JPH09509769A - 神経系の光学式ベクトル乗算器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 サンドウィッチ構造の光電変調器または液晶パネルによって、特に神経系において実施される線形代数学の計算を実施できる光学式ベクトル乗算器。この乗算器は、緩速の液晶パネルによってマトリックスを表すにも拘わらず、迅速に線形代数学の演算を実施できる。更に、移項マトリックスも使用でき、２つのベクトルの外積を計算でき、外積の結果マトリックスをマトリックス変調器のセルの範囲に記憶できる。これは、ベクトルを表すサンドウィッチ構造の２つの高速の光電変調器を９０°だけ回転して配置し、上記装置に、マトリックス状光学式変調器を後置することによって、達成される。９０°だけ回転したベクトル変調器ユニットによって、２つのベクトルの外積を形成でき、この場合、各変調器セルのマトリックス変調器上に各検知器を設けた検知器マトリックスによって結果を求める。かくして、この乗算器に、情報を局部的に記憶し、処理できる。

Description

【発明の詳細な説明】 神経系の光学式ベクトル乗算器 〔技術分野〕 本発明は、ベクトルを表すストリップ状変調セルを有し、好ましくは、サンド ウィッチ構造の光電変調器として構成され、２つの光変調器（１１，１２，２１ ，２２）を相互に９０°だけずらして光路に配置した形式の、線形代数学の計算 を実施できる光学式ベクトル乗算器またはベクトルを表すトリガ可能な光源（３ １）（好ましくは、レーザダイオードまたは発光ダイオード）のパネルの光を光 学装置によって分割して、平行な縞状強度分布を形成する形式の、線形代数学の 計算を実施できる光学式ベクトル乗算器に関する。 〔背景技術〕 ベクトル・マトリックス・乗算および外積を計算でき、この場合、光電変調器 または光源パネルを使用する光学式コンピュータは既知である。英国特許ＧＢ− Ａ−２２６７１６５（シャープ）には、２つの光路によってベクトル・マトリッ クス・乗算および２つのベクトルの外積を形成できる光学式プロセッサが記載さ れている。外積の結果マトリックスは、マトリックス変調器のセルの範囲に記憶 できる。しかしながら、この装置は、同時に、移項されたマトリックスを使用す ることはできない。ヨーロッパ公開公報ＥＰ−Ａ２−４５０５２６（ＨＵＧＨＥ ＳＡＩＲＣＲＡＦＴ）には、２つのベクトルの外積を形成できる光学式プロセッ サが記載されている。 〔発明の開示〕 マトリックスは、低速の液晶パネルによってまたはセルの応答が順次にのみ行 われる光電変調器によって表されるが、本発明によって、線形代数学の演算を最 大限に迅速に行い得る。更に、ベクトル・マトリックス・乗算において、移項さ れたマトリックスも使用でき、２つのベクトルの外積を計算でき、外積の結果マ トリックスをマトリックス変調器のセルの範囲に直接に記憶できる。光検知器は 、任意に分布させて配置でき、更に、ベクトル乗算器は、ディジタルで作動でき る。更に、マトリックスを負の要素で表現できる。上記性質にもとづき、本装置 は、神経系の各種モデルに特に好適であり、多層神経のためにカスケード構造で も使用できる。 この課題は、光路において上記装置に、マトリックスを表すマトリックス状ま たはチェス盤状光変調器（１３，２３）、好ましくは、液晶変調器を後置し、次 いで、選択的に、光検知器（５２，５３）および／または電子回路を設け、この 電子回路によって検知器の信号を処理して変調器セルをトリガし、反射および／ または透過変調器を使用し、全変調器ユニットに平行光を通過させ、次いで、光 学装置によって１つまたは複数の光検知器パネル（１６，１７，４６，４７）に 光を入射させ、結果ベクトルをベクトル・マトリックス・乗算および／またはベ クトル・移項マトリックス・乗算によって形成できるよう光束を方向変更するこ とによって、解決される。 上記課題は、更に、ベクトルを表すストリップ状変調器セルを有する光変調器 （３２）を構成し、好ましくは、上記光変調器をサンドウィッチ構造の光電変調 器として構成し、縞状強度分布に対して９０°だけ回転して光路に配置し、光路 において上記装置に、マトリックスを表すマトリックス状またはチェス盤状光変 調器（３３）、好ましくは、液晶変調器を後置し、次いで、選択的に、光検知器 （５２，５３）および／または電子回路を設け、この電子回路によって検知器の 信号を処理して変調器セルをトリガし、反射および／または透過変調器を使用し 、全変調器ユニットに平行光を通過させ、次いで、光学装置によって１つまたは 複数の光検知器パネルに光を入射させ、結果ベクトルをベクトル・マトリックス ・乗算および／またはベクトル・移項マトリックス・乗算によって形成できるよ う光束を方向変更することによって、解決される。 上記課題は、更に、光路において上記装置に、マトリックスを表すマトリック ス状またはチェス盤状光変調器（６３）、好ましくは、液晶変調器を後置し、次 いで、選択的に、光検知器（５２，５３）および／または電子回路を設け、この 電子回路によって検知器の信号を処理して変調器セルをトリガし、反射および／ または透過変調器を使用し、全変調器ユニットに拡散光、光源マトリックスの光 または二元位相格子または別の光学装置にもとづきマトリックス状強度分布を有 する光を通過させ、レンズ（６５）または別の光学装置によってそれぞれ次の変 調器に上記光を投影し、次いで、光学装置によって１つまたは複数の光検知器パ ネルに光を入射させ、結果ベクトルをベクトル・マトリックス・乗算および／ま たはベクトル・移項マトリックス・乗算によって形成できるよう光束を方向変更 することによって、解決される。 ベクトル変調器を９０°だけ回転して配置したことによって、同一構造におい て、マトリックスおよび移項マトリックスを使用できる。すべての行または列の 別の各ベクトル変調器の透過性を均一にするだけでよい。９０°だけ回転したベ クトル変調器によって、２つのベクトルの外積も形成でき、この場合、結果は、 検知器マトリックスによって求める。この検知器マトリックスは、チェス盤状光 学式変調器上に置くこともでき、この場合、各検知器セルは、マトリックス変調 器のセルの近傍に位置する。かくして、上記マトリックスに情報を局部的に記憶 し、処理できる、この装置の場合、更に、ベクトルおよびマトリックスを負の要 素で表現でき、この場合、結果は、２つの検知器の数値の差から求める。双方の 検知器は、相互に直交する偏光面を有する光束を受光する。更に、ホログラムと して構成することもできるマトリックス状光偏向装置を使用して、結果ベクトル の検知器を任意に、できる限り相互に離して配置し、回折効果を最少化できる。 検知器の任意の配置によって、ベクトル乗算器のディジタル・バリエーションも 可能である。 〔図面の簡単な説明〕 第１図は、光学式計算ユニットの基本構造を示す図面であり、第２図は、光変 調器の基本的配置を示す図面であり、第３図は、光源ストリップを有する変更例 の図面であり、第４図は、負のマトリックス要素も使用できる変更例の図面であ り、第５図は、マトリックス変調器およびマトリックス検知器の組合せを示す図 面であり、第６図は、拡散光、光源マトリックスまたは二元位相格子を使用する 変更例の図面であり、第７図は、マトリックス状光偏向装置を有する光学式計算 ユニットの基本構造を示す図面であり、第８図は、光源パネルを有する変更例の 図面であり、第９図は、ディジタル・ベクトル要素およびディジタル・マトリッ クス要素も使用できる変更例の図面であり、第１０図は、マトリックス状変調要 素を有し８桁のディジタル数を表現できる４×４のマトリックス変調器を示す図 面であり、第１１図は、マトリックス状変調器の要素であって、複数の変調器要 素からマトリックス状に構成され、記入した数で桁値を示したディジタル数を表 す形式の要素を示す図面であり、第１２図は、どの行または列から光が各検知器 に入射するかを示した検知器パネルの図面であり、第１３図は、マトリックス状 光偏向装置から検知器パネルまでの光路を示す図面であり、第１４図は、光偏向 装置としてホログラムを有する変更例の図面であり、第１５図は、検知器パネル および若干の光点を示す図面である。 〔発明を実施するための最良の形態〕 図示の実施例を参照して、以下に、本発明を詳細に説明する。 平行光（好ましくは、レーザ光）は、列状振幅変調を行う変調器を介して入射 する。この変調は、例えば、光を、まず、ｘ方向に対して４５°傾斜したｘ′方 向へ偏光する偏光器を通過させ、次いで、行的に光の位相変調を行う横方向光電 変調器（１１，２１）を通過させ、次いで、再び、ｘ′方向に直角な、即ち、ｙ ′方向の偏光子を通過させる。この装置にもとづき、行について振幅変調され、 ｙ′方向へ偏光された光が得られる。第１，２図に、偏光子を含まない変調器１ １，１２，２１，２２のみを模式的に示した。偏光子の後には、同じく、第１変 調器に対して９０°だけ回転されたベクトル変調器１２，２２およびｘ′方向へ 配列された偏光子が続いている。次いで、双方のベクトル変調器と一致する行お よび列を有するチェス盤状変調器１３，２３およびｙ′方向の偏光子が続いてい る。このマトリックス変調器が液晶を使用する場合は、最後の偏光子の偏光面お よびマトリックス変調器の前の偏光方向を対応して適合させなければならない。 変調器ユニットの後には、分光器１４が続いており、この場合、双方の光束は、 ２つの円筒レンズ１５によって、光路に関して相互に直角をなす２つの検知器行 １６，１７にフォーカシングされる。この場合、検知器行１６は、直線光内で、 ｘ方向またはｙ方向へ配列させることができる。この装置によって、ベクトル・ マトリックス・乗算もベクトル・移項マトリックス・乗算も実施できる。９０° だけ回転した双方のベクトル変調器１１，１２，２１，２２によって、更に、２ つのベクトルの外積を形成でき、この場合、結果は、マトリックス状に変調され た光によって表され、検知器マトリックスによって求められる。第１，２図に示 した実施例の場合、この検知器マトリックスは、直接、マトリックス変調器１３ ，２３ 上に置かなければならない。この場合、この装置には、積マトリックスの各要素 は、正にマトリックス変調器のセルも位置する箇所において検知器マトリックス の検知器セルによって求めることができ、結果は、局部的に処理できる。第４図 の場合、検知器マトリックスは別の箇所に設けてあり、光は、ベクトル変調器と マトリックス変調器との間で分割される。 光学式計算機構の機能は、要素毎の乗算に対応する２回の局部的減衰および行 または列毎の加算に対応する円筒レンズによる光束の集束にもとづく。ベクトル ・マトリックス・乗算が望ましいかベクトル・移項マトリックス・乗算が望まし いかに応じて、双方のベクトル変調器の１つは、均一に透光性に構成され、別の １つは、ベクトル要素に対応してトリガされる。関連の検知器レンズ組合せは、 光路、即ち、レンズの円筒軸線に関して、トリガされた変調器スタックに対して 直角であり、検知器行は、光路内において、関連の変調器スタックの各行と同一 の方向を有する。別の変調器スタックによって、それぞれ、マトリックスのすべ ての行または列に係数を乗ずることができる。光学式計算機構の別の変更例を第 ３図に模式的に示した。この変更例の場合、第１ベクトル変調器は、光源３１（ 例えば、レーザダイオード）の行および円筒レンズ３５で置換えられている。さ て、ベクトル要素は、各光源の強度によって表される。この装置の場合、隣接の 光源の光束が当該光路に入って計算ミスが生ずることのないよう、配慮しなけれ ばならない。これは、光源の前に配置され光を行または列毎にのみ扇状に広げる 小形レンズと、絞りとによって達成される。第３図には、レンズおよび絞りは示 してない。 偏光分光器を使用すれば、マトリックス要素に符号をつけることもできる。こ の場合、双方の光束成分は、光路に関して相互に直角に偏光された光を含む。光 束成分は、同一のレンズ検知器ユニット４５，４６，４７を通過し、双方の結果 ベクトルは、相互に減算される。光束が、偏光分光器に関して４５°をなしてマ トリックス変調器４３から出た場合、ゼロが表される。０°または９０°の場合 は、それぞれ、１または−１が示される。第４図に、この種の装置を模式的に示 した。まず、双方の行変調器４１，４２が光路内にあり、次いで、光を積マトリ ックス検知器４９に向ける分光器４４が続いている。マトリックス変調器の後に は、再び、光を２つの偏光分光器４８へ向ける分光器４４が続いており、この場 合、上記偏光分光器は、光を対応する円筒レンズ４５および行検知器４６，４７ へ向ける。更に、第５図に示した如く、外積の局部的評価を行い得る変調器マト リックスおよび検知器マトリックスの組合せも使用できる。第５図の実施例は、 セル毎に、変調器５１および２つの検知器５２，５３を含む。第２変調器に印加 されるベクトルの負数は、第２変調器の二重構造によって考慮でき、正負の数の 量は、２つの隣接の行に印加され、正の要素のゼロは、負数の行に印加され、逆 に、負の要素のゼロは、正数の行に印加される。この場合、１つの検知器５２は 、正の数に関し、別の検知器５３は、負の数に関し、変調器セル５１は、双方に 関する。対応する検知器行１６は、もちろん、二重に構成しなければならず、そ の測定結果を対応して解釈しなければならない。更に、時間多重法で、正負の数 を順次に印加できる。双方の検知器および変調器セルの前に、外積の負の要素を 含む第２ベクトルを容認する偏光子を設けることもできる。しかしながら、この 方法は、ベクトル・マトリックス・乗算には適用できない。更に、各行に、論理 ・記憶機能を実行できる電子回路を設けることができ、次いで、学習結果を光学 的に読取ることができる。ダイオードマトリックス６４の拡散光またはレーザ光 およびマトリックス状強度分布を使用し、レンズ６５によって次の変調器６１， ６２，６３に投影する別の変更例も考えられるが、この場合、光を平行に進行さ せて検知器行へ向けるため、マトリックス変調器６３は、行毎に、マイクロレン ズおよび絞りを有していなければならない。第７図に示した光学式計算ユニット は、第１図の光学式計算ユニットと同様に作動し、この場合、光検知器７５は、 直線でなく平面上に、例えば、マトリックス状に配置されている。上記検知器が 、マトリックス変調器の各行または各列の光で照明されるよう、円筒レンズの代 わりに、マトリックス状光偏向装置７４を使用しなければならない。検知器の２ 次元配置によって、検知器間隔が、１次元配置に比して本質的に拡大される。例 えば、１００ヶの検知器をマトリックス状に配置する場合、マトリックス状配置 の辺長を直線配置の長さと同一として、検知器中心の間隔は１１倍となる。更に 、検知器を３次元に分布させることもできる。この場合、光束ができる限り垂直 に入射するよう、検知器は、湾曲面または台座上に設置する。間隔の増大によっ て、光 の回折に帰因する隣接の検知器へのクロストークが避けられる。回折によって、 検知器上の光点が有限の広さを有し、従って、検知器中心の間隔を任意に縮小で きない。光点または検知器の面状配置によって、本質的に多数の要素によってベ クトルを処理でき、かくして、計算機構の能力を対応して増大できる。かくして 、更に、中間結果を形成でき、この場合、１つの検知器において、すべての行ま たは列ではなくその一部のみを加算し、以降の処理を電子的に行う。行および列 の分割に対応して、多数の検知器を設けなければならない。中間結果の形成は有 利である。なぜならば、この場合、例えば、ディジタル・バリエーションの場合 、更に正確に処理できる過大でない和が生ずるからである。この変更例の場合も 、偏光子を使用すれば、マトリックス要素に符号を付すことができる。この場合 、マトリックス状光偏向装置は、２倍の光束成分を形成しなければならない。か くして、２倍の検知器が必要であり、正負の成分についてそれぞれ２つの結果ベ クトルが生ずる。この場合も、次いで、双方の結果ベクトルを減算する。偏光子 は、マトリックス状光偏向装置および検知器に設置できる。双方に偏光子を設け れば、光が正負の数に影響を与えないという利点が得られる。 マトリックス状光偏向装置の役割は、マトリックス変調器の各光束を所定の検 知器７５，８５へ向けることにある。この場合、ベクトル・マトリックス・乗算 の結果の検知器７５，８５およびベクトル・移項マトリックス・乗算の結果の検 知器にそれぞれ光束を入射させることを考慮する必要がある。これは、各光束を マイクロ分光器・マイクロプリズム・組合せによって分割し、双方の検知器へ向 けるか、各光束に２つのマイクロプリズムを配置し、光束の各半部を双方の検知 器へ向けることによって、達成できる。更に、マイクロレンズによってフォーカ シングを行うこともできる。しかしながら、検知器または回折光点が光束自体よ りも大きい場合は、フォーカシングは不要である。この課題のために、更に、ホ ログラムのパネルまたは二元または多重レベル位相格子のパネルを使用できる。 ホログラムの場合、構造に応じて、望ましくない光束が生ずることを考慮する必 要がある。この場合は、上記光束が妨害を行わないよう検知器をトリガしなけれ ばならせない。ホログラムの場合、偏向された各光束に加えて、反対の角度だけ 偏向された光束も生ずる。更に、未偏向の光束も存在し、高次の偏向角が生ずる 。 二元または多重レベルの位相格子は、望ましくない光束を減少する。 第８図に示した変更例は、第３図の変更例と同様に機能する。この場合、検知 器および光源（例えば、レーザダイオード）は、面状に配置され、更に、湾曲面 または台座上の３次元配置も可能である。この変更例の場合、第１ベクトル変調 器は、光源８１（例えば、レーザダイオード）のパネルおよびマトリックス状光 偏向装置で置換えてある。さて、ベクトル要素は、各光源の強度によって表す。 光源の前には、次のマトリックス状光偏向装置上に縞状光分布を形成するレンズ パネルが設けてある。平行なマトリックス状光束が、上記光偏向装置から出て、 第１ストリップ状変調器の後で、第７図の変更例の場合の光と同様に処理される 。この場合も、同じく、ホログラムを使用する。この場合、ストリップ状パタン の代わりに、光点の縞を形成することもできる。この場合、各光源の前に、例え ば、微小光学系を有し対応する列のマトリックス状光偏向装置上に光点のライン を形成する二元位相格子が設けてあり、上記光点は、光源によって強度変調され る。拡散光と、ダイオードマトリックスまたはレーザ光と、マトリックス状強度 分布を形成する二元位相格子とを使用し、レンズによって次の変調器に投影する 別の変更例も考えられる。この場合、しかしながら、光を平行に進行させて検知 器行へ向けるため、マトリックス変調器は、行毎に、マイクロレンズおよび絞り を有していなければならない。この場合、上記マイクロレンズは、マトリックス 状光偏向装置に組込むことができ、あるいは、ホログラムとして構成できる。 第９図に、光学式ベクトル乗算器のディジタルタイプの変更例を示した。この 場合、マトリックス状光偏向装置は図示してない。マトリックス状光変調器の要 素は、マトリックス９４および移項マトリックス９５の要素のための小さいスト リップ状変調器と、外積の結果のための検知器９６と、例えば、電子回路のため に使用できるよう光学的に使用されてない範囲９７とからなる。ストリップ状変 調器は、ベクトル要素を表す薄い変調器ストリップと、光を変調せずに通過させ る厚いストリップ９８とを有する。上記の厚いストリップは、マトリックス状変 調器の光学的に使用されない範囲の前の光路内にある。二元変更例の変調器は、 光をオン・オフし、かくして、順次に接続した２つの変調器によって二元変調器 が形成される。別の計数系を使用する場合は、光束を不連続に多段で変調する。 ディジタル数は、変調器スタックによって表される。この種の２つのスタックを 相互に交差させて配置すれば、２つのディジタル数の中間結果が含まれる光束マ トリックスが生ずる。この場合、上記双方のディジタル数は、その最終乗算結果 を得るには、それぞれ１桁だけずらして加算すればよい。ディジタルタイプの変 更例によって外積を形成すれば、検知器パネル９６によって受信されるマトリッ クス状中間結果のマトリックスが生ずる。最終結果は、電子的処理によって形成 される。更に、各検知器パネルの前にマトリックス状光偏向装置９９を設置して 、中間結果を光学的に、それぞれ、１桁だけずらして加算できる。第９図に、１ つの要素について、この構造態様を示した。この方策によって検知器の数が減少 される。この場合、検知器にはディジタル数の数字よりも大きい数値が生ずると いうことに注意すべきである。ベクトル・マトリックス・乗算およびベクトル・ 移項マトリックス・乗算の場合にも、マトリックス状変調器の後には中間結果が 生ずる。上記中間結果は、光偏向装置によって光学的に加算される。この場合、 中間結果の各マトリックスは重畳されるか、同時に、桁正しく中間結果を加算す ることもできる。次の電子的処理の場合に、同じく、ディジタル数の数字よりも 本質的に大きい数値が検知器内に生ずることを考慮しなければならない。この場 合も、負のマトリックス数は、類似の変更例の場合と同様、偏光子および検知器 の二重構造によって表される。負のベクトル要素は、ストリップ変調器の二重構 造によってまたは時間多重法によって表すことができる。 第１０図に、ディジタルタイプのマトリックス変調器を示した。この場合、マ トリックス状変調器要素１０１の各数は、第１１図の場合と同一に表される。第 １１図の数は、４桁のディジタル数の桁を示す。各桁は、４回示してあり、桁は 、１つの方向では対角線に関して等しく、別の方向へは主対角線まで増加し、次 いで、再び、第１桁から始まる。この構成によって、上記変調器セルをベクトル ・マトリックス・乗算にもベクトル・移項マトリックス・乗算にも使用できる。 以降の処理は、第９図の変更例と同様に行う。この場合、中間結果の桁の異なる 配置に注意しなければならない。この場合も、外積の形成のため、光束を真っす ぐに変調器セル１０２へ向け且つ斜めに外積の検知器１０３へ向けるマトリック ス状光偏向装置を変調器セルの前に設けることができる。このため、分光器パネ ル またはホログラムパネルを使用できる。この場合、隣接のセルまで延びる高次の 光路を絞りによって遮断できる。この実施例において、レンズによって光を１つ の変調器から別の変調器へ投影する場合、変調器セルの前にあるマトリックス状 光偏向装置の前で既に、光を平行としなければならない。更に、変調器セルの前 のマトリックス状光偏向装置を除くことができ、変調器要素の各セルに、外積の 検知器を設けることができ、この場合、以降の処理は、電子的に行う。 第１２図に、検知器パネルを示した。この場合、各検知器には、光が行（ｚ） から入射するか列（ｓ）から入射するかを且つまた上記行または列のナンバーが 表示される。この実施例の場合、ナンバーは、相互にチェス盤状に埋められ、１ つの側から別の側へ行列状に増加する。この構成によって、できる限り等長の信 号路が達成され、光束の小さい偏向角が得られる。第１３図に、マトリックス状 光偏向装置１３４から検知器１３５までの若干の光路を記入した。この実施例の 場合、ホログラムを使用すれば、望ましくない光束が妨害作用を及ぼすことにな る。 第１４図に、光偏向装置１４４としてのホログラムを有する変更例を示した。 この場合、検知器パネル１４５は、望ましくない光束が検知器に入射しないよう 、配置されている。第１４図において、望ましい光束を実線で示し、望ましくな い光束を破線で示した。更に、図面の見やすさのために、若干の望ましくない光 束は示してない。更にホログラムによって生ずる望ましくない光束が、検知器に 入射しないよう、光束を大きい角度だけ偏向しなければならない。かくして、数 倍の角度で望ましくない光束が生じ、従って、検知器パネル１４５のために、対 応するスペースを見つけることができる。双方の検知器パネルには、検知器がマ トリックス状に配置されている。光偏向装置の左列の光は、列検知器パネルの左 側の検知器に向けられ、光偏向装置の右列の光は、列検知器パネルの右側の検知 器に向けられ、この場合、光偏向装置の各列について、少なくとも１つの検知器 が設けてあり、光偏向装置の列の検知器は、左から右へ順次に照明される。光偏 向装置の各列に左から右へ番号をつければ、関連の検知器に検知器列に続く番号 が与えられる。マトリックスの負の符号の表示のために、光偏向装置の列毎に、 ２つの検知器を設置でき、ディジタル構造の場合は、より多数の検知器を設置す る こともできる。光偏向装置の行についても同様である。上部の行の光は、行検知 器パネルの上部の検知器へ向けられ、下部の行の光は、下部の検知器へ向けられ る。 第１５図に、背面から見た検知器パネル１５５を示した。この場合、光束の原 点を示すために光偏向装置も記入した。同図において、検知器に形成される光点 を円で示した。光束は、第１列および第１行の光偏向装置の要素１５１から来る 。真っすぐな光束の光点を黒い円で示し、残余の望ましくない光点を白抜きの円 で示した。第１５図に、検知器照明の２つの方式を示した。第１の方式の場合、 左の検知器行または下部の検知器列において、番号つけを始めた（白抜き円１５ ２）。第２の方式の場合は、右または上から始めた（黒い円１５３）。この第２ 方式の場合、光点１５６は、検知器パネルに近づく。望ましくない光点を減少す るため、二元または多重レベルの位相格子を使用することもできる。更に、ベク トル・マトリックス・乗算およびベクトル・移項マトリックス・乗算のために且 つまた、必要ならば、マトリックス要素の符号のために、各種のホログラム要素 を使用でき、かくして、各要素は、１つの望ましい光点のみを形成し、従って、 望ましくない光点は著しく減少する。しかしながら、この方策によって、要素の 面積が縮小され、従って、回折効果が大きくなる。第１４図の変更例の利点は、 ホログラムの使用によって好適な量産が可能になるという点にある。 上記の装置は、神経系の計算に極めて好適である。このモデルの場合、ベクト ル・マトリックス・乗算を反復して実施する。この場合、マトリックス自体の要 素は、ゆっくり変化するに過ぎない。高速のベクトル変調器を使用すれば、ベク トルを迅速に印加でき、マトリックス変調器の作動を本質的に減速できる。第５ 図に示した変調器・検知器・ユニットを有する構造および第１分光器を除いた第 ４図の構造が、特に好適である。この種の装置を順次に配列すれば、多層神経系 のための光学式コンピュータが得られる。バックプロパゲーションアルゴリズム にもとづき学習操作を行えば、正の数のみを含むデータベクトルが、第１変調器 に印加され、負の数も含む差ベクトルが、第２変調器に印加される。同時に、モ デルに所望の如く、移項マトリックスによって計算が行われる。更に、モデルに は、同じくこの装置によって求めることができる外積も必要である。結果は、必 要な箇所に、即ち、当該の変調器セルの範囲に正確に現れる。モデルの非線形性 は、いわゆる“ルック・アップ”表によって示すことができる。この場合、変調 器の非線形挙動も考慮できる。更に、ベクトルを記憶しなければならない。なぜ ならば、逆伝播された差ベクトルを外積形成のために印加する場合に、ベクトル が、再び必要となるからである。記憶・管理経費をできる限り節減するため、ベ クトルの順伝播および逆伝播を交互に行う。マトリックス要素の変化は、局部的 に記憶でき、すべてのベクトルの通過後にまたは同時に変調器セルに印加できる 。低速の液晶変調器を使用する場合、変化を同様に印加した場合には、ある程度 の遅延を覚悟しなければならない。すべてのベクトルの通過後の変化の場合は、 遅延を待ち、次いで、次の通過を開始できる。学習プロセスの結果は、後から読 取ることができる。局部的処理によって、多額の布線経費は不要であり、データ は、例えば、列毎に入出力できる。従って、この光学式コンピュータは、完全に 布線結合された層毎に１０００以上のノイロンを有する大きい神経にも適する。 ベクトルの印加を数ｎｓ続けた場合、数百テラー回／ｓｅｃの操作の計算能が得 られる。マトリックス変調器の遅延が数ｍｓである場合、計算能の有意な遅延が 生じないよう、通過毎に約１０００のベクトルを印加しなければならない。この 光学式コンピュータは、神経系のべつのモデル（例えば、パーセプトロン、競合 学習、ＢＡＭ、Ｈｏｐｆｉｅｌｄ）にも適する。この場合、双方の第１変調器は 、行列の番号付け・選択機能にも適し、上記機能の結果は、同じく、変調器・検 知器・マトリックスに記憶できる。

【手続補正書】特許法第１８４条の８ 【提出日】１９９６年５月６日 【補正内容】 明細書 神経系の光学式ベクトル乗算器 〔技術分野〕 本発明は、線形代数学の計算を実施できる光学式ベクトル乗算器であって、光 源と、ベクトルを表すストリップ状変調器セルを有し相互に９０°だけ回転した ２つの光変調器（１１，１２，２１，２２）とをマトリックスを表すマトリック ス状またはチェス盤状光変調器（１３，２３）に光学的に直列に接続した形式の ものに関し、あるいは、本発明は、線形代数学の計算を実施できる光学式ベクト ル乗算器であって、ベクトルを表すトリガ可能な各光源（３１）のパネルと、平 行な縞状強度分布が生ずるよう光源の光を分割する光学式装置と、ベクトルを表 すストリップ状変調器セルを有し上記強度分布に対して９０°だけ回転した光変 調器（３２）とをマトリックスを表すマトリックス状またはチェス盤状光変調器 （３３）に光学的に直列に接続した形式のものに関する。 〔背景技術〕 ベクトル・マトリックス・乗算および外積を計算でき、この場合、光電変調器 または光源パネルを使用する光学式コンピュータは既知である。英国特許ＧＢ− Ａ−２２６７１６５（シャープ）には、２つの光路によってベクトル・マトリッ クス・乗算および２つのベクトルの外積を形成できる光学式プロセッサが記載さ れている。外積の結果マトリックスは、マトリックス変調器のセルの範囲に記憶 できる。しかしながら、この装置は、同時に、移項されたマトリックスを使用す ることはできない。ドイツ特許公開第４０１９７４８号（ＲＯＢＥＲＴ ＢＯＳ ＣＨ社）には、ベクトル・マトリックス・乗算を実施する装置が記載されている 。この場合、面状光源と、行ラスタ状光弁と、ラスタ状絞りと、列ラスタ状光電 検知器とが、光学的に直列に接続されている。この装置も、同時には、移項マト リックスを使用できない。Ｏｐｔｉｋ誌、Ｖｏｌ．９１，Ｎｏ．１，１９９２． ７．１，ｐ４１−４５（ＹＡＮＧら）には、トリガ自在な各光分布の形成に役立 つ光源およびストリップ状変調器のユニットを発光ダイオード・アレイおよび円 筒光学系で置換え得る方式が記載されている。ヨーロッパ公開公報ＥＰ−Ａ２− ４５０５２６（ＨＵＧＨＥＳ ＡＩＲＣＲＡＦＴ）には、２つのベクトルの外積 を形 成できる光学式プロセッサが記載されている。 〔発明の開示〕 マトリックスは、低速の液晶パネルによってまたはセルの応答が順次にのみ行 われる光電変調器によって表されるが、本発明によって、線形代数学の演算を最 大限に迅速に行い得る。更に、ベクトル・マトリックス・乗算において、移項さ れたマトリックスも使用でき、２つのベクトルの外積を計算でき、外積の結果マ トリックスをマトリックス変調器のセルの範囲に直接に記憶できる。光検知器は 、任意に分布させて配置でき、更に、ベクトル乗算器は、ディジタルで作動でき る。更に、マトリックスを負の要素で表現できる。上記性質にもとづき、本装置 は、神経系の各種モデルに特に好適であり、多層神経のためにカスケード構造で も使用できる。 この課題は、結果ベクトルをベクトル・マトリックス・乗算およびベクトル・ 移項マトリックス・乗算から形成できるよう光路内に後置された２つまたはより 多数の１次元光検知器パネル（１６，１７）の検知器において光束を収束するた め、あるいは、結果ベクトルをベクトル・マトリックス・乗算および／またはベ クトル・移項マトリックス・乗算から形成できるよう光路内に後置された２つま たはより多数の２次元光検知器パネルの検知器において光束を収束するため、光 束を方向変更および／または分割する光学装置（１４，１５）を光路内に上記変 調器ユニットの後に設置することによって、解決される。 ベクトル変調器を９０°だけ回転して配置したことによって、同一構造におい て、マトリックスおよび移項マトリックスを使用できる。すべての行または列の 別の各ベクトル変調器の透過性を均一にするだけでよい。９０°だけ回転したベ クトル変調器によって、２つのベクトルの外積も形成でき、この場合、結果は、 検知器マトリックスによって求める。この検知器マトリックスは、チェス盤状光 学式変調器上に置くこともでき、この場合、各検知器セルは、マトリックス変調 器のセルの近傍に位置する。かくして、上記マトリックスに情報を局部的に記憶 し、処理できる、この装置の場合、更に、ベクトルおよびマトリックスを負の要 素で表現でき、この場合、結果は、２つの検知器の数値の差から求める。双方の 検知器は、相互に直交する偏光面を有する光束を受光する。更に、ホログラムと して構成することもできるマトリックス状光偏向装置を使用して、結果ベクトル の検知器を任意に、できる限り相互に離して配置し、回折効果を最少化できる。 検知器の任意の配置によって、ベクトルマトリックス乗算器のディジタル・バリ エーションも可能である。 〔図面の簡単な説明〕 第１図は、光学式計算ユニットの基本構造を示す図面であり、第２図は、光変 調器の基本的配置を示す図面であり、第３図は、光源ストリップを有する変更例 の図面であり、第４図は、負のマトリックス要素も使用できる変更例の図面であ り、第５図は、マトリックス変調器およびマトリックス検知器の組合せを示す図 面であり、第６図は、拡散光、光源マトリックスまたは二元位相格子を使用する 変更例の図面であり、第７図は、マトリックス状光偏向装置を有する光学式計算 ユニットの基本構造を示す図面であり、第８図は、光源パネルを有する変更例の 図面であり、第９図は、ディジタル・ベクトル要素およびディジタル・マトリッ クス要素も使用できる変更例の図面であり、第１０図は、マトリックス状変調要 素を有し８桁のディジタル数を表現できる４×４のマトリックス変調器を示す図 面であり、第１１図は、マトリックス状変調器の要素であって、複数の変調器要 素からマトリックス状に構成され、記入した数で桁値を示したディジタル数を表 す形式の要素を示す図面であり、第１２図は、どの行または列から光が各検知器 に入射するかを示した検知器パネルの図面であり、第１３図は、マトリックス状 光偏向装置から検知器パネルまでの光路を示す図面であり、第１４図は、光偏向 装置としてホログラムを有する変更例の図面であり、第１５図は、検知器パネル および若干の光点を示す図面である。 〔発明を実施するための最良の形態〕 図示の実施例を参照して、以下に、本発明を詳細に説明する。 平行光（好ましくは、レーザ光）は、列状振幅変調を行う変調器を介して入射 する。この変調は、例えば、光を、まず、ｘ方向に対して４５°傾斜したｘ′方 向へ偏光する偏光器を通過させ、次いで、行的に光の位相変調を行う横方向光電 変調器（１１，２１）を通過させ、次いで、再び、ｘ′方向に直角な、即ち、ｙ ′方向の偏光子を通過させる。この装置にもとづき、行について振幅変調され、 ｙ′ 方向へ偏光された光が得られる。第１，２図に、偏光子を含まない変調器１１， １２，２１，２２のみを模式的に示した。偏光子の後には、同じく、第１変調器 に対して９０°だけ回転されたベクトル変調器１２，２２およびｘ′方向へ配列 された偏光子が続いている。次いで、双方のベクトル変調器と一致する行および 列を有するチェス盤状変調器１３，２３およびｙ′方向の偏光子が続いている。 このマトリックス変調器が液晶を使用する場合は、最後の偏光子の偏光面および マトリックス変調器の前の偏光方向を対応して適合させなければならない。変調 器ユニットの後には、分光器１４が続いており、この場合、双方の光束は、２つ の円筒レンズ１５によって、光路に関して相互に直角をなす２つの検知器行１６ ，１７にフォーカシングされる。この場合、検知器行１６は、直線光内で、ｘ方 向またはｙ方向へ配列させることができる。この装置によって、ベクトル・マト リックス・乗算もベクトル・移項マトリックス・乗算も実施できる。９０°だけ 回転した双方のベクトル変調器１１，１２，２１，２２によって、更に、２つの ベクトルの外積を形成でき、この場合、結果は、マトリックス状に変調された光 によって表され、検知器マトリックスによって求められる。第１，２図に示した 実施例の場合、この検知器マトリックスは、直接、マトリックス変調器１３，２ ３上に置かなければならない。この場合、この装置には、積マトリックスの各要 素は、正にマトリックス変調器のセルも位置する箇所において検知器マトリック スの検知器セルによって求めることができ、結果は、局部的に処理できる。第４ 図の場合、検知器マトリックスは別の箇所に設けてあり、光は、ベクトル変調器 とマトリックス変調器との間で分割される。 光学式計算機構の機能は、要素毎の乗算に対応する２回の局部的減衰および行 または列毎の加算に対応する円筒レンズによる光束の集束にもとづく。ベクトル ・マトリックス・乗算が望ましいかベクトル・移項マトリックス・乗算が望まし いかに応じて、双方のベクトル変調器の１つは、均一に透光性に構成され、別の １つは、ベクトル要素に対応してトリガされる。関連の検知器レンズ組合せは、 光路、即ち、レンズの円筒軸線に関して、トリガされた変調器スタックに対して 直角であり、検知器行は、光路内において、関連の変調器スタックの各行と同一 の方向を有する。別の変調器スタックによって、それぞれ、マトリックスのすべ て の行または列に係数を乗ずることができる。光学式計算機構の別の変更例を第３ 図に模式的に示した。この変更例の場合、第１ベクトル変調器は、光源３１（例 えば、レーザダイオード）の行および円筒レンズ３５で置換えられている。さて 、ベクトル要素は、各光源の強度によって表される。この装置の場合、隣接の光 源の光束が当該光路に入って計算ミスが生ずることのないよう、配慮しなければ ならない。これは、光源の前に配置され光を行または列毎にのみ扇状に広げる小 形レンズと、絞りとによって達成される。第３図には、レンズおよび絞りは示し てない。 偏光分光器を使用すれば、マトリックス要素に符号をつけることもできる。こ の場合、双方の光束成分は、光路に関して相互に直角に偏光された光を含む。光 束成分は、同一のレンズ検知器ユニット４５，４６，４７を通過し、双方の結果 ベクトルは、相互に減算される。光束が、偏光分光器に関して４５°をなしてマ トリックス変調器４３から出た場合、ゼロが表される。０°または９０°の場合 は、それぞれ、１または−１が示される。第４図に、この種の装置を模式的に示 した。まず、双方の行変調器４１，４２が光路内にあり、次いで、光を積マトリ ックス検知器４９に向ける分光器４４が続いている。マトリックス変調器の後に は、再び、光を２つの偏光分光器４８へ向ける分光器４４が続いており、この場 合、上記偏光分光器は、光を対応する円筒レンズ４５および行検知器４６，４７ へ向ける。更に、第５図に示した如く、外積の局部的評価を行い得る変調器マト リックスおよび検知器マトリックスの組合せも使用できる。第５図の実施例は、 セル毎に、変調器５１および２つの検知器５２，５３を含む。第２変調器に印加 されるベクトルの負数は、第２変調器の二重構造によって考慮でき、正負の数の 量は、２つの隣接の行に印加され、正の要素のゼロは、負数の行に印加され、逆 に、負の要素のゼロは、正数の行に印加される。この場合、１つの検知器５２は 、正の数に関し、別の検知器５３は、負の数に関し、変調器セル５１は、双方に 関する。対応する検知器行１６は、もちろん、二重に構成しなければならず、そ の測定結果を対応して解釈しなければならない。更に、時間多重法で、正負の数 を順次に印加できる。双方の検知器および変調器セルの前に、外積の負の要素を 含む第２ベクトルを容認する偏光子を設けることもできる。しかしながら、この 方 法は、ベクトル・マトリックス・乗算には適用できない。更に、各行に、論理・ 記憶機能を実行できる電子回路を設けることができ、次いで、学習結果を光学的 に読取ることができる。ダイオードマトリックス６４の拡散光またはレーザ光お よびマトリックス状強度分布を使用し、レンズ６５によって次の変調器６１，６ ２，６３に投影する別の変更例も考えられるが、この場合、光を平行に進行させ て検知器行へ向けるため、マトリックス変調器６３は、行毎に、マイクロレンズ および絞りを有していなければならない。第７図に示した光学式計算ユニットは 、第１図の光学式計算ユニットと同様に作動し、この場合、光検知器７５は、直 線でなく平面上に、例えば、マトリックス状に配置されている。上記検知器が、 マトリックス変調器の各行または各列の光で照明されるよう、円筒レンズの代わ りに、マトリックス状光偏向装置７４を使用しなければならない。検知器の２次 元配置によって、検知器間隔が、１次元配置に比して本質的に拡大される。例え ば、１００ヶの検知器をマトリックス状に配置する場合、マトリックス状配置の 辺長を直線配置の長さと同一として、検知器中心の間隔は１１倍となる。更に、 検知器を３次元に分布させることもできる。この場合、光束ができる限り垂直に 入射するよう、検知器は、湾曲面または台座上に設置する。間隔の増大によって 、光の回折に帰因する隣接の検知器へのクロストークが避けられる。回折によっ て、検知器上の光点が有限の広さを有し、従って、検知器中心の間隔を任意に縮 小できない。光点または検知器の面状配置によって、本質的に多数の要素によっ てベクトルを処理でき、かくして、計算機構の能力を対応して増大できる。かく して、更に、中間結果を形成でき、この場合、１つの検知器において、すべての 行または列ではなくその一部のみを加算し、以降の処理を電子的に行う。行およ び列の分割に対応して、多数の検知器を設けなければならない。中間結果の形成 は有利である。なぜならば、この場合、例えば、ディジタル・バリエーションの 場合、更に正確に処理できる過大でない和が生ずるからである。この変更例の場 合も、偏光子を使用すれば、マトリックス要素に符号を付すことができる。この 場合、マトリックス状光偏向装置は、２倍の光束成分を形成しなければならない 。かくして、２倍の検知器が必要であり、正負の成分についてそれぞれ２つの結 果ベクトルが生ずる。この場合も、次いで、双方の結果ベクトルを減算する。偏 光子は、 マトリックス状光偏向装置および検知器に設置できる。双方に偏光子を設ければ 、光が正負の数に影響を与えないという利点が得られる。 マトリックス状光偏向装置の役割は、マトリックス変調器の各光束を所定の検 知器７５，８５へ向けることにある。この場合、ベクトル・マトリックス・乗算 の結果の検知器７５，８５およびベクトル・移項マトリックス・乗算の結果の検 知器にそれぞれ光束を入射させることを考慮する必要がある。これは、各光束を マイクロ分光器・マイクロプリズム・組合せによって分割し、双方の検知器へ向 けるか、各光束に２つのマイクロプリズムを配置し、光束の各半部を双方の検知 器へ向けることによって、達成できる。更に、マイクロレンズによってフォーカ シングを行うこともできる。しかしながら、検知器または回折光点が光束自体よ りも大きい場合は、フォーカシングは不要である。この課題のために、更に、ホ ログラムのパネルまたは二元または多重レベル位相格子のパネルを使用できる。 ホログラムの場合、構造に応じて、望ましくない光束が生ずることを考慮する必 要がある。この場合は、上記光束が妨害を行わないよう検知器をトリガしなけれ ばならせない。ホログラムの場合、偏向された各光束に加えて、反対の角度だけ 偏向された光束も生ずる。更に、未偏向の光束も存在し、高次の偏向角が生ずる 。二元または多重レベルの位相格子は、望ましくない光束を減少する。 第８図に示した変更例は、第３図の変更例と同様に機能する。この場合、検知 器および光源（例えば、レーザダイオード）は、面状に配置され、更に、湾曲面 または台座上の３次元配置も可能である。この変更例の場合、第１ベクトル変調 器は、光源８１（例えば、レーザダイオード）のパネルおよびマトリックス状光 偏向装置で置換えてある。さて、ベクトル要素は、各光源の強度によって表す。 光源の前には、次のマトリックス状光偏向装置上に縞状光分布を形成するレンズ パネルが設けてある。平行なマトリックス状光束が、上記光偏向装置から出て、 第１ストリップ状変調器の後で、第７図の変更例の場合の光と同様に処理される 。この場合も、同じく、ホログラムを使用する。この場合、ストリップ状パタン の代わりに、光点の縞を形成することもできる。この場合、各光源の前に、例え ば、微小光学系を有し対応する列のマトリックス状光偏向装置上に光点のライン を形成する二元位相格子が設けてあり、上記光点は、光源によって強度変調され る。 拡散光と、ダイオードマトリックスまたはレーザ光と、マトリックス状強度分布 を形成する二元位相格子とを使用し、レンズによって次の変調器に投影する別の 変更例も考えられる。この場合、しかしながら、光を平行に進行させて検知器行 へ向けるため、マトリックス変調器は、行毎に、マイクロレンズおよび絞りを有 していなければならない。この場合、上記マイクロレンズは、マトリックス状光 偏向装置に組込むことができ、あるいは、ホログラムとして構成できる。 第９図に、光学式ベクトル乗算器のディジタルタイプの変更例を示した。この 場合、マトリックス状光偏向装置は図示してない。マトリックス状光変調器の要 素は、マトリックス９４および移項マトリックス９５の要素のための小さいスト リップ状変調器と、外積の結果のための検知器９６と、例えば、電子回路のため に使用できるよう光学的に使用されてない範囲９７とからなる。ストリップ状変 調器は、ベクトル要素を表す薄い変調器ストリップと、光を変調せずに通過させ る厚いストリップ９８とを有する。上記の厚いストリップは、マトリックス状変 調器の光学的に使用されない範囲の前の光路内にある。二元変更例の変調器は、 光をオン・オフし、かくして、順次に接続した２つの変調器によって二元変調器 が形成される。別の計数系を使用する場合は、光束を不連続に多段で変調する。 ディジタル数は、変調器スタックによって表される。この種の２つのスタックを 相互に交差させて配置すれば、２つのディジタル数の中間結果が含まれる光束マ トリックスが生ずる。この場合、上記双方のディジタル数は、その最終乗算結果 を得るには、それぞれ１桁だけずらして加算すればよい。ディジタルタイプの変 更例によって外積を形成すれば、検知器パネル９６によって受信されるマトリッ クス状中間結果のマトリックスが生ずる。最終結果は、電子的処理によって形成 される。更に、各検知器パネルの前にマトリックス状光偏向装置９９を設置して 、中間結果を光学的に、それぞれ、１桁だけずらして加算できる。第９図に、１ つの要素について、この構造態様を示した。この方策によって検知器の数が減少 される。この場合、検知器にはディジタル数の数字よりも大きい数値が生ずると いうことに注意すべきである。ベクトル・マトリックス・乗算およびベクトル・ 移項マトリックス・乗算の場合にも、マトリックス状変調器の後には中間結果が 生ずる。上記中間結果は、光偏向装置によって光学的に加算される。この場合、 中 間結果の各マトリックスは重畳されるか、同時に、桁正しく中間結果を加算する こともできる。次の電子的処理の場合に、同じく、ディジタル数の数字よりも本 質的に大きい数値が検知器内に生ずることを考慮しなければならない。この場合 も、負のマトリックス数は、類似の変更例の場合と同様、偏光子および検知器の 二重構造によって表される。負のベクトル要素は、ストリップ変調器の二重構造 によってまたは時間多重法によって表すことができる。 第１０図に、ディジタルタイプのマトリックス変調器を示した。この場合、マ トリックス状変調器要素１０１の各数は、第１１図の場合と同一に表される。第 １１図の数は、４桁のディジタル数の桁を示す。各桁は、４回示してあり、桁は 、１つの方向では対角線に関して等しく、別の方向へは主対角線まで増加し、次 いで、再び、第１桁から始まる。この構成によって、上記変調器セルをベクトル ・マトリックス・乗算にもベクトル・移項マトリックス・乗算にも使用できる。 以降の処理は、第９図の変更例と同様に行う。この場合、中間結果の桁の異なる 配置に注意しなければならない。この場合も、外積の形成のため、光束を真っす ぐに変調器セル１０２へ向け且つ斜めに外積の検知器１０３へ向けるマトリック ス状光偏向装置を変調器セルの前に設けることができる。このため、分光器パネ ルまたはホログラムパネルを使用できる。この場合、隣接のセルまで延びる高次 の光路を絞りによって遮断できる。この実施例において、レンズによって光を１ つの変調器から別の変調器へ投影する場合、変調器セルの前にあるマトリックス 状光偏向装置の前で既に、光を平行としなければならない。更に、変調器セルの 前のマトリックス状光偏向装置を除くことができ、変調器要素の各セルに、外積 の検知器を設けることができ、この場合、以降の処理は、電子的に行う。 第１２図に、検知器パネルを示した。この場合、各検知器には、光が行（ｚ） から入射するか列（ｓ）から入射するかを且つまた上記行または列のナンバーが 表示される。この実施例の場合、ナンバーは、相互にチェス盤状に埋められ、１ つの側から別の側へ行列状に増加する。この構成によって、できる限り等長の信 号路が達成され、光束の小さい偏向角が得られる。第１３図に、マトリックス状 光偏向装置１３４から検知器１３５までの若干の光路を記入した。この実施例の 場合、ホログラムを使用すれば、望ましくない光束が妨害作用を及ぼすことにな る。 第１４図に、光偏向装置１４４としてのホログラムを有する変更例を示した。 この場合、検知器パネル１４５は、望ましくない光束が検知器に入射しないよう 、配置されている。第１４図において、望ましい光束を実線で示し、望ましくな い光束を破線で示した。更に、図面の見やすさのために、若干の望ましくない光 束は示してない。更にホログラムによって生ずる望ましくない光束が、検知器に 入射しないよう、光束を大きい角度だけ偏向しなければならない。かくして、数 倍の角度で望ましくない光束が生じ、従って、検知器パネル１４５のために、対 応するスペースを見つけることができる。双方の検知器パネルには、検知器がマ トリックス状に配置されている。光偏向装置の左列の光は、列検知器パネルの左 側の検知器に向けられ、光偏向装置の右列の光は、列検知器パネルの右側の検知 器に向けられ、この場合、光偏向装置の各列について、少なくとも１つの検知器 が設けてあり、光偏向装置の列の検知器は、左から右へ順次に照明される。光偏 向装置の各列に左から右へ番号をつければ、関連の検知器に検知器列に続く番号 が与えられる。マトリックスの負の符号の表示のために、光偏向装置の列毎に、 ２つの検知器を設置でき、ディジタル構造の場合は、より多数の検知器を設置す ることもできる。光偏向装置の行についても同様である。上部の行の光は、行検 知器パネルの上部の検知器へ向けられ、下部の行の光は、下部の検知器へ向けら れる。 第１５図に、背面から見た検知器パネル１５５を示した。この場合、光束の原 点を示すために光偏向装置も記入した。同図において、検知器に形成される光点 を円で示した。光束は、第１列および第１行の光偏向装置の要素１５１から来る 。真っすぐな光束の光点を黒い円で示し、残余の望ましくない光点を白抜きの円 で示した。第１５図に、検知器照明の２つの方式を示した。第１の方式の場合、 左の検知器行または下部の検知器列において、番号つけを始めた（白抜き円１５ ２）。第２の方式の場合は、右または上から始めた（黒い円１５３）。この第２ 方式の場合、光点１５６は、検知器パネルに近づく。望ましくない光点を減少す るため、二元または多重レベルの位相格子を使用することもできる。更に、ベク トル・マトリックス・乗算およびベクトル・移項マトリックス・乗算のために且 つまた、 必要ならば、マトリックス要素の符号のために、各種のホログラム要素を使用で き、かくして、各要素は、１つの望ましい光点のみを形成し、従って、望ましく ない光点は著しく減少する。しかしながら、この方策によって、要素の面積が縮 小され、従って、回折効果が大きくなる。第１４図の変更例の利点は、ホログラ ムの使用によって好適な量産が可能になるという点にある。 上記の装置は、神経系の計算に極めて好適である。このモデルの場合、ベクト ル・マトリックス・乗算を反復して実施する。この場合、マトリックス自体の要 素は、ゆっくり変化するに過ぎない。高速のベクトル変調器を使用すれば、ベク トルを迅速に印加でき、マトリックス変調器の作動を本質的に減速できる。第５ 図に示した変調器・検知器・ユニットを有する構造および第１分光器を除いた第 ４図の構造が、特に好適である。この種の装置を順次に配列すれば、多層神経系 のための光学式コンピュータが得られる。バックプロパゲーションアルゴリズム にもとづき学習操作を行えば、正の数のみを含むデータベクトルが、第１変調器 に印加され、負の数も含む差ベクトルが、第２変調器に印加される。同時に、モ デルに所望の如く、移項マトリックスによって計算が行われる。更に、モデルに は、同じくこの装置によって求めることができる外積も必要である。結果は、必 要な箇所に、即ち、当該の変調器セルの範囲に正確に現れる。モデルの非線形性 は、いわゆる“ルック・アップ”表によって示すことができる。この場合、変調 器の非線形挙動も考慮できる。更に、ベクトルを記憶しなければならない。なぜ ならば、逆伝播された差ベクトルを外積形成のために印加する場合に、ベクトル が、再び必要となるからである。記憶・管理経費をできる限り節減するため、ベ クトルの順伝播および逆伝播を交互に行う。マトリックス要素の変化は、局部的 に記憶でき、すべてのベクトルの通過後にまたは同時に変調器セルに印加できる 。低速の液晶変調器を使用する場合、変化を同様に印加した場合には、ある程度 の遅延を覚悟しなければならない。すべてのベクトルの通過後の変化の場合は、 遅延を待ち、次いで、次の通過を開始できる。学習プロセスの結果は、後から読 取ることができる。局部的処理によって、多額の布線経費は不要であり、データ は、例えば、列毎に入出力できる。従って、この光学式コンピュータは、完全に 布線結合された層毎に１０００以上のノイロンを有する大きい神経にも適する。 ベク トルの印加を数ｎｓ続けた場合、数百テラー回／ｓｅｃの操作の計算能が得られ る。マトリックス変調器の遅延が数ｍｓである場合、計算能の有意な遅延が生じ ないよう、通過毎に約１０００のベクトルを印加しなければならない。この光学 式コンピュータは、神経系のべつのモデル（例えば、パーセプトロン、競合学習 、ＢＡＭ、Ｈｏｐｆｉｅｌｄ）にも適する。この場合、双方の第１変調器は、行 列の番号付け・選択機能にも適し、上記機能の結果は、同じく、変調器・検知器 ・マトリックスに記憶できる。 請求の範囲 １．線形代数学の計算を実施できる光学式ベクトル乗算器であって、光源と、ベ クトルを表すストリップ状変調器セルを有し相互に９０°だけ回転した２つの光 変調器（１１，１２，２１，２２）とをマトリックス状またはチェス盤状光変調 器（１３，２３）に光学的に直列に接続した形式のものにおいて、結果ベクトル をベクトル・マトリックス・乗算およびベクトル・移項マトリックス・乗算から 形成できるよう光路内に後置された２つまたはそれより多数の１次元光検知器パ ネル（１６，１７）の検知器において光束を収束するため、あるいは、結果ベク トルをベクトル・マトリックス・乗算および／またはベクトル・移項マトリック ス・乗算から形成できるよう光路内に後置された２つまたはそれより多数の２次 元光検知器パネルの検知器において光束を収束するため、光束を方向変更および ／または分割する光学装置（１４，１５）が、前記光路内で前記光変調器ユニッ トの後に設置されていることを特徴とする光学式ベクトル乗算器。 ２．線形代数学の計算を実施できる光学式ベクトル乗算器であって、ベクトルを 表すトリガ可能な各光源（３１）のパネルと、平行な縞状強度分布が生ずるよう 光源の光を分割する光学式装置と、ベクトルを表すストリップ状変調器セルを有 し上記強度分布に対して９０°だけ回転した光変調器（３２）とをマトリックス 状またはチェス盤状光変調器（３３）に光学的に直列に接続した形式のものにお いて、結果ベクトルをベクトル・マトリックス・乗算およびベクトル・移項マト リックス・乗算から形成できるよう光路内に後置された２つまたはそれより多数 の１次元光検知器パネル（１６，１７）の検知器において光束を収束するため、 あるいは、結果ベクトルをベクトル・マトリックス・乗算および／またはベクト ル・移項マトリックス・乗算から形成できるよう光路内に後置された２つまたは それより多数の２次元光検知器パネルの検知器において光束を収束するため、光 束を方向変更および／または分割する光学装置（１４，１５）が、前記光路内で 前記変調器ユニットの後に設置されていることを特徴とする光学式ベクトル乗算 器。 ３．光源が、拡散光を放射し、光源マトリックス（６４）からなり、二元位相格 子または別の光学装置にもとづきマトリックス状強度分布を有し、上記光が、レ ンズ（６５）または光路内に設置された別の光学装置によって、それぞれ次の変 調器またはマトリックス状またはチェス盤状光検知器パネルに投影されることを 特徴とする請求の範囲第１項記載の光学式ベクトル乗算器。 ４．光源が、平行光を放射することを特徴とする請求の範囲第１項記載の光学式 ベクトル乗算器。 ５．光検知器（５２，５３）が、マトリックス状またはチェス盤状光変調器の要 素上に設けてある構成とするか、あるいはマトリックス状またはチェス盤状光変 調器および補足のマトリックス状またはチェス盤状光検知器パネル（４９）に入 射するよう光を分割する分光器（４４）又はこれと別の偏光分光器のいずれかが 、マトリックス状またはチェス盤状光変調器の前に設けてある構成とし、これに よりストリップ状変調器セルを有し９０°だけ相互に回転した２つの光変調器に よって表されるベクトルの外積を形成でき、更に、検知器の信号を処理するおよ び／または変調器セルをトリガする電子回路が設けてあることを特徴とする請求 の範囲第１，３または４項記載の光学式ベクトル乗算器。 ６．光検知器が、マトリックス状またはチェス盤状光変調器の要素上に設けてあ る構成とするか、あるいは、マトリックス状またはチェス盤状光変調器および補 足のマトリックス状またはチェス盤状光検知器パネル（４９）に入射するよう光 を分割する分光器又はこれとは別の偏光分光器のいずれかが、マトリックス状ま たはチェス盤状光変調器の前に設けてある構成とし、これによりトリガ自在の各 光源のパネルおよびストリップ状変調器セルを有する光変調器によって表される ベクトルの外積を形成でき、更に、検知器の信号を更に処理するおよび／または 変調器セルをトリガする電子回路が設けてあることを特徴とする請求の範囲第２ 項記載の光学式ベクトル乗算器。 ７．光路内で変調器ユニットの後に設置され、ベクトル・マトリックス・乗算ま たはベクトル・移項マトリックス・乗算器を形成する１つまたは複数の光学装置 が、任意の検知器が配置できるよう、マトリックス状またはチェス盤状光偏向装 置（７４）として構成され、上記光偏向装置の要素が、光を方向変更および／ま たは分割することを特徴とする請求の範囲第１，３，４または５項記載の光学式 ベクトル乗算器。 ８．光路内で変調器ユニットの後に設置され、ベクトル・マトリックス・乗算ま たはベクトル・移項マトリックス・乗算器を形成する１つまたは複数の光学装置 が、マトリックス状またはチェス盤状光偏向装置（８４）として構成され、およ び／または、トリガ自在の各光源のパネルに続いて配置され、平行な縞状強度分 布が生ずるよう光源の光を分割する光学装置が、検知器および／または前記光源 を任意に配置できるよう、マトリックス状またはチェス盤状光偏向装置（８６） として構成され、上記光偏向装置の要素が、光を方向変更および／または分割す ることを、特徴とする請求の範囲第２または６項記載の光学式ベクトル乗算器。 ９．１つのまたは複数のまたはすべてのマトリックスまたはチェス盤状光変調器 が、ホログラムパネルおよび／または位相格子として構成されていることを特徴 とする請求の範囲第７または８項記載の光学式ベクトル乗算器。 １０．光検知器パネル（７５，８５）上の検知器および／または、光源パネル（ ８１）が設けてある場合にはその光源が、マトリックス状に、任意に２次元にま たは３次元に分布させて配置されていることを特徴とする請求の範囲第７，８ま たは９項記載の光学式ベクトル乗算器。 １１．任意の数列のディジタル数を表し得るよう、マトリックス状またはチェス 盤状変調器が、ストリップ状変調器（９４，９５）および／またはマトリックス 状またはチェス盤状変調器（１０２）から構成され、マトリックス状またはチェ ス盤状変調器の要素上には、選択的に、光検知器（９６，１０３）および／また は検知器の信号をディジタル処理し変調器セルをトリガする電子回路が設けてあ り、前記ストリップ状変調器が、各数を表す変調器ストリップを分離するため変 調機能のない補助ストリップ（９８）を必要に応じて設けることが可能であるこ とを特徴とする請求の範囲第７−１０項の１つに記載の光学式ベクトル乗算器。 １２．ストリップ状変調器セルを有する最後の光変調器とマトリックス状または チェス盤状変調器（９３）との間には、補足の代数演算を形成できるよう検知器 および／または前記マトリックス状またはチェス盤状変調器の変調器セルへ光を 向けるため光を方向変更および／または分割する光偏向装置（９９）が設けてあ ることを特徴とする請求の範囲第７−１１項の１つに記載の光学式ベクトル乗算 器。 １３．マトリックス状またはチェス盤状変調器に表されるマトリックスの部分マ トリックスからベクトル・マトリックス・乗算および／またはベクトル・移項マ トリックス・乗算を形成できるよう、マトリックス状またはチェス盤状光偏向装 置によってマトリックス状またはチェス盤状変調器の行および／または列の部分 の光束を検知器へ向けることを特徴とする請求の範囲第７−１１項の１つに記載 の光学式ベクトル乗算器。 １４．マトリックス状またはチェス盤状変調器が、液晶パネルであり、および／ または、ストリップ状変調器が、光電結晶として構成されていることを特徴とす る請求の範囲第１−１３項の１つに記載の光学式ベクトル乗算器。 １５．光束の偏光面を評価できるよう、光路には、光検知器の前に偏光子が設け てあり、および／または、光検知器パネルの前に偏光分光器が設けてあることを 特徴とする請求の範囲第１−１４項の１つに記載の光学式ベクトル乗算器。 １６．該乗算器が、カスケードの形に順次にまたは並列に接続された請求の範囲 第１−１５項の１つに記載のベクトル乗算器を含むことを特徴とする光学式ベク トル乗算器。 １７．該乗算器が、特に、計算機能、論理機能、信号伝送機能および／または記 憶機能を果たす補足の電子回路を備え、これら全機能が、コンピュータによって 最適に監視されることができ、学習プロセスの結果が記憶されることを特徴とす る請求の範囲第１−１６項の１つに記載の光学式ベクトル乗算器。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ， ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ)， ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，Ｃ Ｈ，ＣＮ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ ，ＧＥ，ＨＵ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ， ＬＫ，ＬＲ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＮ，Ｍ Ｗ，ＭＸ，ＮＬ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＴ，ＵＡ， ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．線形代数学の計算を実施できる光学式ベクトル乗算器であって、ベクトルを 表すストリップ状変調器セルを有し、好ましくは、サンドウィッチ構造の光電変 調器として構成された２つの光変調器（１１，１２，２１，２２）を相互に９０ °だけずらして光路に配置した形式のものにおいて、前記光路において上記装置 には、マトリックスを表すマトリックス状またはチェス盤状光変調器（１３，２ ３）好ましくは、液晶変調器が後置され、次いで、選択的に、光検知器（５２， ５３）および／または電子回路が設けてあり、この電子回路によって前記光検知 器の信号を処理して変調器セルをトリガし、反射および／または透過変調器を使 用し、全変調器ユニットに平行光を透過させ、次いで、光学装置によって１つま たは複数の光検知器パネル（１６，１７，４６，４７）に光を入射させ、結果ベ クトルをベクトル・マトリックス・乗算および／またはベクトル・移項マトリッ クス・乗算によって形成できるよう光束を方向変更することを特徴とする光学式 ベクトル乗算器。 ２．線形代数学の計算を実施できる光学式ベクトル乗算器であって、ベクトルを 表すトリガ可能な各光源（３１）（好ましくは、レーザダイオードまたは発光ダ イオード）のパネルの光を光学装置によって分割して、平行な縞状強度分布を形 成する形式のものにおいて、ベクトルを表すストリップ状変調器セルを有する光 変調器（３２）を構成し、好ましくは、上記光変調器をサンドウィッチ構造の光 電変調器として構成し、縞状強度分布に対して９０°だけ回転して光路に配置し 、光路において上記装置には、マトリックスを表すマトリックス状またはチェス 盤状光変調器（３３）、好ましくは、液晶変調器を後置し、次いで、選択的に、 光検知器（５２，５３）および／または電子回路を設け、この電子回路によって 検知器の信号を処理して変調器セルをトリガし、反射および／または透過変調器 を使用し、次いで、光学装置によって１つまたは複数の光検知器パネルに光を入 射させ、結果ベクトルをベクトル・マトリックス・乗算および／またはベクトル ・移項マトリックス・乗算によって形成できるよう光束を方向変更することを特 徴とする光学式ベクトル乗算器。 ３．線形代数学の計算を実施できる光学式ベクトル乗算器であって、ベクトルを 表すストリップ状変調器セルを有し、好ましくは、サンドウィッチ構造の光電変 調器として構成された２つの光変調器（６１，６２）を相互に９０°だけずらし て光路に配置した形式のものにおいて、前記光路において上記装置には、マトリ ックスを表すマトリックス状またはチェス盤状光変調器（６３）、好ましくは、 液晶変調器を後置し、次いで、選択的に、光検知器（５２，５３）および／また は電子回路を設け、この電子回路によって検知器の信号を処理して変調器セルを トリガし、反射および／または透過変調器を使用し、全変調器ユニットに拡散光 、光源マトリックスの光または二元位相格子または別の光学装置にもとづきマト リックス状強度分布を有する光を通過させ、レンズ（６５）または別の光学装置 によってそれぞれ次の変調器に上記光を投影し、次いで、光学装置によって１つ または複数の光検知器パネルに光を入射させ、結果ベクトルをベクトル・マトリ ックス・乗算および／またはベクトル・移項マトリックス・乗算によって形成で きるよう光束を方向変更することを特徴とする光学式ベクトル乗算器。 ４．検知器を任意に配置できるよう、光検知器パネルの前の１つまたは複数の光 学装置が、マトリックス状またはチェス盤状光偏向装置として構成され、上記光 偏向装置の要素が、光を方向変更および／または分割することを特徴とする請求 の範囲第１項記載の光学式ベクトル乗算器。 ５．検知器および／または光源を任意に配置できるよう、光検知器パネルの前の １つまたは複数の光学装置が、マトリックス状またはチェス盤状光偏向装置（８ ４）として構成され、および／または、トリガ自在の各光源のパネルの後の１つ または複数の光学装置が、マトリックス状またはチェス盤状光偏向装置（８６） として構成され、上記光偏向装置の要素が、光を方向変更および／または分割す ることを特徴とする請求の範囲第２項記載の光学式ベクトル乗算器。 ６．検知器を任意に配置できるよう、光検知器パネルの前の１つまたは複数の光 学装置が、マトリックス状またはチェス盤状光偏向装置として構成され、上記光 偏向装置の要素が、光を方向変更および／または分割することを特徴とする請求 の範囲第３項記載の光学式ベクトル乗算器。 ７．マトリックス状またはチェス盤状光変調器の前には、１つのマトリックス状 光検知器パネル（４９）に光を向けるか、あるいは、別の偏光分光器と共働して ２つのマトリックス状光検知器パネルに光を向ける分光器（４４）が設けてある ことを特徴とする請求の範囲第１，２，４または５項記載の光学式ベクトル乗算 器。 ８．マトリックス状またはチェス盤状光変調器の前には、１つのレンズに光を向 ける分光器が設けてあり、上記レンズが、１つのマトリックス状光検知器パネル に光を投影するか、あるいは、別の偏光分光器と共働して２つのマトリックス状 光検知器パネルに光を投影することを特徴とする請求の範囲第３または６項記載 の光学式ベクトル乗算器。 ９．１つのまたは複数のまたはすべてのマトリックスまたはチェス盤状光変調器 が、ホログラムパネルおよび／または位相格子として構成されていることを特徴 とする請求の範囲第４，５，６，７または８項記載の光学式ベクトル乗算器。 １０．光検知器パネル（７５，８５）上の検知器および／または、光源パネル（ ８１）の光源が、マトリックス状に、任意に２次元にまたは３次元に分布させて 配置されていることを特徴とする請求の範囲第４，５，６，７，８または９項記 載の光学式ベクトル乗算器。 １１．任意の数列のディジタル数を表し得るよう、マトリックス状またはチェス 盤状変調器が、ストリップ状変調器（９４，９５）および／またはマトリックス 状またはチェス盤状変調器（１０２）から構成され、マトリックス状またはチェ ス盤状変調器の要素上には、選択的に、光検知器（９６，１０３）および／また は検知器の信号をディジタル処理し変調器セルをトリガする電子回路が設けてあ り、前記ストリップ状変調器が、各数を表す変調器ストリップを分離するため変 調機能のない補助ストリップ（９８）を必要に応じて設けることが可能であるこ とを特徴とする請求の範囲第４，５，６，７，８，９または１０項記載の光学式 ベクトル乗算器。 １２．マトリックス状またはチェス盤状変調器（９３）の前には、検知器および ／またはマトリックス状またはチェス盤状変調器の変調器セルへ光を向けるため 光を方向変更および／または分割する光偏向装置（９９）が設けてあることを特 徴とする請求の範囲第４，５，６，７，８，９，１０または１１項記載の光学式 ベクトル乗算器。 １３．マトリックス状またはチェス盤状変調器に表されるマトリックスの部分マ トリックスからベクトル・マトリックス・乗算および／またはベクトル・移項マ トリックス・乗算を形成できるよう、マトリックス状またはチェス盤状光偏向装 置によってマトリックス状またはチェス盤状変調器の行および／または列の部分 の光束を検知器へ向けることを特徴とする請求の範囲第４，５，６，７，８，９ ，１０，１１または１２項記載の光学式ベクトル乗算器。 １４．請求の範囲第４，５，６，７，８，９，１０，１１または１２項記載の光 学式コンピュータをカスケードの形に順次におよび／または並列に接続すること を特徴とする光学式ベクトル乗算器。 １５．該乗算器が、特に、計算機能、論理機能、信号伝送機能および／または記 憶機能を果たす補足の電子回路を備えており、従来のコンピュータの全機能を選 択的に監視し、学習プロセスの結果が記憶されることを特徴とする請求の範囲第 １，２，３，４，５，６，７，８，９，１０，１１，１２，１３または１４項記 載の光学式ベクトル乗算器。