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RYUKA国際特許事務所 (新宿駅徒歩3分)

7806253光演算装置

書誌要約請求の範囲詳細な説明課題実施例実施するための形態図面の説明

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(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】2026-01-16

(45)【発行日】2026-01-26

(54)【発明の名称】光演算装置

(51)【国際特許分類】

G02F 3/00 20060101AFI20260119BHJP

G06E 3/00 20060101ALI20260119BHJP

【ＦＩ】

G02F3/00

G06E3/00

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2024536893

(86)(22)【出願日】2023-07-04

(86)【国際出願番号】 JP2023024750

(87)【国際公開番号】W WO2024024414

(87)【国際公開日】2024-02-01

【審査請求日】2024-10-24

(31)【優先権主張番号】P 2022118933

(32)【優先日】2022-07-26

(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ＨＡＲＡＫＥＮＺＯＷＯＲＬＤＰＡＴＥＮＴ＆ＴＲＡＤＥＭＡＲＫ

(72)【発明者】

【氏名】浅岡瞬

(72)【発明者】

【氏名】日下裕幸

(72)【発明者】

【氏名】柏木正浩

(72)【発明者】

【氏名】大竹守

【審査官】野口晃一

(56)【参考文献】

【文献】特表２０１６－５３２８９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０８－０７５９２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０００－１６２６５８（ＪＰ，Ａ）

【文献】中国特許出願公開第１１３２９６３７０（ＣＮ，Ａ）

【文献】特開２００６－２４３６６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭６３－０７４０４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１０－２２８０４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０２１／２０５２１３（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２００９／１３３５９２（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０２Ｆ１／００－１／１２５

１／２１－７／００

Ｇ０６Ｅ１／００－３／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

位相変調量が独立に設定された、又は、位相変調量が独立に設定可能な複数のセルを有する光変調素子を含む光演算部と、前記光演算部から出力された信号光を検出し、検出結果を表す電気信号を生成する光センサと、を備えており、
前記光変調素子は、（１）前記複数のセルの各々により位相変調された透過光が干渉することにより生じる信号光、及び、前記複数のセルにより位相変調されることなく該光変調素子を透過したノイズ光を出射する透過型光変調素子、又は、（２）前記複数のセルの各々により位相変調された反射光が干渉することにより生じる信号光、及び、前記複数のセルにより位相変調されることなく該光変調素子に反射されたノイズ光を出射する反射型光変調素子であり、
前記光変調素子において、前記複数のセルの各々の位相変調量は、前記信号光が前記光変調素子から出射する方向と前記ノイズ光が前記光変調素子から出射する方向とが異なるように設定されており、
前記電気信号に対する前記ノイズ光の影響は、前記信号光が前記光変調素子から出射する方向と前記ノイズ光が前記光変調素子から出射する方向とが一致する場合よりも小さく、
ミラーを更に備え、
前記光演算部は、前記光変調素子として第１の反射型光変調素子及び第２の反射型光変調素子を含み、
前記第２の反射型光変調素子は、（１）その入出射面が、前記第１の反射型光変調素子から出射され、前記ミラーにより反射された前記信号光の光軸と交わるように、且つ、（２）その入出射面と前記第１の反射型光変調素子から出射され、前記ミラーにより反射された前記信号光の光軸との交点と、前記第１の反射型光変調素子から出射され、前記ミラーにより反射された前記ノイズ光、又は、前記第１の反射型光変調素子から出射された前記ノイズ光の光軸とが交わらないように配置されており、
前記ミラーの反射面は、前記第１の反射型光変調素子及び前記第２の反射型光変調素子の入出射面と非平行である、
ことを特徴とする光演算装置。

【請求項2】

位相変調量が独立に設定された、又は、位相変調量が独立に設定可能な複数のセルを有する光変調素子を含む光演算部と、前記光演算部から出力された信号光を検出し、検出結果を表す電気信号を生成する光センサと、を備えており、
前記光変調素子は、（１）前記複数のセルの各々により位相変調された透過光が干渉することにより生じる信号光、及び、前記複数のセルにより位相変調されることなく該光変調素子を透過したノイズ光を出射する透過型光変調素子、又は、（２）前記複数のセルの各々により位相変調された反射光が干渉することにより生じる信号光、及び、前記複数のセルにより位相変調されることなく該光変調素子に反射されたノイズ光を出射する反射型光変調素子であり、
前記光変調素子において、前記複数のセルの各々の位相変調量は、前記信号光が前記光変調素子から出射する方向と前記ノイズ光が前記光変調素子から出射する方向とが異なるように設定されており、
前記電気信号に対する前記ノイズ光の影響は、前記信号光が前記光変調素子から出射する方向と前記ノイズ光が前記光変調素子から出射する方向とが一致する場合よりも小さく、
ミラーを更に備え、
前記光演算部は、前記光変調素子として第１の反射型光変調素子及び第２の反射型光変調素子を含み、
前記第２の反射型光変調素子は、（１）その入出射面が、前記第１の反射型光変調素子から出射され、前記ミラーにより反射された前記信号光の光軸と交わるように、且つ、（２）その入出射面に、前記第１の反射型光変調素子から出射され、前記ミラーにより反射された前記ノイズ光、又は、前記第１の反射型光変調素子から出射された前記ノイズ光の少なくとも一部が入射しないように配置されており、
前記ミラーの反射面は、前記第１の反射型光変調素子及び前記第２の反射型光変調素子の入出射面と非平行である、
ことを特徴とする光演算装置。

【請求項3】

位相変調量が独立に設定された、又は、位相変調量が独立に設定可能な複数のセルを有する光変調素子を含む光演算部と、前記光演算部から出力された信号光を検出し、検出結果を表す電気信号を生成する光センサと、を備えており、
前記光変調素子は、（１）前記複数のセルの各々により位相変調された透過光が干渉することにより生じる信号光、及び、前記複数のセルにより位相変調されることなく該光変調素子を透過したノイズ光を出射する透過型光変調素子、又は、（２）前記複数のセルの各々により位相変調された反射光が干渉することにより生じる信号光、及び、前記複数のセルにより位相変調されることなく該光変調素子に反射されたノイズ光を出射する反射型光変調素子であり、
前記光変調素子において、前記複数のセルの各々の位相変調量は、前記信号光が前記光変調素子から出射する方向と前記ノイズ光が前記光変調素子から出射する方向とが異なるように設定されており、
前記電気信号に対する前記ノイズ光の影響は、前記信号光が前記光変調素子から出射する方向と前記ノイズ光が前記光変調素子から出射する方向とが一致する場合よりも小さく、
ミラーを更に備え、
前記光演算部は、前記光変調素子として第１の反射型光変調素子及び第２の反射型光変調素子を含み、
前記第２の反射型光変調素子は、（１）その入出射面が、前記第１の反射型光変調素子から出射され、前記ミラーにより反射された前記信号光の光軸と交わるように、且つ、（２）その入出射面と前記第１の反射型光変調素子から出射され、前記ミラーにより反射された前記信号光の光軸との交点と、前記第１の反射型光変調素子から出射され、前記ミラーにより反射された前記ノイズ光、又は、前記第１の反射型光変調素子から出射された前記ノイズ光の光軸とが交わらないように配置されており、
前記光演算部は、前記第１の反射型光変調素子及び第２の反射型光変調素子として機能する領域が設定された単一の光変調素子により構成されている、
ことを特徴とする光演算装置。

【請求項4】

位相変調量が独立に設定された、又は、位相変調量が独立に設定可能な複数のセルを有する光変調素子を含む光演算部と、前記光演算部から出力された信号光を検出し、検出結果を表す電気信号を生成する光センサと、を備えており、
前記光変調素子は、（１）前記複数のセルの各々により位相変調された透過光が干渉することにより生じる信号光、及び、前記複数のセルにより位相変調されることなく該光変調素子を透過したノイズ光を出射する透過型光変調素子、又は、（２）前記複数のセルの各々により位相変調された反射光が干渉することにより生じる信号光、及び、前記複数のセルにより位相変調されることなく該光変調素子に反射されたノイズ光を出射する反射型光変調素子であり、
前記光変調素子において、前記複数のセルの各々の位相変調量は、前記信号光が前記光変調素子から出射する方向と前記ノイズ光が前記光変調素子から出射する方向とが異なるように設定されており、
前記電気信号に対する前記ノイズ光の影響は、前記信号光が前記光変調素子から出射する方向と前記ノイズ光が前記光変調素子から出射する方向とが一致する場合よりも小さく、
ミラーを更に備え、
前記光演算部は、前記光変調素子として第１の反射型光変調素子及び第２の反射型光変調素子を含み、
前記第２の反射型光変調素子は、（１）その入出射面が、前記第１の反射型光変調素子から出射され、前記ミラーにより反射された前記信号光の光軸と交わるように、且つ、（２）その入出射面に、前記第１の反射型光変調素子から出射され、前記ミラーにより反射された前記ノイズ光、又は、前記第１の反射型光変調素子から出射された前記ノイズ光の少なくとも一部が入射しないように配置されており、
前記光演算部は、前記第１の反射型光変調素子及び第２の反射型光変調素子として機能する領域が設定された単一の光変調素子により構成されている、
ことを特徴とする光演算装置。

【請求項5】

位相変調量が独立に設定された、又は、位相変調量が独立に設定可能な複数のセルを有する光変調素子が複数含まれる光演算部と、前記光演算部から出力された信号光を検出し、検出結果を表す電気信号を生成する光センサと、を備えており、
前記複数の前記光変調素子は、（１）前記複数のセルの各々により位相変調された透過光が干渉することにより生じる信号光、及び、前記複数のセルにより位相変調されることなく該光変調素子を透過したノイズ光を出射する透過型光変調素子、又は、（２）前記複数のセルの各々により位相変調された反射光が干渉することにより生じる信号光、及び、前記複数のセルにより位相変調されることなく該光変調素子に反射されたノイズ光を出射する反射型光変調素子であり、
前記光変調素子において、前記複数のセルの各々の位相変調量は、前記信号光が前記光変調素子から出射する方向と前記ノイズ光が前記光変調素子から出射する方向とが異なるように設定されており、
前記電気信号に対する前記ノイズ光の影響は、前記信号光が前記光変調素子から出射する方向と前記ノイズ光が前記光変調素子から出射する方向とが一致する場合よりも小さく、
前記光演算部は、信号光を透過する構造体であって、前記光変調素子として機能する光回折層が内部に形成された構造体であり、
前記複数の前記光変調素子は、一体化されている、
ことを特徴とする光演算装置。

【請求項6】

前記光センサは、複数の光電変換ユニットを有するイメージセンサであり、
前記イメージセンサは、前記信号光が検出限界以上の強度で入射する光電変換ユニットに前記ノイズ光が前記検出限界以上の強度で入射しないように配置されている、
ことを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の光演算装置。

【請求項7】

前記光センサは、（１）その入射面が、前記光演算部から出射された前記信号光の光軸と交わり、且つ、（２）その入射面と前記光演算部から出射された前記信号光の光軸との交点と、前記光演算部から出射された前記ノイズ光の光軸とが交わらないように配置されている、
ことを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の光演算装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

位相変調量が独立に設定された、又は、位相変調量が独立に設定可能な複数のセルを有する光変調素子を用いて光演算を行う光演算装置に関する。

【背景技術】

【0002】

複数のセルを有し、各セルを透過した信号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ように設計された光変調素子が知られている。このような光変調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。また、信号光に対して複数の光変調素子を順に作用させることによって、単一の光変調素子では実現困難な高度な光演算を容易に実現することができる。

【0003】

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。上述した光変調素子は、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】

【0004】

【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】

【0005】

しかしながら、演算前の信号光を光変調素子に入射させると、演算結果を表す信号光の他に各種ノイズ光が光変調素子から出射される。光変調素子が透過型光変調素子である場合、演算結果を表す信号光は、光変調素子を構成する各セルにより位相変調された透過光が干渉することにより生じる。ノイズ光のうち、演算前の信号光が各セルにて位相変調されることなく光変調素子を透過（正透過）することにより生じるノイズ光は、信号光と同一の方向に出射される。また、光変調素子が反射型光変調素子である場合、演算結果を表す信号光は、前記複数のセルの各々により位相変調された反射光が干渉することにより生じる。ノイズ光のうち、演算前の信号光が各セルにて位相変調されることなく光変調素子に反射（正反射）されることにより生じるノイズ光は、信号光の同一の方向に出射される。

【0006】

各光変調素子から出射されるノイズ光のうち、信号光と同一の方向に出射されるノイズ光は、信号光と共にイメージセンサに入射する。したがって、イメージセンサにて生成される電気信号は、このようなノイズ光の影響を受ける。そして、このようなノイズ光の影響が大きい場合、イメージセンサにて生成される電気信号から、光演算の結果を正しく読み取ることが困難になる。

【0007】

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、その目的は、光センサにて生成される電気信号に対するノイズ光の影響を低減した光演算装置を実現することにある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明の態様１に係る光演算装置は、位相変調量が独立に設定された、又は、位相変調量が独立に設定可能な複数のセルを有する光変調素子を含む光演算部と、前記光演算部から出力された信号光を検出し、検出結果を表す電気信号を生成する光センサと、を備えており、前記光変調素子は、（１）前記複数のセルの各々により位相変調された透過光が干渉することにより生じる信号光、及び、前記複数のセルにより位相変調されることなく該光変調素子を透過したノイズ光を出射する透過型光変調素子、又は、（２）前記複数のセルの各々により位相変調された反射光が干渉することにより生じる信号光、及び、前記複数のセルにより位相変調されることなく該光変調素子に反射されたノイズ光を出射する反射型光変調素子であり、前記光変調素子において、前記複数のセルの各々の位相変調量は、前記信号光が前記光変調素子から出射する方向と前記ノイズ光が前記光変調素子から出射する方向とが異なるように設定されており、前記電気信号に対する前記ノイズ光の影響は、前記信号光が前記光変調素子から出射する方向と前記ノイズ光が前記光変調素子から出射する方向とが一致する場合よりも小さい、ことを特徴とする。

【発明の効果】

【0009】

本発明の一態様によれば、イメージセンサにて生成される電気信号に対するノイズ光の影響を低減した光演算装置を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本発明の第１の実施形態に係る光演算装置の構成を示す側面図である。

【図2】図１に示す光演算装置の一変形例を示す側面図である。

【図3】図１に示す光演算装置が備える光変調素子の第１の構成例を示す平面図及び断面図である。

【図4】図１に示す光演算装置が備える光変調素子の第２の構成例を示す断面図である。

【図5】図１に示す光演算装置が備える光変調素子の第３の構成例を示す斜視図である。

【図6】本発明の第２の実施形態に係る光演算装置の構成を示す側面図である。

【図7】図６に示す光演算装置の第１の変形例を示す側面図である。

【図8】図６に示す光演算装置の第２の変形例を示す上面図、側面図、及び平面図である。

【図9】図６に示す光演算装置が備える光変調素子の第１の構成例を示す平面図及び断面図である。

【図10】図６に示す光演算装置が備える光変調素子の第２の構成例を示す断面図である。

【図11】図６に示す光演算装置が備える光変調素子の第３の構成例を示す斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

［第１の実施形態］
（光演算装置の構成）
本発明の第１の実施形態に係る光演算装置１の構成について、図１を参照して説明する。図１は、光演算装置１の構成を示す側面図である。

【0012】

光演算装置１は、図１に示すように、光演算部１１と、イメージセンサ１２と、を備えている。

【0013】

光演算部１１は、少なくとも１つの光変調素子１１ａ１～１１ａｎ（ｎは１以上の任意の自然数）の集合である。本実施形態においては、多段の光演算を実現するべく、光演算部１１として、３つの光変調素子１１ａ１～１１ａ３の集合を用いている。なお、光変調素子１１ａ１～１１ａｎは、一体化されていてもよい。例えば、乾燥ゲルなど、信号光を透過する構造体に中に形成されたｎ個の光回折層を、光変調素子１１ａ１～１１ａｎとして用いてもよい。

【0014】

各光変調素子１１ａｉ（ｉは１以上ｎ以下の各自然数）は、位相変調量が互いに独立に設定された複数のセルにより構成されている。各光変調素子１１ａｉは、透過型光変調素子であり、各セルにより位相変調された透過光を相互に干渉させることによって、光演算を行う。ここで、光演算を行うとは、信号光の２次元強度分布を、演算前の情報を表す２次元強度分布から、演算後の情報を表す２次元強度分布へと、変換することを指す。透過型光変調素子の構成例については、参照する図面を代えて後述する。

【0015】

光変調素子１１ａｉは、上述した信号光の他に、各セルにより位相変調されることなく光変調素子１１ａｉを透過したノイズ光を出射する。例えば、光変調素子１１ａｉを構成するセルの間にギャップがある場合、このギャップを通過した光がノイズ光となる。光変調素子１１ａｉから出射されるノイズ光の光軸は、光変調素子１１ａｉに入射する信号光の光軸と光変調素子１１ａｉの入射面の法線とが張る平面内に位置する。光変調素子１１ａｉから出射されるノイズ光の出射角は、光変調素子１１ａｉに信号光が入射する入射角と同一になる。すなわち、ノイズ光の光軸は、信号光が光変調素子１１ａｉを正透過した場合の透過光の光軸と一致する。

【0016】

このようなノイズ光を信号光から分離するために、光変調素子１１ａｉを構成する各セルの位相変調量は、信号光が光変調素子１１ａｉから出射する方向とノイズ光が光変調素子１１ａｉから出射する方向とが異なるように設定されている。透過型光変調素子では、ノイズ光の出射角が入射光の入射角と同一になる。したがって、各セルの位相変調量は、信号光の出射角が入射光の入射角と同一にならないように設定される。

【0017】

本実施形態においては、信号光ＳＬ０が第１の光変調素子１１ａ１の入射面に垂直入射する。第１の光変調素子１１ａ１は、ノイズ光ＮＬ１を出射面から垂直出射し、信号光ＳＬ１を斜め出射する。第２の光変調素子１１ａ２は、（１）その入射面が第１の光変調素子１１ａ１の出射面と平行になり、（２）その入射面が第１の光変調素子１１ａ１から出射された信号光ＳＬ１と交わり、（３）その入射面が第１の光変調素子１１ａ１から出射されたノイズ光ＮＬ１の光軸と交わらないように配置されている。なお、条件（３）を課す代わりに、第１の光変調素子１１ａ１から出射されたノイズ光ＮＬ１の光軸が、第２の光変調素子１１ａ２の入射面と第１の光変調素子１１ａ１から出射された信号光ＳＬ１との交点と交わらないという条件を課してもよい。或いは、第２の光変調素子１１ａ２の入射面に、第１の光変調素子１１ａ１から出射されたノイズ光ＮＬ１の少なくとも一部が入射しない、という条件を課してもよい。

【0018】

また、本実施形態において、第２の光変調素子１１ａ２は、ノイズ光ＮＬ２を斜め出射し、信号光ＳＬ２を垂直出射する。第３の光変調素子１１ａ３は、（１）その入射面が第２の光変調素子１１ａ２の出射面と平行になり、（２）その入射面が第２の光変調素子１１ａ２ら出射された信号光ＳＬ２と交わり、（３）その入射面が第２の光変調素子１１ａ２から出射されたノイズ光ＮＬ２の光軸と交わらないように配置されている。なお、条件（３）を課す代わりに、第２の光変調素子１１ａ２から出射されたノイズ光ＮＬ２の光軸が、第３の光変調素子１１ａ３の入射面と第２の光変調素子１１ａ２から出射された信号光ＳＬ２との交点と交わらないという条件を課してもよい。或いは、第３の光変調素子１１ａ３の入射面に、第２の光変調素子１１ａ２から出射されたノイズ光ＮＬ２の少なくとも一部が入射しない、という条件を課してもよい。第３の光変調素子１１ａ３は、ノイズ光ＮＬ３を垂直出射し、信号光ＳＬ３を斜め出射する。なお、本実施形態において、信号光ＳＬ０～ＳＬ３及びノイズ光ＮＬ１～ＮＬ３の光軸は、同一平面内に位置する。

【0019】

イメージセンサ１２は、光演算部１１から出力された信号光ＳＬ３を検出し、検出結果を表す電気信号を生成するための手段である光センサの一例である。イメージセンサ１２は、光演算部１１から出射された信号光ＳＬ３の強度分布を表す電気信号を生成するべく、複数の光電変換ユニットにより構成されている。イメージセンサ１２は、（１）その入射面が第３の光変調素子１１ａ３の出射面と平行になり、（２）その入射面が光演算部１１から出射された信号光ＳＬ３の光軸と交わり、（３）その入射面が光演算部１１から出射されたノイズ光ＮＬ１～ＮＬ３の光軸と交わらないように配置されている。なお、条件（３）を課す代わりに、光演算部１１から出射されたノイズ光ＮＬ１～ＮＬ３の光軸が、イメージセンサ１２の入射面と光演算部１１から出射された信号光ＳＬ３の光軸との交点と交わらないという条件を課してもよい。

【0020】

光変調素子１１ａ１～１１ａ３及びイメージセンサ１２を以上のように配置することにより、イメージセンサ１２により生成される電気信号に対するノイズ光ＮＬ１～ＮＬ３の影響は、信号光ＳＬｉとノイズ光ＮＬｉとが各光変調素子１１ａｉから同一の方向に出射される従来の光演算装置よりも小さくなる。イメージセンサ１２の入射面（の任意の点）がノイズ光ＮＬ１～ＮＬ３の光軸と交わらないという条件を課す代わりに、イメージセンサ１２の入射面において信号光ＳＬ１～ＳＬ３の光軸と交わる点とノイズ光ＮＬ１～ＮＬ３の光軸と交わる点とが相違するという条件を課してもよい。この場合でも、イメージセンサ１２の入射面の中心がノイズ光ＮＬ１～ＮＬ３の光軸と交わる従来構成と比べてイメージセンサ１２に入射するノイズ光ＮＬ１～ＮＬ３の強度を低下させることができる。これにより、イメージセンサ１２により生成される電気信号に対するノイズ光ＮＬ１～ＮＬ３の影響を抑えることができる。イメージセンサ１２の入射面にノイズ光ＮＬ１～ＮＬ３の少なくとも一部が入射しないという条件を課しても同様のことが言える。

【0021】

なお、本実施形態においては、イメージセンサ１２を構成する全ての光電変換ユニットについて、検出限界以上の強度でノイズ光ＮＬ１～ＮＬ３が入射しないようにする配置を採用しているが、本発明はこれに限定されない。例えば、イメージセンサ１２を構成する光電変換ユニットのうち、検出限界以上の強度で信号光ＳＬ３が入射する光電変換ユニットについて、検出限界以上の強度でノイズ光ＮＬ１～ＮＬ３が入射しないようにする配置を採用してもよい。この場合でも、イメージセンサ１２により生成される電気信号に対するノイズ光ＮＬ１～ＮＬ３の影響を、従来の光演算装置よりも小さくすることができる。

【0022】

また、本実施形態においては、入力データにより２次元強度変調された信号光ＳＬ０を光演算部１１に入力する構成を採用しているが、本発明はこれに限定されない。すなわち、搬送光を光演算部１１に入力し、光変調素子１１ａ１によって入力データにより２次元変調された信号光ＳＬ１を生成する構成を採用してもよい。また、光演算装置１は、信号光ＳＬ０を生成するディスプレイ又は搬送光を生成する光源を更に備えていてもよい。

【0023】

なお、各光変調素子１１ａｉの各セルの位相変調量の設定は、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、光変調素子１１ａ１に入射する信号光ＳＬ０の２次元強度分布を入力とし、イメージセンサ１２に入射する信号光ＳＬ３の２次元強度分布を出力とするモデルであって、各光変調素子１１ａｉの各セルにおける位相変調量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、光変調素子１１ａ１に入射する信号光ＳＬ０の２次元強度分布とは、例えば、光変調素子１１ａ１を構成する各セルに入射する信号光ＳＬ０の強度の集合のことを指す。また、イメージセンサ１２に入射する信号光ＳＬ３の２次元強度分布とは、例えば、イメージセンサ１２を構成する各光電変換ユニットに入射する信号光ＳＬ３の強度の集合のことを指す。

【0024】

また、各セルの位相変調量が可変な光変調素子１１ａｉを光演算部１１が含んでいる場合、光演算装置１は、その光変調素子１１ａｉの各セルの位相変調量を設定する制御部を備えていてもよい。これにより、光演算装置１にて実行する光演算の内容を変更することが可能になる。

【0025】

なお、乾燥ゲル中に形成されたｎ個の光回折層を光変調素子１１ａ１～１１ａｎとして用いる場合、脱水収縮を行うことにより相似形を保ったまま収縮するゲル、例えば、Implosion Fabrication法において用いられるゲルを用いることが好ましい。これにより、ｎ個の光回折層を形成した膨潤ゲルを乾燥させることによって、ｎ個の光回折層が精度良く配置された光演算部１１を容易に製造することができる。

【0026】

（光演算装置の変形例）
光演算装置１の一変形例について、図２を参照して説明する。図２は、本変形例に係る光演算装置１（以下、光演算装置１Ａと記載する）の構成を示す側面図である。

【0027】

光演算装置１Ａは、光演算装置１と同様、光演算部１１と、イメージセンサ１２と、を備えている。光演算装置１Ａと光演算装置１との相違点は、光変調素子１１ａ１～１１ａ３及びイメージセンサ１２の位置である。

【0028】

本変形例においては、信号光ＳＬ０が第１の光変調素子１１ａ１の入射面に斜め入射する。第１の光変調素子１１ａ１は、ノイズ光ＮＬ１及び信号光ＳＬ１を異なる方向に斜め出射する。第２の光変調素子１１ａ２は、（１）その入射面が第１の光変調素子１１ａ１の出射面と平行になり、（２）その入射面が第１の光変調素子１１ａ１から出射された信号光ＳＬ１と交わり、（３）その入射面が第１の光変調素子１１ａ１から出射されたノイズ光ＮＬ１の光軸と交わらないように配置されている。第２の光変調素子１１ａ２は、ノイズ光ＮＬ２及び信号光ＳＬ２を異なる方向に斜め出射する。第３の光変調素子１１ａ３は、（１）その入射面が第２の光変調素子１１ａ２の出射面と平行になり、（２）その入射面が第２の光変調素子１１ａ２ら出射された信号光ＳＬ２と交わり、（３）その入射面が第２の光変調素子１１ａ２から出射されたノイズ光ＮＬ２の光軸と交わらないように配置されている。第３の光変調素子１１ａ３は、ノイズ光ＮＬ３及び信号光ＳＬ３を異なる方向に斜め出射する。イメージセンサ１２は、（１）その入射面が第３の光変調素子１１ａ３の出射面と平行になり、（２）その入射面が光演算部１１から出射された信号光ＳＬ３の光軸と交わり、（３）その入射面が光演算部１１から出射されたノイズ光ＮＬ１～ＮＬ３の光軸と交わらないように配置されている。なお、信号光ＳＬ０～ＳＬ３及びノイズ光ＮＬ１～ＮＬ３の光軸は、同一平面内に位置する。

【0029】

光変調素子１１ａ１～１１ａ３及びイメージセンサ１２を以上のように配置することにより、イメージセンサ１２により生成される電気信号に対するノイズ光ＮＬ１～ＮＬ３の影響は、信号光ＳＬｉとノイズ光ＮＬｉとが各光変調素子１１ａｉから同一の方向に出射される従来の光演算装置よりも小さくなる。

【0030】

（透過型光変調素子の構成例）
光演算装置１が備える光変調素子１１ａｉの構成例について、図３を参照して説明する。図３の（ａ）は、本具体例に係る光変調素子１１ａｉの平面図である。図３の（ｂ）は、本具体例に係る光変調素子１１ａｉを構成するセルＣの断面図である。

【0031】

光変調素子１１ａｉは、図３の（ａ）に示すように、位相変調量が互いに独立に設定された複数のセルＣにより構成されている。光変調素子１１ａｉに信号光ＳＬｉ－１が入射すると、位相変調されながら各セルＣを透過した信号光ＳＬｉ－１が相互に干渉することによって、演算結果を表す信号光ＳＬｉが形成される。

【0032】

光変調素子１１ａｉを構成するセルＣは、マイクロセルである。ここで、「マイクロセル」とは、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、マイクロセルのセルサイズとは、マイクロセルの一辺の長さである。マイクロセルのセルサイズの下限は、例えば、１ｎｍである。

【0033】

図３の（ａ）に例示した光変調素子１１ａｉは、マトリックス状に配置された２００×２００個のセルＣにより構成されている。各セルＣの平面視形状は、５００ｎｍ×５００ｎｍの正方形であり、光変調素子１１ａｉの平面視形状は、１００μｍ×１００μｍの正方形である。この場合、セルＣの間のギャップ、又は、セルＣの周辺部を、セルＣにより位相変調されることなく透過した信号光ＳＬｉ－１がノイズ光となる。

【0034】

光変調素子１１ａｉを構成する各セルＣは、例えば図３の（ｂ）に示すように、偏光板Ｃ１１と、偏光板Ｃ１２と、第１電極Ｃ１３と、磁化自由層Ｃ１４と、絶縁層Ｃ１５と、磁化固定層Ｃ１６と、第２電極Ｃ１７と、により構成することができる。

【0035】

偏光板Ｃ１１及び偏光板Ｃ１２は、互いに対向するように配置されている。第１電極Ｃ１３、磁化自由層Ｃ１４、絶縁層Ｃ１５、磁化固定層Ｃ１６、及び第２電極Ｃ１７は、この順に積層され、偏光板Ｃ１１と偏光板Ｃ１２との間に挟みこまれている。ここで、第１電極Ｃ１３、磁化自由層Ｃ１４、絶縁層Ｃ１５、磁化固定層Ｃ１６、及び第２電極Ｃ１７の積層方向は、偏光板Ｃ１１及び偏光板Ｃ１２の積層方向と直交する。このため、磁化自由層Ｃ１４の第１の側面が偏光板Ｃ１１の一方の主面と面接触し、第１の側面に対向する磁化自由層Ｃ１４の第２の側面が偏光板Ｃ１２の一方の主面と面接触する。信号光ＳＬｉ－１は、（１）偏光板Ｃ１１を介して磁化自由層Ｃ１４の内部に入射し、（２）磁化自由層Ｃ１４を透過し、（３）偏光板Ｃ１２を介して磁化自由層Ｃ１４の外部に出射する。

【0036】

磁化自由層Ｃ１４は、例えば、導電性及び透光性を有する軟磁性材料（例えば、ＣｏＦｅＢ）により構成される。また、磁化固定層Ｃ１６は、例えば、導電性を有する硬磁性材料（例えば、パーマロイ）により構成される。また、偏光板Ｃ１１及び偏光板Ｃ１２としては、偏光方向Ｐが磁化固定層Ｃ１６の磁化方向Ｍと平行な偏光成分を選択的に透過する偏光板が選択される。図３の（ｂ）においては、磁化方向Ｍ及び偏光方向Ｐが、偏光板Ｃ１１の主面及び磁化固定層Ｃ１６の主面の両方と平行になる場合を例示している。

【0037】

第１電極Ｃ１３と第２電極Ｃ１７との間に電位差を与えると、トンネル効果によりスピン流（スピン偏極した電子の流れ）が絶縁層Ｃ１５を介して磁化固定層Ｃ１６から磁化自由層Ｃ１４に注入され、磁化自由層Ｃ１４に磁化が生じる。ここで、磁化自由層Ｃ１４に生じる磁化は、磁化固定層Ｃ１６の磁化方向Ｍと平行な磁化、すなわち、偏光板Ｃ１１を介して磁化自由層Ｃ１４に入射する信号光ＳＬｉ－１の偏光方向Ｐと平行な磁化である。このため、信号光ＳＬｉ－１の位相は、磁化自由層Ｃ１４を伝搬する過程で横カー効果により遅延する。

【0038】

ここで、セルＣにおける信号光ＳＬｉ－１の位相変調量は、磁化自由層Ｃ１４に生じる磁化の大きさに応じて決まる。また、磁化自由層Ｃ１４に生じる磁化の大きさは、磁化自由層Ｃ１４に注入されるスピン流の大きさに応じて決まる。また、磁化自由層Ｃ１４に注入されるスピン流の大きさは、第１電極Ｃ１３と第２電極Ｃ１７との間に与える電位差に応じて決まる。したがって、第１電極Ｃ１３と第２電極Ｃ１７との間に与える電位差を制御することによって、セルＣの位相変調量を所望の値に設定することができる。

【0039】

なお、本構成例においては、ＳＴＴ（Spin Transfer Torque）方式のＭＲＡＭ（Magnetoresistive Random Access Memory）と同様の構成を有するセルＣについて説明したが、これに限定されない。例えば、ＳＯＴ（Spin Orbit Torque）方式のＭＲＡＭと同様の構成を有するセルＣを用いてもよい。なお、このようなセルＣは、例えば、図３の（ｂ）に示した構造から、絶縁層Ｃ１５、磁化固定層Ｃ１６、及び第２電極Ｃ１７を取り去ることにより実現することができる。この場合、例えば、第１電極Ｃ１３に重金属を含め、第１電極Ｃ１３にパルス電圧又はパルス電流を与えることにより、磁化自由層Ｃ１４に効率よくスピン流を注入することができる。

【0040】

また、セルＣは、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）のセルと同様に構成されていてもよい。この場合、セルＣは、例えば図４に示すように、第１ガラス基板Ｃ２１ａ、第１透明電極Ｃ２２ａ、液晶層Ｃ２３、第２透明電極Ｃ２２ｂ、及び第２ガラス基板Ｃ２１ｂにより構成される。第１ガラス基板Ｃ２１ａ、第１透明電極Ｃ２２ａ、液晶層Ｃ２３、第２透明電極Ｃ２２ｂ、及び第２ガラス基板Ｃ２１ｂは、信号光ＳＬｉ－１の入射側からこの順に積層されている。

【0041】

信号光ＳＬｉ－１は、（１）第１ガラス基板Ｃ２１ａ及び第１透明電極Ｃ２２ａを透過し、（２）液晶層Ｃ２３を透過し、（３）第２透明電極Ｃ２２ｂ及び第２ガラス基板Ｃ２１ｂを透過する。液晶層Ｃ２３は、ガラス基板Ｃ２１の主面と平行な方向に配向した液晶分子により構成されており、第１透明電極Ｃ２２ａと第２透明電極Ｃ２２ｂとの間の電位差に応じた屈折率を有する。このため、信号光ＳＬｉ－１は、液晶層Ｃ２３を透過する際に、位相変調を受ける。セルＣの位相変調量は、第１透明電極Ｃ２２ａと第２透明電極Ｃ２２ｂとの間に与える電位差を制御することによって、所望の値に設定することができる。

【0042】

なお、光変調素子１１ａｉは、厚みが互いに独立に設定された複数のセルＣにより構成することもできる。図５は、厚みが互いに独立に設定された複数のセルＣにより構成された光変調素子１１ａｉの一部を拡大して示す斜視図である。

【0043】

図５に示す光変調素子１１ａｉは、透明基板Ｃ３１と、透明基板Ｃ３１の上面に形成された複数のピラーと、により構成されている。各ピラーは、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構造体であり、セルＣとして機能する。この場合、各セルＣを構成するピラーの間（ピラーが形成されていない各セルの周辺部）を、セルＣにより位相変調されることなく透過した信号光ＳＬｉ－１がノイズ光となる。

【0044】

信号光ＳＬｉは、（１）ピラーの上面から入射し、（２）ピラーを透過し、（３）透明基板Ｃ３１を透過し、（４）透明基板Ｃ３１の下面から出射する。各セルＣを透過する信号光ＳＬｉの位相変調量は、そのセルＣを構成する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セルＣを透過する信号光ＳＬｉの位相変調量は大きくなり、高さの低いピラーにより構成されるセルＣを透過する信号光ＳＬｉの位相変調量は小さくなる。なお、各セルＣの位相変調量は、固定である。

【0045】

［第２の実施形態］
（光演算装置の構成）
本発明の第２の実施形態に係る光演算装置２の構成について、図６を参照して説明する。図６は、光演算装置２の構成を示す側面図である。

【0046】

光演算装置２は、図６に示すように、光演算部２１と、イメージセンサ２２と、ミラー２３と、を備えている。

【0047】

光演算部２１は、少なくとも１つの光変調素子２１ａ１～２１ａｎ（ｎは１以上の任意の自然数）の集合である。本実施形態においては、多段の光演算を実現するべく、光演算部２１として、３つの光変調素子２１ａ１～２１ａ３の集合を用いている。なお、光変調素子２１ａ１～２１ａｎは、一体化されていてもよい。例えば、乾燥ゲルなど、信号光を透過する構造体に中に形成されたｎ個の光回折層を、光変調素子２１ａ１～２１ａｎとして用いてもよい。或いは、光変調素子２１ａ１～２１ａｎは、単一の基板に埋め込まれていてもよいし、単一の光変調素子のｎ個の領域を、光変調素子２１ａ１～２１ａｎとして用いてもよい。

【0048】

各光変調素子２１ａｉ（ｉは１以上ｎ以下の各自然数）は、位相変調量が互いに独立に設定可能な複数のセルにより構成されている。各光変調素子２１ａｉは、反射型光変調素子であり、各セルにより位相変調された反射光を相互に干渉させることによって、光演算を行う。ここで、光演算を行うとは、信号光の２次元強度分布を、演算前の情報を表す２次元強度分布から、演算後の情報を表す２次元強度分布へと、変換することを指す。反射型光変調素子の構成例については、参照する図面を代えて後述する。

【0049】

光変調素子２１ａｉは、上述した信号光の他に、各セルにより位相変調されることなく光変調素子２１ａｉに反射されたノイズ光を出射する。例えば、光変調素子２１ａｉを構成するセルの内部に入射することなく、光変調素子２１ａｉの表面にて反射された光がノイズ光となる。光変調素子２１ａｉから出射されるノイズ光の光軸は、光変調素子２１ａｉに入射する信号光の光軸と光変調素子２１ａｉの入射面の法線とが張る平面内に位置し、光変調素子２１ａｉから出射されるノイズ光の出射角は、光変調素子２１ａｉに信号光が入射する入射角と同一になる。すなわち、ノイズ光の光軸は、信号光が光変調素子２１ａｉにより正反射された場合の反射光の光軸と一致する。

【0050】

このようなノイズ光を信号光から分離するために、光変調素子２１ａｉを構成する各セルの位相変調量は、信号光が光変調素子２１ａｉから出射する方向とノイズ光が光変調素子２１ａｉから出射する方向とが異なるように設定されている。反射型光変調素子では、例えば、ノイズ光の出射角が入射光の入射角と同一になる。したがって、各セルの位相変調量は、信号光の出射角が入射光の入射角と同一にならないように設定される。

【0051】

ミラー２３は、光変調素子２１ａ１～２１ａ３から出射される信号光ＳＬ１～ＳＬ３を反射するための手段であり、その反射面が光変調素子２１ａ１～２１ａ３の入出射面と対向するように配置される。

【0052】

本実施形態においては、信号光ＳＬ０が第１の光変調素子２１ａ１に斜め入射する。第１の光変調素子２１ａ１は、ノイズ光ＮＬ１及び信号光ＳＬ１を異なる方向に斜め出射する。第１の光変調素子２１ａ１から出射されたノイズ光ＮＬ１及び信号光ＳＬ１は、それぞれ、ミラー２３により反射される。第２の光変調素子２１ａ２は、（１）その入出射面が第１の光変調素子２１ａ１の入出射面と同一平面上に位置し、（２）その入出射面がミラー２３により反射された信号光ＳＬ１と交わり、（３）その入出射面がミラー２３により反射されたノイズ光ＮＬ１の光軸と交わらないように配置されている。なお、条件（３）を課す代わりに、第１の光変調素子２１ａ１から出射されたノイズ光ＮＬ１の光軸が、第２の光変調素子２１ａ２の入出射面と第１の光変調素子２１ａ１から出射された信号光ＳＬ１との交点と交わらないという条件を課してもよい。或いは、第２の光変調素子２１ａ２の入出射面に、第１の光変調素子２１ａ１から出射されたノイズ光ＮＬ１の少なくとも一部が入射しない、という条件を課してもよい。

【0053】

また、本実施形態において、第２の光変調素子２１ａ２は、ノイズ光ＮＬ２及び信号光ＳＬ２を異なる方向に斜め出射する。第２の光変調素子２１ａ２から出射されたノイズ光ＮＬ２及び信号光ＳＬ２は、それぞれ、ミラー２３により反射される。第３の光変調素子２１ａ３は、（１）その入出射面が第２の光変調素子２１ａ２の入出射面と同一平面上に位置し、（２）その入出射面がミラー２３により反射された信号光ＳＬ２と交わり、（３）その入出射面がミラー２３により反射されたノイズ光ＮＬ２の光軸と交わらないように配置されている。なお、条件（３）を課す代わりに、第２の光変調素子２１ａ２から出射されたノイズ光ＮＬ２の光軸が、第３の光変調素子２１ａ３の入出射面と第２の光変調素子２１ａ２から出射された信号光ＳＬ２との交点と交わらないという条件を課してもよい。或いは、第３の光変調素子２１ａ３の入射面に、第２の光変調素子２１ａ２から出射されたノイズ光ＮＬ２の少なくとも一部が入射しない、という条件を課してもよい。第３の光変調素子２１ａ３は、ノイズ光ＮＬ３及び信号光ＳＬ３を異なる方向に斜め出射する。なお、信号光ＳＬ０～ＳＬ３及びノイズ光ＮＬ１～ＮＬ３の光軸は、同一平面内に位置する。

【0054】

イメージセンサ２２は、光演算部２１から出力された信号光ＳＬ３を検出し、検出結果を表す電気信号を生成するための手段である光センサの一例である。イメージセンサ２２は、光演算部２１から出射された信号光ＳＬ３の強度分布を表す電気信号を生成するべく、複数の光電変換ユニットにより構成されている。イメージセンサ２２は、（１）その入射面がミラー２３の反射面と同一平面上に位置し、（２）その入射面が光演算部２１から出射された信号光ＳＬ３の光軸と交わり、（３）その入射面が光演算部２１から出射されたノイズ光ＮＬ１～ＮＬ３の光軸と交わらないように配置されている。

【0055】

光変調素子２１ａ１～２１ａ３、イメージセンサ２２、及びミラー２３を以上のように配置することにより、イメージセンサ２２を構成する全ての光電変換ユニットについて、その光電変換ユニットの検出限界以上の強度でその光電変換ユニットにノイズ光ＮＬ１～ＮＬ３が入射する事態を回避することができる。したがって、イメージセンサ２２により生成される電気信号に対するノイズ光ＮＬ１～ＮＬ３の影響は、信号光ＳＬｉとノイズ光ＮＬｉとが各光変調素子２１ａｉから同一の方向に出射される従来の光演算装置よりも小さくなる。イメージセンサ２２の入射面（の任意の点）がノイズ光ＮＬ１～ＮＬ３の光軸と交わらないという条件を課す代わりに、イメージセンサ２２の入射面において信号光ＳＬ１～ＳＬ３の光軸と交わるとノイズ光ＮＬ１～ＮＬ３の光軸と交わる点とが相違するという条件（より弱い条件）を課してもよい。この場合でも、イメージセンサ２２の入射面の中心がノイズ光ＮＬ１～ＮＬ３の光軸と交わる従来構成と比べてイメージセンサ２２に入射するノイズ光ＮＬ１～ＮＬ３の強度を低下させることができる。これにより、イメージセンサ２２により生成される電気信号に対するノイズ光ＮＬ１～ＮＬ３の影響を抑えることができる。イメージセンサ２２の入射面にノイズ光ＮＬ１～ＮＬ３の少なくとも一部が入射しないという条件を課しても同様のことが言える。

【0056】

なお、本実施形態においては、イメージセンサ２２を構成する全ての光電変換ユニットについて、検出限界以上の強度でノイズ光ＮＬ１～ＮＬ３が入射しないようにする配置を採用しているが、本発明はこれに限定されない。例えば、イメージセンサ２２を構成する光電変換ユニットのうち、検出限界以上の強度で信号光ＳＬ３が入射する光電変換ユニットについて、検出限界以上の強度でノイズ光ＮＬ１～ＮＬ３が入射しないようにする配置を採用してもよい。この場合でも、イメージセンサ２２により生成される電気信号に対するノイズ光ＮＬ１～ＮＬ３の影響を、従来の光演算装置よりも小さくすることができる。

【0057】

また、本実施形態においては、入力データにより２次元強度変調された信号光ＳＬ０を光演算部２１に入力する構成を採用しているが、本発明はこれに限定されない。すなわち、搬送光を光演算部２１に入力し、光変調素子２１ａ１によって入力データにより２次元変調された信号光ＳＬ１を生成する構成を採用してもよい。また、光演算装置２は、信号光ＳＬ０を生成するディスプレイ又は搬送光を生成する光源を更に備えていてもよい。

【0058】

なお、各光変調素子２１ａｉの各セルの位相変調量の設定は、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、光変調素子２１ａ１に入射する信号光ＳＬ０の２次元強度分布を入力とし、イメージセンサ２２に入射する信号光ＳＬ３の２次元強度分布を出力とするモデルであって、各光変調素子２１ａｉの各セルにおける位相変調量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、光変調素子２１ａ１に入射する信号光ＳＬ０の２次元強度分布とは、例えば、光変調素子２１ａ１を構成する各セルに入射する信号光ＳＬ０の強度の集合のことを指す。また、イメージセンサ２２に入射する信号光ＳＬ３の２次元強度分布とは、例えば、イメージセンサ２２を構成する各光電変換ユニットに入射する信号光ＳＬ３の強度の集合のことを指す。

【0059】

また、各セルの位相変調量が可変な光変調素子２１ａｉを光演算部２１が含んでいる場合、光演算装置２は、その光変調素子２１ａｉの各セルの位相変調量を設定する制御部を備えていてもよい。これにより、光演算装置１にて実行する光演算の内容を変更することが可能になる。

【0060】

また、上述したように、単一の光変調素子のｎ個の領域を、光変調素子２１ａ１～２１ａｎとして用いてもよい。すなわち、単一の光変調素子に、ｎ個の演算領域Ａ１，Ａ２，…，ＡＮが設定し、演算領域Ａ１は、入射光を変調及び反射することによって光演算を行い、演算領域Ａ１以外の各演算領域Ａｉ（ｉは２以上Ｎ以下の自然数の各々）は、演算領域Ａｉ－１にて変調及び反射された後、ミラー２３にて反射された信号光を変調及び反射することによって光演算を行うようにしてもよい。

【0061】

なお、乾燥ゲル中に形成されたｎ個の光回折層を光変調素子２１ａ１～２１ａｎとして用いる場合、脱水収縮を行うことにより相似形を保ったまま収縮するゲル、例えば、Implosion Fabrication法において用いられるゲルを用いることが好ましい。これにより、ｎ個の光回折層を形成した膨潤ゲルを乾燥させることによって、ｎ個の光回折層が精度良く配置された光演算部２１を容易に製造することができる。

【0062】

（光演算装置の変形例１）
光演算装置２の第１の変形例について、図７を参照して説明する。図７は、本変形例に係る光演算装置２（以下、光演算装置２Ａと記載する）の構成を示す側面図である。

【0063】

光演算装置２Ａは、光演算装置２と同様、光演算部２１と、イメージセンサ２２と、ミラー２３と、を備えている。光演算装置２Ａと光演算装置２との相違点は、光変調素子２１ａ１～２１ａ３の位置、イメージセンサ２２の位置及び向き、並びに、ミラー２３の向きである。

【0064】

光演算装置２において、ミラー２３は、その反射面が光変調素子２１ａ１～２１ａ３の入出射面と平行になるように配置されている。これに対して、光演算装置２Ａにおいて、ミラー２３は、その反射面が光変調素子２１ａ１～２１ａ３の入出射面と非平行になるように配置されている。また、光演算装置２において、イメージセンサ２２は、その入射面が光変調素子２１ａ１～２１ａ３の入出射面と平行になるように配置されている。これに対して、光演算装置２Ａにおいて、イメージセンサ２２は、その入射面が光変調素子２１ａ１～２１ａ３の入出射面と非平行になるように配置されている。なお、イメージセンサ２２の入射面がミラー２３の反射面と同一平面上に位置する点は、光演算装置２及び光演算装置２Ａにおいて共通である。

【0065】

本変形例においても、信号光ＳＬ０が第１の光変調素子２１ａ１に斜め入射する。第１の光変調素子２１ａ１は、ノイズ光ＮＬ１及び信号光ＳＬ１を異なる方向に斜め出射する。第１の光変調素子２１ａ１から出射されたノイズ光ＮＬ１及び信号光ＳＬ１は、それぞれ、ミラー２３により反射される。第２の光変調素子２１ａ２は、（１）その入出射面が第１の光変調素子２１ａ１の入出射面と同一平面上に位置し、（２）その入出射面がミラー２３により反射された信号光ＳＬ１と交わり、（３）その入出射面がミラー２３により反射されたノイズ光ＮＬ１の光軸と交わらないように配置されている。第２の光変調素子２１ａ２は、ノイズ光ＮＬ２及び信号光ＳＬ２を異なる方向に斜め出射する。第２の光変調素子２１ａ２から出射されたノイズ光ＮＬ２及び信号光ＳＬ２は、それぞれ、ミラー２３により反射される。第３の光変調素子２１ａ３は、（１）その入出射面が第２の光変調素子２１ａ２の入出射面と同一平面上に位置し、（２）その入出射面がミラー２３により反射された信号光ＳＬ２と交わり、（３）その入出射面がミラー２３により反射されたノイズ光ＮＬ２の光軸と交わらないように配置されている。第３の光変調素子２１ａ３は、ノイズ光ＮＬ３及び信号光ＳＬ３を異なる方向に斜め出射する。イメージセンサ２２は、（１）その入射面がミラー２３の反射面と同一平面上に位置し、（２）その入射面が光演算部２１から出射された信号光ＳＬ３の光軸と交わり、（３）その入射面が光演算部２１から出射されたノイズ光ＮＬ１～ＮＬ３の光軸と交わらないように配置されている。なお、信号光ＳＬ０～ＳＬ３及びノイズ光ＮＬ１～ＮＬ３の光軸は、同一平面内に位置する。

【0066】

【0067】

（光演算装置の変形例２）
光演算装置２の第２の変形例について、図８を参照して説明する。図８において、（ａ）は、本変形例に係る光演算装置２（以下、光演算装置２Ｂと記載する）の上面図であり、（ｂ）は、その光演算装置２Ｂの側面図であり、（ｃ）は、その光演算装置２Ｂの正面図である。なお、図８の（ａ）においては、ミラー２３の図示を省略している。

【0068】

光演算装置２Ｂは、光演算装置２と同様、光演算部２１と、イメージセンサ２２と、ミラー２３と、を備えている。光演算装置２Ｂと光演算装置２との第１の相違点は、光変調素子２１ａ１～２１ａ３の位置、イメージセンサ２２の位置及び向き、並びに、ミラー２３の位置及び向きである。光演算装置２Ｂと光演算装置２との第２の相違点は、各光変調素子２１ａｉからの信号光ＳＬｉの出射方向である。

【0069】

光演算装置２において、ミラー２３は、その反射面が光変調素子２１ａ１～２１ａ３の入出射面と平行になるように配置されている。これに対して、光演算装置２Ｂにおいて、ミラー２３は、その反射面が光変調素子２１ａ１～２１ａ３の入出射面と非平行になるように配置されている。また、光演算装置２において、イメージセンサ２２は、その入射面がミラー２３の反射面と同一平面上に位置するように配置されているのに対して、光演算装置２Ｂにおいて、イメージセンサ２２は、その入射面が光変調素子２１ａ１～２１ａ３の入出射面と同一平面上に位置するように配置されている。

【0070】

また、光演算装置２においては、各光変調素子２１ａｉから出射される信号光ＳＬｉの光軸が、その光変調素子２１ａｉに入射する信号光ＳＬｉ－１の光軸及びその光変調素子２１ａｉから出射するノイズ光ＮＬｉの光軸を含む平面内に配置されている。これに対して、光演算装置２Ｂにおいては、各光変調素子２１ａｉから出射される信号光ＳＬｉの光軸が、その光変調素子２１ａｉに入射する信号光ＳＬｉ－１の光軸及びその光変調素子２１ａｉから出射するノイズ光ＮＬｉの光軸を含む平面外に配置されている。

【0071】

本変形例においても、信号光ＳＬ０が第１の光変調素子２１ａ１に斜め入射する。第１の光変調素子２１ａ１は、ノイズ光ＮＬ１及び信号光ＳＬ１を異なる方向に斜め出射する。第１の光変調素子２１ａ１から出射されたノイズ光ＮＬ１及び信号光ＳＬ１は、それぞれ、ミラー２３により反射される。第２の光変調素子２１ａ２は、（１）その入出射面が第１の光変調素子２１ａ１の入出射面と同一平面上に位置し、（２）その入出射面がミラー２３により反射された信号光ＳＬ１と交わり、（３）その入出射面がミラー２３により反射されたノイズ光ＮＬ１の光軸と交わらないように配置されている。第２の光変調素子２１ａ２は、ノイズ光ＮＬ２及び信号光ＳＬ２を異なる方向に斜め出射する。第２の光変調素子２１ａ２から出射されたノイズ光ＮＬ２及び信号光ＳＬ２は、それぞれ、ミラー２３により反射される。第３の光変調素子２１ａ３は、（１）その入出射面が第２の光変調素子２１ａ２の入出射面と同一平面上に位置し、（２）その入出射面がミラー２３により反射された信号光ＳＬ２と交わり、（３）その入出射面がミラー２３により反射されたノイズ光ＮＬ２の光軸と交わらないように配置されている。第３の光変調素子２１ａ３は、ノイズ光ＮＬ３及び信号光ＳＬ３を異なる方向に斜め出射する。第３の光変調素子２１ａ３から出射されたノイズ光ＮＬ３及び信号光ＳＬ３は、それぞれ、ミラー２３により反射される。イメージセンサ２２は、（１）その入射面がミラー２３の反射面と同一平面上に位置し、（２）その入射面がミラー２３により反射された信号光ＳＬ３の光軸と交わり、（３）その入射面がミラー２３により反射されたノイズ光ＮＬ１～ＮＬ３の光軸と交わらないように配置されている。

【0072】

【0073】

（反射型光変調素子の構成例）
光演算装置１が備える反射型の光変調素子２１ａｉの構成例について、図９を参照して説明する。図９の（ａ）は、本具体例に係る光変調素子２１ａｉの平面図である。図９の（ｂ）は、本具体例に係る光変調素子２１ａｉを構成するセルＣの断面図である。

【0074】

光変調素子２１ａｉは、図９の（ａ）に示すように、位相変調量が互いに独立に設定された複数のセルＣにより構成されている。光変調素子２１ａｉに信号光ＳＬｉ－１が入射すると、位相変調されながら各セルＣで反射された信号光ＳＬｉ－１が相互に干渉することによって、演算結果を表す信号光ＳＬｉが形成される。

【0075】

光変調素子２１ａｉを構成するセルＣは、マイクロセルである。ここで、「マイクロセル」とは、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、マイクロセルのセルサイズとは、マイクロセルの一辺の長さである。マイクロセルのセルサイズの下限は、例えば、１ｎｍである。

【0076】

図９の（ａ）に例示した光変調素子２１ａｉは、マトリックス状に配置された２００×２００個のセルＣにより構成されている。各セルＣの平面視形状は、５００ｎｍ×５００ｎｍの正方形であり、光変調素子２１ａｉの平面視形状は、１００μｍ×１００μｍの正方形である。

【0077】

光変調素子２１ａｉを構成する各セルＣは、例えば図９の（ｂ）に示すように、偏光板Ｃ１１と、反射板Ｃ１８と、第１電極Ｃ１３と、磁化自由層Ｃ１４と、絶縁層Ｃ１５と、磁化固定層Ｃ１６と、第２電極Ｃ１７と、により構成することができる。この場合、偏光板Ｃ１１の表面にて反射された信号光ＳＬｉ－１がノイズ光となる。

【0078】

偏光板Ｃ１１及び反射板Ｃ１８は、互いに対向するように配置されている。第１電極Ｃ１３、磁化自由層Ｃ１４、絶縁層Ｃ１５、磁化固定層Ｃ１６、及び第２電極Ｃ１７は、この順に積層され、偏光板Ｃ１１と反射板Ｃ１８との間に挟みこまれている。ここで、第１電極Ｃ１３、磁化自由層Ｃ１４、絶縁層Ｃ１５、磁化固定層Ｃ１６、及び第２電極Ｃ１７の積層方向は、偏光板Ｃ１１及び反射板Ｃ１８の積層方向と直交する。このため、磁化自由層Ｃ１４の第１の側面が偏光板Ｃ１１の一方の主面と面接触し、第１の側面に対向する磁化自由層Ｃ１４の第２の側面が反射板Ｃ１８の一方の主面と面接触する。信号光ＳＬｉ－１は、（１）偏光板Ｃ１１を介して磁化自由層Ｃ１４の内部に入射し、（２）反射板Ｃ１８により反射され、（３）偏光板Ｃ１１を介して磁化自由層Ｃ１４の外部に出射する。

【0079】

磁化自由層Ｃ１４は、例えば、導電性及び透光性を有する軟磁性材料（例えば、ＣｏＦｅＢ）により構成される。また、磁化固定層Ｃ１６は、例えば、導電性を有する硬磁性材料（例えば、パーマロイ）により構成される。また、偏光板Ｃ１１としては、偏光方向Ｐが磁化固定層Ｃ１６の磁化方向Ｍと平行な偏光成分を選択的に透過する偏光板が選択される。図９の（ｂ）においては、磁化方向Ｍ及び偏光方向Ｐが、偏光板Ｃ１１の主面及び磁化固定層Ｃ１６の主面の両方と平行になる場合を例示している。

【0080】

【0081】

【0082】

なお、本構成例においては、ＳＴＴ（Spin Transfer Torque）方式のＭＲＡＭ（Magnetoresistive Random Access Memory）と同様の構成を有するセルＣについて説明したが、これに限定されない。例えば、ＳＯＴ（Spin Orbit Torque）方式のＭＲＡＭと同様の構成を有するセルＣを用いてもよい。なお、このようなセルＣは、例えば、図９の（ｂ）に示した構造から、絶縁層Ｃ１５、磁化固定層Ｃ１６、及び第２電極Ｃ１７を取り去ることにより実現することができる。この場合、例えば、第１電極Ｃ１３に重金属を含め、第１電極Ｃ１３にパルス電圧又はパルス電流を与えることにより、磁化自由層Ｃ１４に効率よくスピン流を注入することができる。

【0083】

また、セルＣは、ＬＣＯＳ（Liquid Crystal On Silicon）のセルと同様に構成されていてもよい。この場合、セルＣは、例えば図１０に示すように、ガラス基板Ｃ２１、透明電極Ｃ２２、液晶層Ｃ２３、及び反射電極Ｃ２４により構成される。ガラス基板Ｃ２１、透明電極Ｃ２２、液晶層Ｃ２３、及び反射電極Ｃ２４は、信号光ＳＬｉ－１の入射側からこの順に積層されている。

【0084】

信号光ＳＬｉ－１は、（１）ガラス基板Ｃ２１及び透明電極Ｃ２２を透過し、（２）液晶層Ｃ２３を透過し、（３）反射電極Ｃ２４により反射され、（４）液晶層Ｃ２３を透過し、（５）透明電極Ｃ２２及びガラス基板Ｃ２１を透過する。液晶層Ｃ２３は、ガラス基板Ｃ２１の主面と平行な方向に配向した液晶分子により構成されており、透明電極Ｃ２２と反射電極Ｃ２４との間の電位差に応じた屈折率を有する。このため、信号光ＳＬｉ－１は、液晶層Ｃ２３を透過する際に、位相変調を受ける。セルＣの位相変調量は、透明電極Ｃ２２と反射電極Ｃ２４との間に与える電位差を制御することによって、所望の値に設定することができる。

【0085】

なお、反射型の光変調素子２１ａｉは、厚みが互いに独立に設定された複数のセルＣにより構成することもできる。図１１は、厚みが互いに独立に設定された複数のセルＣにより構成された光変調素子２１ａｉの一部を拡大して示す斜視図である。

【0086】

図１１に示す光変調素子２１ａｉは、反射板Ｃ３２と、反射板Ｃ３２の上面に形成された複数のピラーと、により構成されている。各ピラーは、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構造体であり、セルＣとして機能する。この場合、ピラーが形成されている領域においては、ピラーの上面にて反射された信号光ＳＬｉ－１がノイズ光となる。また、ピラーが形成されていない領域においては、反射板Ｃ３２の上面にて反射された信号光ＳＬｉ－１がノイズ光となる。

【0087】

信号光ＳＬｉ－１は、（１）ピラーの上面から入射し、（２）ピラーを透過し、（３）反射板Ｃ３２にて反射され、（４）ピラーを透過し、（５）ピラーの上面から出射する。各セルＣにて反射される信号光ＳＬｉ－１の位相変調量は、そのセルＣを構成する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セルＣにて反射される信号光ＳＬｉ－１の位相変調量は大きくなり、高さの低いピラーにより構成されるセルＣにて反射される信号光の位相変調量は小さくなる。なお、各セルＣの位相変調量は、固定である。

【0088】

［まとめ］
本発明の態様１に係る光演算装置は、位相変調量が独立に設定された、又は、位相変調量が独立に設定可能な複数のセルを有する光変調素子を含む光演算部と、前記光演算部から出力された信号光を検出し、検出結果を表す電気信号を生成する光センサと、を備えており、前記光変調素子は、（１）前記複数のセルの各々により位相変調された透過光が干渉することにより生じる信号光、及び、前記複数のセルにより位相変調されることなく該光変調素子を透過したノイズ光を出射する透過型光変調素子、又は、（２）前記複数のセルの各々により位相変調された反射光が干渉することにより生じる信号光、及び、前記複数のセルにより位相変調されることなく該光変調素子に反射されたノイズ光を出射する反射型光変調素子であり、前記光変調素子において、前記複数のセルの各々の位相変調量は、前記信号光が前記光変調素子から出射する方向と前記ノイズ光が前記光変調素子から出射する方向とが異なるように設定されており、前記電気信号に対する前記ノイズ光の影響は、前記信号光が前記光変調素子から出射する方向と前記ノイズ光が前記光変調素子から出射する方向とが一致する場合よりも小さい、ことを特徴とする。

【0089】

上記の構成によれば、光センサにより生成される電気信号に対するノイズ光の影響を低減することができる。

【0090】

本発明の態様２に係る光演算装置においては、態様１の構成に加えて、前記光センサは、複数の光電変換ユニットを有するイメージセンサであり、前記イメージセンサは、前記信号光が検出限界以上の強度で入射する光電変換ユニットに前記ノイズ光が前記検出限界以上の強度で入射しないように配置されている、という構成が採用されている。

【0091】

上記の構成によれば、イメージセンサにより生成される電気信号に対するノイズ光の影響を更に低減することができる。

【0092】

本発明の態様３に係る光演算装置においては、態様２の構成に加えて、前記イメージセンサは、全ての光電変換ユニットに前記ノイズ光が前記検出限界以上の強度で入射しないように配置されている、という構成が採用されている。或いは、本発明の態様３に係る光演算装置においては、態様１の構成に加えて、前記光センサは、（１）その入射面が、前記光演算部から出射された前記信号光の光軸と交わり、且つ、（２）その入射面と前記光演算部から出射された前記信号光の光軸との交点と、前記光演算部から出射された前記ノイズ光の光軸とが交わらないように配置されている、という構成が採用されている。

【0093】

上記の構成によれば、イメージセンサにより生成される電気信号に対するノイズ光の影響をより一層低減することができる。

【0094】

本発明の態様４に係る光演算装置においては、態様１～３の何れかの構成に加えて、前記光演算部は、前記光変調素子として第１の透過型光変調素子及び第２の透過型光変調素子を少なくとも含み、前記第２の透過型光変調素子は、（１）その入射面が、前記第１の透過型光変調素子から出射された前記信号光の光軸と交わり、且つ、（２）その入射面と前記第１の透過型光変調素子から出射された前記信号光の光軸との交点と、前記第１の透過型光変調素子から出射された前記ノイズ光の光軸とが交わらないように配置されている、という構成が採用されている。また、本発明の態様５に係る光演算装置においては、態様１～３の何れかの構成に加えて、前記光演算部は、前記光変調素子として第１の透過型光変調素子及び第２の透過型光変調素子を含み、前記第２の透過型光変調素子は、（１）その入射面が、前記第１の透過型光変調素子から出射された前記信号光の光軸と交わり、且つ、（２）その入射面に、前記第１の透過型光変調素子から出射された前記ノイズ光の少なくとも一部が入射しないように配置されている、という構成が採用されている。

【0095】

上記の構成によれば、光変調素子が透過型光変調素子である場合に、光センサにより生成される電気信号に対するノイズ光の影響を効果的に低減することができる。

【0096】

本発明の態様６に係る光演算装置においては、態様１～３の何れかの構成に加えて、ミラーを更に備え、前記光演算部は、前記光変調素子として第１の反射型光変調素子及び第２の反射型光変調素子を少なくとも含み、前記第２の反射型光変調素子は、（１）その入出射面が、前記第１の反射型光変調素子から出射され、前記ミラーにより反射された前記信号光の光軸と交わるように、且つ、（２）その入出射面と前記第１の反射型光変調素子から出射され、前記ミラーにより反射された前記信号光の光軸との交点と、前記第１の反射型光変調素子から出射され、前記ミラーにより反射された前記ノイズ光、又は、前記第１の反射型光変調素子から出射された前記ノイズ光の光軸とが交わらないように配置されている、という構成が採用されている。また、本発明の態様７に係る光演算装置においては、態様１～３の何れかの構成に加えて、ミラーを更に備え、前記光演算部は、前記光変調素子として第１の反射型光変調素子及び第２の反射型光変調素子を含み、前記第２の反射型光変調素子は、（１）その入出射面が、前記第１の反射型光変調素子から出射され、前記ミラーにより反射された前記信号光の光軸と交わるように、且つ、（２）その入出射面に、前記第１の反射型光変調素子から出射され、前記ミラーにより反射された前記ノイズ光、又は、前記第１の反射型光変調素子から出射された前記ノイズ光の少なくとも一部が入射しないように配置されている、という構成が採用されている。

【0097】

上記の構成によれば、光変調素子が反射型光変調素子である場合に、光センサにより生成される電気信号に対するノイズ光の影響を効果的に低減することができる。

【0098】

本発明の態様８に係る光演算装置においては、態様６又は７の構成に加えて、前記ミラーの反射面は、前記第１の反射型光変調素子及び前記第２の反射型光変調素子の入出射面と非平行である、という構成が採用されている。

【0099】

上記の構成によれば、第１の反射型光変調素子への信号光の入射角と第２の反射型光変調素子への信号光の入射角とを共通にすることができ、第１の反射型光変調素子からの信号光の出射角と第２の反射型光変調素子からの信号光の出射角とを共通にすることができる。したがって、光演算装置の設計及び製造が容易になる。

【0100】

本発明の態様９に係る光演算装置においては、態様６又は７の構成に加えて、前記光演算部は、前記第１の反射型光変調素子及び第２の反射型光変調素子として機能する領域が設定された単一の光変調素子により構成されている、という構成が採用されている。

【0101】

上記の構成によれば、光変調素子を個別に動かして光変調素子の位置関係を適正化する必要がないので、精度の高い光演算部を容易に製造することができる。

【0102】

本発明の態様１０に係る光演算装置においては、態様１～９の何れかの構成に加えて、前記光演算部は、信号光を透過する構造体であって、前記光変調素子として機能する光回折層が内部に形成された構造体である、という構成が採用されている。