JPH0285831A - 並列光演算装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 この発明は、画像のような配列データを、それぞれの演
算素子毎に並列に光を用いて演算処理できるようにした
並列光演算装置に関するものである。

「従来の技術」 従来、電子計算機における配列データ処理では、配列デ
ータは！データずつ時系列に処理される。

すなわち、まず、大容量メモリー内に記憶された配列デ
ータの中の１組のデータが、プロセッサからアクセスさ
れ、データバスを経由して読み出される。そして、この
データは、プロセッサ内でプログラムに従って処理され
た後、再度データバスを経由して大容量メモリーに書き
込まれる。このようにして、１組のデータに関する処理
が行われ、この処理が配列データの全組に対して実施さ
れることを以て、配列処理が完了する。このような方法
においては、電子計算機における処理回数は配列データ
数と比例して大きくなり、それに伴って全処理時間が増
大する。多次元のシミュレーションや画像処理において
は、１個から１００個程変のＣＰＵ（中央処理装置）、
あるいはレジスタを使用して、必要な回数だけ上記処理
を繰り返して演算を行っている。

「発明が解決しようとする課題」 ところで、上述した従来の演算装置においては、次のよ
うな欠点があった。

（１）処理されるデータの記憶装置からの取り込み、演
算、演算結果の記憶装置への書き込み処理が、時系列に
行われるので、配列のデータ数が増加すると、処理に必
要な時間はデータ数に比例して長くなる。従って、大容
量のデータの演算を行う場合、所要時間は膨大なものと
なる。

（２）上記問題（１）の対策として、半導体ＬＳ　Ｉ（
大規模集積回路）によるプロセッサを複数段たり、ある
いはプロセッサ内の演算用のレジスタを複数段たりする
ことによって、処理の高速化が図られているが、配線な
どの実装上の問題により、従来の電子回路の技術ではそ
の数の限界は低い。

（３）半導体ＬＳＩのプロセッサと記憶装置は、双方向
の通信を行うデータバスで接続されているため、半導体
ＬＳＩのプロセッサと記憶装置の時間的な利用率が低く
、処理の効率が悪い。

本発明は、このような背景の下になされたしので、大容
量の配列データに対して、複数個のデータの処理を同時
に行うことにより、高速な処理が可能で、かつ構成が簡
単な並列光演算装置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」 この発明は、複数のデジタルデータを光学的手段により
並列に処理する並列光演算装置において、光源およびレ
ンズ系からなり、１回の処理で並列に実行する演算の数
と対応する複数のビーム光を発する光源部と、 前記複数のビーム光の進行経路に配置された液晶演算部
であって、 偏光板と、 ２枚のガラス基板間に液晶材料が封入され、かつ、該ガ
ラス基板には該複数のビーム光の通過位置と対応して透
明電極が形成され、 ■入射ビーム光の中の特定の偏光成分のみを透過する性
質、あるいは、 ■入射ビーム光の偏光面を回転して透過する性質 といった光学的性質が、該透明電極に印加される電気信
号によって切り換えられるデータ液晶パネルおよびプロ
グラム液晶パネルと を該ビーム光の進行方向に積層してなる液晶演算部と、 前記光源部から放たれた各ビーム光が前記液晶演算部を
通過して出力された場合に、これを検出する検出手段と
、 複数の人力データと対応する電気信号を前記データ液晶
パネルの透明電極に供給すると共に、これらの入力デー
タに作用させる演算子を指定するプログラムデータを電
気信号に変換して前記プログラム液晶パネルの透明電極
に供給する電子制御部と を具備することを特徴としている。

「作用」 電子制御部から、プログラムデータおよび入力データに
対応する電気信号か出力され、これらが液晶演算部のプ
ログラム液晶パネルおよびデータ液晶パネルの透明電極
に供給される。そして、これら液晶パネルの光学的性質
が該電気信号によって切り換えられろ。この結果、光源
部から発せられた複数のビーム光の各々は、これらと対
応して供給された入力データおよびプログラムデータの
組み合わせによって、透過あるいは遮断される。

そして、検出手段によって、液晶演算部からの透過ビー
ム光の有無が検出され、演算結果が求められる。ここで
、各液晶パネルの透明電極は光源部から供給される複数
のビーム光に対応して設けられており、各透明電極毎に
独立した電気信号を供給することができる。従って、各
ビーム光と対応する透明電極にデータデ５よびプログラ
ムに応じた電気信号を供給すると共に、各ビーム光の透
過／遮断を判定することにより、複数の演算を同時に並
行して実施することができる。

「実施例」 以下、図面を参照して本発明の詳細な説明する。

実施例１ 第１図は本発明の第１の実施例による並列光演算装置の
構成図である。第１図においてｌａは液晶演算部であり
、データ液晶パネル１６ａおよび１６ｂ、プログラム液
晶パネル１７ａ〜１７ｃを存する。この液晶演算部１ａ
については、後でさらに詳述する。２ａは光源部であり
、レーザーダイオード２１と、レンズ２２ａ、および２
２ａ、とからなる。ここで、レーザーダイオード２１か
ら放たれた光線はレンズ２２ａ、および２２ａ、−によ
って平行ビーム光となり、液晶演算部１ａに入射するよ
うになっている。なお、光源としては、レーザーダイオ
ードの他、大出力発光ダイオードを使用してら良い。３
は光電変換部であり、レンズ２２ｂとＣ０Ｄ（電荷結合
素子）センサアレイ３１とからなる。４ａは国体であり
、光源部２ａ、液晶演算部ｌａおよび光電変換部３が搭
載されろ。５ａは電子制御部である。また、８は大容量
メモリーである。

大容量メモリー８と電子制御部５ａとの間のデータの入
出力はメモリーバス９を介して行われる。

また、電子制御部５ａから出力されるデータ信号ＤＩ、
Ｄ２とプログラム信１号Ｐ１〜Ｐ３は、各々データバス
７ａおよびプログラムバス６を介して、データ液晶パネ
ル１６ａＳ　１６ｂおよびプログラム液晶パネル１７ａ
＝１７ｃに供給される。また、ＣＯＤセンサ３１におけ
る出力信号はデータバス７１〕を介して電子制御部５ａ
に取り込まれろようになっている。

第２図は、液晶演算部１ａの詳細図である。同図におい
て、ｌｌａおよびＩｌｂは偏光板である。

ここで、偏光板１１ａおよびｌｌｂの偏光面は、図中、
矢印で示したように、Ｉｌａにあってはｐ偏光、またｚ
ｂにあってはＳ偏光となっている。１２ａ〜＋２ｄは強
誘電性液晶層、１３はゲストホスト液晶層、１４ａ〜１
４ｆはガラス基板、１５ａ−１５ｊは透明電極である。

ここで、強誘電性液晶層１２ａ−１２ｄに隣接するガラ
ス基板は、右上から左下にかけてガラス基板の端より２
２．５度の方向（図中、２本線）へラビング処理されて
いる。また、ゲストホスト液晶層１３を封入しているガ
ラス基板１４ｃ、１４ｄは、どちらも上下方向にラビン
グ処理されている。

透明電極の内、１５ａ、ｌ　５ｃ、Ｉ　５ｅ、１５ｇ、
１５１は水平方向のストライブ状に形成され、また、１
５ｂ、Ｉ　５ｄ、Ｉ　５ｒ、１５ｈ、１５ｊは垂直方向
のストライプ状に形成されており、水平方向の電極と垂
直方向の電極とでマトリックス電極が構成されている。

また、各液晶パネル１６ａ％　ｔ６ｂ、ｔ７ａ〜１７ｃ
において、水平方向の電極と垂直方向の電極との交差部
は各々１つの画素を構成している。そして、水平方向電
極と垂直方向電極に所定の極性で電圧を印加することに
より、画電極の交差部の画素に信号“ｌ”あるいは“０
”が書き込まれる。また、各液晶パネルの画素の内、光
源部２ａから入射される１本のビーム光の進行経路上に
並ぶ一連の画素によって、ｌっの演算器が構成される。

すなわち、この液晶演算部１ａは、液晶パネル１枚当た
りの画素数と対応した数の演算器を有する。

さて、ここで、液晶演算部１ａの動作原理について説明
する。まず、この液晶演算部１ａの動作原理は、従来の
演算概念を変革することによって得られる全く新しい演
算概念に基づいているので、そのことについて説明する
。従来の演算概念によれば、例えば論理積演算の場合、
「データＡ、　Ｂに論理積演算子ＡＮＤを作用させると
論理積演算結果Ｃが得られる」といった具合に演算子は
データに作用ずろ関係にある。従来の電子回路による論
理演算回路の動作は、この演算概念と整合するものであ
り、人力データＡ、Ｈの状態によって回路を構成する各
トランジスタがＯＮ１０　Ｆ　Ｆ切り換えられ、入力状
態と対応した出力信号が得られるものである。しかしな
がら、上記論理積演算において、データＡＳＢら演算子
ＡＮＤも、共に演算結果Ｃを左右するという点で、同格
に扱うことら可能なはずである。従って、この立場から
、「データと演算子との組み合わせによって演算結果が
決定される」という新しい演算概念が導かれる。

本願発明における液晶演算部１ａは、この新しい演算概
念に立脚した演算原理によって動作するものである。そ
して、その動作原理の概要は、入力データによって液晶
パネルの画素の光学的性質を切り換えると共に、適用す
る演算子の種類によって別の液晶パネルの画素の光学的
性質を切り換え、これらの画素をビーム光が透過する否
かを検出することによって演算結果を得るものであり、
このようにすることで、データと演算子との組み合わせ
に対応した演算結果が得られる演算器を実現している。

次に、この並列光演算装置の動作を説明する。

大容量メモリー８に記憶されている１組２ビツトからな
る複数組のデジタルデータは、電子制御部５ａによって
読み出され、各組、第１ピツトはデータ信号ＤＩとして
、第２ビツトはデータ信号Ｄ２として、メモリーバス９
とデータバス７ａを介してデータ液晶パネル１６ａ、１
６ｂへ書き込まれる。各組のデータに対する演算を決定
するプログラムは、プログラム信号ＰＩ−Ｐ３としてプ
ログラムバス６を介してプログラム液晶パネル１７ａ〜
１７ｃへ書き込まれる。

光源部２ａから出力された各ビーム光は、液晶演算部１
ａにおいて、データ信号Ｄ１、ｐ２およびプログラム信
号Ｐ１〜Ｐ３の組み合わせによって透過あるいは遮断さ
れる。そして、液晶演算部１ａを透過して出力される平
行ビーム光は、光電変換部３に入射すると、レンズ２２
ｂで屈折され、ＣＯＤセンサアレイ３１上で結像する。

そして、ＣＣＩ）センサアレイ３１により、電気信号に
変換され、この電気信号が演算結果として、データバス
７ｂ、電子制御部５ａ、メモリーバス９を介して、大容
量メモリー８に記憶される。

次に、第２図を用い、液晶演算部１ａの動作についてさ
らに詳述する。光源部からの平行ビーム光は、偏光板１
１ａによりｐ偏光成分のみ取り出される。そして、ｐ偏
光成分のみからなる平行ビーム光は、液晶演算部１内に
配置されたプログラム液晶パネル１７ａの各画素に入射
される。ここで、プログラム液晶パネル１７ａに入射し
た平行ビーム光は、その画素に信号“１”が書き込まれ
ているときには、その偏光面が９０度回転してプログラ
ム液晶パネル１７ａを透過し、信号“０”が書き込まれ
ているときには、偏光面が保持された状態で透過する。

データ液晶パネル１６ａ、１６ｂおよびプログラム液晶
パネル１７ｃもプログラム液晶パネル１７ａと同様の構
造であり、同様の動作を行う。

次に、プログラム液晶パネル１７ｂの動作を説明する。

プログラム液晶パネル＋７ｂにおけるゲストホスト液晶
層１３は、ホスト液晶にはネマティック液晶を、ゲスト
材料には可視光全域に吸収をもつ黒色色素が用いられて
いる。従って、プログラム液晶パネル１７ｂの各画素に
おいて、信号“ｌ“が書き込まれている場合は、ｐ波あ
るいはＳ波いずれのビーム光もプログラム液晶パネル１
７ｂを透過し、信号“０”が書き込まれている場合は、
ｐ波のみが透過する。

液晶演算部１ａでは、以上説明した各液晶パネルの画素
で構成される各演算器毎に、データ信号Ｄ！、Ｄ２およ
びプログラム信号ＰＩ−Ｐ３が各々供給され、これらの
信号の組み合わせによって、光源部１ａからの各ビーム
光が透過あるいは遮断される。そして、各ビーム光が透
過したかあるいは遮断されたかが、谷演算結果として光
電変換部３によって検出される。

第３図は、液晶演算部１ａにおける演算過程を示したも
ので、８つの画素位置におけろ演算例が示されている。

第３図中、横棒（−）はその画素からｐ偏光波か出力さ
れていることを、縦棒（１）はＳ偏光波が出力されてい
ることを示す。また、ビーム光が遮断されて出力されな
い場合は斜線表示で示されている。以下、これらの演算
例の中から代表を選び、説明する。

画素位置ｌの各画素からなる演算器は、プログラム信号
（Ｐｉ、Ｐ２、Ｐ３）として（１，Ｉ、ｌ）が供給され
ており、演算子としては排他的論理和か指定されている
。そして、データ信号はＤＩ＝０、Ｄ２−１が供給され
ている。画素位置ｌに入射したビーム光は偏光板１１ａ
によって、ｐ偏光され、プログラム液晶パネル１７ａに
入射する。ここで、プログラム液晶パネル１７ａにおけ
る画素には信号“Ｉ”が書き込まれているので、ｐ偏光
波は偏光面が９０度回転され、Ｓ偏光波となって、デー
タ液晶パネル１６ａに供給される。次に、データ液晶パ
ネル１６ａの画素の信号は“０”であるので、入射した
Ｓ偏光波はそのままプログラム液晶パネル１７ｂに供給
される。プログラム液晶パネル１７ｂの画素の信号は“
ｌ”であるので、Ｓ偏光波はそのままデータ液晶パネル
１６ｂに供給される。

データ液晶パネル１６ｂの画素の信号は“ｌ”なので、
Ｓ偏光波は偏光面が回転され、ｐ偏光波となってプログ
ラム液晶パネル１７ｃに供給される。プログラム液晶パ
ネル１７ｃの画素には信号“１”が印加されているので
、さらに偏光面が回転され、Ｓ偏光波が出力される。そ
して、このＳ偏光波は偏光板１１ｂを透過して光電変換
部３によって検出される。二のよう１こして、データＤ
Ｉ＝ＯとＤ２−１との排他的論理和の演算が行われ、演
算結果“ｌ”が得られる。

次に、画素位置４の各画素からなる演算器は、プログラ
ム信号（Ｐ　ｌ、Ｐ２、Ｐ３）として（ｌ、０．０）が
供給されており、演算子としては論理積が指定されてい
る。そして、データはｐｌ−〇、Ｄ２＝１が供給されて
いる。画素位置４に入射したビーム光は偏光板１１ａに
よって、ｐ偏光され、プログラム液晶パネル１７ａに入
射する。ここで、プログラム液晶パネル１７ａにおけろ
画素には信号“ｌ”が書き込まれているので、ｐ偏光波
はＳ偏光波となってデータ液晶パネル１６ａに供給され
る。

次に、データ液晶パネル１６ａの画素の信号は“０”で
あるので、入射したＳ偏光波はそのままプログラム液晶
パネル１７１）に供給されろ。そして、プログラム液晶
パネル１７ｂの画素の信号は“０“であるので、Ｓ偏光
波は遮断され、後段の液晶パネルへはビーム光が供給さ
れない。従って、光電変換部３ではビーム光が検出され
ない。このようにして、データＤＩ＝０とＤ２＝１との
論理積の演算が行われ、演算結果“０”が得られる。

このようにして、この液晶演算部１ａでは、各画素位置
毎に、設定されたプログラムおよびデータによって演算
が行われ、各画素位置における透過光の有無によって、
各演算結果が得られる。また、上記例でも示したように
、プログラム液晶パネル１７ａ＝１７ｃに供給するプロ
グラム信号Ｐ１〜Ｐ３の組み合わせを切り換えることに
よって、データＤＩ、Ｄ２に作用させる演算子を切り換
えることができるー。第４図は、この液晶演算部Ｌ　ａ
において実現される演算種類およびその演算過程を示し
たものであり、各演算種類毎に、対応するプログラム信
号Ｐ１〜Ｐ３の組み合わせが示されると共に、データＤ
Ｉ、Ｄ２の各組み合わせ毎の各液晶パネルの動作が示さ
れている。同図において、偏光板あるいはデータ液晶パ
ネル、プログラム液晶パネルを通過した光の偏光面をｐ
／ｓで、また、透過しない場合をＯで示した。

なお、以上説明した本実施例において用いられる強誘電
性液晶は、材料自身にメモリー性を存する。従って、デ
ータ液晶パネル１６ａ１１６ｂあるいはプログラム液晶
パネル１７ａ、１７ｃは、１度データ信号あるいはプロ
グラム信号が書き込まれると、新たな別の信号が書き込
まれない限り、その状態が保持される。また、データ液
晶パネルあるいはプログラム液晶パネルには、強誘電性
液晶のほかツイストネマティック液晶を使用することが
できるが、この場合、材料にはメモリー性はないので、
データあるいはプログラムが変わらない場合でも、随時
データ信号あるいはプログラム信号を供給する必要があ
る。

また、本実施例にあっては、プログラム液晶パネル＋７
ａ＝１７ｃにストライブ状の透明電極１５ａ、Ｉ　５ｂ
、Ｉ　５ｅ、Ｉ　５ｒ、ｌ　５ｉ、１５ｊを用い各画素
毎に独立にプログラムできるように構成したが、マトリ
ックス電極の代わりに全面において均一な電極を使用す
れば、全画素において同一の演算を行う液晶演算部を構
成することができる。

また、本実施例において、液晶演算部１ａからプログラ
ム液晶パネル１７ｃと偏光板１１ｂを除去すると共に、
光電変換部３内に偏光ビームスプリッタ−を配置し、ｐ
偏光とＳ偏光の出力光を２つのＣＣＤセンサアレイで別
々に光電変換するようにして乙、本実施例と同様の機能
か実現できる。

実施例２ 第５図は、本発明の第２の実施例を示す図である。なお
、同図において、前述した第１図と対応する部分には同
一の符号を付し、その説明を省略する。この並列光演算
装置では、第１図における光電変換部３に代えて、拡散
板１８を液晶演算部１ａの出力側に配置し、演算結果を
この拡散板１８に画像として映し出すものである。また
、データ信号ＤＩおよびＤ２として、ＣＣＤカメラＩＯ
ａおよびｔｏｂによって得られた画像信号が、液晶演算
部！ａに送られるようになっている。

次に、この装置の動作を説明する。演算を行う２つの画
像ＡおよびＢは、ＣＣＤカメラＩＯａおよびｔｏｂに上
り光電変換され、さらに電子制御１１１５ｂ内でデジタ
ル信号化され、各々データ信号ＤＩ（画像Ａ）およびＤ
２（画像Ｂ）として、液晶演算部１ａへ書き込まれる。

両画像に対する演算は、電子制御部５ａによりプログラ
ムされる。

液晶演算部１ａには光源部２ａからの平行ビーム光が照
射されており、画像Ａおよび画像Ｂの演算が液晶演算部
１ａによって各画素毎に行われる。

そして、各演算の結果と対応してビーム光の透過／遮断
が行われ、透過光は拡散板！８に到達する。

この結果、拡散板１８に画像Ａと画像Ｂの演算結果か映
し出される。１−なわち、本構成によれば、２画像間の
演算処理を短時間で行い、さらに演算結果を表示するこ
とができる。

「発明の効果」 以上説明したように、本発明によれば、画像のように配
列データを、それぞれの演算素子毎に並列に処理し、ま
た各演算素子毎にプログラム可能なので、大容遣データ
の演算を高速に実行することができる。本発明は、画像
処理システムや科学計算用計算機などに組み込むことが
でき、高速なデータ処理を行わせることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例による並列光演算装置の
構成図、第２図は同実施例における液晶演算部１ａの詳
細図、第３図は同実施例における液晶演算部【ａの動作
例を示す図、第４図は同実施例における液晶演算部１ａ
において可能な演算種類とその演算過程を示す図、第５
図は本発明の第２の実施例による並列光演算装置の構成
図である。 １ａ・・・・・・液晶演算部、２ａ・・・・・・光源部
、３・・・・・・光電変換部、５ａ、５ｂ・・・・・・
電子制御部、１０ａ、ｊｏｂ・・・・・・ＣＣＤカメラ
、 １１ａ、Ｉｌｂ・・・・・・偏光板、１２ａ〜！２ｄ・
・・・・・強誘電性液晶層、Ｉ３・・・・・・ゲストホ
スト液晶層、１４ａ＝１４ｒ・・・・・・ガラス基板、
１５ａ−１５ｊ・・・・・・透明電極、１６ａ、１６ｂ
・・・・・・データ液晶パネル、１７ａ＝１７ｃ・・・
・・・プログラム液晶パネル、１８・・・・・・拡散板
、２１・・・・・・レーザーダイオード、２２ａ＋ｑ２
２ａ、・・・・・・レンズ、３１・・・・・・ＣＣＤセ
ンサアレイ、ｐｔ−ｐａ・・・・・・プログラム信号、
Ｄｌ、Ｄ２・・・・・・データ信号。 出願人　　日本電信電話株式会社 第３ｒ１！Ｊ 第４図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 複数のデジタルデータを光学的手段により並列に処理す
   る並列光演算装置において、 光源およびレンズ系からなり、１回の処理で並列に実行
   する演算の数と対応する複数のビーム光を発する光源部
   と、 前記複数のビーム光の進行経路に配置された液晶演算部
   であって、 偏光板と、 ２枚のガラス基板間に液晶材料が封入され、かつ、該ガ
   ラス基板には該複数のビーム光の通過位置と対応して透
   明電極が形成され、 ［１］入射ビーム光の中の特定の偏光成分のみを透過す
   る性質、あるいは、 ［２］入射ビーム光の偏光面を回転して透過する性質 といった光学的性質が、該透明電極に印加される電気信
   号によって切り換えられるデータ液晶パネルおよびプロ
   グラム液晶パネルと を該ビーム光の進行方向に積層してなる液晶演算部と、 前記光源部から放たれた各ビーム光が前記液晶演算部を
   通過して出力された場合に、これを検知する検出手段と
   、 複数の入力データと対応する電気信号を前記データ液晶
   パネルの透明電極に供給すると共に、これらの入力デー
   タに作用させる演算子を指定するプログラムデータを電
   気信号に変換して前記プログラム液晶パネルの透明電極
   に供給する電子制御部と を具備することを特徴とする並列光演算装置。