(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
相互結合ウエイトデータを保持するための第１の空間光変調器と、入力データを保持するための第２の空間光変調器と、第３の空間光変調器とを備えている光学情報処理装置であって、
該第１の空間光変調器は光学的にアドレス可能であり、
該第１、第２および第３の空間光変調器は、該第３の空間光変調器から該第２の空間光変調器を介して該第１の空間光変調器へ向かうウエイトデータを更新するための更新用光路を規定しており、該第２の空間光変調器と該第３の空間光変調器との間に設けられた第１の光学素子に更新ビームが入射して、該第１の光学素子によって該更新ビームが第３の空間光変調器に照射された後に該更新用光路を通過するようになっており、
該第３の空間光変調器が光電トランスデューサ手段と処理手段と制御手段とをさらに備えており、該光電トランスデューサは該第１の空間光変調器から該第２の空間光変調器を介して該光電トランスデューサ手段へ向かう処理用光路を規定するように該第１及び第２の空間光変調器と協同しており、該第２の空間光変調器と該第１の空間光変調器との間に設けられた第２の光学素子に読み取りビームが入射して、該第２の光学素子によって該読み取りビームが第１の空間光変調器に照射された後に該処理用光路を通過するようになっており、
該処理手段は該光電トランスデューサ手段からの出力データおよび所定の目的出力データを処理してエラーデータを形成するための手段であり、
該制御手段はウエイト更新中は該エラーデータを保持するように該第３の空間光変調器を制御するための手段であり、
前記第１の空間光変調器は、前記第３の空間光変調器に保持された前記エラーデータによって変調されて、前記第２の空間光変調器によって変調された状態で該第１の空間光変調器に照射される更新ビームによって、各マトリクス要素の相互結合ウエイトデータを並列に更新する、光学情報処理装置。
【請求項２】
前記処理手段が、前記出力データと前記所定の目的出力データとの差として前記エラーデータを算出するように配置されている、請求項１に記載の処理装置。
【請求項３】
前記第２の空間光変調器が、第１の液晶素子である、請求項１又は２に記載の処理装置。
【請求項４】
前記第１の液晶素子が、強誘電液晶素子である、請求項３に記載の処理装置。
【請求項５】
前記第３の空間光変調器が、第２の液晶素子である、請求項１乃至４の何れかに記載の処理装置。
【請求項６】
前記第２の液晶素子が、強誘電液晶素子である、請求項５に記載の処理装置。
【請求項７】
前記第１の空間光変調器が、第３の液晶素子である、請求項１乃至６の何れかに記載の処理装置。
【請求項８】
前記第３の液晶素子が、強誘電液晶素子である、請求項７に記載の処理装置。
【請求項９】
前記第３の液晶素子が、光電子供給源と、該供給源から該強誘電液晶素子へ電子を選択的に注入するためのバイアス印加手段とを備えている、請求項８に記載の処理装置。
【請求項１０】
前記光電子供給源がアモルファスシリコンを含む、請求項９に記載の処理装置。
【請求項１１】
前記バイアス印加手段が、前記素子の強誘電液晶に電位差を印加するための手段を備えている、請求項９又は１０に記載の処理装置。
【請求項１２】
前記空間光変調器が、エレメントの２次元アレイを備えている、請求項１乃至１１の何れかに記載の処理装置。
【請求項１３】
前記第２の空間光変調器が、複数の細長い平行なエレメントを備えている、請求項１２に記載の処理装置。
【請求項１４】
前記第３の空間光変調器が、複数の細長い平行なエレメントを備えている、請求項１２又は１３に記載の処理装置。
【請求項１５】
前記トランスデューサ手段が、複数の細長い平行なトランスデューサエレメントを備えている、請求項１２乃至１４の何れかに記載の処理装置。
【請求項１６】
前記第２の空間光変調器が、各エレメントが前記第１の空間光変調器の複数のエレメントに対応するエレメントの２次元アレイを備えている、請求項１２に記載の処理装置。
【請求項１７】
前記第３の空間光変調器が、エレメントの２次元アレイを備えており、前記第２の空間光変調器の各エレメントが、該第３の空間光変調器の複数のエレメントに対応する、請求項１６に記載の処理装置。
【請求項１８】
前記トランスデューサ手段が、トランスデューサエレメントの２次元アレイを備えており、前記第２の空間光変調器の各エレメントが、複数の該トランスデューサエレメントに対応する、請求項１６又は１７に記載の処理装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、光学情報処理装置に関する。このような処理装置は、例えば、ニューラルネットワーク、または、マトリクス-ベクトル乗算を必要とする他の用途に使用され得る。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、ニューラルネットワークは、「相互結合ウエイト」がマトリクスの要素によって規定されるマトリクス-ベクトル乗算に基づいている。このようなネットワークは種々の用途を持っており、例えば、パターン認識の分野に使用される。パターン認識の分野では、従来のデータ処理装置は非効果的もしくは非効率的であることが分かっている。
【０００３】
ニューラルネットワークは、特定の用途に使用されるように訓練されなければならない。この訓練は、入力データを与えて、所望の出力データを得るために相互結合ウエイトを変化させることによって行われる。訓練に使用される入力データは、訓練後にニューラルネットワークが正確に処理することを期待される入力データのサブセットである。
【０００４】
多くの用途において、大型のネットワーク、およびこれに対応する多数の相互結合ウエイトが必要であり、これらの相互結合ウエイトを、訓練中に適合させなければならない。適切にプログラムされた従来の電子データ処理装置などの既知の電子処理は、可能ではあるが、しかし、訓練が本質的に逐次行われるため、非常に時間がかかる。大型のネットワークでは、このような電子処理器は、相互結合の限界のために不充分である。相互結合の限界とは、即ち、集積回路の、帯域幅、シナプスの複雑さ、電力消費およびピンアウト数の限界である。
【０００５】
相互結合ウエイトが空間光変調器中の光学減衰によって規定される光学処理装置によって、ニューラルネットワークを具体化することは知られている。このような処理によって、高速並列データ処理を行い、かつ電子処理に比較して処理速度がかなり優れているネットワークが提供され得る。しかし、このような既知のシステムでは、相互結合ウエイトの更新が逐次行われるために、訓練時間は、マトリクス-ベクトル乗算器中の入出力ベクトルの要素数の積に比例し、許容できない程長時間となる。
【０００６】
図１に示す既知のタイプの処理装置は、入力装置１を備えている。入力装置１は、空間光変調器の形態をとり、これは、入力ベクトルを複数のセルとしてエンコードするためのものである。これらのセルの光減衰特性は、入力ベクトルの各成分に対応する。このような成分は、例えば、２進数字もしくはアナログ値であり得る。平行ビームの形態の、可視光もしくは赤外線などの光学的放射が、変調器１を通過して、そして適切な光学素子もしくはマイクロ光学素子２を介して二次元空間光変調器３上に到達する。二次元空間光変調器３の光学減衰セルは、ウエイトマトリクスの各要素の値を示す。変調器１中の入力ベクトルの各要素によって変調された光は、例えば変調器３における一列のセルを通過するように「ファンアウト」される。
【０００７】
変調器３からの変調された光は、次いで、他の光学素子４を通過し、出力トランスデューサ５上に到達する。光もしくは他の光学的放射は、変調器１から変調器３へファンアウトされた方向に対して実質的に垂直な方向に沿ってトランスデューサ５に「ファンイン」される。これによって、トランスデューサ５は、入力ベクトルとウエイトもしくは相互結合マトリクスとの積を示す出力ベクトルの各要素に対応する電気出力信号を発生する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
図１に示す既知のタイプの処理装置では、空間光変調器３によって示されるマトリクスの相互結合ウエイトは、この処理装置が例えばニューラルネットワークとして使用される場合にその訓練段階中に、逐次更新される。従って、マトリクス要素のこのような更新には、かなりの時間がかかる。この更新時間は、マトリクスの要素数と、個々の要素の更新に要する時間との積に実質的に等しい。さらに、処理装置の正確な動作を確実にするために、図１に示す各デバイスを、光学的に正確に整合させる必要がある。従って、処理装置の製造がかなり困難であり、製造コストも相当なものである。
【０００９】
M. Killinger、J. L. de Bougrenet de la tocnaye及びP. Cambonは、Ferroelectrics, 1991 Vo. 122, pp. 89-99において、相互結合ウエイトの更新を並列に行うことができるニューラルネットワークを開示している。このネットワークは、光学素子および光源と共に、３個の空間光変調器（ＳＬＭ）を備えている。第１のＳＬＭは、光学的にアドレスされ、相互結合ウエイトを保持する。第２のＳＬＭは、光学的又は電気的にアドレスされることが可能であり、入力ベクトルを保持する。第３のＳＬＭは、光学的にアドレスされ、入力ベクトル及びウエイトマトリクスのベクトル-マトリクス積と閾値を比べた結果を格納する。
【００１０】
ウエイト更新の間、計算の結果は光学的にフィードバックされて、入力ベクトルによって乗算される。この乗算の結果は、相互結合ウエイトを更新するために第１のＳＬＭへ光学的に与えられる。このように、更新は、光学的に並列に起こる。
【００１１】
この構成の用途には限界がある。なぜなら、第３のＳＬＭに格納されている出力は光学的にのみ読み出され得るからである。さらに、この構成は、教師なし訓練しか行うことができない。なぜなら、特定の入力に応答して所定又は所望の出力を提供するようには訓練され得ないからである。
【００１２】
本発明はこのような現状に鑑みてなされたものであり、相互結合ウエイトを効果的に並列に更新することができ、しかも、処理装置の各デバイスを、光学的に正確に整合させなくても、正確に動作し、かつ教師あり訓練を行うことによって、多様な用途に使用され得る光学情報処理装置を提供することが本発明の目的である。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の光学情報処理装置は、相互結合ウエイトデータを保持するための第１の空間光変調器と、入力データを保持するための第２の空間光変調器と、第３の空間光変調器とを備えている光学情報処理装置であって、該第１の空間光変調器は光学的にアドレス可能であり、該第１、第２および第３の空間光変調器は、該第３の空間光変調器から該第２の空間光変調器を介して該第１の空間光変調器へ向かうウエイトデータを更新するための更新用光路を規定しており、該第２の空間光変調器と該第３の空間光変調器との間に設けられた第１の光学素子に更新ビームが入射して、該第１の光学素子によって該更新ビームが第３の空間光変調器に照射された後に該更新用光路を通過するようになっており、該第３の空間光変調器が光電トランスデューサ手段と処理手段と制御手段とをさらに備えており、該光電トランスデューサは該第１の空間光変調器から該第２の空間光変調器を介して該光電トランスデューサ手段へ向かう処理用光路を規定するように該第１及び第２の空間光変調器と協同しており、該第２の空間光変調器と該第１の空間光変調器との間に設けられた第２の光学素子に読み取りビームが入射して、該第２の光学素子によって該読み取りビームが第１の空間光変調器に照射された後に該処理用光路を通過するようになっており、該処理手段は該光電トランスデューサ手段からの出力データおよび所定の目的出力データを処理してエラーデータを形成するための手段であり、該制御手段はウエイト更新中は該エラーデータを保持するように該第３の空間光変調器を制御するための手段であり、前記第１の空間光変調器は、前記第３の空間光変調器に保持された前記エラーデータによって変調されて、前記第２の空間光変調器によって変調された状態で該第１の空間光変調器に照射される更新ビームによって、各マトリクス要素の相互結合ウエイトデータを並列に更新し、そのことにより上記目的が達成される。
【００１４】
前記光学情報処理装置は、前記処理手段が、前記出力データと前記所定の目的出力データとの差として前記エラーデータを算出するように配置されていてもよい。
【００１５】
前記光学情報処理装置は、前記第２の空間光変調器が、第１の液晶素子であってもよい。
【００１６】
前記光学情報処理装置は、前記第１の液晶素子が、強誘電液晶素子であってもよい。
【００１７】
前記光学情報処理装置は、前記第３の空間光変調器が、第２の液晶素子であってもよい。
【００１８】
前記光学情報処理装置は、前記第２の液晶素子が、強誘電液晶素子であってもよい。
【００１９】
前記光学情報処理装置は、前記第１の空間光変調器が、第３の液晶素子であってもよい。
【００２０】
前記光学情報処理装置は、前記第３の液晶素子が、強誘電液晶素子であってもよい。
【００２１】
前記光学情報処理装置は、前記第３の液晶素子が、光電子供給源と、該供給源から該強誘電液晶素子へ電子を選択的に注入するためのバイアス印加手段とを備えていてもよい。
【００２２】
前記光学情報処理装置は、前記光電子供給源がアモルファスシリコンを含んでいてもよい。
【００２３】
前記光学情報処理装置は、前記バイアス印加手段が、前記素子の強誘電液晶に電位差を印加するための手段を備えていてもよい。
【００２４】
前記光学情報処理装置は、前記空間光変調器が、エレメントの２次元アレイを備えていてもよい。
【００２５】
前記光学情報処理装置は、前記第２の空間光変調器が、複数の細長い平行なエレメントを備えていてもよい。
【００２６】
前記光学情報処理装置は、前記第３の空間光変調器が、複数の細長い平行なエレメントを備えていてもよい。
【００２７】
前記光学情報処理装置は、前記トランスデューサ手段が、複数の細長い平行なトランスデューサエレメントを備えていてもよい。
【００２８】
前記光学情報処理装置は、前記第２の空間光変調器が、各エレメントが前記第１の空間光変調器の複数のエレメントに対応するエレメントの２次元アレイを備えていてもよい。
【００２９】
前記光学情報処理装置は、前記第３の空間光変調器が、エレメントの２次元アレイを備えており、前記第２の空間光変調器の各エレメントが、該第３の空間光変調器の複数のエレメントに対応してもよい。
【００３０】
前記光学情報処理装置は、前記トランスデューサ手段が、トランスデューサエレメントの２次元アレイを備えており、前記第２の空間光変調器の各エレメントが、複数の該トランスデューサエレメントに対応してもよい。
【００３１】
【作用】
第１の空間光変調器の相互結合ウエイトデータは、更新用光路を経て入射する光によって更新される。このため、全ての相互結合ウエイトデータを並列に更新することが可能となる。全ての相互結合ウエイトデータの更新に必要な時間は、１つの相互結合ウエイトデータの更新に必要な時間と実質的に等しいため、訓練時間は、従来のニューラルネットワークに比べて大幅に短縮される。
【００３２】
また、第１の空間光変調器を光学的にアドレスすることにより、処理装置の製造過程において、第２、第３の空間光変調器等の各デバイスを、各光路中で光学的に正確に整合させる必要がなくなる。また、更新用光路と処理用光路が光学的に対応するように各デバイスを構成し、光学的にアドレスされた空間光変調器を用いることによって、処理装置内で自己整合が行われる。
【００３３】
【実施例】
本発明を、実施例により、添付の図面を参照しつつさらに説明する。
【００３４】
図２に示す光学情報処理装置は、図１に示すものとは幾つかの点で異なる。各デバイスの配置順序が変わり、これによって、処理中に、光学的放射が、相互結合ウエイトマトリクスを示す空間光変調器３を通過し、そして光学素子４を介して、入力ベクトルを示す空間光変調器１に到達するように構成されている。ベクトル-マトリクス乗算の可換性のために、情報処理に影響を与えることなくデバイス１および３の配置順序を逆にすることができる。変調器１からの変調された光学的放射は、次いで、光学素子もしくはマイクロ光学素子２を通過し、トランスデューサを有する出力デバイス５に到達する。
【００３５】
変調器３によって示されるマトリクス要素の更新は、逆方向に流れる平行光学的放射によって光学的に行われる。訓練段階中に、デバイス５は、例えば出力ベクトルと目標ベクトルとの差として、出力ベクトルと目標ベクトルとの間のエラーを算出する。得られたエラーベクトルの各要素は、デバイス５の一部を形成する空間光変調器を制御するために使用され、これによって、更新中にエラーベクトルが光学的放射を変調する。変調された放射は、変調器１を通過し、これによって、エラーベクトルと入力ベクトルとの積が得られる。この積は、変調器３に提供されて、各マトリクス要素を並列に更新するために使用される。変調器３は、光学的にアドレスされ、各セルの更新は、更新中にそのセルに入射した放射の量に従って行われる。
【００３６】
従って、相互結合マトリクスの各要素が並列に更新されるために、各更新動作に要する時間は、二次元マトリクスを形成するセルの数には関係なく、１個のセルの更新時間と実質的に等しい。さらに、変調器３には、整合に関する特別な制約は無い。なぜならば、処理中および更新中に光の流れによって個々のセルが規定され、しかもこれらの光の流れが互いに逆方向の経路をたどるからである。従って、製造の複雑さおよびコストは、図１に示すタイプの既知の処理装置に比較して、大幅に低減される。
【００３７】
図３に示す実施例は、図２に模式的に示したものに対応する。ただし、図３は、処理もしくは「読取り」ビームおよび更新ビームの光路の、改変された構成、しかもおそらくはより実際的な構成を例示すものである。複数の平行ビームが必要であるが、図３ではこれらのビームは１本の光線の光路として模式的に示されている。
【００３８】
光学素子２は更新ビームのためのビームスプリッタを、光学素子４は読取りビームのためのビームスプリッタを各々備えている。変調器１および３、ならびに、組み合わされた変調器およびデバイス５の配置は、図２に示すものとは左右逆に示されている。
【００３９】
処理中もしくは読取り中に、読取りビーム１０は、例えばスプリットプリズムタイプのビームスプリッタ４に導かれ、そして反射されて、相互結合ウエイトマトリクスを示す空間光変調器３上に到達する。読取りビームは、変調器３によって変調され、そして反射されて同じ光路に沿って戻り、ビームスプリッタ４を介して入力ベクトル空間光変調器１上に到達する。変調器１によって変調された光は、次いで、ビームスプリッタ２をまっすぐに通過して、デバイス５上に到達する。デバイス５は、変調器１および３によって各々示される入力ベクトルおよびウエイトマトリクスの積に対応する出力ベクトルを発生する。
【００４０】
デバイス５は、訓練段階中に、目標ベクトルから出力ベクトルを減算することにより、エラーベクトルを発生する。エラーベクトルは、デバイス５のビームスプリッタ２に対向する面に配されたエラー空間光変調器に与えられる。更新中に、更新ビーム１１が、ビームスプリッタ２に入射し、そしてエラー空間光変調器上に導かれる。更新ビームはこの変調器中でエラーベクトルによって変調され、そして反射されて戻り、ビームスプリッタ２を介して入力ベクトル変調器１に到達する。更新ビームは、次いで、ビームスプリッタ４を通過し、空間光変調器３に入射する。従って、変調器３に入射した光は、エラーベクトルと入力ベクトルとのベクトル積を示し、ウエイトマトリクス要素の更新に使用される。
【００４１】
空間光変調器３は、光学的にアドレスされた強誘電性液晶空間光変調器にアモルファスシリコン層および適切な複数の電極を組み合わせたものであり、これによって、更新が行われ得る。従って、空間光変調器の各領域は、その構成によって制限されることも、またこれによって予め規定されることもない。その代わりに、各マトリクス要素を示す個々のセルが、このデバイス３に入射する光によって規定される。従って、特別な整合手段は必要なく、デバイス３は処理装置の他の各デバイスに対して本質的に自己整合を行う。
【００４２】
マトリクス要素の更新中には、エラーマトリクスを形成するべく変調された更新ビームがアモルファスシリコン層に入射し、これによって、露光された領域で電子が放出される。強誘電性液晶層とアモルファスシリコン層との間に適切な電位差を与えることによって、電子が液晶中に注入され、これにより、光学的に規定されかつアドレスされた各セルの光減衰値が増加もしくは減少する。
【００４３】
入力空間光変調器１は、図４に示すように、入力ベクトルの各成分に対応する複数の細長く、平行なエレメントを有する強誘電性液晶ディスプレイを備えている。これらのエレメントは、デバイス３を構成する二次元空間光変調器の第１の次元に対して平行に一列に並べられている。デバイス５もまた、強誘電性液晶ディスプレイおよび光電トランスデューサを備えており、これらは、デバイス３の他の次元に対して平行に、一列に並べられた細長い光変調および変換エレメントを有する。デバイス３および５は、種々の既知の技術を用いて一体型ハイブリッドデバイスとして各々形成され得る。例えば、デバイス５の各トランスデューサセルおよび電子回路系が超大規模集積回路技術によって形成された後に、ハイブリッド技術によってその一方の面に強誘電性液晶ディスプレイが形成されるようにしてもよい。
【００４４】
図５は、図３および図４に示したものと同じタイプの処理装置の一部を模式的に示すが、ただし、この処理装置は、マトリクス-マトリクス乗算を行うように構成されたものである。図４では、デバイス１および５は、本質的に一次元のものであり、ベクトルを示すかもしくは読み取るために使用される。図５では、これらのデバイスの代わりに二次元デバイスが使用されるため、入力空間光変調器２１は、入力マトリクスを光減衰セルの二次元アレイとして示す。出力デバイス２５は、同様に、空間光変調器セルおよび光電トランスデューサエレメントの二次元アレイを備えている。デバイス２１および２５は、レンズレットアレイ２６によって互いに隔てられている。レンズレットアレイ２６は、複数の集光レンズを備えている。各集光レンズは、入力変調器２１のセルの一つに対応し、かつこれと整合するように並べられており、またデバイス２５のサブアレイに対応し、かつこれと整合するように並べられている。
【００４５】
光学的にアドレスされた空間光変調器２３は、図４のデバイス３と異なる構造を持つ必要はないが、この場合は、変調器２１の各エレメントが、変調器２３のセルのサブアレイに対応し、かつ各エレメントがサブアレイと整合して並べられるように、レンズレットアレイ２６が、変調器２１を介してサブアレイの像を効果的に写す。
【００４６】
読取りビーム３０および更新ビーム３１は、図５において理想化ビームとして、その光学データの流れが図２に示すものと対応するように例示されている。デバイス２１、２５および２６は製造中に整合するように並べられる必要があるが、光学的にアドレスされた空間光変調器２３が効果的に自己整合を行うために、処理装置の製造は簡略化される。
【００４７】
【発明の効果】
本発明の光学情報処理装置は教師あり訓練を行うことができる。また、相互結合ウエイトの更新が並列に効果的に行われる。これにより、訓練時間を大幅に短縮することができる。また、訓練時間は相互結合ウエイトの数には実質的に左右されない。読取りビームの経路および更新ビームの経路が光学的に対応するように構成し、光学的にアドレスされた空間光変調器を用いることにより、処理装置の製造過程において、各デバイスを正確に光学的に整合させる必要がなくなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】既知のタイプの光学情報処理装置における処理中の光学データの流れを示す模式図である。
【図２】本発明の実施例を構成する光学情報処理装置における処理中および更新中の光学データの流れを示す、図１に類似の模式図である。
【図３】本発明の実施例を構成する光学情報処理装置の概略平面図である。
【図４】図３の処理装置の概略斜視図である。
【図５】本発明の他の実施例を構成する光学情報処理装置の一部を示す。
【符号の説明】
１、２１  入力空間光変調器
２  光学素子もしくはマイクロ光学素子
３、２３  空間光変調器
４  光学素子
５  出力トランスデューサ
１０  読取りビーム
１１  更新ビーム
２５  出力空間光変調器
３０  理想読取りビーム
３１  理想更新ビーム
【図１】
0003707804.tif 000002
【図２】
0003707804.tif 000003
【図３】
0003707804.tif 000004
【図４】
0003707804.tif 000005
【図５】
0003707804.tif 000006