WO2022176282A1 - 光回折素子、光演算装置、光回折素子の位置調整方法、及び、光演算装置の製造方法 - Google Patents

光回折素子、光演算装置、光回折素子の位置調整方法、及び、光演算装置の製造方法 Download PDF

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裕幸 日下
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Definitions

  • the present invention relates to an optical diffraction element having an optical computing function.
  • the present invention also relates to an optical arithmetic device having such an optical diffraction element.
  • the present invention also relates to a method for adjusting the position of such an optical diffraction element. It also relates to a method of manufacturing such an optical arithmetic device.
  • An optical diffraction element that has a plurality of microcells with individually set thicknesses and optically executes a predetermined operation by causing mutual interference of light transmitted through each microcell.
  • Optical computation using an optical diffraction element has the advantage of high speed and low power consumption compared to electrical computation using a processor.
  • Patent Document 1 discloses an optical neural network having an input layer, an intermediate layer, and an output layer. The optical diffraction element described above can be used, for example, as an intermediate layer of such an optical neural network.
  • a plurality of optical diffraction elements are arranged side by side so that the output light of the nth optical diffraction element becomes the input light of the (n+1)th optical diffraction element.
  • the position of the (n+1)-th optical diffraction element with respect to the n-th optical diffraction element is accurately adjusted, it becomes impossible to execute the predetermined optical calculation. Therefore, in order to realize an optical arithmetic device that performs advanced optical arithmetic, it is necessary to adjust the position of the (n+1)-th optical diffraction element with respect to the n-th optical diffraction element with extremely high accuracy.
  • One aspect of the present invention has been made in view of the above problems, and aims to provide an optical diffraction element whose position relative to another optical diffraction element arranged in the front stage or the rear stage can be adjusted with high accuracy. aim.
  • Another object of one aspect of the present invention is to provide an optical arithmetic device including such an optical diffraction element, a method for adjusting the position of such an optical diffraction element, and a method for manufacturing such an optical arithmetic device.
  • An optical diffraction element includes an optical structure for calculation composed of a plurality of microcells, and an optical structure for position adjustment formed outside the optical structure for calculation. configuration is adopted.
  • an optical diffraction element whose position with respect to another optical diffraction element arranged in the front stage or the rear stage can be adjusted with high accuracy. Further, according to one aspect of the present invention, to provide an optical arithmetic device including such an optical diffraction element, a method for adjusting the position of such an optical diffraction element, and a method for manufacturing such an optical arithmetic device. can be done.
  • FIG. 1 is a plan view showing the configuration of an optical diffraction element according to one embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is an enlarged perspective view of a part of the optical structure for calculation provided in the optical diffraction element shown in FIG. 1
  • FIG. 1 is a perspective view showing the configuration of an optical arithmetic device according to one embodiment of the present invention
  • FIG. 1 is a plan view showing the configuration of the optical diffraction element 1.
  • the optical diffraction element 1 is a light-transmitting plate-like element, and as shown in FIG. and a position adjusting optical structure 12 formed on the first principal surface or the second principal surface (the principal surface opposite to the first principal surface).
  • the substrate 10, the calculation optical structure 11, and the position adjustment optical structure 12 may each be made of glass (for example, quartz glass) or resin (for example, photocurable resin). good.
  • the position adjustment optical structure 12 is formed outside the calculation optical structure 11 .
  • forming the position adjustment optical structure 12 outside the calculation optical structure 11 means, for example, the following. That is, when the optical structure for position adjustment 12 is formed on the first main surface of the substrate 10, the area where the optical structure for calculation 11 is formed on the first main surface and the optical structure for position adjustment on the first main surface 12 is formed and has no common portion. Further, when the position adjusting optical structure 12 is formed on the second main surface of the substrate 10, the area where the calculation optical structure 11 is formed on the first main surface and the position adjusting optical structure on the second main surface It means that the orthogonal projection onto the first major surface of the region in which the structure 12 is formed has no intersection.
  • the calculation optical structure 11 is an optical structure for performing predetermined optical calculations.
  • the calculation optical structure 11 can be composed of, for example, a plurality of microcells MC whose thicknesses or refractive indices are set independently of each other.
  • the signal light diffracted by each microcell MC interferes with each other, thereby performing a predetermined optical calculation.
  • the intensity distribution of the signal light output from the calculation optical structure 11 represents the result of the optical calculation.
  • microcell refers to a cell with a cell size of less than 10 ⁇ m, for example.
  • cell size refers to the square root of the area of a cell. For example, when the microcell has a square shape in plan view, the cell size is the length of one side of the cell.
  • the lower limit of the cell size is not particularly limited, it is, for example, 1 nm.
  • the calculation optical structure 11 illustrated in FIG. 1 is composed of 12 ⁇ 12 microcells MC arranged in a matrix.
  • the plan view shape of each microcell MC is, for example, a 1 ⁇ m ⁇ 1 ⁇ m square, and the plan view shape of the calculation optical structure 11 is, for example, a 12 ⁇ m ⁇ 12 ⁇ m square.
  • Phase change of light transmitted through each microcell MC by (1) setting the thickness of each microcell MC independently of each other, or (2) selecting the refractive index of each microcell MC independently of each other.
  • the amounts can be set independently of each other.
  • the method (1) that can be realized by nanoimprinting is adopted.
  • each microcell MC is composed of a quadrangular prism-shaped pillar having a square bottom surface whose side length is equal to the cell size.
  • the phase change amount of light passing through the microcell MC is determined according to the height of this pillar. That is, the phase change amount of light transmitted through the microcells MC composed of tall pillars is increased, and the phase change amount of light transmitted through the microcells MC composed of short pillars is decreased.
  • the setting of the thickness or refractive index of each microcell MC can be realized using machine learning, for example.
  • a model used in this machine learning is, for example, a model in which the intensity distribution of the signal light input to the optical structure for calculation 11 is input and the intensity distribution of the signal light output from the optical structure for calculation 11 is output.
  • a model can be used that includes the thickness or refractive index of each microcell MC as a parameter.
  • the intensity distribution of the signal light input to the calculation optical structure 11 is, for example, a set of numerical values representing the intensity of the signal light input to each microcell MC constituting the calculation optical structure 11. Point.
  • the intensity distribution of the signal light output from the optical structure for calculation 11 is input to each microcell constituting the optical structure for calculation of another optical diffraction element arranged after the optical diffraction element 1, for example. or a set of numerical values representing the intensity of signal light input to each cell of a light-receiving device (for example, a two-dimensional image sensor) arranged after the optical diffraction element 1.
  • the position adjusting optical structure 12 is an optical structure for adjusting the position of the optical diffraction element 1 with respect to other optical diffraction elements arranged before or after the optical diffraction element 1 .
  • the positioning optical structure 12 can be composed of, for example, a plurality of microcells MC' whose thickness, refractive index, or transmittance are set independently of each other.
  • the position adjustment optical structure 12 can be used to form an optical image having a specific intensity distribution on the position adjustment optical structure of another optical diffraction element arranged after the optical diffraction element 1.
  • a position adjusting optical structure 12 can be realized, for example, by setting the thickness of each microcell MC' so that the position adjusting optical structure 12 functions equivalently to a condensing lens having a specific shape. can be done.
  • the position adjusting optical structure 12 may transfer the intensity distribution of the optical image formed by the position adjusting optical structure of another optical diffraction element arranged in front of the optical diffraction element 1 to the other optical diffraction element. It can be used for changing according to the position of the optical diffraction element 1 .
  • Such an alignment optical structure 12 can be realized, for example, by setting the transmittance of each microcell MC' so that the alignment optical structure 12 functions equivalently to a mask having a specific shape. can.
  • the position adjusting optical structure 12 is sufficiently separated from the calculation optical structure 11 .
  • the distance d between the optical structure for calculation 11 and the optical structure for position adjustment 12 is set to be greater than the maximum value Dmax of the distance between two microcells selected from the plurality of microcells constituting the optical structure for calculation 11.
  • FIG. 3 is a perspective view showing the configuration of the optical arithmetic device 2. As shown in FIG.
  • the optical arithmetic unit 2 includes a first optical diffraction element 1A, a second optical diffraction element 1B arranged after the first optical diffraction element 1A, and a second optical diffraction element 1B. and a third optical diffraction element 1C arranged after 1B.
  • These three optical diffraction elements 1A, 1B, and 1C are examples of the optical diffraction element 1 described above.
  • the first optical diffraction element 1A has a first position adjustment optical structure 1A2 in addition to the first calculation optical structure 1A1.
  • the second optical diffraction element 1B includes a second optical structure for calculation 1B1, a second optical structure for position adjustment 1B2 and a third optical structure for position adjustment 1B3.
  • the third optical diffraction element 1C has a fourth position adjustment optical structure 1C2 in addition to the third calculation optical structure 1C1.
  • the three optical diffraction elements 1A, 1B, and 1C are composed of (1) the three optical structures for calculation 1A1, 1B1, and 1C1 aligned on the first straight line L1, and (2) the first optical structure for position adjustment 1A2 and the first 2 position adjusting optical structures 1B2 are arranged on the second straight line L2, and (3) the third position adjusting optical structure 1B3 and the fourth positioning optical structure 1C2 are arranged on the third straight line L3. are placed in
  • the first positioning optical structure 1A2 forms an optical image having a specific intensity distribution on the second positioning optical structure 1B2 when adjustment light having a specific intensity distribution is input.
  • the second optical structure for position adjustment 1B2 changes the intensity distribution of the optical image formed by the first optical structure for position adjustment 1A2 according to the position of the second optical diffraction element 1B with respect to the first optical diffraction element 1A. used to change the
  • the second optical structure for the first optical diffraction element 1A is arranged so that the intensity distribution of the optical image detected by the image sensor arranged after the second position adjusting optical structure 1B2 matches the predetermined intensity distribution.
  • the first position-adjusting optical structure 1A2 functions as a condensing lens that converges adjustment light on the central portion of the second position-adjusting optical structure 1B2.
  • the second position adjusting optical structure 1B2 functions as a mask that transmits adjustment light incident on the central portion and blocks (absorbs or reflects) adjustment light incident on the peripheral portion. Therefore, when the position of the second optical diffraction element 1B deviates from the proper position, the intensity of the adjustment light passing through the second position adjustment optical structure 1B2 is reduced. Also, diffracted light is generated in a direction in which the position of the second optical diffraction element 1B deviates from the proper position. Therefore, by monitoring the intensity distribution of the adjustment light that passes through the second position adjusting optical structure 1B2, it is possible to specify in which direction and how much the second optical diffraction element 1B is displaced.
  • the third position adjusting optical structure 1B3 forms an optical image having a specific intensity distribution on the fourth position adjusting optical structure 1C2 when position adjusting light having a specific intensity distribution is input.
  • the fourth optical structure for position adjustment 1C2 changes the intensity distribution of the optical image formed by the third optical structure for position adjustment 1B3 according to the position of the third optical diffraction element 1C with respect to the second optical diffraction element 1B.
  • used to change the The third optical structure for the second optical diffraction element 1B is arranged so that the intensity distribution of the optical image detected by the image sensor arranged after the fourth position adjusting optical structure 1C2 matches the predetermined intensity distribution.
  • the third position-adjusting optical structure 1B3 functions as a condensing lens that converges adjustment light on the central portion of the fourth position-adjusting optical structure 1C2.
  • the fourth position adjusting optical structure 1C2 functions as a mask that transmits adjustment light incident on the central portion and blocks (absorbs or reflects) adjustment light incident on the peripheral portion. Therefore, when the position of the third optical diffraction element 1C deviates from the proper position, the intensity of the adjustment light passing through the fourth position adjusting optical structure 1C2 is reduced. Also, diffracted light is generated in a direction in which the position of the third optical diffraction element 1C deviates from the proper position. Therefore, by monitoring the intensity distribution of the adjustment light that passes through the fourth position adjusting optical structure 1C2, it is possible to identify in which direction and how much the third optical diffraction element 1C is displaced.
  • the first optical diffraction element 1A is further provided with a position adjusting optical structure equivalent to the first position adjusting optical structure 1A2, and the second optical diffraction element 1B is provided with a second position adjusting optical structure 1B2.
  • Equivalent alignment optics may also be provided.
  • the second optical diffraction element 1B is further provided with a position adjusting optical structure equivalent to the third position adjusting optical structure 1B3, and the third optical diffraction element 1C is provided with a fourth position adjusting optical structure 1C2.
  • a position adjusting optical structure equivalent to that may be further provided.
  • the method of adjusting the positions of the optical diffraction elements 1A, 1B, and 1C described above may be performed by the manufacturer before the optical arithmetic device 2 is shipped as a product, or may be used after the optical arithmetic device 2 is shipped as a product. may be carried out by That is, the method of adjusting the positions of the optical diffraction elements 1A, 1B, and 1C described above can be implemented as a simple method, or can be implemented as part of the method of manufacturing the optical arithmetic device 2.
  • the optical diffraction element according to aspect 1 of the present invention comprises an optical structure for calculation composed of a plurality of microcells, and an optical structure for position adjustment formed outside the optical structure for calculation. configuration is adopted.
  • optical diffraction element according to aspect 2 of the present invention in addition to the configuration of the optical diffraction element according to aspect 1, as the optical structure for position adjustment, an optical structure for forming an optical image having a specific intensity distribution, and one or both of an optical structure for changing the intensity distribution of the optical image.
  • the position adjusting optical structure when an optical structure for forming an optical image having a specific intensity distribution is provided as the position adjusting optical structure, the position with respect to other optical diffraction elements arranged in the subsequent stage can be accurately determined. A well-tunable optical diffraction element can be realized. Further, according to the above configuration, when the optical structure for changing the intensity distribution of the optical image is provided as the position adjusting optical structure, the position with respect to the other optical diffraction element arranged in the preceding stage can be accurately adjusted. A tunable optical diffraction element can be realized.
  • the distance between the optical structure for calculation and the optical structure for position adjustment is the plurality of microcells. is greater than the maximum separation of two microcells selected from .
  • the influence of the position adjustment optical structure on the signal light input to the calculation optical structure or the signal light output from the calculation optical structure can be reduced to a negligible extent. Therefore, according to the above configuration, it is possible to realize an optical diffraction element capable of accurately adjusting the position with respect to other optical diffraction elements arranged in the preceding stage or the succeeding stage without affecting the optical calculation. .
  • the optical diffraction element according to any one aspect of aspects 1 to 3, wherein the first optical diffraction element having the first position adjustment optical structure formed thereon; , the optical diffraction element according to any one of aspects 1 to 3, wherein the second optical diffraction element is formed with a second position adjustment optical structure;
  • the optical structure forms an optical image having a specific intensity distribution on the second alignment optical structure, wherein the second alignment optical structure is formed by the first alignment optical structure.
  • a configuration is adopted in which the intensity distribution of the optical image obtained is changed according to the position of the second optical diffraction element with respect to the first optical diffraction element.
  • the second optical diffraction element is further formed with a third position adjustment optical structure.
  • the optical arithmetic device further includes a third optical diffraction element, which is the optical diffraction element according to any one of aspects 1 to 3, in which a fourth optical structure for position adjustment is formed;
  • the optical structure for position adjustment forms an optical image having a specific intensity distribution on the optical structure for position adjustment
  • the optical structure for position adjustment forms an optical image having a specific intensity distribution on the optical structure for position adjustment.
  • a configuration is adopted in which the intensity distribution of the optical image formed by the structure is changed according to the position of the third optical diffraction element with respect to the second optical diffraction element.
  • the position of the third optical diffraction element with respect to the second optical diffraction element can be adjusted with high accuracy.
  • a tunable optical computing device can be realized.
  • the first optical diffraction element, the second optical diffraction element, and the third optical diffraction element in addition to the configuration of the optical arithmetic device according to aspect 5, the first optical diffraction element, the second optical diffraction element, and the third optical diffraction element are aligned on a first straight line, and the third optical structure for position adjustment and the fourth optical structure for position adjustment A configuration is adopted in which the structures are arranged so as to be aligned on the second straight line.
  • the adjustment of the position of the second optical diffraction element with respect to the first optical diffraction element and the adjustment of the position of the third optical diffraction element with respect to the second optical diffraction element can be performed with high accuracy. It is possible to realize an optical arithmetic device capable of
  • a position adjustment method according to aspect 7 of the present invention is a position adjustment method for an optical diffraction element in the optical arithmetic device according to any one of aspects 4 to 6, wherein the position adjustment method is changed by the second position adjustment optical structure.
  • a step of adjusting the position of the second optical diffraction element with respect to the first optical diffraction element with reference to the intensity distribution of the optical image is included.
  • the user of the optical arithmetic device can easily realize the optical arithmetic device in which the position of the optical diffraction element is adjusted with high accuracy.
  • a manufacturing method according to aspect 8 of the present invention is a manufacturing method for manufacturing the optical arithmetic device according to any one of aspects 4 to 6, wherein the optical image changed by the second position adjustment optical structure is A step of adjusting the position of the second optical diffraction element with respect to the first optical diffraction element with reference to the intensity distribution is included.
  • the manufacturer of the optical arithmetic device can easily realize an optical arithmetic device in which the position of the optical diffraction element is adjusted with high precision.
  • optical diffraction element 11 optical structure for calculation MC microcell 12
  • optical calculation device 1A first optical diffraction element 1A1 first optical structure for calculation 1A2 first optical structure for position adjustment 1B
  • Second optical diffraction element 1B1 Second optical structure for calculation 1B2
  • Second optical structure for position adjustment 1B3 Third optical structure for position adjustment 1C
  • Third optical diffraction element 1C1 Third optical structure for calculation 1C2 4 position adjustment optical structure

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Abstract

前段又は後段に配置された他の光回折素子に対する位置を精度良く調整することが可能な光回折素子を提供する。光回折素子（１）は、複数のマイクロセル（ＭＣ）により構成された演算用光学構造（１１）と、演算用光学構造（１１）の外部に形成された位置調整用光学構造（１２）と、を備えている。

Description

光回折素子、光演算装置、光回折素子の位置調整方法、及び、光演算装置の製造方法
　本発明は、光演算機能を有する光回折素子に関する。また、そのような光回折素子を備えた光演算装置に関する。また、そのような光回折素子の位置調整方法に関する。また、そのような光演算装置の製造方法に関する。
　厚みが個別に設定された複数のマイクロセルを有し、各マイクロセルを透過した光を相互に干渉させることによって、予め定められた演算を光学的に実行する光回折素子が知られている。光回折素子を用いた光学的な演算には、プロセッサを用いた電気的な演算と比べて高速且つ低消費電力であるという利点がある。特許文献１には、入力層、中間層、及び出力層を有する光ニューラルネットワークが開示されている。上述した光回折素子は、例えば、このような光ニューラルネットワークの中間層として利用することが可能である。
米国特許第７８４７２２５号明細書
　高度な光演算を行うためには、ｎ番目の光回折素子の出力光がｎ＋１番目の光回折素子の入力光となるように、複数の光回折素子を並べて利用する。このとき、ｎ番目の光回折素子に対するｎ＋１番目の光回折素子の位置が精度良く調整されていないと、予め定められた光演算を実行することができなくなる。したがって、高度な光演算を行う光演算装置を実現するためには、ｎ番目の光回折素子に対するｎ＋１番目の光回折素子の位置を極めて精度良く調整することが必要になる。
　本発明の一態様は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、前段又は後段に配置された他の光回折素子に対する位置を精度良く調整することが可能な光回折素子を提供することを目的とする。また、本発明の一態様は、そのような光回折素子を備えた光演算装置、そのような光回折素子の位置調整方法、及び、そのような光演算装置の製造方法を提供することを目的とする。
　本発明の一態様に係る光回折素子においては、複数のマイクロセルにより構成された演算用光学構造と、前記演算用光学構造の外部に形成された位置調整用光学構造と、を備えている、という構成が採用されている。
　本発明の一態様によれば、前段又は後段に配置された他の光回折素子に対する位置を精度良く調整することが可能な光回折素子を提供することができる。また、本発明の一態様によれば、そのような光回折素子を備えた光演算装置、そのような光回折素子の位置調整方法、及び、そのような光演算装置の製造方法を提供することができる。
本発明の一実施形態に係る光回折素子の構成を示す平面図である。 図１に示す光回折素子が備える演算用光学構造の一部を拡大した斜視図である。 本発明の一実施形態に係る光演算装置の構成を示す斜視図である。
　〔光回折素子の構成〕
　本発明の一実施形態に係る光回折素子１の構成について、図１を参照して説明する。図１は、光回折素子１の構成を示す平面図である。
　光回折素子１は、透光性を有する板状の素子であり、図１に示すように、基板１０と、基板１０の第１主面に形成された演算用光学構造１１と、基板１０の第１主面又は第２主面（第１主面と反対側の主面）に形成された位置調整用光学構造１２と、を備えている。基板１０、演算用光学構造１１、及び位置調整用光学構造１２は、それぞれ、例えば、ガラス製（例えば石英ガラス）であってもよいし、或いは、樹脂（例えば光硬化樹脂）製であってもよい。
　位置調整用光学構造１２は、演算用光学構造１１の外部に形成されている。ここで、位置調整用光学構造１２が演算用光学構造１１の外部に形成されているとは、例えば以下のことを指す。すなわち、位置調整用光学構造１２が基板１０の第１主面に形成されている場合、第１主面において演算用光学構造１１が形成されている領域と第１主面において位置調整用光学構造１２が形成されている領域とが共通部分を持たないことを指す。また、位置調整用光学構造１２が基板１０の第２の主面に形成されている場合、第１主面において演算用光学構造１１が形成されている領域と第２主面において位置調整用光学構造１２が形成されている領域の第１主面への正射影とが共通部分を持たないことを指す。
　演算用光学構造１１は、予め定められた光演算を行うための光学構造である。演算用光学構造１１は、例えば、厚み又は屈折率が互いに独立に設定された複数のマイクロセルＭＣにより構成することができる。演算用光学構造１１に信号光が入力されると、各マイクロセルＭＣにて回折した信号光が相互に干渉することによって、予め定められた光演算が行われる。演算用光学構造１１から出力される信号光の強度分布は、その光演算の結果を表す。
　ここで、「マイクロセル」とは、例えば、セルサイズが１０μｍ未満のセルのことを指す。また、「セルサイズ」とは、セルの面積の平方根のことを指す。例えば、マイクロセルの平面視形状が正方形である場合、セルサイズとは、セルの一辺の長さである。セルサイズの下限は、特に限定されないが、例えば１ｎｍである。
　図１に例示した演算用光学構造１１は、マトリックス状に配置された１２×１２個のマイクロセルＭＣにより構成されている。各マイクロセルＭＣの平面視形状は、例えば、１μｍ×１μｍの正方形であり、演算用光学構造１１の平面視形状は、例えば、１２μｍ×１２μｍの正方形である。
　（１）各マイクロセルＭＣの厚みを互いに独立に設定することによって、又は、（２）各マイクロセルＭＣの屈折率を互いに独立に選択することによって、各マイクロセルＭＣを透過する光の位相変化量を互いに独立に設定することができる。本実施形態においては、ナノインプリントにより実現可能な（１）の方法を採用している。この場合、各マイクロセルＭＣは、図２に示すように、各辺の長さがセルサイズと等しい正方形の底面を有する四角柱状のピラーにより構成される。この場合、マイクロセルＭＣを透過する光の位相変化量は、このピラーの高さに応じて決まる。すなわち、高さの高いピラーにより構成されるマイクロセルＭＣを透過する光の位相変化量は大きくなり、高さの低いピラーにより構成されるマイクロセルＭＣを透過する光の位相変化量は小さくなる。
　なお、各マイクロセルＭＣの厚み又は屈折率の設定は、例えば、機械学習を用いて実現することができる。この機械学習において用いられるモデルとしては、例えば、演算用光学構造１１に入力される信号光の強度分布を入力とし、演算用光学構造１１から出力される信号光の強度分布を出力とするモデルであって、各マイクロセルＭＣの厚み又は屈折率をパラメータとして含むモデルを用いることができる。ここで、演算用光学構造１１に入力される信号光の強度分布とは、例えば、演算用光学構造１１を構成する各マイクロセルＭＣに入力される信号光の強度を表す数値の集合のことを指す。また、演算用光学構造１１から出力される信号光の強度分布とは、例えば、光回折素子１の後段に配置された他の光回折素子の演算用光学構造を構成する各マイクロセルに入力される信号光の強度を表す数値の集合、或いは、光回折素子１の後段に配置された受光装置（例えば、２次元イメージセンサ）の各セルに入力される信号光の強度を表す数値の集合のことを指す。
　位置調整用光学構造１２は、光回折素子１の前段又は後段に配置された他の光回折素子に対する光回折素子１の位置を調整するための光学構造である。位置調整用光学構造１２は、例えば、厚み、屈折率、又は透過率が互いに独立に設定された複数のマイクロセルＭＣ’により構成することができる。
　例えば、位置調整用光学構造１２は、光回折素子１の後段に配置された他の光回折素子の位置調整用光学構造上に特定の強度分布を有する光学像を形成するために利用し得る。このような位置調整用光学構造１２は、例えば、位置調整用光学構造１２が特定の形状を有する集光レンズと同等に機能するように各マイクロセルＭＣ’の厚みを設定することによって実現することができる。
　或いは、位置調整用光学構造１２は、光回折素子１の前段に配置された他の光回折素子の位置調整用光学構造により形成された光学像の強度分布を、当該他の光回折素素子に対する光回折素子１の位置に応じて変化させるために利用し得る。このような位置調整用光学構造１２は、例えば、位置調整用光学構造１２が特定の形状を有するマスクと同等に機能するように各マイクロセルＭＣ’の透過率を設定することによって実現することができる。
　なお、位置調整用光学構造１２が信号光に及ぼす影響を十分に小さくするために、位置調整用光学構造１２は演算用光学構造１１から十分に離れていることが好ましい。例えば、演算用光学構造１１と位置調整用光学構造１２との隔たりｄを、演算用光学構造１１を構成する複数のマイクロセルから選択された２つのマイクロセルの距離の隔たりの最大値Ｄｍａｘよりも大きくすれば、位置調整用光学構造１２が信号光に及ぼす影響を無視できる程度に小さくすることができる。
　ここで、演算用光学構造１１と位置調整用光学構造１２との隔たりｄは、例えば、演算用光学構造１１上の点Ｐと位置調整用光学構造１２上の点Ｑとの距離ｄ（Ｐ，Ｑ）の最小値のことを指す。すなわち、ｄ＝ｍｉｎＰ，Ｑｄ（Ｐ，Ｑ）である。
　〔光演算装置の構成〕
　本発明の一実施形態に係る光演算装置２の構成について、図３を参照して説明する。図３は、光演算装置２の構成を示す斜視図である。
　光演算装置２は、図３に示すように、第１の光回折素子１Ａと、第１の光回折素子１Ａの後段に配置された第２の光回折素子１Ｂと、第２の光回折素子１Ｂの後段に配置された第３の光回折素子１Ｃと、を備えている。これら３つの光回折素子１Ａ，１Ｂ，１Ｃは、上述した光回折素子１の一例である。
　第１の光回折素子１Ａは、第１の演算用光学構造１Ａ１の他に、第１の位置調整用光学構造１Ａ２を備えている。第２の光回折素子１Ｂは、第２の演算用光学構造１Ｂ１の他に、第２の位置調整用光学構造１Ｂ２及び第３の位置調整用光学構造１Ｂ３を備えている。第３の光回折素子１Ｃは、第３の演算用光学構造１Ｃ１の他に、第４の位置調整用光学構造１Ｃ２を備えている。３つの光回折素子１Ａ，１Ｂ，１Ｃは、（１）３つの演算用光学構造１Ａ１，１Ｂ１，１Ｃ１が第１の直線Ｌ１上に並び、（２）第１の位置調整用光学構造１Ａ２及び第２の位置調整用光学構造１Ｂ２が第２の直線Ｌ２上に並び、（３）第３の位置調整用光学構造１Ｂ３及び第４の位置調整用光学構造１Ｃ２が第３の直線Ｌ３上に並ぶように配置されている。
　第１の位置調整用光学構造１Ａ２は、特定の強度分布を有する調整光が入力されたときに、第２の位置調整用光学構造１Ｂ２上に特定の強度分布を有する光学像を形成するために利用される。第２の位置調整用光学構造１Ｂ２は、第１の位置調整用光学構造１Ａ２により形成された光学像の強度分布を、第１の光回折素子１Ａに対する第２の光回折素子１Ｂの位置に応じて変化させるために利用される。第２の位置調整用光学構造１Ｂ２の後段に配置されたイメージセンサにて検出される光学像の強度分布が予め定められた強度分布に一致するように第１の光回折素子１Ａに対する第２の光回折素子１Ｂの位置を調整することによって、第１の光回折素子１Ａに対する第２の光回折素子１Ｂの位置を適正化することができる。
　本実施形態においては、第１の位置調整用光学構造１Ａ２は、第２の位置調整用光学構造１Ｂ２の中央部に調整光を集光する集光レンズとして機能する。また、本実施形態において、第２の位置調整用光学構造１Ｂ２は、中央部に入射した調整光を透過し、周辺部に入射した調整光を遮断（吸収又は反射）するマスクとして機能する。このため、第２の光回折素子１Ｂの位置が適正位置からずれると、第２の位置調整用光学構造１Ｂ２を透過する調整光の強度が低下する。また、第２の光回折素子１Ｂの位置が適正位置からずれた方向に回折光が生じる。したがって、第２の位置調整用光学構造１Ｂ２を透過する調整光の強度分布をモニタすれば、第２の光回折素子１Ｂがどの方向にどの程度ずれたかを特定することが可能である。
　第３の位置調整用光学構造１Ｂ３は、特定の強度分布を有する位置調整用の光が入力されたときに、第４の位置調整用光学構造１Ｃ２上に特定の強度分布を有する光学像を形成するために利用される。第４の位置調整用光学構造１Ｃ２は、第３の位置調整用光学構造１Ｂ３により形成された光学像の強度分布を、第２の光回折素子１Ｂに対する第３の光回折素子１Ｃの位置に応じて変化させるために利用される。第４の位置調整用光学構造１Ｃ２の後段に配置されたイメージセンサにて検出される光学像の強度分布が予め定められた強度分布に一致するように第２の光回折素子１Ｂに対する第３の光回折素子１Ｃの位置を調整することによって、第２の光回折素子１Ｂに対する第３の光回折素子１Ｃの位置を適正化することができる。
　本実施形態においては、第３の位置調整用光学構造１Ｂ３は、第４の位置調整用光学構造１Ｃ２の中央部に調整光を集光する集光レンズとして機能する。また、本実施形態において、第４の位置調整用光学構造１Ｃ２は、中央部に入射した調整光を透過し、周辺部に入射した調整光を遮断（吸収又は反射）するマスクとして機能する。このため、第３の光回折素子１Ｃの位置が適正位置からずれると、第４の位置調整用光学構造１Ｃ２を透過する調整光の強度が低下する。また、第３の光回折素子１Ｃの位置が適正位置からずれた方向に回折光が生じる。したがって、第４の位置調整用光学構造１Ｃ２を透過する調整光の強度分布をモニタすれば、第３の光回折素子１Ｃがどの方向にどの程度ずれたかを特定することが可能である。
　なお、第１の光回折素子１Ａに第１の位置調整用光学構造１Ａ２と同等の位置調整用光学構造を更に設けると共に、第２の光回折素子１Ｂに第２の位置調整用光学構造１Ｂ２と同等の位置調整用光学構造を更に設けてもよい。これにより、第１の光回折素子１Ａに対する第２の光回折素子１Ｂの並進方向の位置ずれのみならず、第１の光回折素子１Ａに対する第２の光回折素子１Ｂの回転方向の角度ずれも調整することが可能になる。
　同様に、第２の光回折素子１Ｂに第３の位置調整用光学構造１Ｂ３と同等の位置調整用光学構造を更に設けると共に、第３の光回折素子１Ｃに第４の位置調整用光学構造１Ｃ２と同等の位置調整用光学構造を更に設けてもよい。これにより、第２の光回折素子１Ｂに対する第３の光回折素子１Ｃの並進方向の位置ずれのみならず、第２の光回折素子１Ｂに対する第３の光回折素子１Ｃの回転方向の角度ずれも調整することが可能になる。
　なお、上述した光回折素子１Ａ，１Ｂ，１Ｃの位置調整方法は、光演算装置２を製品として出荷する前に製造者が実施してもよいし、光演算装置２を製品として出荷した後に使用者が実施してもよい。すなわち、上述した光回折素子１Ａ，１Ｂ，１Ｃの位置調整方法は、単純方法として実施することもできるし、光演算装置２の製造方法の一部として実施することもできる。
　（まとめ）
　本発明の態様１に係る光回折素子においては、複数のマイクロセルにより構成された演算用光学構造と、前記演算用光学構造の外部に形成された位置調整用光学構造と、を備えている、という構成が採用されている。
　上記の構成によれば、前段又は後段に配置された他の光回折素子に対する位置を精度良く調整することが可能な光回折素子を実現することができる。
　本発明の態様２に係る光回折素子においては、態様１に係る光回折素子の構成に加えて、前記位置調整用光学構造として、特定の強度分布を有する光学像を形成するための光学構造、及び、光学像の強度分布を変化させるための光学構造の一方又は両方を備えている、という構成が採用されている。
　上記の構成によれば、前記位置調整用光学構造として、特定の強度分布を有する光学像を形成するための光学構造を備えている場合、後段に配置された他の光回折素子に対する位置を精度良く調整することが可能な光回折素子を実現することができる。また、上記の構成によれば、前記位置調整用光学構造として、光学像の強度分布を変化させるための光学構造を備えている場合、前段に配置された他の光回折素子に対する位置を精度良く調整することが可能な光回折素子を実現することができる。
　本発明の態様３に係る光回折素子においては、態様１又は２に係る光回折素子の構成に加えて、前記演算用光学構造と前記位置調整用光学構造との隔たりは、前記複数のマイクロセルから選択された２つのマイクロセルの隔たりの最大値よりも大きい、という構成が採用されている。
　上記の構成によれば、位置調整用光学構造が演算用光学構造に入力される信号光、又は、演算用光学構造から出力される信号光に与える影響を無視できる程度に小さく抑えることができる。したがって、上記の構成によれば、光演算に影響を与えることなく、前段又は後段に配置された他の光回折素子に対する位置を精度良く調整することが可能な光回折素子を実現することができる。
　本発明の態様４に係る光演算装置においては、態様１～３の何れか一態様に係る光回折素子であって、第１の位置調整用光学構造が形成された第１の光回折素子と、態様１～３の何れか一態様に係る光回折素子であって、第２の位置調整用光学構造が形成された第２の光回折素子と、を少なくとも含み、前記第１の位置調整用光学構造は、特定の強度分布を有する光学像を前記第２の位置調整用光学構造上に形成し、前記第２の位置調整用光学構造は、前記第１の位置調整用光学構造により形成された光学像の強度分布を、前記第１の光回折素子に対する前記第２の光回折素子の位置に応じて変化させる、という構成が採用されている。
　上記の構成によれば、第１の光回折素子に対する第２の光回折素子の位置を精度良く調整することが可能な光演算装置を実現することができる。
　本発明の態様５に係る光演算装置においては、態様４に係る光演算装置の構成に加えて、前記第２の光回折素子には、第３の位置調整用光学構造が更に形成されており、当該光演算装置は、態様１～３の何れか一態様に係る光回折素子であって、第４の位置調整用光学構造が形成された第３の光回折素子を更に含み、前記第３の位置調整用光学構造は、特定の強度分布を有する光学像を前記第４の位置調整用光学構造上に形成し、前記第４の位置調整用光学構造は、前記第３の位置調整用光学構造により形成された光学像の強度分布を、前記第２の光回折素子に対する前記第３の光回折素子の位置に応じて変化させる、という構成が採用されている。
　上記の構成によれば、第１の光回折素子に対する第２の光回折素子の位置を精度良く調整することに加えて、第２の光回折素子に対する第３の光回折素子の位置を精度良く調整することが可能な光演算装置を実現することができる。
　本発明の態様６に係る光演算装置においては、態様５に係る光演算装置の構成に加えて、前記第１の光回折素子、前記第２の光回折素子、及び前記第３の光回折素子は、前記第１の位置調整用光学構造及び前記第２の位置調整用光学構造が第１の直線上に並び、且つ、前記第３の位置調整用光学構造及び前記第４の位置調整用光学構造が第２の直線上に並ぶように配置されている、という構成が採用されている。
　上記の構成によれば、第１の光回折素子に対する第２の光回折素子の位置の調整と、第２の光回折素子に対する第３の光回折素子の位置の調整とを、それぞれ精度良く調整することが可能な光演算装置を実現することができる。
　本発明の態様７に係る位置調整方法は、態様４～６の何れか一態様に係る光演算装置における光回折素子の位置調整方法であって、前記第２の位置調整用光学構造により変化した前記光学像の強度分布を参照して前記第１の光回折素子に対する前記第２の光回折素子の位置を調整する工程を含んでいる。
　上記の構成によれば、光回折素子の位置が精度良く調整された光演算装置を、光演算装置の使用者が容易に実現することができる。
　本発明の態様８に係る製造方法は、態様４～６の何れか一態様に係る光演算装置を製造する製造方法であって、前記第２の位置調整用光学構造により変化した前記光学像の強度分布を参照して前記第１の光回折素子に対する前記第２の光回折素子の位置を調整する工程を含んでいる。
　上記の構成によれば、光回折素子の位置が精度良く調整された光演算装置を、光演算装置の製造者が容易に実現することができる。
　〔付記事項〕
　本発明は、上述した実施形態に限定されるものでなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、上述した実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても、本発明の技術的範囲に含まれる。
　１　　　　　　光回折素子
　１１　　　　　演算用光学構造
　ＭＣ　　　　　マイクロセル
　１２　　　　　位置調整用光学構造
　ＭＣ’　　　　マイクロセル
　２　　　　　　光演算装置
　１Ａ　　　　　第１の光回折素子
　１Ａ１　　　　第１の演算用光学構造
　１Ａ２　　　　第１の位置調整用光学構造
　１Ｂ　　　　　第２の光回折素子
　１Ｂ１　　　　第２の演算用光学構造
　１Ｂ２　　　　第２の位置調整用光学構造
　１Ｂ３　　　　第３の位置調整用光学構造
　１Ｃ　　　　　第３の光回折素子
　１Ｃ１　　　　第３の演算用光学構造
　１Ｃ２　　　　第４の位置調整用光学構造

Claims (8)

  1. 　複数のマイクロセルにより構成された演算用光学構造と、
    　前記演算用光学構造の外部に形成された位置調整用光学構造と、を備えている、
    ことを特徴とする光回折素子。
  2. 　前記位置調整用光学構造として、特定の強度分布を有する光学像を形成するための光学構造、及び、光学像の強度分布を変化させるための光学構造の一方又は両方を備えている、
    ことを特徴とする請求項１に記載の光回折素子。
  3. 　前記演算用光学構造と前記位置調整用光学構造との隔たりは、前記複数のマイクロセルから選択された２つのマイクロセルの隔たりの最大値よりも大きい、
    ことを特徴とする請求項１又は２に記載の光回折素子。
  4. 　請求項１～３の何れか一項に記載の光回折素子であって、第１の位置調整用光学構造が形成された第１の光回折素子と、請求項１～３の何れか一項に記載の光回折素子であって、第２の位置調整用光学構造が形成された第２の光回折素子と、を少なくとも含み、
    　前記第１の位置調整用光学構造は、特定の強度分布を有する光学像を前記第２の位置調整用光学構造上に形成し、
    　前記第２の位置調整用光学構造は、前記第１の位置調整用光学構造により形成された光学像の強度分布を、前記第１の光回折素子に対する前記第２の光回折素子の位置に応じて変化させる、
    ことを特徴とする光演算装置。
  5. 　前記第２の光回折素子には、第３の位置調整用光学構造が更に形成されており、
    　当該光演算装置は、請求項１～３の何れか一項に記載の光回折素子であって、第４の位置調整用光学構造が形成された第３の光回折素子を更に含み、
    　前記第３の位置調整用光学構造は、特定の強度分布を有する光学像を前記第４の位置調整用光学構造上に形成し、
    　前記第４の位置調整用光学構造は、前記第３の位置調整用光学構造により形成された光学像の強度分布を、前記第２の光回折素子に対する前記第３の光回折素子の位置に応じて変化させる、
    ことを特徴とする請求項４に記載の光演算装置。
  6. 　前記第１の光回折素子、前記第２の光回折素子、及び前記第３の光回折素子は、前記第１の位置調整用光学構造及び前記第２の位置調整用光学構造が第１の直線上に並び、且つ、前記第３の位置調整用光学構造及び前記第４の位置調整用光学構造が第２の直線上に並ぶように配置されている、
    ことを特徴とする請求項５に記載の光演算装置。
  7. 　請求項４～６の何れか一項に記載の光演算装置における光回折素子の位置を調整する位置調整方法であって、
    　前記第２の位置調整用光学構造により変化した前記光学像の強度分布を参照して前記第１の光回折素子に対する前記第２の光回折素子の位置を調整する工程を含んでいる、
    ことを特徴とする位置調整方法。
  8. 　請求項４～６の何れか一項に記載の光演算装置を製造する製造方法であって、
    　前記第２の位置調整用光学構造により変化した前記光学像の強度分布を参照して前記第１の光回折素子に対する前記第２の光回折素子の位置を調整する工程を含んでいる、
    ことを特徴とする製造方法。

     
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