯ₂₀）ＢＧＯ（Ｂｉ₁₂ＧｅＯ₂₀）等の
無機結晶、ポリビニルカルバゾール、ビスアゾ顔料有機
光導電体等の有機物が使用できる。

【００６３】絶縁膜５は、上記実施例では２層構造とし
ているが、１層あるいは３層以上としてもよい。また、
材料としては、上記実施例で使用したＡｌ₂Ｏ₃、ＳｉＮ
ｘに限らず、ＳｉＯ₂、Ｔａ₂Ｏ₅等の無機材料やポリイ
ミド、ポリビニルアルコール、ポリアミド等の有機材料
が使用できる。

【００６４】絵素電極６及び対向電極９の材料は、ＩＴ
Ｏに限らず、ＳｎＯ₂等を使用することも可能である。

【００６５】ソースライン７及び下部電極４は、ＩＴＯ
に限らず、Ａｌ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｍｏ又はＴｉ等の金属材
料が利用できる。

【００６６】ブラックマスク１０は、上記実施例では黒
色顔料を用いたが、この他に黒色顔料や黒色染色を含有
した有機材料、あるいは有色無機材料が使用できる。な
お、電極間の短絡が問題とならない箇所、例えば対向電
極９の上に形成する場合では、金属が使用できる。

【００６７】液晶３としては、ネマティック液晶、スメ
クティック液晶、カイラルネマティック液晶であり、表
示モードもＴＮモード、ＳＴＮモード、相転移モード、
ＥＣＢモート、ゲストホストモード、強誘電性モード等
が使用可能である。但し、液晶３の抵抗値が高いものを
使用するのが電荷保持機能を高める上で望ましい。

【００６８】感光部８の近傍部分の構造は、図１に示す
ものに限らず、図７（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に
示す各構造とすることができる。即ち、図７（ａ）の場
合は図１とは逆に、感光部８の上側に、絵素電極６の端
部とソースライン７の側縁部とが乗った構造としてい
る。図７（ｂ）の場合は、絵素電極６の端部の上に、感
光部８とソースライン７を積層した構造としている。図
７（ｃ）の場合は、ゲート絶縁膜１２を挟んで下側にゲ
ートライン１１が、上側に感光部８が形成されたもの
を、絵素電極６の端部と絶縁膜５との間からソースライ
ン７の側縁部と絶縁膜５との間にわたって配設すると共
に、そのように配設された感光部８と絵素電極６の端部
との間からソースライン７の側縁部と感光部８との間に
わたって、絶縁膜（エッチングストッパ）１３を介装し
た構造、いわゆるＴＦＴの逆スタガ型としている。更
に、図７（ｄ）の場合は、離隔した絵素電極６の端部と
ソースライン７の側縁部との上に、感光部８、ゲート絶
縁膜１２及びゲートライン１１をこの順に積層形成した
構造としている。

【００６９】なお、図７（ｂ）に示すソースライン７、
図７（ｃ）及び（ｄ）に示すゲートライン１１は金属で
形成してもよく、金属で形成した場合は通電だけでなく
遮光を兼用させることが可能である。その金属の種類と
しては、例えばＡｌ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｍｏ又はＴｉ等が相
当する。

【００７０】このように種々の変形が可能な液晶演算素
子において、上述した図７（ｃ）の構造の液晶演算素子
は、次のようにして作製される。

【００７１】まず、図示しないガラス基板上にＣｒを１
５００オングストロームスパッタ蒸着を行った後、エッ
チングを行い電極幅が５０μｍの下部電極（図示せず）
を形成した。その上にＳｉＮｘを２０００オングストロ
ームの絶縁膜５をプラズマＣＶＤにより形成した後、Ｔ
ａを１５００オングストロームの厚さでスパッタ蒸着
し、エッチングプロセスを経てゲートライン１１を作成
した。このゲートライン１１の上表面を陽極酸化してＴ
ａ₂Ｏ₅層を形成した後、再びプラズマＣＶＤ法でＳｉＮ
ｘ、ａ−Ｓｉ、ＳｉＮｘの３層を連続して堆積した。上
記Ｔａ₂Ｏ₅層と前記３層のうちの最下のＳｉＮｘ層とを
合計した厚みは約１５００オングストローム、その上の
ａ−Ｓｉ膜の厚みは約２５００オングストローム、最上
のＳｉＮｘ層の厚みは約１０００オングストロームとし
た。

【００７２】その後、最上のＳｉＮｘ層と、その下のａ
−Ｓｉ層をドライエッチし、エッチストッパ１３及び感
光部（半導体層）８を形成した。

【００７３】さらに、プラズマＣＶＤによりａ−Ｓｉ
（ｎ⁺）を３００オングストローム、またＩＴＯをスパ
ッタにより１５００オングストローム積層した後、エッ
チングを行ってコンタクト層（図示せず）、ソースライ
ン（ソース電極）７及び絵素電極６を形成した。尚、図
７（ｃ）ではこのコンタクト層は省略している。

【００７４】一方、図示しない対向基板側は、ガラス基
板上にＩＴＯを全面蒸着して対向電極を形成した。ここ
で、ブラックマスクはゲートライン１１と兼用すること
にした。従って、演算光はエッチストッパ１３側より、
読み取り光はゲートライン１１側より投射する。その後
の液晶演算素子の作成法及び使用した液晶は前記実施例
１と同じである。また絵素ピッチ及び絵素数等も実施例
１と同じである。

【００７５】このようにして作製された液晶演算素子を
用い、演算が可能か否かのテストを行った。

【００７６】まず、ゲートライン１１をフローティング
させ、ソースライン７、対向電極及び下部電極を用いて
図形の演算をさせた。このとき、実施例１と同様に動作
を行ったところ、ＡＮＤ、ＯＲ、ＸＯＲの演算が可能で
あることを確認した。

【００７７】次に、ゲートライン１１を使用し、例えば
ソースライン７から予め円の図形の信号を絵素に入力し
た後、ゲートライン（ゲート電極）１１をフローティン
グさせ、光入力により例えば長方形の信号を入射させ、
ソースライン７と対向電極との間、及びソースライン７
と下部電極との間の各電圧値と極性とを、前述の動作原
理に基づき変化をさせたところ、ＡＮＤ、ＯＲ、ＸＯＲ
の各演算が実行されていることを確認した。

【００７８】なお、図１及び図７において、絵素電極６
と感光部８との間の電気的コンタクトを良好にする上
で、別の薄膜をその間に介することも場合によっては可
能である。

【００７９】更に、下部電極４は、図１においては図よ
り明かなように絵素電極６の幅と同じサイズとしている
が、これに限らない。例えば、下部電極４は複数回の光
照射で液晶３を駆動させるための電荷を供給する手段と
なるため、液晶３のしきい電圧、容量、抵抗、絶縁膜の
誘電率、膜厚等に基づいてその面積が決定され、それに
応じたサイズとすればよい。

【００８０】ところで、図７（ｃ）及び（ｄ）に示した
ようなＴＦＴ構造の場合は、ゲートライン１１を通るゲ
ート信号により、ソースライン７を通るソース信号を絵
素電極に送ることができる。従って、従来より知られた
ＴＦＴ駆動によって電気的に形成した画像Ａの上に、光
書き込みによって画像Ｂを形成することにより、演算を
上記原理に基づき実施することができる。即ち、固定パ
ターンと変化パターンとの演算を実施することができ
る。具体例として、例えばマスク検査や部品実装検査等
では、固定パターンとしてＴＦＴ駆動で原画を液晶演算
素子に入力した後、検査ライン上を流れる被検査物の画
像を光学的に液晶演算素子に入力し、その時の電圧極
性、電圧値及び電圧印加時間等の条件を、前述の動作原
理に基づいて所望の演算に合致するよう調節すると、Ｘ
ＯＲ演算の適用により短時間で不良部を検出できる。但
し、この場合、感光部８に使用した光導電材料の感度を
高める必要があるため、通常のＴＦＴ−ＬＣＤで用いら
れる半導体材料の光導電特性に係わるパラメータを最適
化することが重要である。このためには、例えばａ−Ｓ
ｉを用いる場合には、膜厚を５００オングストローム以
上に厚くするとよい。

【００８１】図８は、上記液晶演算素子を用いた本実施
例にかかる画像処理システムの構成を示す。このシステ
ムは、大きく分けて、図右側に設けた液晶演算素子３０
と、この液晶演算素子３０に表示された画像を読み出す
ためのレーザ光を発するレーザ光源３１と、２方向から
与えられる２種類の光を前記液晶演算素子３０に与える
ビームスプリッタ３２と、ビームスプリッタ３２の下側
に配設され、前記２種類の光の一方である演算光を発生
する演算光発生手段２５と、ビームスプリッタ３２の左
側に設けられ、前記２種類の光の他方である画像光を発
生する画像光発生手段２０と、ビームスプリッタ３２の
上側から出射された光に基づいて画像を転送するモニタ
ー手段３３とを備える。

【００８２】上記演算光発生手段２５は、演算光を発す
る光源２６と、この光源２６からの光を通過又は遮断す
る液晶シャッタ２７とからなり、所望のタイミングで光
源２６からの光を、ビームスプリッタ３２を介して液晶
演算素子３０に与える。

【００８３】前記モニター手段３３は、ビームスプリッ
タ３２の上側から出射された光を反射させるミラー３４
と、ミラー３４で反射された光が照射されるハーフミラ
ー３５と、ハーフミラー３５を透過した光が照射される
スクリーン３６とを備え、スクリーン３６にモニター画
像が形成されるようになっている。ハーフミラー３５を
反射された光は、後述する液晶シャッタ２４へ与えられ
る。

【００８４】上記画像光発生手段２０は、画像データが
液晶シャッタ２１を介して与えられる空間光変調素子
（ＳＬＭ）２３と、このＳＬＭ２３と液晶シャッタ２１
との間に設けたハーフミラー２２と、このハーフミラー
２２の上側に設けた液晶シャッタ２４とからなる。

【００８５】上記ＳＬＭ２３は、図９に示すように、対
向する２つのガラス基板４１、４８の間に、基板４１側
から透明電極４２、光導電体層４３、光遮蔽層４４、反
射層４５、液晶層４６及び透明電極４７が、この順に形
成された構成となっており、以下の機能を有する。

【００８６】即ち、このＳＬＭ２３において、光導電体
層４３、光遮蔽層４４、反射層４５を介して液晶層４６
に電圧を印加し、紙面左側より画像光を照射させると光
の当たった箇所は光導電体層４３の抵抗が低下し、液晶
層４６に大きな電圧が印加され、液晶層４６の配向が変
化する。一方、前記演算用の光源２６からの光をビーム
スプリッタ２７を介して紙面右側より入射させると、反
射層４５で反射されるが、その光は液晶層４６の配向が
変化した箇所では変調される。その結果、紙面左側より
入射させた画像データを紙面右側より入射させた光によ
り反射画像として取り出せる。つまり、この反射画像を
演算用の画像データとして使用できる。したがって、上
記画像処理システムは、次のようにして演算が可能であ
る。

【００８７】まず、液晶シャッタ２１を介して画像デー
タ（光）をＳＬＭ２３に入射する。これによりＳＬＭ２
３は、前述の機能により前記画像データの反射画像を形
成する。この画像は、演算用の光源２６からの光を液晶
シャッタ２７により所望の期間のみビームスプリッタ３
２へ送ってＳＬＭ２３に投写し、その後ビームスプリッ
タ３２を通して液晶演算素子３０に書き込む。

【００８８】次に、演算すべき画像データＢを同様にし
て液晶演算素子３０に書き込む。この処理により演算が
行われる。

【００８９】その後、レーザ光源３１からの読み出し光
を液晶演算素子３０へ照射する。この照射により、液晶
演算素子３０に表示された演算結果である画像データ
は、ビームスプリッタ３２、ミラー３４及びハーフミラ
ー３５を介してスクリーン３６に表示されると共に、Ｓ
ＬＭ２３の入射側に転送される。

【００９０】したがって、この画像処理システムにおい
ては、スクリーン３６に表示された画像に基づいて１回
の演算結果を知ることができる。また、ＳＬＭ２３の入
射側に転送された画像データとは別の新規な画像データ
を、液晶シャッタ２１を介してＳＬＭ２３へ与えること
により、その新規な画像データと、ＳＬＭ２３の入射側
に転送された画像データとに基づいて、連続的な演算を
継続して行うことができる。

【００９１】なお、液晶シャッタ２１、２４、２７は、
後述するＣＳ−１４を用いた強誘電性ＬＣＤ（ＳＳＦ−
ＬＣ：Surface Stabilized Ferroelectric−ＬＣ）を使
用した。本発明はこの液晶シャッタに代えて、液晶以外
の別の種類のシャッタを使用することもできる。但し、
高速に演算するためには高速対応を呈するものの方が望
ましい。

【００９２】また、モニタ手段３３としては、更に次段
の光学処理系、例えばＣＣＤや画像処理用ＬＳＩ等を使
用して、画像データを電気的に処理する設計となしても
よい。また、別の光学システムを使用して処理するよう
にしてもよい。

【００９３】更に、図８に示した画像処理システムにお
いて、図７（ｃ）又は図７（ｄ）に示したＴＦＴ構造を
有する液晶演算素子を使用する場合は、ゲート信号を利
用した画像データを本発明の液晶演算素子に転送・表示
し、この画像データと、ＳＬＭ２３により得られる別の
画像データとに基づいて、演算を行うようにすることも
可能である。

【００９４】本発明の画像処理システムは、図８に示す
システムに限るものではなく、本発明に係わる液晶演算
素子とＳＬＭとを適当に組み合わせて、液晶演算素子の
演算結果をＳＬＭの入射側に転送した画像データと、別
系統から液晶演算素子に入力した新規な画像データとに
基づいて演算できれば、どのような構成であってもよ
い。

【００９５】ところで、図９に示したＳＬＭ２３の作製
は、次のように行われる。透明電極４２、４７は、スパ
ッタ蒸着によりＩＴＯを１５００オングストロームの厚
みに形成した。光導電体層４３は、プラズマＣＶＤを用
いてａ−Ｓｉを厚み約１μｍで堆積させた。光遮蔽層４
４は、黒色顔料を含有したポリイミドをスピンナーによ
り塗布し、熱形成した。反射層４５は、ＴｉＯ₂膜とＳ
ｉＯ₂膜とからなる２重膜を、膜数が約２０となるよう
に積層して形成した。液晶層４６は、例えばチッソ社製
の強誘電性液晶であるＣＳ−１４を用いた。液晶層４６
の層厚は約２μｍである。また、配向膜はナイロンを用
いた。

【００９６】このＳＬＭ２３は、液晶として強誘電性液
晶（２安定状態）を用いたため、入力画像の２値化が可
能である。また、全面に光を入射させた上に初期化の電
圧パルス極性を変えることにより、画像入力のポジある
いはネガ画像が得られる。更に、画像入力時の電圧増加
により画像のにじみを生じさせることにより、入力画像
を拡大できる。尚、本ＳＬＭ２３の光感度は８０μＷ／
cm²であり、印加電圧は最大±３０Ｖとした。

【００９７】また、上記ＳＬＭ２３を構成する液晶層４
６の表示モードに、相転移モードや強誘電性モード（強
誘電性液晶を用いた表示モード）のようなメモリ性を有
するモートを用いる場合には、入射画像のメモリ画像が
得られる。ＴＮモードやＨＦＥモード（液晶ねじれ角が
４５°程度のねじれネマティック液晶モード）等のよう
に、偏光板の使用が要求される表示モードを用いる場合
には、偏光板の角度を９０°回転するだけで画像のネ
ガ、ポジを容易に実現できる。特に、強誘電性モードを
使用する場合には、印加電圧の極性を反転するだけで画
像のネガ、ポジの実現が可能である。更には、印加する
電圧の値の強弱、周波数の大小により入射画像より拡大
あるいは縮小した反射画像を得ることができる。

【００９８】加えて、表示モードとして強誘電性モード
のような２状態のみしか安定状態を有することのないモ
ード、或はＳＴＮモードや相転移モードのような急峻な
しきい特性を有するモードを用いる場合には、入射画像
の２値化画像が得られる。

【００９９】更に、入射画像を移動させたり、或は回
転、縮小又は拡大などを行えば、それに対応した反射画
像が得られることは言うまでもない。

【０１００】以上のように、ＳＬＭ２３を使用すること
により、入射画像を拡大、縮小、回転、移動、ネガ・ポ
ジ変換、２値化等に加工した反射画像が得られる。

【０１０１】また、本発明は、液晶演算素子として図１
に示したものと、図７（ｃ）又は（ｄ）に示したものと
を使用して画像処理システムを構成してもよい。このよ
うに構成した場合は、入力画像として例えば円、長方
形、三角形の３つを用いて処理することにより、３画像
についてのＯＲ演算、ＡＮＤ演算、ＸＯＲ演算、輪郭抽
出処理、拡大処理が可能である。

【０１０２】従って、本発明は、画像の輪郭抽出（現画
像と拡大画像のＸＯＲ）、画像照合（現画像と別画像の
ＸＯＲもしくはＡＮＤ）、画像拡大（現画像と拡画像の
ＯＲ）、画像の２値化（ＳＬＭを用いる）等一般的な画
像処理が高速に可能となり、その結果各種画像処理を利
用した検査（工程検査、マスク検査等）、加速度センサ
（手振れ防止、車両等の姿勢制御等）、移動物体の抽
出、音声認識、指紋照合、文字認識等の工業用・民生用
画像処理装置として極めて広い応用が考えられる。

【０１０３】

【発明の効果】本発明による場合は、少なくとも１つの
液晶演算素子に２以上の演算光を時間を異ならせて照射
することにより、演算を行うことができるので、位置合
わせが不要となり、また演算が２回以上の光照射により
行えるので、演算の高速処理が可能となり、これにより
大量のデータ処理も可能となる。

【０１０４】更に、液晶演算素子と空間光変調素子とを
組み合わせた場合には、従来のＬＳＩで行う画像処理に
比べ高速で大量のデータ処理が可能となる。その応用と
しては、一般的な画像処理を用いるＦＡ関連、例えば各
種検査パターン照合はもとより、異状細胞検出等医療関
連、加速度センサや音声認識、文字認識を用いた民生関
連まで広範囲な用途に使用でき、さらに将来的には光ニ
ューロコンピュータ分野にまで発展が期待される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施例の液晶演算素子を示す断面図である。

【図２】その液晶演算素子の一部を示す平面図である。

【図３】図１の液晶演算素子による演算内容の説明図で
ある。

【図４】（１）から（５）は、図１の液晶演算素子によ
りＡＮＤ演算を行う際の各工程での等価回路を示す。

【図５】（１）及び（２）は、図１の液晶演算素子によ
りＯＲ演算を行う際の各工程での等価回路を示す。

【図６】（１）から（３）は、図１の液晶演算素子によ
りＸＯＲ演算を行う際の各工程での等価回路を示す。

【図７】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）及び（ｄ）は、それぞ
れ本発明に適用が可能な他のＴＦＴ構造を示す断面図で
ある。

【図８】本発明の画像処理システムを示す概略図であ
る。

【図９】その画像処理システムに用いる空間光変調素子
を示す断面図である。

【図１０】従来の一般的な画像処理システムを示す概略
図である。

【図１１】従来の画像処理システムを示す概略図であ
る。

【図１２】従来の演算内容の説明図である。

【符号の説明】

１ガラス基板２ガラス基板３液晶４下部電極（第１の電極）５絶縁膜６絵素電極（第２の電極）７ソースライン（信号線）８感光部９対向電極（第３の電極）１１ゲートライン１２ゲート絶縁膜Ｃ１補助容量（第１容量）Ｃ２液晶容量（第２容量）２０画像光発生手段２１液晶シャッタ２２ハーフミラー２３空間光変調素子２４液晶シャッタ２５演算光発生手段２６光源２７液晶シャッタ３０液晶演算素子３１レーザ光源３３モニター手段

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】液晶層を挟んで設けられた一対の基板を
備え、一方の基板の内面側に複数の第１の電極と複数の
第２の電極とが、少なくとも一部を対向させ、かつ間に
絶縁膜を挟んだ状態で、第１の電極側を該基板側に配し
て形成され、他方の基板の内面側に第３の電極が、第２
の電極の複数個と対向して形成されており、該絶縁膜を
挟む第１の電極と第２の電極との間で第１容量が、また
該液晶層を挟む第２の電極と第３の電極との間で第２容
量がそれぞれ形成され、更に第２の電極と該電極の近傍
に配線した信号線との間が、両者間に掛渡した感光性を
有する光導電材料を介して接続又は遮断される液晶演算
素子。
【請求項２】液晶層を挟んで設けられた一対の基板を
備え、一方の基板の内面側に複数の第１の電極と複数の
第２の電極とが、少なくとも一部を対向させ、かつ間に
絶縁膜を挟んだ状態で、第１の電極側を該基板側に配し
て形成され、他方の基板の内面側に第３の電極が、第２
の電極の複数個と対向して形成されており、該絶縁膜を
挟む第１の電極と第２の電極との間で第１容量が、また
該液晶層を挟む第２の電極と第３の電極との間で第２容
量がそれぞれ形成され、更に第２の電極と該電極の近傍
に配線した信号線との間が、両者間に掛渡した感光性を
有する光導電材料を介して接続又は遮断される液晶演算
素子と、該液晶演算素子に入力画像を光学的に転送する空間光変
調素子とを少なくとも備えた画像処理システム。