JPH067240B2 - 光学的連想記憶装置 - Google Patents

光学的連想記憶装置

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JPH067240B2
JPH067240B2 JP14435187A JP14435187A JPH067240B2 JP H067240 B2 JPH067240 B2 JP H067240B2 JP 14435187 A JP14435187 A JP 14435187A JP 14435187 A JP14435187 A JP 14435187A JP H067240 B2 JPH067240 B2 JP H067240B2
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    • G06COMPUTING; CALCULATING; COUNTING
    • G06EOPTICAL COMPUTING DEVICES; COMPUTING DEVICES USING OTHER RADIATIONS WITH SIMILAR PROPERTIES
    • G06E3/00Devices not provided for in group G06E1/00, e.g. for processing analogue or hybrid data
    • G06E3/001Analogue devices in which mathematical operations are carried out with the aid of optical or electro-optical elements
    • G06E3/005Analogue devices in which mathematical operations are carried out with the aid of optical or electro-optical elements using electro-optical or opto-electronic means

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は光学的連想記憶装置に関するものである。

〔従来の技術〕

一般に、電子計算機等で使用されている通常のメモリで
は、アドレスを指定してそこに記憶されている情報にア
クセスする方式が採用されているが、このような記憶装
置では、アドレスの内容が壊されてしまった場合、記憶
データの内容は全く分からなくなってしまうという問題
がある。これに対し、外部から加える参照入力と同じ
か、または一定の条件に合致した情報を見つけ出して関
連する残りの部分を取り出すようにした連想記憶装置が
開発されている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

このような連想記憶装置の多くは計算機の記憶装置とし
て開発されたものであって、電気的デジタル信号を対象
とするものである。そのため、特にパターン情報に対し
ては、スキャニングの操作を必要とし、その結果処理時
間が非常に長くなり、連続的に出力を得ることは不可能
である。

本発明は上記問題点を解決するためのもので、光学的演
算によるデータ処理を行うことにより処理時間を短縮
し、連続的に出力を得ることのできる光学的連想記憶装
置を提供することを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

そのために本発明の光学的連想記憶装置は、記銘、想起
のためのn×nマトリックス表示の電気的参照パターン
を入力するための参照パターン入力装置と、参照パター
ン入力装置で得られる参照パターンと想起パターン処理
装置から出力されるn×nマトリックス表示の電気的想
起パターンとからn×nマトリックス表示の電気的
相関行列パターンを作成する相関行列演算装置と、相関
行列演算装置から出力される相関行列パターンをn×
マトリックス表示の光学的相関行列パターンに変換
する相関行列提示装置と、相関行列提示装置により提示
された相関行列パターンを記憶する相関行列記憶装置
と、参照パターン入力装置から出力される参照パターン
をn×nマトリックス表示の光学的参照パターンに変換
する参照パターン提示装置と、参照パターン提示装置か
ら出力される参照パターンをn×nマトリックス表
示の光学的参照パターンに変換する多重結像系と、相関
行列記憶装置から出力される相関行列パターンと多重結
像系から出力される参照パターンとを乗算してn×n
マトリックス表示の光学的想起パターンを作成するパ
ターン演算装置と、パターン演算装置から出力される想
起パターンをn×nマトリックス表示の光学的想起パタ
ーンに変換する逆多重結像系と、逆多重結像系から出力
される想起パターンをn×nマトリックス表示の電気的
想起パターンに変換する受光マトリクスと、受光マトリ
クスから出力される想起パターンに閾値処理等を行う想
起パターン処理装置とを備え、光学的処理により、複数
の参照パターンによる学習後、参照パターンはら想起パ
ターンを得ることを特徴とする。

〔作用〕

本発明の光学的連想記憶装置は、参照パターンを電気的
に演算して得た相関行列パターンを光学的パターンに変
換して記憶すると共に、記憶された光学的パターンと参
照パターンとから光学的にマトリックス演算して光学的
想起パターンを作成すると共に、光学的想起パターンを
電気的想起パターンに変換し、これに閾値処理を施して
所定の学習ゲインでフィードバックし、さらに参照パタ
ーンの自己相関とから相関行列パターンを作成し、順次
上記処理を繰り返すことにより参照パターンの相関行列
を記銘し、また電気的参照パターンを光学的参照パター
ンに変換後、記憶されている相関行列パターンと光学的
マトリックス演算することにより光学的想起パターンを
作成し、これを電気的想起パターンに変換することによ
り不完全な参照パターンからでも完全なパターンを想起
することが可能となる。

〔実施例〕

以下、実施例を図面に基づき説明する。

まず、本発明による光学的連想記憶装置の原理を説明す
る。

連想記憶を実現する方法として、本発明では自己相関行
列を用いており、記憶したい内容の自己相関により記憶
行列を形成する。

記銘時の演算処理は式で表すと次のようになる。

M=Σx・x′ ……………………(1) ここでxは記憶したい内容を表す入力ベクトル、x′は
xの転置ベクトル、Mは記憶行列である。即ち、記憶し
たい内容の自己相関をとり、これを何回も加え合わせて
形成する。

想起の時には、この記憶行列との演算により、一部分か
ら全体を想起することができる。想起時の演算処理は式
で表わすと次のようになる。

y=φ(M・x) …………………(2) ここでyは出力ベクトル、xは入力データ、φは閾値操
作を表す。M・xの操作により、xが一部欠けたりして
不完全なデータであったとしても、(1)式の演算処理
により記憶行列Mができていれば、想起データyとして
は欠けた部分が補われた元のデータxに近いデータが得
られる。なお、φの閾値操作により所定レベル以上のデ
ータを検出するようにしてノイズ部分をカットしてい
る。次に、上記(1)式における記憶行列による想起で
は分離が不十分である場合の方法として、より分離度の
あがる記憶行列を形成する逐次計算法を説明する。

n+1=M+α〔x−φ{Σ(M・x)}〕x′ ………………(3) ここで、αは学習ゲイン、ΣはM・xについて部分和
をとることによりx′と次数を合わせるための演算子で
ある。n+1回目の記憶行列Mn+1は、n回目のM
によって想起した結果であるφ{Σ(M・x)}とx
の差により示される想起時の誤差成分と、x′との相関
に学習ゲインαを掛けたものによって、Mを修正する
ことで得られる。なお、学習ゲインαは、Mが収束す
るような値を選ぶ。

こうして、(3)式の演算処理をMが収束するまで行
うと、分離度の向上した相関行列Mが求められる。

第3図は本発明による光学的連想記憶装置の基本的な構
成要素である空間光変調管の構成と動作を説明するため
の図で、1は入力像、2はレンズ、3は光電陰極、4は
マイクロチャンネルプレート、5はメッシュ電極、6は
結晶、61は電荷蓄積面、7はハーフミラー、8は単色
光、9は検光子、10は出力像である。

図において、空間光変調管の光電陰極3にレンズ2を介
して入射した入力像1は光電子像に変換される。この光
電子像はマイクロチャンネルプレート4で増倍された
後、結晶6の電荷蓄積面61に電荷パターンを形成す
る。その電荷パターンに応じて結晶6を横切る電界が変
化し、ポッケルス効果によって結晶6の屈折率が変化す
る。

ここで、直線偏光の単色光8を結晶6に照射すると、電
荷蓄積面61からの反射光は、結晶6の複屈折性により
偏光状態が変化しているので、検光子9を通過させれば
入力像1の光強度に対応した光強度をもつ出力像10が
得られる。

次にこのような空間光変調管について、本発明と関連す
る主要な機能を説明する。

(イ)記憶機能 空間光変調管は、電気光学結晶の表面の電荷分布を長い
時間保持する記憶機能を持っている。結晶6は非常に高
い電気抵抗値を有しているので、結晶表面61の電荷分
布を数日以上保持することができる。

(ロ)減算機能 空間光変調管は電気光学結晶の表面に正または負の電荷
分布を選択的に形成することができる。第4図(A)は
電気光学結晶の2次電子放出特性を示すグラフである。

第4図(A)に示すように電荷蓄積面61へ入射する1
次電子エネルギーEが第1クロスオーバー点E1よりも
小さいか、または第2クロスオーバー点E2より大きい
場合には、1次電子数が結晶表面で放出される2次電子
数よりも大きいので(δ<1)、結晶表面は負に帯電す
る。1次電子のエネルギーがE1とE2の間では、2次
電子数が1次電子数よりも多くなるので(δ>1)、結
晶表面は正に帯電する。

結晶に電荷を蓄積する際に正の電荷で書き込むか負の電
荷で書き込むかは、第3図に示すVcとVbの電圧を制
御することにより実行される。ここで最初に負の電圧を
書込み、次に正に帯電させるか、或いは最初に正に帯電
させ、次に負の電荷を書込むかの2つの方法により減算
機能を持たすことができる。減算の量は次の3つの方法
により制御できる。

即ち、減算時の入射光強度を変化させる方法、マイクロ
チャンネルプレート4に加える電圧の持続時間を変化さ
せる方法、及びマイクロチャンネルプレート4に加える
電圧を変化させる方法である。

書き込み、消去の方法は周知であるが、第4図(A)、
(B)により正電荷像を例にとって説明する。なお、二
次電子捕集電極に印加する電圧Vcは、第4図(A)の
第2クロスオーバー点Eに設定する。

〔消去動作〕

結晶背面電圧Vbを第2クロスオーバー点Eに相当す
る電位に設定すると、結晶表面電位Vsは、電位E
書き込みによって生じた正電荷の電位上昇分が加わった
値になる。この表面電位の場合、入射する一次電子のエ
ネルギはE以上あるので二次電子放出比δ<1とな
り、表面電位がEに達するまで負電荷が蓄積される。
電位がEに達するとδ=1となって平衡状態になり、
かつ表面の帯電は零となる。

〔書き込み動作〕

結晶背面電圧Vbを第1クロスオーバー点Eと第2ク
ロスオーバー点Eとの間でダイナミックレンジが十分
にとれる電圧E′に設定する。このとき結晶表面電位V
sもほぼE′となるから、入射する一次電子のエネルギ
はEとEの間である。従って二次電子放出比δ>1
となるから正電荷像が形成される。放出される放出され
た二次電子はVsよりも高い電位Vcにある二次電子捕
集電極に捕集される。

(ハ)閾値操作機能 第3図で示されている電圧V、Vの設定条件により
実時間閾値動作を実行させることができる。メッシュ電
極5は結晶表面の近傍に設けられており、これを所定の
電位に設定すると、結晶表面に十分な電子が供給されて
いる場合には結晶表面電位はメッシュ電極の電位とな
り、この電位がクロスオーバー点となる。すなわち、結
晶表面電位がメッシュ電極よりも低いと結晶表面から放
出される二次電子がメッシュ電極に捕集されるため入射
電子に対して二次電子放出が増加して結晶表面の電位は
上昇し、逆に結晶表面電位がメッシュ電極電位よりも高
いと入射電子が二次電子よりも多くなって結晶表面電位
が下がり、結局結晶表面電位がメッシュ電極電位に等し
くなったところで電位は一定となる。いま、メッシュ電
極5の電圧Vcを0.1KV程度と低くしておき、Vb
をステップ状に0.1KVより下げると、結晶表面もス
テップ状に電位が下がって結晶6の電荷蓄積面61は負
電位となり、電子が到達しなくなって、いわゆるロック
アウト状態となる。しかし、Vbをゆっくりとランプ状
に下げていくと、入射する光の強度が大きくて多量の電
子が供給される部分では電子が結晶表面に供給され、二
次電子放出が大きくなって負電位とならず、入射する光
の強度が小さくて供給される電子の量が少ない部分では
電位降下に電子の供給が追いつかず、そのため負電位と
なって電子が結晶表面に到達しなくなる。したがって、
光電陰極3に入射する光の強度に対応して結晶表面が負
電位となって書き込みが行われない部分と、結晶表面に
電子が到達し、表面が負電位とならずに書き込みが行わ
れる部分とができ、その結果、入射する光の強度により
閾値操作が実行されることになる。

さらに、本発明によ必要な他の構成要素について説明す
る。

拡大結像系 第5図(イ)に示すような2×2の入力像パターンを第
5図(ロ)に示すような4×4の像パターンに拡大投影
させる。実際にはレンズ等により行う。

多重結像系 第6図(イ)に示すように2×2の入力像を、繰返し投
影して第6図(ロ)に示すようなパターンに投影する。
実際にはレンズアレイ等により実現する。

逆多重結像系 第7図(イ)に示すように4×4の入力像を、2×2に
重ね合わせるように投影する。実際にはレンズアレイ等
により実現される。

次に本発明の光学的連想記憶装置について説明する。

第1図は本発明による光学的連想記憶装置の一実施例を
示すブロック図で、図中、11は参照パターン入力装
置、12は相関行列演算装置、13は相関行列提示装
置、14は相関行列記憶装置、15は参照パターン提示
装置、16は多重結像系、17はパターン演算装置、1
8は想起パターン処理装置、19は受光マトリックス、
20は逆多重結像系である。

図において、細線矢印、二重線矢印部分は電気的パター
ン信号部分、破線矢印、太線矢印部分は光学的パターン
信号部分である。参照パターン入力装置11は記憶させ
たい内容、または読みだしたい内容、例えばxを入力す
る。相関行列演算装置12は、xとxの転置行列xとの
相関行列、また想起パターンとの相関行列演算を行う。
多重結像系16、逆多重結像系20はパターン行列の次
数変換を行う。相関行列提示装置13、参照パターン提
示装置15は電気的パターン信号を光学的パターン信号
に変換し、受光マトリックス19は光学的パターン信号
を電気的パターン信号に変換する。相関行列記憶装置1
4は相関行列を記憶し、パターン演算装置17は参照パ
ターンと相関行列パターンとから想起パターンを演算し
て出力する。

次に、記銘時の動作について説明する。なお、計算式は
(3)式に基づいて行う。

参照パターン入力装置11から記憶すべきn×nのマト
リックスで表示された電気的パターンが入力され、相関
行列演算装置12においてその自己相関演算が行われ、
×nマトリックス表示の電気的自己相関行列パタ
ーンが出力される。この電気的相関行列パターンは相関
行列提示装置13により光学的パターン信号に変換され
相関行列記憶装置14に入力される。一方、参照パター
ン入力装置11からの出力は、参照パターン提示装置1
5で光学的パターンに変換され、さらに多重結像系16
でn×nマトリックス表示の光学的パターンに変換
されてパターン演算装置17に入力される。パターン演
算装置17においては、相関行列記憶装置14に記憶さ
れている相関行列との積演算が行われ、n×nマト
リックス表示の光学的想起パターンが出力される。この
光学的想起パターンは、逆多重結像系20でn×nマト
リックス表示の光学的想起パターンに変換され、さらに
受光マトリックス19によりn×nマトリックス表示の
電気的想起パターンに変換される。受光マトリックス1
9から出力される想起パターンは、想起パターン処理装
置18で閾値処理が行われる。こうして得られた想起パ
ターンは相関行列演算装置12に送られて参照パターン
と乗算され、前述の過程と同様に演算された自己相関行
列と共にそれぞれ相関行列記憶装置14で学習ゲイン倍
された後、減算、加算される。

以上の動作を相関行列が各パターンごとに収束するまで
繰返し行うことにより相関行列Mが形成される。

次に、想起時について説明する。

まず、参照パターン入力装置11からのn×nの電気的
パターンを、参照パターン提示装置15によってn×n
の光学的参照パターンに変換し、多重結像系16により
×nの参照パターンに変換して演算装置17に入
力させる。次に、パターン演算装置17において、n
×nの光学的参照パターンと相関行列記憶装置14か
らのn×nの光学的相関行列パターンとからn×
の光学的想起パターンを演算する。こうして得られ
たn×nの光学的想起パターンを逆多重結像系20
でn×nの光学的想起パターンに変換し、さらに受光マ
トリクス19によってn×nの電気的想起パターンに変
換し、想起パターン処理装置18から最終想起パターン
が得られる。

次に、第2図により本発明による光学的連想記憶装置の
光学系の例を説明する。

第2図は本発明による光学的連想記憶装置の実際の光学
系の一実施例を示す図で、21はCPU、22、23は
LED、24は多重結像系、25はレンズ、26、27
は空間光変調管、28、30はハーフミラー、29、3
1は検光子、32は逆多重結像系、33は受光マトリッ
クス、34は並列アナログ処理回路、35は入出力ポー
トである。

図において、第1図の相関行列演算装置、参照パターン
入力装置をCPU21で、参照パターン提示装置はLE
Dアレイ22(4×4)で、相関行列提示装置はLED
アレイ23(16×16)で、相関行列記憶装置は空間
光変調管27で、パターン演算装置は空間光変調管26
→27と読み出すことによって、受光マトリクスは受光
マトリックス32(PTRアレイ、16×16)で、想
起パターン処理装置は並列アナログ処理回路34(4×
4)で、多重結像系、逆多重結像系は回折格子で構成し
てある。

以上のように電子回路と光デバイスを組み合わせて光学
的連想記憶装置を構成する。

次に作用を説明する。

まず、記銘時について説明する。

4×4の参照データは、入出力ポート35を介してCP
U21に読み込まれる。CPU21からは参照パターン
がLED22へ、また参照パターンの自己相関を演算
し、相関行列パターンがLED23へ出力される。LE
D22、23において光学的パターンに変換され、多重
結像系24、レンズ25を通して16×16のパターン
が空間光変調管26、27に記憶される。空間光変調管
26に記憶された参照パターンは、ハーフミラー28を
介して照射される単色光により読み出される。ハーフミ
ラー28の反射光は検光子29、ハーフミラー30を介
して空間光変調管に照射され、その記憶内容が読み出さ
れる。この処理により参照パターンと相関行列パターン
との乗算が行われ想起パターンが生成される。この想起
パターンを逆多重結像系で4×4のパターンに変換され
て受光マトリックス32で電気的想起パターンに変換
し、並列アナログ処理回路で想起パターンの閾値処理が
行われる。こうしてCPU21へは想起パターンと参照
パターンとが取り込まれて前述の相関行列演算が行わ
れ、以後同様の処理を繰り返すことにより相関行列が空
間光変調管27に記憶される。

次に想起時について説明する。

想起データを入出力ポート35よりCPU21へ取り込
み、次数変換してLED22で光学的参照パターンに変
換し、空間光変調管26へ入力させる。この参照パター
ンを前述したように読み出して空間光変調管27に記憶
されている相関行列と乗算し、想起パターンが得られ、
逆多重結像系で次数変換されて受光マトリックス32で
電気的想起パターンに変換し並列アナログ処理回路で想
起パターンの閾値処理が行われる電気的想起パターンが
得られる。

こうして記憶された相関行列と不完全な参照パターンよ
り、完全な想起パターンを得ることができる。

なお、上記実施例においては空間光変調管を用いて連想
記憶装置を構成する例について説明したが、本発明はこ
れに限定されるものではなく、同様な光学装置により実
現できることは言うまでもない。

〔発明の効果〕

以上のように本発明の光学的連想記憶装置によれば、従
来の連想記憶装置のように計算機の記憶装置として開発
された電気的デジタル信号を対象とするものに比して、
特にパターン情報に対してスキャニングの操作を不要と
し、光学的処理により電気的処理の負担を軽減し、その
結果処理時間を非常に短縮し、かつ連続的に出力を得る
ことが可能となり、光学検索装置等に使用することが可
能となる。

【図面の簡単な説明】

第1図は本発明による光学的連想記憶装置の一実施例を
示すブロック図、第2図は本発明による光学的連想記憶
装置の実際の光学系の一実施例を示す図、第3図は本発
明による光学的連想記憶装置の基本的な構成要素である
空間光変調管の構成を説明するため図、第4図は空間光
変調間の結晶表面の2次電子放出特性及び書き込み、消
去を説明するための図、第5図は拡大結像系を説明する
ための図、第6図は多重結像系を説明するための図、第
7図は逆多重結像系を説明するための図である。 1…像、2…レンズ、3…光電陰極、4…マイクロチャ
ンネルプレート、5…メッシュ電極、6…結晶、61…
電荷蓄積面、7…ハーフミラー、8…単色光、9…検光
子、10…出力光、11…参照パターン入力装置、12
…相関行列演算装置、13…相関行列提示装置、14…
相関行列記憶装置、15…参照パターン提示装置、16
…多重結像系、17…パターン演算装置、18…想起パ
ターン処理装置、19…受光マトリックス、20…逆多
重結像系、21…CPU、22、23…LED、24…
多重結像系、25…レンズ、26、27…空間光変調
管、28、30…ハーフミラー、29、31…検光子、
32…逆多重結像系、33…受光マトリックス、34…
並列アナログ処理回路、35…入出力ポート。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】記銘、想起のためのn×nマトリックス表
    示の電気的参照パターンを入力するための参照パターン
    入力装置と、参照パターン入力装置で得られる参照パタ
    ーンと想起パターン処理装置から出力されるn×nマト
    リックス表示の電気的想起パターンとからn×n
    トリックス表示の電気的相関行列パターンを作成する相
    関行列演算装置と、相関行列演算装置から出力される相
    関行列パターンをn×nマトリックス表示の光学的
    相関行列パターンに変換する相関行列提示装置と、相関
    行列提示装置により提示された相関行列パターンを記憶
    する相関行列記憶装置と、参照パターン入力装置から出
    力される参照パターンをn×nマトリックス表示の光学
    的参照パターンに変換する参照パターン提示装置と、参
    照パターン提示装置から出力される参照パターンをn
    ×nマトリックス表示の光学的参照パターンに変換す
    る多重結像系と、相関行列記憶装置から出力される相関
    行列パターンと多重結像系から出力される参照パターン
    とを乗算してn×nマトリックス表示の光学的想起
    パターンを作成するパターン演算装置と、パターン演算
    装置から出力される想起パターンをn×nマトリックス
    表示の光学的想起パターンに変換する逆多重結像系と、
    逆多重結像系から出力される想起パターンをn×nマト
    リックス表示の電気的想起パターンに変換する受光マト
    リクスと、受光マトリクスから出力される想起パターン
    に閾値処理等を行う想起パターン処理装置とを備え、光
    学的処理により、複数の参照パターンによる学習後、参
    照パターンはら想起パターンを得ることを特徴とする光
    学的連想記憶装置。
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