特許 7462826 光演算装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-03-28

(45)【発行日】2024-04-05

(54)【発明の名称】光演算装置

(51)【国際特許分類】

   G06E 3/00 20060101AFI20240329BHJP

   G02B 5/18 20060101ALI20240329BHJP

【ＦＩ】

G06E3/00

G02B5/18

【請求項の数】 9

(21)【出願番号】P 2023500678

(86)(22)【出願日】2022-01-27

(86)【国際出願番号】 JP2022003035

(87)【国際公開番号】W WO2022176554

(87)【国際公開日】2022-08-25

【審査請求日】2022-11-08

(31)【優先権主張番号】P 2021024503

(32)【優先日】2021-02-18

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000005186

【氏名又は名称】株式会社フジクラ

(74)【代理人】

【識別番号】110000338

【氏名又は名称】弁理士法人 ＨＡＲＡＫＥＮＺＯ ＷＯＲＬＤ ＰＡＴＥＮＴ ＆ ＴＲＡＤＥＭＡＲＫ

(72)【発明者】

【氏名】日下 裕幸

(72)【発明者】

【氏名】柏木 正浩

【審査官】征矢 崇

(56)【参考文献】

【文献】特開平０４－０１８５８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－１０６２４３（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０２０／０２２５１３（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２００３－０５７４２２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０６Ｅ３／００

Ｇ０２Ｂ５／１８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

厚み又は屈折率が個別に設定された複数のマイクロセルを有する１又は複数の光回折素子と、
光信号と、当該光信号を遅延させた光信号である遅延光信号とを、少なくともあるタイミングにおいて、同時に前記１又は複数の光回折素子に入力する光信号入力部と、を備えている、
ことを特徴とする光演算装置。

【請求項2】

前記光信号入力部は、前記光信号が伝送される光路を、第１の光路と、当該第１の光路よりも光路長が長い第２の光路とに分岐し、前記第１の光路から出力される前記光信号、及び、前記第２の光路から出力される前記遅延光信号の各々を前記１又は複数の光回折素子に入力する、
ことを特徴とする請求項１に記載の光演算装置。

【請求項3】

前記第２の光路の光路上には、屈折率が空気の屈折率を上回る材料により構成された高屈折率部材が設けられている、
ことを特徴とする請求項２に記載の光演算装置。

【請求項4】

前記第２の光路は、実空間長が前記第１の光路の実空間長よりも長く、且つ、屈折率が空気以下である媒質により満たされている、
ことを特徴とする請求項２又は３に記載の光演算装置。

【請求項5】

前記光信号が伝送される光路上に設けられたハーフミラーであって、前記光信号の伝送経路を、互いに異なる第１の光路及び第２の光路に分岐させるハーフミラーを更に備えている、
ことを特徴とする請求項２～４の何れか１項に記載の光演算装置。

【請求項6】

前記光信号入力部は、単一の動画像を構成し、且つ、互いに異なるフレームの複数の画像を表示し、各画像を前記１又は複数の光回折素子に入力する、
ことを特徴とする請求項１に記載の光演算装置。

【請求項7】

前記光信号入力部は、前記光信号と前記遅延光信号との間に生じる遅延量を変化させる遅延量可変部を備えている、
ことを特徴とする請求項１～６の何れか１項に記載の光演算装置。

【請求項8】

厚み又は屈折率が個別に設定された複数のマイクロセルを有する１又は複数の光回折素子と、
光信号と、当該光信号を遅延させた光信号である遅延光信号とを、少なくともあるタイミングにおいて、同時に前記１又は複数の光回折素子に入力する光信号入力部と、を備えた光演算装置であって、
前記光信号入力部は、前記光信号が伝送される光路を、第１の光路と、当該第１の光路よりも光路長が長い第２の光路とに分岐し、前記第１の光路から出力される前記光信号、及び、前記第２の光路から出力される前記遅延光信号の各々を前記１又は複数の光回折素子に入力し、
前記第２の光路は、実空間長が前記第１の光路の実空間長よりも長く、且つ、屈折率が空気以下である媒質により満たされている、
ことを特徴とする光演算装置。

【請求項9】

厚み又は屈折率が個別に設定された複数のマイクロセルを有する１又は複数の光回折素子を備える光演算装置が実行する光演算方法であって、
前記光演算装置が光信号の一部を遅延させることにより遅延光信号を生成する遅延工程と、
前記光演算装置が前記光信号と前記遅延光信号とを、少なくともあるタイミングにおいて、同時に前記１又は複数の光回折素子に入力する入力工程と、を含んでいる、
ことを特徴とする光演算方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、あらかじめ定められた演算を光学的に実行する光演算装置に関する。

【背景技術】

【0002】

厚み又は屈折率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構造を基板の一方の主面に形成した光回折素子が知られている。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。

【0003】

このような光回折素子には、複数のマイクロセルが設けられている有効領域に対して、光の強度分布が信号を表す光信号が照射される。光回折素子は、上述したように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光信号の強度分布を異なる強度分布へ変換する。このように、光回折素子においては、予め定められた光学的な演算（光演算）が強度分布の変換というかたちで実行される。

【0004】

複数の光回折素子を用いた光演算装置には、プロセッサを用いた電気的な演算装置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。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】米国特許第７８４７２２５号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

ところで、特許文献１のＦｉｇ．１に示されているように、従来の光演算装置は、光信号として強度分布が時間的に変動しない画像（すなわち静止画像）を用いることを想定している。

【0007】

静止画像は、一時刻における被写体の状態を切り取った画像である。そのため、単一の静止画像は、その被写体の時間経過に伴う変化（例えば、位置の変化や状態の変化など）に関する情報を含まない。したがって、従来の光演算装置は、光信号が表す情報の時間経過に伴う変化を取り扱うことができなかった。

【0008】

本発明の一態様は、上述した課題に鑑みなされたものであり、その目的は、強度分布が時間変化する光信号を取り扱う光演算装置を実現することである。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る光演算装置は、厚み又は屈折率が個別に設定された複数のマイクロセルを有する１又は複数の光回折素子と、光信号と、当該光信号を遅延させた光信号である遅延光信号とを、少なくともあるタイミングにおいて、同時に前記１又は複数の光回折素子に入力する光信号入力部と、を備えている。

【0010】

また、上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る光演算方法は、光信号の一部を遅延させることにより遅延光信号を生成する遅延工程と、前記光信号と前記遅延光信号とを、少なくともあるタイミングにおいて、同時に１又は複数の光回折素子であって、厚み又は屈折率が個別に設定された複数のマイクロセルを有する１又は複数の光回折素子に入力する入力工程と、を含んでいる。

【発明の効果】

【0011】

本発明の一態様によれば、強度分布が時間変化する光信号を取り扱う光演算装置を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る光演算装置の概略図である。（ｂ）は、（ａ）に示した光演算装置において実施される光演算方法のフローチャートである。

【図2】図１に示した光演算装置が備えている光回折素子の斜視図である。

【図3】図１に示した光演算装置の変形例の概略図である。

【図4】図１に示した光演算装置の変形例の概略図である。

【図5】本発明の第２の実施形態に係る光演算装置の斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

〔第１の実施形態〕
本発明の第１の実施形態に係る光演算装置１について、図１及び図２を参照して説明する。図１の（ａ）は、光演算装置１の概略図である。図１の（ａ）においては、光信号入力部２０の各構成要素が配置されているシャシーの表面がｚｘ平面と平行になるように、また、ｙ軸方向が鉛直方向と平行になるように、直交座標系を定めている。また、光信号Ｓが伝送される方向をｚ軸正方向と定め、鉛直方向下向きをｙ軸正方向と定め、これらのｙ軸正方向及びｚ軸正方向とともに右手系の直交座標系を構成するようにｘ軸正方向を定めている。図１の（ｂ）は、光演算装置１において実施される光演算方法Ｍ１０のフローチャートである。光演算方法Ｍ１０も、本発明の一実施形態である。図２は、光演算装置１が備えている光回折素子１１ａの斜視図である。

【0014】

図１に示すように、光演算装置１は、５つの光回折素子１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ，１０ｅと、光信号入力部２０と、レンズ群３０と、を備えている。

【0015】

＜レンズ群＞
レンズ群３０は、複数のレンズを備えている（図１には不図示）。各レンズは、各々の光を透過する領域である有効領域が重なるように、光軸に沿って配置されている。レンズ群３０は、所定の範囲内において焦点距離を調整可能に構成されていることが好ましい。

【0016】

レンズ群３０は、光信号入力部２０に対する相対位置が動かないように、光信号入力部２０に対して固定されている。

【0017】

レンズ群３０は、最初段のレンズに入射してきた光束の進行方向を整え、当該光束を後述する光回折素子１０ａの入射面に結像させる。レンズ群３０の最後段から光信号入力部２０に入力される光束は、レンズ群３０の照射面において時間変化する強度分布を有する。以下において、光信号入力部２０に入力される光束のことを光信号Ｓと称する。このように、光信号Ｓの強度分布を所定の位置（例えばレンズ群３０の出射面）において定点観測した場合、当該強度分布は、時間変化する。

【0018】

レンズ群３０は、上述した複数のレンズの後段に所定の波長域の光を透過させるバンドパスフィルタを備えていることが好ましい。本実施形態において、このバンドパスフィルタは、通過波長域の中心波長が８００ｎｍであり、通過波長域の幅が１０ｎｍである。なお、バンドパスフィルタにおける通過波長域の中心波長及び幅は、光演算装置１の用途などに応じて適宜定めることができる。例えば、バンドパスフィルタの中心周波数は、３６０ｎｍ以上１０００μｍ以下の波長域内において適宜定めることができる。この帯域は、可視域（３６０ｎｍ以上８３０ｎｍ未満）、近赤外域（８３０ｎｍ以上２μｍ未満）、中赤外域（２μｍ以上４μｍ未満）、及び、遠赤外域（４μｍ以上１０００μｍ以下）により構成されている。

【0019】

また、このバンドパスフィルタは、レンズ群３０の代わりに光信号入力部２０の内部に設けられていてもよい。

【0020】

＜光信号入力部＞
光信号入力部２０は、強度分布が時間変化する光信号Ｓの異なる時刻における強度分布を、同時に光回折素子１０ａ，１０ｂに入力するように構成されている。換言すれば、光信号入力部２０は、基準となる光信号（本実施形態においては、光路ＯＰ１から出力される光信号Ｓ１）と、当該光信号を遅延させた光信号（本実施形態においては、光路ＯＰ２から出力される光信号Ｓ２）とを、常に同時に光回折素子１０ａ，１０ｂに入力するように構成されている。図２に示すように、光信号入力部２０は、ハーフミラー２１と、遅延量可変部２２と、ミラー２３と、シャシーとを備えている。また、図１の（ｂ）に示すように、光演算方法Ｍ１０は、遅延工程Ｓ１１と、入力工程Ｓ１２とを含んでいる。遅延工程Ｓ１１は、光信号Ｓ１の一部を分岐させることによって得られた光信号Ｓ２を遅延させることにより、遅延光信号である光信号Ｓ２を生成する工程である。遅延工程Ｓ１１は、後述する遅延量可変部２２において実施される。また、入力工程Ｓ１２は、光信号Ｓ１と光信号Ｓ２とを、常に同時に光回折素子１０ａ，１０ｂに入力する工程である。入力工程Ｓ１２は、後述するハーフミラー２１とミラー２３とにより実施される。

【0021】

図１に図示していないシャシーは、光信号入力部２０、ハーフミラー２１、遅延量可変部２２、及びミラー２３が配置されている板状部材である。シャシーの主面は、ｚｘ平面と平行である。

【0022】

レンズ群３０から出射された光信号Ｓは、光信号入力部２０の内部をｚ軸正方向と平行に伝搬する。図１においては、光信号Ｓにおける主光線の経路を光路ＯＰＩとしている。

【0023】

光路ＯＰＩには、ハーフミラー２１が設けられている。ハーフミラー２１は、鏡面の法線方向に対して４５°の入射角で光が入射した場合に、半分の光を正反射し、残りの半分の光を透過させる。ハーフミラー２１は、その鏡面がｙ軸方向と平行であり、且つ、鏡面の法線と光路ＯＰＩとのなす角が４５°になるように、シャシーの主面に固定されている。したがって、光信号Ｓは、ハーフミラー２１の鏡面に対して４５°の入射角で入射する。

【0024】

（第１の光路）
光信号Ｓの半分である光信号Ｓ１は、鏡面において正反射されず、そのままｚ軸正方向と平行に伝搬し、光回折素子１０ａに入力される。光信号Ｓ１における主光線の経路を光路ＯＰ１とする。光路ＯＰ１は、第１の光路の一例である。

【0025】

（第２の光路）
光信号Ｓの残りの半分である光信号Ｓ２は、鏡面において正反射され、光路ＯＰＩの方向と直交するｘ軸正方向へ伝搬する。光信号Ｓ２における主光線の経路を光路ＯＰ２とする。光路ＯＰ２は、第２の光路の一例である。

【0026】

光路ＯＰ２には、遅延量可変部２２と、ミラー２３とがこの順番で設けられている。

【0027】

遅延量可変部２２は、１軸方向に沿ってテーブル２２１の位置を移動可能な光学ステージと、２つのミラー２２２，２２３とを備えている。

【0028】

光学ステージは、テーブル２２１がｘ軸方向と平行に移動可能なように、シャシーの主面に固定されている。図１においては、テーブル２２１が移動可能な方向を矢印Ａで図示している。

【0029】

テーブル２２１の主面には、ミラー２２２，２２３がこの順番で設けられている。ミラー２２２，２２３は、鏡面に入射した光を正反射する。

【0030】

ミラー２２２は、その鏡面がｙ軸方向と平行であり、且つ、鏡面の法線と光路ＯＰ２とのなす角が４５°になるように、テーブル２２１の主面に固定されている。したがって、光信号Ｓ２は、ハーフミラー２１の鏡面に対して４５°の入射角で入射し、鏡面においてｚ軸負方向へ正反射される。また、ミラー２２３は、その鏡面がｙ軸方向と平行であり、且つ、鏡面の法線と光路ＯＰ２とのなす角が４５°になるように、テーブル２２１の主面に固定されている。したがって、ミラー２２２により正反射された光信号Ｓ２は、ミラー２２３の鏡面に対して４５°の入射角で入射し、鏡面においてｘ軸負方向へ正反射される。

【0031】

ミラー２３は、その鏡面がｙ軸方向と平行であり、且つ、鏡面の法線と光路ＯＰ２とのなす角が４５°になるように、シャシーの主面に固定されている。したがって、ミラー２２３により正反射された光信号Ｓ２は、ミラー２３の鏡面に対して４５°の入射角で入射し、鏡面においてｚ軸正方向へ正反射される。

【0032】

ミラー２３により正反射された光信号Ｓ２は、ｚ軸正方向と平行に伝搬し、光回折素子１０ｂに入力される。

【0033】

（光路長の差）
以上のように、ハーフミラー２１は、光信号Ｓが伝送される光路ＯＰＩを光路ＯＰ１と光路ＯＰ２とに分岐する。光路ＯＰ２の実空間における長さである実空間長は、光路ＯＰ１の実空間長と比較して、差ΔＬの分だけ長い。ここで、差ΔＬは、図１に示すように、ΔＬ＝Ｌ１＋２Ｌ２＋２Ｌ３で求められる。

【0034】

光路の光路長は、実空間における差ΔＬと、光路を満たす媒質の屈折率との積で求めることができる。本実施形態において、光路ＯＰ１と光路ＯＰ２とは、何れも空気により満たされている。したがって、光路を満たす媒質の屈折率は、ほぼ１と見做すことができるので、光路ＯＰ１及び光路ＯＰ２における光路長の差は、差ΔＬと概ね等しい。

【0035】

このように、光信号入力部２０においては、光路ＯＰ２の方が光路ＯＰ１よりも光路長が長い。したがって、光信号入力部２０は、光信号Ｓの異なる時刻における強度分布を有する光信号Ｓ１，Ｓ２を同時に光回折素子１０ａ，１０ｂに入力することができる。光信号Ｓ１は、後述する光信号Ｓ２に対して基準となる光信号であり、光信号Ｓ２は、光信号Ｓ１を遅延させた遅延光信号である。

【0036】

（遅延量可変部）
上述したように、遅延量可変部２２は、ｘ軸方向に沿ってテーブル２２１の位置を移動させることができる。テーブル２２１をｘ軸負方向側へ移動させた場合（ハーフミラー２１及びミラー２３に近づけた場合）、差ΔＬは小さくなる。一方、テーブル２２１をｘ軸正方向側へ移動させた場合（ハーフミラー２１及びミラー２３から遠ざけた場合）、差ΔＬは大きくなる。したがって、遅延量可変部２２は、テーブル２２１の位置を調整することによって、光回折素子１０ａ，１０ｂに入力する各光信号Ｓ１，Ｓ２における時刻の差である遅延量を変化させることができる。

【0037】

また、光路ＯＰ２には、屈折率が空気の屈折率を上回る材料により構成された高屈折率部材が設けられていてもよい。高屈折率部材の一例としては、ハーフミラー２１と遅延量可変部２２との間、及び、遅延量可変部２２とミラー２３との間に設けられた透光性を有する樹脂製の板状部材２４が挙げられる。図１においては、板状部材２４を仮想線（２点鎖線）により図示している。なお、板状部材２４は、ハーフミラー２１と遅延量可変部２２との間、及び、遅延量可変部２２とミラー２３との間の何れか一方に設けられていてもよい。また、板状部材２４は、ミラー２２２とミラー２２３との間に設けられていてもよい。また、高屈折率部材の形状は、板状部材に限られず、適宜さだめることができ、例えばブロック状であってもよい。

【0038】

板状部材２４の厚み（ｘ軸方向に沿った長さ）を厚くすれば厚くするほど、あるいは、板状部材２４を構成する樹脂の屈折率を大きくすれば大きくするほど、光路ＯＰ１及び光路ＯＰ２における光路長の差を拡大することができる。したがって、板状部材２４は、光回折素子１０ａ，１０ｂに入力する各光信号Ｓ１，Ｓ２における時刻の差である遅延量を変化させる遅延量可変部としても機能する。

【0039】

（各光信号を光回折素子に入力するタイミング）
図１の（ａ）のように構成された光演算装置１において、光信号入力部２０は、光信号Ｓ１と光信号Ｓ２とを、常に、光回折素子１０ａ，１０ｂに同時に入力するように構成されている。ただし、本発明の一態様において、光信号入力部２０は、光信号Ｓ１と光信号Ｓ２とを、少なくともあるタイミングにおいて、光回折素子１０ａ，１０ｂに同時に入力するように構成されていてもよい。換言すれば、光信号入力部２０は、光信号Ｓ１と光信号Ｓ２とは、少なくともあるタイミング以外のタイミングにおいて、光信号Ｓ１及び光信号Ｓ２の何れか一方を光回折素子１０ａ又は光回折素子１０ｂに入力するように構成されていてもよい。

【0040】

なお、任意のタイミングにおいて各光信号Ｓ１，Ｓ２を各光回折素子１０ａ，１０ｂに入力したり遮断したりする機構としては、各光路ＯＰ１，ＯＰ２の光路上に設けられたシャッターを用いることができる。

【0041】

なお、光信号Ｓ１と光信号Ｓ２とを、少なくともあるタイミングにおいて、光回折素子１０ａ，１０ｂに同時に入力するように構成されていてもよい点は、図１の（ｂ）に示す光演算方法Ｍ１０においても同様である。

【0042】

＜光回折素子＞
図１に示すように、光信号入力部２０の後段には、光回折素子１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ，１０ｅが設けられている。以下では、光回折素子１０ａを例にして、光回折素子の構造について説明する。光回折素子１０ｂ，１０ｃ，１０ｄは、光回折素子１０ａと同一に構成されている。また、光回折素子１０ｅは、光回折素子１０ａと同様に構成されているが、中央部分１１３の形状及び大きさが異なる。光回折素子１０ａにおいて、中央部分１１３は、一辺の長さＬ（図２参照）が２００μｍの正方形である。一方、光回折素子１０ｅにおいて、中央部分１１３は、短辺の長さが２００μｍであり、長辺の長さが４００μｍである長方形である。

【0043】

（構成）
図２に示すように、光回折素子１０ａは、基材１１と、光回折構造１２と、を備えている。

【0044】

基材１１は、互いに対向する主面１１１及び主面１１２を有する層状の部材（例えばフィルム）であって、透光性を有する材料により構成されている。主面１１１は、基材１１の一方の主面の一例である。なお、以下において、基材１１の主面１１１の中央に位置する一部を中央部分１１３と称し、中央部分１１３を取り囲む環状の部分を環状部分１１４と称する。なお、図２においては、光回折構造１２の下層に中央部分１１３が位置することを、符号「１１３」に破線の下線を付すことで示している。

【0045】

本実施形態においては、基材１１を構成する材料として、アクリル系樹脂を採用している。ただし、基材１１を構成する材料は、信号光として用いる光の波長域において透光性を有していればよく、アクリル系樹脂に代表される樹脂に限定されない。基材１１を構成する材料は、石英ガラスに代表されるガラス材料であってもよい。

【0046】

また、基材１１を構成する材料は、後述する光回折構造１２を主面１１１に造形した場合に、光回折構造１２を構成する樹脂（例えば光硬化樹脂）と良好な密着性を有する材料であることが好ましい。

【0047】

また、本実施形態においては、基材１１の厚みとして５μｍを採用している。このような厚さの樹脂フィルムは、可撓性を有するため、単体では自立することができない。なお、基材１１の厚みは、５μｍに限定されない。

【0048】

また、基材１１を主面１１１の法線方向から平面視した場合の形状（以下において平面視形状と称する）は、正方形である。なお、基材１１は、後述する中央部分１１３のサイズを上回っていればよく、サイズ及び形状は適宜定めることができる。

【0049】

光回折構造１２は、中央部分１１３に形成されている。本実施形態において、中央部分１１３は、例えば、一辺の長さＬが２００μｍである正方形である。光回折構造１２は、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Ａにより構成されている（図２参照）。本実施形態において、各マイクロセルＡは、透光性を有する樹脂（例えば光硬化樹脂）製である。ただし、光回折構造１２は、ガラス（例えば石英ガラス）製であってもよい。

【0050】

光回折構造１２に信号光が入射すると、各マイクロセルＡを透過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。光回折構造１２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。

【0051】

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。

【0052】

図１の拡大図に例示した光回折構造１２は、マトリックス状に配置された２０×２０個のマイクロセルＡにより構成されている。各マイクロセルＡの平面視形状は、例えば、１μｍ×１μｍの正方形であり、光回折構造１２の平面視形状は、例えば、２００μｍ×２００μｍの正方形である。

【0053】

なお、セルサイズ、各マイクロセルＡの平面視形状、及び、光回折構造１２の平面視形状は、上述した例に限定されず、適宜定めることができる。

【0054】

（光信号に対する光演算）
光回折素子１０ａは、光路ＯＰ１を伝搬してきた光信号Ｓ１が入射面に入力されるように配置されている。光回折素子１０ａは、光信号Ｓ１に対して所定の光演算を実行する。

【0055】

光回折素子１０ｂは、光路ＯＰ２を伝搬してきた光信号Ｓ２が入射面に入力されるように配置されている。光回折素子１０ｂは、光信号Ｓ２に対して所定の光演算を実行する。

【0056】

光回折素子１０ｃは、光回折素子１０ａの後段に、有効領域同士が重なるように配置されている。光回折素子１０ｃは、光回折素子１０ａが光演算を実行した光信号Ｓ１に対して、所定の光演算を実行する。

【0057】

光回折素子１０ｄは、光回折素子１０ｂの後段に、有効領域同士が重なるように配置されている。光回折素子１０ｄは、光回折素子１０ｂが光演算を実行した光信号Ｓ２に対して、所定の光演算を実行する。

【0058】

なお、光回折素子１０ａ及び光回折素子１０ｂの各々は、互いに独立した光回折素子である。また、光回折素子１０ｃ及び光回折素子１０ｄの各々は、互いに独立した光回折素子である。光回折素子１０ａと光回折素子１０ｂとの間、及び、光回折素子１０ｃと光回折素子１０ｄとの間には、光を透過しない遮光板１４が設けられている。

【0059】

したがって、光回折素子１０ａ及び光回折素子１０ｃは、各マイクロセルを透過した光信号Ｓ１のみを干渉させ、光信号Ｓ２を干渉させない。換言すれば、光回折素子１０ａ及び光回折素子１０ｃは、光信号Ｓ１に対してのみ光演算を実施し、光信号Ｓ２に対しては影響を与えない。同様に、光回折素子１０ｂ及び光回折素子１０ｄは、各マイクロセルを透過した光信号Ｓ２のみを干渉させ、光信号Ｓ１を干渉させない。換言すれば、光回折素子１０ｂ及び光回折素子１０ｄは、光信号Ｓ２に対してのみ光演算を実施し、光信号Ｓ１に対しては影響を与えない。

【0060】

光回折素子１０ｅは、光回折素子１０ｃ及び光回折素子１０ｄの後段に配置されている。光回折素子１０ｅの有効領域は、光回折素子１０ｃの有効領域と、光回折素子１０ｄの有効領域とに重なっている。

【0061】

光回折素子１０ｅは、光回折素子１０ａ～１０ｄとは異なり、各マイクロセルを透過した光信号Ｓ１及び光信号Ｓ２を互いに干渉させる。換言すれば、光回折素子１０ｅは、光信号Ｓ１及び光信号Ｓ２に対して影響を与える。

【0062】

なお、本実施形態においては、３段の光回折素子を採用している。ただし、光回折素子の段数は、３段に限定されず適宜定めることができる。また、本実施形態においては、１段目の光回折素子及び２段目の光回折素子の各々を、光路ＯＰ１及び光路ＯＰ２の各々に対して独立するように設けている。ただし、１段目の光回折素子及び２段目の光回折素子の各々は、３段目の光回折素子１０ｅのように光路ＯＰ１及び光路ＯＰ２の各々に対して共通するように設けることもできる。また、本実施形態においては、３段目の光回折素子を、光路ＯＰ１及び光路ＯＰ２の各々に対して共通するように設けている。ただし、３段目の光回折素子は、光路ＯＰ１及び光路ＯＰ２の各々に対して独立するように設けることもできる。

【0063】

＜変形例＞
図１に示した光演算装置１の変形例である光演算装置１Ａについて、図３及び図４を参照して説明する。図３及び図４は、何れも光演算装置１Ａの概略図である。図３は、図１の場合と同様に、光信号入力部のシャシーを平面視した場合の概略図であり、図４は、１段目の光回折素子を光信号の入力方向から平面視した場合の概略図である。

【0064】

図３に示すように、光演算装置１Ａは、３つの光回折素子１０１，１０２，１０３と、光信号入力部４０とを備えている。また、図３には図示していないが、光演算装置１Ａは、光演算装置１のレンズ群３０と同じレンズ群を備えている。

【0065】

光演算装置１Ａの光回折素子１０１は、光演算装置１の光回折素子１０ａ，１０ｂに対応し、光演算装置１Ａの光回折素子１０２は、光演算装置１の光回折素子１０ｃ，１０ｄに対応し、光演算装置１Ａの光回折素子１０３は、光演算装置１の光回折素子１０ｅに対応する。

【0066】

光回折素子１０１～１０３の各々において、マイクロセルＡが設けられている中央部分１１３（図２参照）は、一辺の長さＬが４００μｍの正方形である。光回折素子１０１～１０３の各々は、各マイクロセルＡを透過した光信号Ｓ１～Ｓ４を互いに干渉させる。換言すれば、光回折素子１０１～１０３の各々は、光信号Ｓ１～Ｓ４の何れに対しても影響を与える。

【0067】

（光信号入力部）
光演算装置１Ａの光信号入力部４０は、光演算装置１の光信号入力部２０を変形することによって得られる。光演算装置１は、１つのハーフミラー２１を備え、光信号Ｓの光路ＯＰＩを２つの光路である光路ＯＰ１，ＯＰ２に分岐するように構成されている。一方、光演算装置１Ａは、３つのハーフミラー４１，４２，４５を備え、光信号Ｓの光路ＯＰＩを４つの光路である光路ＯＰ１，ＯＰ２，ＯＰ３，ＯＰ４に分岐するように構成されている。本変形例の光信号入力部４０では、この点について説明する。なお、図３及び図４においては、ハーフミラー４１，４２，４５と、ミラー４３，４４，４６とについて、符号の矢印を用いてそれぞれの位置を指し示し、ハーフミラー及びミラーの実質的な形状の図示を省略している。

【0068】

（第１の光路）
光信号入力部２０の場合と同様に、光路ＯＰＩには、ハーフミラー２１に対応するハーフミラー４１が設けられている。ハーフミラー４１は、鏡面の法線方向に対して４５°の入射角で光が入射した場合に、７５％の光を正反射し、残りの２５％の光を透過させる。光信号Ｓは、ハーフミラー４１の鏡面に対して４５°の入射角で入射する。

【0069】

光信号Ｓの２５％である光信号Ｓ１は、鏡面において正反射されず、そのままｚ軸正方向に伝搬し、光回折素子１０１に入力される。光信号Ｓ１における主光線の経路を光路ＯＰ１とする。光路ＯＰ１は、第１の光路の一例である。

【0070】

（第２の光路）
光信号Ｓの残りの７５％である光信号Ｓ１’は、鏡面において正反射され、光路ＯＰＩの方向と直交するｘ軸正方向へ伝搬する。

【0071】

ハーフミラー４１により正反射された光信号Ｓ１’の光路にはハーフミラー４２が設けられている。ハーフミラー４２は、鏡面の法線方向に対して４５°の入射角で光が入射した場合に、３３．３％の光を正反射し、残りの６６．６％の光を透過させる。光信号Ｓ１’は、ハーフミラー４２の鏡面に対して４５°の入射角で入射する。

【0072】

光信号Ｓ１’の３３．３％である光信号Ｓ２は、鏡面において正反射され、ｚ軸正方向に伝搬し、光回折素子１０１に入力される。光信号Ｓ１’及び光信号Ｓ２における主光線の経路を光路ＯＰ２とする。光路ＯＰ２は、第２の光路の一例である。

【0073】

（第３の光路）
光信号Ｓ１’の残りの６６．６％である光信号Ｓ２’は、ハーフミラー４２の鏡面において正反射されず、そのままｘ軸正方向に伝搬する。

【0074】

光信号Ｓ２’の光路には、ミラー４３，４４と、ハーフミラー４５とが設けられている。ミラー４３，４４は、図１に示したミラー２２２，２２３と同様に構成されている。したがって、光信号Ｓ２’は、ミラー２２２，２２３に正反射されｘ軸負方向へ伝搬する。

【0075】

ハーフミラー４５は、鏡面の法線方向に対して４５°の入射角で光が入射した場合に、５０％の光を正反射し、残りの５０％の光を透過させる。光信号Ｓ２’は、ハーフミラー４３の鏡面に対して４５°の入射角で入射する。

【0076】

光信号Ｓ２’の５０％である光信号Ｓ３は、ハーフミラー４５の鏡面において正反射され、ｚ軸正方向に伝搬し、光回折素子１０１に入力される。光信号Ｓ２’及び光信号Ｓ３における主光線の経路を光路ＯＰ３とする。光路ＯＰ３は、第３の光路の一例である。

【0077】

（第４の光路）
光信号Ｓ２’の残りの５０％である光信号Ｓ４は、ハーフミラー４５の鏡面において正反射されず、そのままｘ軸負方向に伝搬する。

【0078】

光信号Ｓ４の光路には、ミラー４６が設けられている。ハーフミラー４５を透過した光信号Ｓ４は、ミラー４６の鏡面に対して４５°の入射角で入射し、鏡面においてｚ軸正方向へ正反射される。

【0079】

ミラー４６により正反射された光信号Ｓ４は、ｚ軸正方向と平行に伝搬し、光回折素子１０１に入力される。光信号Ｓ４における主光線の経路を光路ＯＰ４とする。光路ＯＰ４は、第４の光路の一例である。

【0080】

（光路長の差）
以上のように、ハーフミラー４１，４２，４５は、光信号Ｓが伝送される光路ＯＰＩを光路ＯＰ１～ＯＰ４に分岐する。光路ＯＰ１～ＯＰ４の各々の実空間における長さである実空間長は、光路ＯＰ１，ＯＰ２，ＯＰ３，ＯＰ４の順番で長くなる。

【0081】

このように、光信号入力部４０においては、光路ＯＰ１～ＯＰ４の各々の光路長が異なるため、光信号Ｓの異なる４つの時刻における強度分布を有する光信号Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４を同時に光回折素子１０１に入力することができる。光信号Ｓ１は、後述する光信号Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４に対して基準となる光信号である。また、光信号Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４は、何れも、光信号Ｓ１を遅延させた遅延光信号である。

【0082】

〔第２の実施形態〕
本発明の第２の実施形態に係る光演算装置２について、図５を参照して説明する。図５は、光演算装置２の斜視図である。

【0083】

図５に示すように、光演算装置２は、光信号入力部５０と、光回折素子１０１～１０３とを備えている。光演算装置２の光回折素子１０１～１０３は、光演算装置１Ａの光回折素子１０１～１０３（図３参照）と同一に構成されている。したがって、本実施形態では、光信号入力部５０について説明する。

【0084】

＜光信号入力部＞
図５に示すように、光信号入力部５０は、撮像部５１と、画像処理部５２と、表示制御部５３と、表示部５４～５７とを備えている。

【0085】

撮像部５１は、複数のレンズにより構成されたレンズ群と、撮像素子とを備えている。

【0086】

レンズ群は、最初段のレンズに入射してきた光束の進行方向を整え、当該光束を後述する光回折素子１０ａの入射面に結像させる。レンズ群の最後段から撮像素子に入力される光束は、その照射面において時間変化する強度分布を有する。以下において、撮像素子に入力される光束のことを光信号Ｓと称する。

【0087】

撮像素子は、受光面に入射した光信号Ｓを電気信号に変換し、画像処理部５２に供給する。

【0088】

画像処理部５２は、撮像素子から供給された電気信号から動画像を生成する。動画像は、各フレームにより表される静止画像を複数含んでいる。各フレームにより表される静止画像は、光信号Ｓの異なる各時刻における強度分布の一例である。画像処理部５２が生成する動画像におけるフレームレートは、限定されず、被写体の動く速度などに応じて適宜定めることができる。被写体の動きが高速である場合には、フレームレートを高く設定することが好ましい。フレームレートの一例としては、１００，０００ｆｐｓ（フレーム／秒）が挙げられる。

【0089】

表示制御部５３は、画像処理部５２が生成した単一の動画像を構成するフレームのうち、互いに異なる４つのフレームの画像を表示部５４～５７の各々に表示させる。この時、表示制御部５３は、１つの波長（例えば８００ｎｍ）の光を用いて４つのフレームの画像を表示部５４～５７の各々に表示させることが好ましい。
表示制御部５３は、各表示部５４～５７に表示させるフレームのフレーム間隔を適宜定めることができる。例えば、動画像のフレームレートが１００，０００ｆｐｓである場合、１フレーム毎の４つの画像を各表示部５４～５７に表示させることにより、１０μｓｅｃオーダーの被写体の動きを検出することができる。また、例えば、１００フレーム毎の４つの画像を各表示部５４～５７に表示させる場合、１ｍｓｅｃオーダーの被写体の動きを検出することができる。このように、表示制御部５３は、各表示部５４～５７に表示させるフレームのフレーム間隔を制御することにより、光信号Ｓにおける時刻の差である遅延量を変化させることができる。したがって、表示制御部５３は、遅延量可変部の一例である。

【0090】

各表示部５４～５７は、有機ＥＬ（Electro Luminescence）ディスプレイである。ただし、各表示部５４～５７は、液晶ディスプレイであってもよい。なお、有機ＥＬディスプレイは、液晶ディスプレイよりも応答速度が高いため、光演算装置２の表示部として好ましい。光回折素子１０１～１０３を用いて光演算を実行するためには、光回折素子１０１～１０３に入力される画像は、１つの波長の光を用いて表現されていることが好ましい。したがって、各表示部５４～５７は、カラー表示できる必要はなく、１つの色（例えば波長が８００ｎｍ）を表示可能なモノクロディスプレイであればよい。各表示部５４～５７をモノクロディスプレイにより構成することにより、カラーディスプレイの場合よりも解像度を高めることができる。

【0091】

各表示部５４～５７は、表示制御部５３からの制御信号に基づき、互いに異なる４つのフレームの画像を同時に表示する。各表示部５４～５７は、光回折素子１０１と対向するように配置されているため、互いに異なる４つのフレームの画像を同時に光回折素子１０１に入力することができる。動画像における互いに異なる４つのフレームの画像は、光信号の一例である。異なるフレームの４つの画像のうち、時系列的に最も早いフレームの画像（本実施形態では、表示部５４が表示する画像）を基準とする光信号とすれば、時系列的に後に続くフレームの画像（本実施形態では、表示部５５～５７が表示する画像）は、何れも遅延光信号といえる。このように、光演算装置２の光信号入力部５０は、基準となる光信号と、当該光信号を遅延させた光信号である遅延光信号と、を同時に光回折素子１０１に入力することができる。

【0092】

なお、表示部５４～５７と光回折素子１０１との間には、レンズなどの光学系が介在していてもよい。

【0093】

〔まとめ〕
本発明の第１の態様に係る光演算装置は、厚み又は屈折率が個別に設定された複数のマイクロセルを有する１又は複数の光回折素子と、光の強度分布が時間変化する光信号の異なる時刻における前記強度分布を、少なくともあるタイミングにおいて、同時に前記１又は複数の光回折素子に入力する光信号入力部と、を備えている。また、本光演算装置の光信号入力部は、光信号と、当該光信号を遅延させた光信号である遅延光信号とを、少なくともあるタイミングにおいて、同時に前記１又は複数の光回折素子に入力する、とも言い替えられる。

【0094】

上記の構成によれば、１又は複数の光回折素子には、光信号の異なる時刻における強度分布が同時に入力される。また、上記の構成によれば、１又は複数の光回折素子には、光信号と、遅延光信号とを同時に入力される、とも言い替えられる。したがって、本光演算装置は、強度分布が時間変化する光信号を取り扱うことができる。

【0095】

また、本発明の第２の態様に係る光演算装置においては、上述した第１の態様に係る光演算装置の構成に加えて、前記光信号入力部は、前記光信号が伝送される光路を、第１の光路と、当該第１の光路よりも光路長が長い第２の光路とに分岐し、前記第１の光路及び前記第２の光路の各々から出力される光信号の各々を前記１又は複数の光回折素子に入力する、構成が採用されている。また、本光演算装置においては、上述した第１の態様に係る光演算装置の構成に加えて、前記光信号入力部は、前記第１の光路から出力される前記光信号、及び、前記第２の光路から出力される前記遅延光信号の各々を前記１又は複数の光回折素子に入力する、構成が採用されている、とも言い替えられる。

【0096】

上記の構成によれば、第２の光路の光路長のほうが第１の光路の光路長よりも長いため、第２の光路から出力される光信号の時刻は、第１の光路から出力される光信号の時刻よりも遅れている。したがって、本光演算装置は、前記第１の光路から出力される光信号を基準とする光信号として、当該光信号を遅延させた光信号である遅延光信を容易に生成することができる。そのため、本光演算装置は、容易に、異なる時刻における強度分布を有する光信号（すなわち、基準となる光信号及び遅延光信号）を同時に１又は複数の光回折素子に入力することができる。

【0097】

また、本光演算装置によれば、第１の光路から出力される光信号の時刻と、第２の光路から出力される光信号の時刻との差である遅延量を容易に小さくすることができる。したがって、本光演算装置は、短い時間内において強度分布が変化する高速な情報を取り扱うことができる。

【0098】

また、本発明の第３の態様に係る光演算装置においては、上述した第２の態様に係る光演算装置の構成に加えて、前記第２の光路の光路上には、屈折率が空気の屈折率を上回る材料により構成された高屈折率部材が設けられている、構成が採用されている。

【0099】

上記の構成によれば、第２の光路により伝送される光信号は、高屈折率部材を透過するときに、第２の光路により伝送される光信号よりも遅延される。したがって、本光演算装置は、第２の光路から出力される光信号の時刻を第１の光路から出力される光信号の時刻よりも確実に遅らせることができる。

【0100】

また、本発明の第３の態様に係る光演算装置においては、上述した第２の態様又は第３の態様に係る光演算装置の構成に加えて、前記第２の光路は、実空間長が前記第１の光路の実空間長よりも長く、且つ、屈折率が空気以下である媒質により満たされている、構成が採用されている。

【0101】

また、本発明の第４の態様に係る光演算装置においては、上述した第２の態様又は第３の態様に係る光演算装置の構成に加えて、前記第２の光路は、実空間長が前記第１の光路の実空間長よりも長く、且つ、屈折率が空気以下である媒質により満たされている、構成が採用されている。

【0102】

上記の構成によれば、簡易な構成を用いて第２の光路の光路長を第１の光路の光路長よりも長くすることができる。なお、光路の光路長は、光路の実空間長と屈折率との積で求めることができる。

【0103】

また、本発明の第５の態様に係る光演算装置においては、上述した第２の態様～第４の態様の何れか一態様に係る光演算装置の構成に加えて、前記光信号が伝送される光路上に設けられたハーフミラーであって、前記光信号の伝送経路を、互いに異なる第１の光路及び第２の光路に分岐させるハーフミラーを更に備えている、構成が採用されている。

【0104】

上記の構成によれば、１つの光信号から、同じ強度分布を有する２つの光信号を容易に生成することができる。

【0105】

また、本発明の第６の態様に係る光演算装置においては、上述した第１の態様に係る光演算装置の構成に加えて、前記光信号入力部は、単一の動画像を構成し、且つ、互いに異なるフレームの複数の画像を表示し、各画像を前記１又は複数の光回折素子に入力する、構成が採用されている。

【0106】

動画像における各フレームの画像は、光信号の一例である。異なるフレームの複数の画像のうち、時系列的に最も早いフレームの画像を基準とする光信号とすれば、時系列的に後に続くフレームの画像は、何れも遅延光信号といえる。上記の構成によれば、容易に、異なる時刻における強度分布を有する複数の光信号を同時に１又は複数の光回折素子に入力することができる。

【0107】

また、本発明の第７の態様に係る光演算装置においては、上述した第１の態様～第６の態様の何れか一態様に係る光演算装置の構成に加えて、前記光信号入力部は、１又は複数の光回折素子に入力する各光信号における時刻の差である遅延量を変化させる遅延量可変部を備えている、構成が採用されている。また、本光演算装置の光信号入力部は、前記光信号と前記遅延光信号との間に生じる遅延量を変化させる遅延量可変部を備えている、とも言い替えられる。

【0108】

上記の構成によれば、１又は複数の光回折素子に入力する各光信号における遅延量を変化さえることができるので、光信号において強度分布が変化する速度に応じた遅延量を採用することができる。

【0109】

本発明の第８の態様に係る光演算方法は、光の強度分布が時間変化する光信号の異なる時刻における前記強度分布を、少なくともあるタイミングにおいて、同時に前記１又は複数の光回折素子に入力する工程を含んでいる。また、本光演算方法は、光信号の一部を遅延させることにより遅延光信号を生成する遅延工程と、前記光信号と前記遅延光信号とを、少なくともあるタイミングにおいて、同時に１又は複数の光回折素子であって、厚み又は屈折率が個別に設定された複数のマイクロセルを有する１又は複数の光回折素子に入力する入力工程と、を含んでいる、とも言い替えられる。

【0110】

このように構成された本光演算方法は、上述した第１の態様に係る光演算装置と同様の効果を奏する。

【0111】

〔付記事項〕
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる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。

【符号の説明】

【0112】

１，１Ａ，２ 光演算装置
１０ａ～１０ｅ，１０１～１０３ 光回折素子
Ａ マイクロセル
２０ 光信号入力部
２１ ハーフミラー
２２ 遅延量可変部
２４ 板状部材（遅延量可変部）
ＯＰ１，ＯＰ２ 第１の光路，第２の光路
４０，５０ 光信号入力部
４１，４２，４５ ハーフミラー
５１ 撮像部
５２ 画像処理部
５３ 表示制御部（遅延量可変部）
５４～５７ 表示部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】