特許 7608591 光回折素子、及び、光回折素子の位置調整方法

(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】2024-12-20

(45)【発行日】2025-01-06

(54)【発明の名称】光回折素子、及び、光回折素子の位置調整方法

(51)【国際特許分類】

   G02B 5/18 20060101AFI20241223BHJP

【ＦＩ】

G02B5/18

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2023500560

(86)(22)【出願日】2021-12-08

(86)【国際出願番号】 JP2021045042

(87)【国際公開番号】W WO2022176332

(87)【国際公開日】2022-08-25

【審査請求日】2023-06-12

(31)【優先権主張番号】P 2021024502

(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】小西 隆

(56)【参考文献】

【文献】特開２００９－１３４２３２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－３０８６４３（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０２０／０２４２４６３（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２００５－０９１８９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０４－３２４４０６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０９－０６８７０５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０６－２４４０８５（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１９／１４７８２８（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０２Ｂ ５／１８

５／３２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数のマイクロセルにより構成された第１の演算用光学構造、及び、前記第１の演算用光学構造の内部に形成された第１の位置調整用光学構造を有する第１の光回折素子と、複数のマイクロセルにより構成された第２の演算用光学構造、及び、前記第２の演算用光学構造の内部に形成された第２の位置調整用光学構造を有する第２の光回折素子と、を備えた光演算装置において、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位置調整方法であって、
調整用信号光を前記第１の位置調整用光学構造を介して前記第２の位置調整用光学構造に入力すると共に、前記第２の位置調整用光学構造から出力される調整用信号光を参照しながら前記第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。

【請求項2】

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、
ことを特徴とする請求項１に記載の位置調整方法。

【請求項3】

前記第２の位置調整用光学構造は、調整用信号光を遮蔽するマスクとして機能するマイクロセルであって、演算用信号光を透過するマイクロセルを含んでいる、
ことを特徴とする請求項２に記載の位置調整方法。

【請求項4】

前記第１の位置調整用光学構造は、前記第１の演算用光学構造の内部における周辺部に形成されており、前記第２の位置調整用光学構造は、前記第２の演算用光学構造の内部における周辺部に形成されている、
ことを特徴とする請求項１に記載の位置調整方法。

【請求項5】

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内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。

【請求項6】

複数のマイクロセルにより構成された第１の演算用光学構造、及び、前記第１の演算用光学構造の内部に形成された第１の位置調整用光学構造を有する第１の光回折素子と、複数のマイクロセルにより構成された第２の演算用光学構造、及び、前記第２の演算用光学構造の内部に形成された第２の位置調整用光学構造を有する第２の光回折素子と、を備え、
前記第１の光回折素子は、前記第２の光回折素子の前段又は後段に配置されており、
前記第１の位置調整用光学構造と前記第２の位置調整用光学構造とは重なっており、かつ、前記第１の演算用光学構造と前記第２の演算用光学構造とは重なっている、
ことを特徴とする光演算装置。

【請求項7】

複数のマイクロセルにより構成された第１の演算用光学構造、及び、前記第１の演算用光学構造の内部に形成された第１の位置調整用光学構造を有する第１の光回折素子と、複数のマイクロセルにより構成された第２の演算用光学構造、及び、前記第２の演算用光学構造の内部に形成された第２の位置調整用光学構造を有する第２の光回折素子と、を備え、
前記第１の光回折素子と前記第２の光回折素子とは、調整用信号光を前記第１の位置調整用光学構造を介して前記第２の位置調整用光学構造に入力し、演算用信号光を前記第１の演算用光学構造を介して前記第２の演算用光学構造に入力するように配置されている、ことを特徴とする光演算装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光演算機能を有する光回折素子に関する。また、本発明は、そのような光回折素子を備えた光演算装置における光回折素子の位置調整方法に関する。

【背景技術】

【0002】

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。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【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】

【0004】

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。

【0005】

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、第１の光回折素子と第２の光回折素子とを少なくとも備えた光演算装置において、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位置調整方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の一態様に係る位置調整方法は、複数のマイクロセルにより構成された第１の演算用光学構造、及び、前記第１の演算用光学構造の内部又は外部に形成された第１の位置調整用光学構造を有する第１の光回折素子と、複数のマイクロセルにより構成された第２の演算用光学構造、及び、前記第２の演算用光学構造の内部又は外部に形成された第２の位置調整用光学構造を有する第２の光回折素子と、を備えた光演算装置において、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位置調整方法である。本発明の態様１に係る位置調整方法においては、調整用信号光を前記第１の位置調整用光学構造を介して前記第２の位置調整用光学構造に入力すると共に、前記第２の位置調整用光学構造から出力される調整用信号光を参照しながら前記第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、という構成が採用されている。

【0007】

本発明の別の態様に係る光回折素子は、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内部又は外部に形成された位置調整用光学構造と、を備えている。

【発明の効果】

【0008】

本発明の一態様によれば、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位置調整方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】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2】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。

【図3】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。（ａ）は、位置調整工程の様子を示し、（ｂ）は、光演算工程の様子を示す。

【発明を実施するための形態】

【0010】

〔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。

【0011】

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。

【0012】

位置調整用光学構造１２は、演算用光学構造１１の内部又は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の内部に形成されているとは、演算用光学構造１１の一部が位置調整用光学構造１２としても機能することを指す。また、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は別の領域に位置調整用光学構造１２が形成されていることを指す。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別の領域となるように位置調整用光学構造１２が形成されていることを指す。図１においては、位置調整用光学構造１２が演算用光学構造１１の内部に形成された光回折素子１を図示している。

【0013】

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。

【0014】

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。

【0015】

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。

【0016】

（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。

【0017】

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。

【0018】

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。

【0019】

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。

【0020】

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。

【0021】

なお、位置調整用光学構造１２を演算用光学構造１１の内部に設ける構成には、演算用光学構造１１の演算内容に制約が生じるというデメリットがある反面、光回折素子１の小型化が容易になるというメリットがある。ただし、光演算に利用されることの少ない演算用光学構造１１の周辺部（演算用光学構造１１の平面視形状が四角形の場合、例えば、演算用光学構造１１の四隅の何れか）に位置調整用光学構造１２を設けることによって、演算用光学構造１１の演算内容に生じる制約を十分に小さくすることが可能である。一方、位置調整用光学構造１２を演算用光学構造１１の外部に設ける構成には、光回折素子１の小型化が困難になるデメリットがある反面、演算用光学構造１１の演算内容に制約が生じないというメリットがある。

【0022】

〔光演算装置の構成及び光演算方法の流れ〕
本発明の一実施形態に係る光演算装置２の構成、及び、光演算装置２を用いた光演算方法の流れについて、図３を参照して説明する。図３の（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、光演算装置２の構成を示す斜視図である。

【0023】

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、を備えている。これら２つの光回折素子１Ａ，１Ｂは、上述した光回折素子１の一例である。

【0024】

第１の光回折素子１Ａは、第１の演算用光学構造１Ａ１の内部に、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の内部に、第２の位置調整用光学構造１Ｂ２を備えている。

【0025】

光演算方法は、位置調整工程Ｓ１（特許請求の範囲に記載の「位置調整方法」の一例）と、光演算工程Ｓ２と、を含んでいる。位置調整工程Ｓ１は、図３の（ａ）に示すように、特定の強度分布を有する調整用信号光を第１の位置調整用光学構造１Ａ２を介して第２の位置調整用光学構造１Ｂ２に入力すると共に、第２の位置調整用光学構造１Ｂ２から出力される調整用信号光を参照しながら、第１の光回折素子１Ａに対する第２の光回折素子１Ｂの位置を調整する工程である。光演算工程Ｓ２は、入力信号を表す強度分布を有する演算用信号光を第１の演算用光学構造１Ａ１を介して第２の演算用光学構造１Ｂ１に入力すると共に、第２の演算用光学構造１Ｂ１から出力される信号光の強度分布を出力信号（演算結果）を表す強度分布として取得する工程である。光演算工程Ｓ２は、位置調整工程Ｓ１の後に実施される。調整用信号光の波長は、演算用信号光の波長と同じ波長であってもよいし、異なる波長であってもよい。

【0026】

位置調整工程Ｓ１において、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用信号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。

【0027】

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。なお、調整用信号光の波長と演算用信号光の波長とが異なる場合、第２の位置調整用光学構造１Ｂ２においてマスクとして機能するマイクロセルは、調整用信号光は遮断し、演算用信号光は透過することが好ましい。これにより、第２の演算用光学構造の演算内容に課される制約を弱くすることができる。

【0028】

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。

【0029】

なお、上述した位置調整工程Ｓ１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。

【0030】

〔まとめ〕
本発明の態様１に係る位置調整方法は、複数のマイクロセルにより構成された第１の演算用光学構造、及び、前記第１の演算用光学構造の内部又は外部に形成された第１の位置調整用光学構造を有する第１の光回折素子と、複数のマイクロセルにより構成された第２の演算用光学構造、及び、前記第２の演算用光学構造の内部又は外部に形成された第２の位置調整用光学構造を有する第２の光回折素子と、を備えた光演算装置において、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位置調整方法である。本発明の態様１に係る位置調整方法においては、調整用信号光を前記第１の位置調整用光学構造を介して前記第２の位置調整用光学構造に入力すると共に、前記第２の位置調整用光学構造から出力される調整用信号光を参照しながら前記第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、という構成が採用されている。

【0031】

上記の構成によれば、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精度良く調整することができる。

【0032】

本発明の態様２に係る位置調整方法においては、態様１の構成に加えて、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。

【0033】

上記の構成によれば、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更に精度良く調整することができる。

【0034】

本発明の態様３に係る位置調整方法においては、態様２の構成に加えて、前記第２の位置調整用光学構造は、調整用信号光を遮蔽するマスクとして機能するマイクロセルであって、演算用信号光を透過するマイクロセルを含んでいる、という構成が採用されている。

【0035】

上記の構成によれば、第２の演算用光学構造の演算内容に生じる制約を十分に小さく抑えることができる。

【0036】

本発明の態様４に係る位置調整方法においては、態様１～３の何れか一態様の構成に加えて、前記第１の位置調整用光学構造は、前記第１の演算用光学構造の内部に形成されており、前記第２の位置調整用光学構造は、前記第２の演算用光学構造の内部に形成されている、という構成が採用されている。

【0037】

上記の構成によれば、第１の光回折素子及び第２の光回折素子の小型化が容易になる。

【0038】

本発明の態様５に係る位置調整方法においては、態様４の構成に加えて、前記第１の位置調整用光学構造は、前記第１の演算用光学構造の周辺部に形成されており、前記第２の位置調整用光学構造は、前記第２の演算用光学構造の周辺部に形成されている、という構成が採用されている。

【0039】

上記の構成によれば、第１の光回折素子及び第２の光回折素子の演算内容に生じる制約を十分に小さく抑えることができる。

【0040】

本発明の態様６に係る光回折素子は、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内部又は外部に形成された位置調整用光学構造と、を備えている。

【0041】

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であって、小型化が容易な光回折素子を実現することができる。

【0042】

本発明の態様７に係る光回折素子は、本発明の態様６に係る光回折素子を少なくとも２つ備えている。

【0043】

上記の構成によれば、２つの光回折素子の各々に設けられた位置調整用光学構造を用いて、一方の光回折素子に対する他方の光回折素子の位置を精度よく調整することができる。

【0044】

〔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。

【符号の説明】

【0045】

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
Ｓ１ 位置調整工程
Ｓ２ 光演算工程

【図1】

【図2】

【図3】