JPH04123019A - 空間光変調素子および空間光変調素子の駆動方法および神経ネットワーク回路 - 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 本発明（よ　光演算装置あるいは投射型デイスプレィに
用いられる空間光変調素子、並びに空間光変調素子の駆
動方法　および神経系と類似な入出力動株　例えばパタ
ーン認五　連想記憶　並列演算処理などを行う神経ネッ
トワーク回路に関するものであム 従来の技術 空間光変調素子（友　光論理演算や光ニューロコンピユ
ーテイングなどの光演算を実現するための重要な素子で
ある。特番ミ　光の並列性が並列のダイナミックスによ
り演算を行うニューラルネットワークと整合しているこ
と、電気回路のような配線の必要がない光結線はニュー
ロン間の多重接続を実現し易いなど理由か収　光ニュー
ロコンピユーテイングの様々な構成が提案されていもニ
ューロコンピユーテイングの基本とも言える演算の１つ
に　多数の人力に対し和算を行１．％　　その結果に対
し閾値処理するというものかあも　このような演算機能
を有する空間光変調素子を実現することが、　ニューラ
ルネットワークをハードウェア化する上で最も重要であ
ａ しかし　光和算および光閾値処理機能をもつ空間光変調
素子　およびこれを用いた光ニューロコンピュータを提
案した例はほとんどなく、特願昭６３−２９８７０１．
　　特願平１−７８８２０．　　特願平１−１８６３９
３に報告されている程度であも　これらζ飄　複数の光
導電層を直列に配列したものを液晶層と電気的に接続し
た光閾値素子、あるいは複数の直列に配列した光導電層
と電界効果型トランジスタと液晶層を電気的に接続した
光閾値素子、およびこれらの光閾値素子を用いて構成し
たニューラルネットワークに関する内容であ本発明が解
決しようとする課題 第１０図（ａ）、（ｂ）に従来例で挙げた光閾値素子の
等価回路を示す。第１０図（ａ）は従来例の前者、（ｂ
）は後者のものであム　第１０図（ａ）、　（ｂ）の例
は共く　直列接続した光導電層１つ１つに入射する光量
に対し　分圧の法則にしたがって直列接続した光導電層
全体にかかる電圧が変化するという機能を用いて光和算
を実現していも　しかし　液晶層の電気抵抗は大きく、
さらに光導電層の暗時の抵抗も液晶層のそれと同程度に
太きいた秩　直列接続している光導電層のうち１つでも
暗状態の部分があれば　直列接続している光導電層全体
の合成抵抗は非常に大きくなる。従って、回路を流れる
電流は非常に小さく、分圧の法則にしたがって電圧が配
分される定常状態になるまでにＣｔ　　秒オーダ以上の
時間を要してしまう。このた八　従来例の光閾値素子お
よびそれを用いたニューラルネットワークでは高速演算
を実行することが困難であった 従来例以外の光ニューロコンピュータで＆よ　光和算お
よび閾値処理機能をもつ空間光変調素子がないたべ　閾
値処理は電子回路または計算機を用いて行っていも　人
聞のも−）、認派　連想などの高次な知的情報処理（友
　神経回路の階層構造に起因していると報告されている
力士　光和算および光閾値処理を実行する空間光変調素
子がなければこの階層構造のネットワークを実現するた
めに閾値処理にために光−電気変換を行った後、さらに
電気−光変換を行わなければならな（ｔ　そのた数　光
の並列性を活かすことができず、実効的に演算速度が低
下してしまう問題があったまた　強誘電液晶に光導電層
を積層して構成される空間光変調素子は　メモリ性を有
し　画像の反転　コヒーレント／インコヒーレント変換
などの機能を実現する有用なものとして、注目されてい
も　この空間光変調素子の応答速度ならびに光感度を高
めるために　光導電層にＰＮ接合を導入する場合がある
力士　液晶が劣化し易く、寿命が短いという問題があっ
に 本願第１および第２の発明は以上のような従来の問題点
を解決するためのものて　光和算および閾値処理を高速
に実行できる空間光変調素子を提供するものであり、本
願第３の発明は整流性を有する光導電層および強誘電液
晶からなる空間光変調素子の劣化を防止し　長寿命化を
図るための空間光変調素子の駆動方法を提供するもので
あり、本願第４から６の発明（よ　学習可能で、かつ階
層型ネットワークモデルを容易に実現できる神経ネット
ワーク回路を提供することを目的とするものであム 課題を解決するための手段 第１の発明の空間光変調素子（よ　導電性電極ではさん
だ光導電層を複数個並列接続した部分と、電界によって
光の透過量が変化する部分を電気的に接続していること
を特徴とするものであ４第２の発明の空間光変調素子ζ
よ　電界によって光の透過量が変化する部分と光導電性
を有する部分と電界効果型トランジスタとを備え　前記
電界効果型トランジスタに前記光導電性を有する部分が
電気的に接続されており、かつ前記光導電性を有する部
分が、導電性電極ではさんだ光導電層を複数個並列接続
されていることを特徴とするものである。

第３の発明の空間光変調素子の駆動方法（よ　整流性を
有する光導電層と強誘電液晶を少なくとも有する空間光
変調素子において、印加する電圧波形が１周期（以下、
Ｔとする）の間にＴ／２未満の正および負のパルス成分
をも板　かつＴに渡って前記光導電層に対し逆バイアス
になる直流成分を有することを特徴とするものであム 第４の発明の神経ネットワーク回路ζよ　導電性電極で
はさんだ光導電層を複数個並列接続した部分と、電界に
よって光の透過量が変化する部分を電気的に接続してお
り、これらを透明絶縁性基板ではさんだ空間光変調素子
および光学マスクおよび発光素子からなることを特徴と
するものであも第５の発明の神経ネットワーク回路は　
透明絶縁性基板上に形成した光導電性を有する部分と電
界によって光の透過量が変化する部分と電界効果型トラ
ンジスタとを備え　前記電界効果型トランジスタに前記
光導電性を有する部分が電気的に接続されており、かつ
前記光導電性を有する部分力上導電性電極ではさんだ光
導電層を複数個並列接続されている空間光変調素子およ
び光学マスクおよび発光素子からなることを特徴とする
ものであム第６の発明の神経ネットワーク回路は　透明
絶縁性基板上に透明導電性電極および光導電層およびア
レイ状の導電性電極を形成し　さらに電界によって光の
透過量が変化する部分および透明導電性電極を積層した
構造を有する空間光変調素子および光学マスクおよび発
光素子からなることを特徴とするものである。

作用 光導電層が複数個並列に接続された部分と、電界によっ
て光の透過量が変化する部分（以下、変調部分と略記す
る）を直列に接続した構成において、外部から電圧が印
加されている場合　光導電層に光照射されていないとき
！友　光導電層の電気インピーダンスが大きく、外部電
圧はおもに光導電層に印加されている状態にあム　光導
電層にある一定の強度以上の光が入射すると、光導電層
の電気インピーダンスが低下し　変調部分に外部電圧が
かかるようになり変調部分を透過する光をスイチングす
ａ　つまり、光閾値処理機能を実現できム　また　光導
電層に流れる光電流は　光量にほぼ比例して増加す４　
このた数　個々の光導電層は並列に接続されているた嵌
　光導電層全体に流れる電流は　個々の光導電層に入射
する全光量に比例し　ある一定時間の肌　変調部分に充
電される電荷量は電流に比例すム　従って、光和算を実
現することができも　この場合、和算の演算（よ電圧の
定常状態を用いた従来例と違って瞬時に流れる電流によ
って行われるた敦　非常に高速化が期待できも また　変調部分の動作電圧あるいは電流が大きくて光導
電層と接続できない場合３表　電界効果型トランジスタ
（以下、ＦＥＴと略記する）のゲト電極に光導電層を接
続し　ソース電極に変調部分を接続することにより、上
記と同様な効果を実現できる。

神経細胞の持つ閾値処理機能をこのような空間光変調素
子を用いて実現すると、空間変調素子に加える外部電圧
によって、変調部分に電圧がかかり始める光導電層への
入射光強度、すなわち閾値を制御できも　そのた数　外
部電圧を制御することによって、神経ネットワーク回路
の学習を効率よく収束することができも　また　これら
の空間光変調素子を複数個並列に並べることにより、並
列にしきい値処理を行うことができ、計算機を使った場
合に比べてより高速に演算を行うことができも　さらに
　これらの空間光変調素子は透過型で動作することもで
き、シナプス結合パターンに対応する光学マスクと交互
に重ね合わせるだけで、階層型のニューラルネットワー
クを容易に実現できも 強誘電液晶と整流性を有する光導電層により構成される
空間光変調素子の駆動には　正負の電圧パルスを交互に
印加する方法が用いられるカミ　光導電層の整流性によ
り、常に液晶層に直流バイアスが印加されている状態と
等価になム　従って、液晶が分解し易くなり、寿命が低
下してしまう。

従って、この直流バイアスを打ち消すよう顛　正負の電
圧パルスに重畳して直流のオフセット電圧を印加すれば
　寿命の低下を抑制できも　またこのような素子を光閾
値素子として用いた場合、このオフセット電圧により、
閾値特性の傾きを変えることができると共へ　閾値の制
御も可能になるた数　非常に有効であム 実施例 本発明の実施例について、図面を参照しながら説明すも 第１図に第１の発明の空間変調素子の一実施例を示す。

第１図は透過型の一例を示しており、それぞれ（ａ）は
断面図　（ｂ）は等価回路図であ素子の構成ζよ　透明
絶縁性基板１０１（例えばガラス板）上に透明導電性電
極（例えζ；Ｕ　　ＩＴＯまたはＳ　ｎ　Ｏ，）　１０
２を形成しており、その上に光導電層１０３を積層し　
さらに透明導電性電極１０４を形成し　これと透明絶縁
性基板１０５で透明導電性電極１０６および変調部分１
０７をサンドイッチしていも　但し　光導電層１０３ζ
よ　絶縁膜１０８で分離されていも空間光変調素子の動
作について第１図（ａ）の断面図および（ｂ）の回路図
を用いて述ベム　光照射前は光導電層１０３のＣＰＩ、
　　ＲＰＩ　（但Ｌｉ＝１・・・ｎ、　　ｎ：　光導電
層の総数）および変調部分１０７のＣＬ、ＲＬには交流
電圧Ｖが印加されていも　この状態では電圧Ｖｉａｌ　
　ＣＬ、　　ＲｔＪ：リモｃｐ＋、　　Ｒｐ＋ｉ：主に
かかム　ここで光導電層】０３に入射光１０９が照射さ
れると光導電層１０３の抵抗ＲＰＩが低下し　電圧Ｖは
ＣＬおよびＲＬに主に印加されるようになム従って、変
調部分１０７を読み出し光１１０が透過し出力光１１１
が得られも　従って、出力光強度は入射光強度に依存し
　光書き込み型で透過型空間光変調素子として機能すも
　また　出力光が得られるにζよ　ある一定値以上の入
射光強度を必要とするため閾値素子としても機能すム　
また　この閾値（友　電圧Ｖにより変化させることがで
きも第１図の空間光変調素子を反射型で使用する場合に
！よ　透明導電性電極パターン１０４と変調部分１０７
の間に誘電体を多層に積層した誘電体ミラーあるいはＡ
ｇ、ＡＩ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｏなどの反射率の高い金属薄
膜ミラーを形成すも　また：友　透明導電性電極パター
ン１０４の代わりに上にＡｇ、Ａ１、　　Ｃｒ、　　Ｎ
ｉ、Ｍｏなどの反射率の高い金属薄膜を代用してもよＬ
ｙ　　−Ｘ　　解像度を上げるために入射光１０９の反
射を防ぐ光吸収層として、光導電層１０３より十分小さ
い禁止帯幅を持つ材料からなる薄膜を光導電層１０３と
透明導電性電極パターン１０４の間に挿入しても良ｔ℃ 反射型の空間光変調素子の動作（よ　基本的には第１図
の透過型のものと同様であるが、読み出し光は透明絶縁
性基板１０５側から入射し　出力光は透明絶縁性基板１
０５側から出射すも このよう番へ　　第１の発明である空間光変調素子は　
透過型および反射型いずれの場合においても同様な動作
を得ることが出来も ここで、変調部分１０７Ｌ　　ＫＤｅＰＯ４，Ｂ　１４
Ｔｉ２Ｑ＋ｔなどの強誘電体結晶あるは液晶などの電界
により光の透過量が変化する材料で構成されも変調部分
１０７に液晶を使用する場合、液晶材料としてζよ　ネ
マティック液晶を用いても良いが、カイラルスメクティ
ックＣ相の強誘電性液晶を用いてもよ（〜　この場合、
液晶層の厚みを小さくでき、静電容量を大きくでき、し
かも高速応答が可能で、メモリ機能ももつことか社　よ
り有効である。

光導電層１０３に使用する材料は　暗時では誘電体とし
て動作し　光照射時には光導電性により誘電体の特性を
失うものであム　例えｆｉｃｄｓ、ＣｄＴｅ、　　Ｃｄ
Ｓｅ、　　ＺｎＳ、　　Ｚｎ５ｅ、　　ＧａＡｓ。

ＧａＮ、ＧａＰ、ＧａＡｌＡｓ、　　ＩｎＰ等の化合物
半導体　Ｓｅ、　　５ｅＴｅ、ＡｓＳｅ等の非晶質半導
体　Ｓ　Ｌ　　Ｇ　ｅ、　　Ｓ　Ｉ　＋−ｘｃｘ、　　
Ｓ　ｌ　＋−ｘＧ　ｅｘ。

Ｇ　ｅ　１−＋＋　Ｃｘ（０＜ｘ＜１）の多結晶または
非晶質半導体また　（１）フタロシアニン顔料（Ｐｃと
略す）例えば無金属Ｐｃ、　　ＸＰｃ　（Ｘ＝Ｃｕ、　
　Ｎｉ、　　Ｃｏ、　　Ｔｉｅ、　　Ｍｇ、　　Ｓ　ｉ
　　（ＯＨ）２など）、ＡｌＣｌＰｃＣｌ、Ｔｉ０ＣＩ
ＰｃＣ１，ＩｎＣｌＰｃＣ１，ＩｎＣｌＰｃ、　　　　
ＩｎＢｒＰｃＢｒ　　な　ど′、（２）モノアゾ色素　
ジスアゾ色素などのアゾ系色黒　（３）ペニレン酸無水
化物およびペニレン酸イミドなどのペニレン系顔礼　（
４）インジゴイド染粁　（５）キナクリドン類Ｉｔ、　
　（６）アントラキノン類　ピレンキノン類などの多環
牛ノン類（７）シアニン色黒　（８）牛すンテン染礼　
（９）ＰＶＫ／ＴＮＦなどの電荷移動錯体　（１０）ビ
リリウム塩染料とポリカーボネイト樹脂から形成される
共晶錯＆　　（１１）アズレニウム塩化合物など有機半
導体があａ また　非晶質のＳ　ｉ、　　Ｇｅ、　　Ｓ　ｉｌ−ｘＣ
ｘ。

Ｓ　Ｉ　Ｉ−ＸＧ　ｅ　Ｘ、　　Ｇ　ｅ　１−ｘＣｘ　
（以下、ａ−８ｉ、ａ−Ｇｅ、　　ａ−８ｉｌ−＊ｃＸ
、　　ａ−８ｉｌ−ｘＧｅｘ、　　ａＧｅ＋−＋＋Ｃ，
ｘのように略す）を光導電層１０３に使用する場合　水
素またはハロゲン元素を含めてもよく、誘電率を小さく
するおよび抵抗率の増加のため酸素または窒素を含めて
もよ（〜　抵抗率の制御にはｐ型不純物であるＢ、ＡＩ
、Ｇａなどの元素を、またはｎ型不純物であるＰ、Ａｓ
、Ｓｂなどの元素を添加してもよ（℃　このように不純
物を添加した非晶質材料を積層してｐ／ｎ、　　ｐ／ｉ
、　　ｉ／ｎｐ／ｉ／ｎなどの接合を形成し　光導電層
１０３内に空乏層を形成するようにして誘電率および暗
抵抗あるいは動作電圧極性を制御してもよ（も　こうす
ることにより、光スイッチングした檄　この状態を素早
く解除することが可能になもこのような非晶質材料だけ
でなく、上記の材料を２種類以上積層してペテロ接合を
形成して光導電層１０３内に空乏層を形成してもよ（ｔ
また　光導電層１０３の膜厚は０．０１〜１００μｍが
望ましく、光は光導電層１０３の無い領域を主に透過す
るため透過光強度をできるだけ減少させないためく　光
導電層１０３の面積は透明導電性電極パターン１０４の
面積の７５％以下にすることが好ましｌ、％絶縁膜１０
８にＩｔ　　Ｓ　ＩＯｘ、　　Ｓ　ｉＮＸ、　　Ａ　ｌ
　２０３゜ポリイミドなどの材料が有効であム 第２図に第２の発明の空間光変調素子の一例の回路図を
示す。この空間変調素子は基本的に２つのＦＥＴ（ＦＥ
ＴＩ、　　ＦＥＴ２）と変調部分（抵抗成分ＲＬ、静電
容量としてＣＬで表す）と複数の並列接続された光導電
層（同様にＲ１、Ｃ１で表す。但１、、ｉ＝１・・・ｎ
、　　ｎ：　　光導電層の総数）から成も光導電層はＦ
ＥＴ２のゲート電極とアース間に接続されていも この回路図を使って空間光変調素子の動作について説明
す４　　ＦＥＴＩのゲート電極にｖ６が印加さＦＬ、、
ＦＥＴＩが導通し光導電層ＣＰＩが充電される（但し　
暗時のＲ１は非常に大きいものとす４）。Ｃｐ＋の充電
が終了すると、Ｖｏを小さくしてＦＥＴＩの導通を遮断
する。この時、ＦＥＴ２のゲート電圧はほぼＶＤに等し
く、ＦＥＴ２は導通し変調部分ＲＬ、ＣＬに交流電圧Ｖ
が印加される。次に光導電層ＣＰＩに光を照射し　光強
度が光導電層の抵抗Ｒｐｌを十分減少させる程度に大き
くなると、光導電層に充電されていた電荷は中和り、、
　　ＦＥＴ２のゲート電圧は減少する。そのた＆　　Ｆ
ＥＴ２の導通は遮断され　変調部分ＣＬに交流電圧Ｖは
印加されなくなム このように光導電層への光照射により、変調部分にかか
る電圧を制御でき、閾値処理機能を持った空間光変調素
子として動作させることができａま７’、、、ＦＥＴ２
のゲート電圧の減少する速さは光導電層全体に流れる電
流に比例するので、光和算を実現できも ＦＥＴは通常薄膜のＴＰＴで構成される。ＴＦＴを構成
する半導体層としてにｉ、、　　ａ−３ｉ：Ｈだけでな
く、多結晶シリコン、または多結晶ＧａＡｓ、ａＳｌｌ
　−＊Ｃｗ　：Ｈ，ａ−３ｉ＋−ｘＧｅｘ　：Ｈ（０＜
ｘ＜１）などが使用される。

また　光導電層および変調部分は　上述の材料で構成さ
れも 第３図（ａ）に第３の発明の空間光変調素子の駆動方法
を説明するための回路の一例を示す。第３図（ｂ）、　
（ｃ）には電源電圧Ｖ、の波形を示す。

整流性をもつ光導電層はダイオードと静電容量Ｃ−の並
列回路で表し　強誘電液晶は静電容量Ｃして表す。

通家　強誘電液晶を駆動させる波形として、強誘電液晶
のもつメモリ性を使った第３図（Ｃ）に示すような電圧
波形が用いられる。この波形は　１周期（時間Ｔとする
）の間にＴ／２未満のパルス幅の正および負のパルスか
らなる交流波形で、直流成分は持たなＬｃ　　ＬかＬ−
第３図（ｃ）にような波形を第３図（ａ）の電源電圧と
すると、光導電層の整流性によって、Ｃ＃とＣＬの間の
点Ａの電位は正の電位が常に発生ずん　すなわちＣＬの
端子間すなわち強誘電液晶セルに常に直流のバイアスが
かかつていることになり、液晶の劣化を速めてしまう。

そこで、この正の電位を打ち消すような負の直流成分を
第３図（ｃ）の波形に重畳した第３図（ｂ）の波形を電
源電圧とすることにより、液晶の劣化を防止することが
できも　ここで、第３図（ａ）のダイオードの向きが反
対であった場合に慰　第３図（ｃ）の波形に正の直流成
分を重畳すれば良（ｔ　すなわ板ダイオードに対して逆
バイアスになるように直流成分を重畳すれば良し− また　正および負のパルスの数は　同数であっても異な
っていてもよく、正と負のパルスの高さも同じであって
Ｌ　違っていてもよｔ〜以下に具体的な実施例について
説明すも実施例１ 第４図の断面図に示すように　ガラス基板４０１上に０
．１〜０．５μｍ厚のＩＴＯをスパッタ法により成膜し
　透明導電性電極４０２を形成し九　次に　プラズマＣ
ＶＤ法により１〜３μｍ厚でｐ／ｉ／ｎダイオード構造
のａ−８ｉ：Ｈ膜を積層し　パターンを形成して光導電
層４０３を作製し丸　続いて、絶縁膜４０４としてａ−
５ｉ：Ｈと同じ膜厚の５ｉＮ−のパターンを形成してし
た後、０．１〜０．５μｍ厚の工ＴＯ電極パターン４０
５を形成し九　次にラビング処理を施した配向ＩＩＩＩ
！４０６を積層した　これとＩＴＯの透明導電性電極パ
ターン４０７および配向膜４０８を積層したガラス基板
４０９との間に０．５〜３μｍ厚の強誘電液晶層４１０
を封入し液晶セルを作製した　このセルの両側に偏光子
４１１および検光子４１２を配置して、空間光変調素子
４１３を作製しな この空間光変調素子４１３に第３図（ｂ）に示すような
交流電圧を印加して、入射光４１４に白色光を用いて動
作を確認し九　その結果　入射光４１４に対する出力光
４１５の変化は閾値特性を示すこと、並びに光和算が行
われていることが確認できた　さらにこの光和算及び光
閾値処理は　毎秒ｌＯ〜１０゜０００回行えることを確
認しな ま？、　　閾値は　交流電圧のパルス高を大きくすべ　
または負の直流成分の電圧を大きくすると減少すること
が確認でき九 また　この空間光変調素子は　光論理素子としても機能
すム　例えは　簡単にするため光導電層４０３の数を２
個とＬ　２個の光導電層４０３に同時に光が入射しない
と液晶層４１０に電圧がかからない様にするとＡＮＤ回
路となり、　１個でも光導電層４０３に光が入射すると
液晶層４１０に電圧がかかるようにするとＯＲ回路とな
る。また　偏光子４１１および検光子４１２を調節する
ことにより、ＮＡＮＤまたはＮＯＲ回路としても働く。

実施例２ 第５図に示すような反射型空間光変調素子５０１を作製
した　これｊＬ　　第４図の透過型のもののＩＴＯ電極
パターン４０５をＡＩ電極パターンに置き換えたもので
あム　さらに　偏光子５０２および検光子５０３は第５
図に示すように配置し　入射光５０４と反対側より読み
出し光５０５を入射してビームスプリッタ＝５０６より
出力光５０６を観測しな その結果　実施例１と同様に　光和算および光閾値特性
を観測することができた 実施例３ 第６図に　本発明の一実施例の空間光変調素子６０１の
概略断面図を示す。この空間光変調素子はａ−３ｉ：Ｈ
を半導体層６０２に用いたＴＰＴを２個片方のガラス基
板６０３上に形成し？、、ＴＰＴの形成は先ず、ガラス
基板６０３上に例えばＩＴＯまたはネサで形成した透明
アース電極６０４およびゲート電極６０５を例えばＣｒ
で形成し　その後ゲート絶縁膜６０龜　半導体層６０２
−　半導体保護層６０７をプラズマＣＶＤ法で形成・パ
ターニングした　そしてオーミック性を改善するために
ｎ型半導体層６０８を介在させた後、ソース電極６０９
・ドレイン電極６１０を例えばＡＩなどで一括形成ＬＡ
　ＴＦＴを作製した　次！ミ　ゲート絶縁膜６０６にエ
ツチングで穴を開法　そこに光導電層６１１として例え
ばａ−３ｉ・Ｈを形成・パタニングし　さらに電極６１
２を形成してＴＦＴＩおよびＴＦＴ２のゲート電極およ
びドレイン電極と光導電層６１１と接続した　次に強誘
電液晶６１３に電界を印加するための画素電極６１４を
ＩＴＯなどの透明電極で形成し九　その後、配向Ｍ６１
５を塗布　ラビング処理をし九　もう一方のガラス基板
６１６には対向電極６１７と遮光層６１８を設置す、同
様に配向膜６１９を塗布　ラビング処理を行った　そし
て、両系板の間に強誘電液晶６１３を封入し　基板の前
後にカラー偏光板６２０を配置した この空間光変調素子の光導電層６１１にＴＰＴを形成し
たガラス基板６０３側から照射した入射光強度に対する
透過光強度の変化は　閾値特性を示すこと、並びに入射
光に対する光和算が行えることを確認し九 また　画素電極６１４をＡｌやＣｒなどの電極に換え　
かつ第５図に示すような光学系にこの空間光変調素子を
配置することにより、反射型空間光変調素子としても動
作し九 実施例４ 第７図（ａ）に示すよう＆ミ　ガラス基板７０１上に透
明電極７０２．　ｐ／ｉ／ｎ構造ａ−８ｉ：Ｈ光導電層
７０次強誘電液晶層７０東　　透明電極７０５およびガ
ラス基板７０６を順次積層した空間光変調素子を作製し
た　これ顛　第３図（ｃ）に示すような電圧波形を印加
したとこへ　約１０分度度で強誘電液晶７０４のメモリ
性が喪失してしまっ九　−人　第３図（ｂ）に示すよう
な電圧を印加したとこへ　２４時間以上たっても正常動
作することを確認した さらに　第３図（ｂ）の直流成分の電圧を制御すること
により、空間光変調素子の入射光に対する感度を変化で
きることを確認しな また　このような効果は光導電層７０３として、　ａ−
３ｉ：Ｈの代わりに上述の材料を用いて整流性を有する
光導電層を構成してＬ　同様の効果が得られること、お
よびｐ／ｉ／ｎ構造ａ−５ｉ：Ｈ光導電層７０３と強誘
電液晶層７０４の間に誘電体ミラーを挿入したときも同
様の効果が得られることを確認しに 実施例５ 実施例４で作製した空間光変調素子において、ａ−３ｉ
：Ｈ光導電層７０３と強誘電液晶層７０４の間に　例え
ばＡ１またはＣｒなどの導電性電極アレイ７０７を形成
し　反射型の空間光変調素子を作製し九　この素子の断
面図を第７図（ｂ）に示す。

この空間光変調素子に第３図（ｂ）に示すような電圧波
形を印加したとこへ　第３図（ｃ）の場合に比べて２，
０００倍以上素子の寿命が延びたことが確認できｔら 実施例６ 本発明の一実施例の神経ネットワーク回路について第８
図を用いて説明す７ｈ　　（ａ）は神経ネットワーク回
路の構成を概略的に示したもｆｆｌ　　（ｂ）は回路に
記憶させたパターンの−ｆｆ１Ｊ、　　（ｃ）は入カバ
ターンの多重＆　　（ｄ）は実験に使用した不完全パタ
ーンの一例であム ２次元配列した発光ダイオード、電界発光（ＥＬ）素子
または蛍光灯と面拡散板などからなる面発光素子８０１
と、ａ−３ｉ：Ｈまたは多結晶Ｓｉトランジスタアレイ
を能動素子とり、　　９０°ねじれネマティック液晶を
液晶として用いたアクティブマトリックス型の液晶セル
（以下、ＡＭ−ＬＣセルと略記する）を２枚（Ａ　Ｍ　
−Ｌ　Ｃ（１）８０２．　Ａ　Ｍ　−Ｌ　Ｃ（２）８０
３と区別する）平行に配置した　ただＬ　　ＡＭ−ＬＣ
（２）８０３はシナプスに対応する光学マスク素子８０
２として使用しており、学習可能なものとしている。ま
？ＱＡＭ−ＬＣセル８０２．８０３の画素数は４００ｘ
４００（−１６００００）個であり、それぞれ駆動回路
８０４．８０５により動作すム　さらに実施例２で作製
した空間光変調素子において、光導電層の数を１６個に
したものを縦４ｇ＆、横４個のマトリックス上に１６個
平面上に配置した空間光変調素子アレイ８０６をＡＭＬ
Ｃセル（１）８０２．　（２）８０３と平行に配置し　
神経ネットワーク回路を構成し九 次に　神経ネットワーク回路の動作（ここでＣヨ神経系
の持つ機能の１つである連想記憶を取りあげた）原理に
ついて、第８図を用いて説明する。

４ｘ４（＝１６）のマトリックス状の入カバターン（Ｘ
ｌ）、例えば第８図（ｂ）に示すパターンの１つ（例え
ば一番上のパターン）をテレビカメラ８０７で撮像し　
計算機８０８で処理してＡＭ−ＬＣ（１）８０２に第８
図（ｃ）に示すような１６ｘ１６（＝２５６）の多重像
（ＸＩＬ）のパターンを表示Ｌ　　ＡＭ−Ｌ　Ｃ（２）
８０３に１８ｘ１６　　（＝２５６）のメモリパターン
（Ｍ）を表示し九　これらＸＩＬ、Ｍのマトリックスの
要素ζよ　１対１対応するように配置し通　これらＸＩ
Ｌ、Ｍの一要素が空間光変調素子７０６の１つの光導電
層を含む１つのセルに集光するように結像すム　空間光
変調素子アレイ８０６の読みだし光にはＡｒレーザまた
はＨｅ−Ｎｅレーザを用シ（シきい値処理された反射像
をテレビカメラ８゜９で撮像し　想起結果Ｙ＋（４ｘ４
マトリツクス）を得た　このＹＩと入力Ｘ１が等しけれ
ば次のパターンの想起を行（＼　等しくない場合学習に
よって記憶パターンＭを修正し九　ここでは　学習の一
例として、直交学習法を用いｔ−Ｍの初期状態は０行列
とし　ほかの全てのパターンに対しても出力Ｙが入力Ｘ
と等しくなるまで学習を繰り返したこうして学習の終了
した記憶パターンＭとＸＩの不完全なパターン（例えば
第８図（ｄ）のようなパターン）を使って、上記と同様
に想起を行ったとこへ　Ｘｌを想起することができた　
また　他のパターンについても不完全な入カバターンか
ら完全なパターンを想起することができた　このように
しきい値処理機能を持った空間光変調素子を使って回路
を形成し　神経系の持つ連想記憶を行えることが確認で
きた ココテ、ＡＭ−Ｌ、Ｃセル（１）８０２．（２）８０３
４．ｔ、　　ヨリ高速応答を図るためにネマティック液
晶の代わりに強誘電液晶を用いてもよｌ、％ また　第３図（ｂ）に示すような電圧波形を空間光変調
素子アレイ８０６に印加したが　学習の隘　負のパルス
電圧高および直流成分電圧を変化させて閾値を制御する
ことにより、学習の収束性が向上することが確認できた
　また　不完全パターンの入力に対する認識率も向上す
ることが判ったさらζへ　　人カバターンのマトリック
スサイズをより大きくし　これに合わせて空間光変調素
子に含まれる光導電層を増加して、上記と同様に神経ネ
ットワーク回路を構成したとこへ　より多くへより複雑
なパターンに対しても連想記憶できることを確かめた また　実施例３の反射型空間光変調素子を用いて４ｘ４
マトリツクスの空間光変調素子アレイ８゜６を構成して
Ｌ　上記と同様な効果が得られることを確認した また　実施例５で作製した反射型空間光変調素子をもち
いて４ｘ４マトリツクスの空間光変調素子アレイ８０６
を構成してＬ　上記と同様な効果が得られることを確認
した さら番ミ　　こうような空間光変調素子アレイ８０６の
Ａ　Ｍ　−Ｌ　Ｃ（２）８０３側のガラス基板上に　素
子１つずつにレンズを形成すると、光の散乱による光量
の低下および光学的なりロストークを低減でき、より速
く学習が収束すると共番ミ　　不完全パターンに対して
も良好な出力結果を得ることができた上記の例ではシナ
プスに対応する光学マスクに電界により光の透過量が変
化するものの１つである液晶を用いた力＜、　　ＰＬＺ
Ｔ、　　ＫＤ２ＰＯＪ、ＢｉａＴ　ｉ　２０＋１などを
用いてもよく、あるいＣヨ　　光照射により光の透過量
が変化するフォトクロミック素子などを用いてもよ（− また　学習を行わない神経ネットワーク回路の場合、光
学マスクには書換え可能ではなｔ、％　　銀塩または色
素を定着した　あるいは金属を蒸着して作製されるよう
な固定マスクが用いられも　この場合　固定マスクの内
容は　学習の計算機シミュレーションによって得られた
シナプスの値が盛り込まれも　この隊　この固定マスク
が空間光変調素子アレイ８０６の外側にあると、通家　
空間光変調素子アレイ８０６のガラスの厚みよりも素子
サイズの方が小さいた嵌　光の散乱によって光量の低下
、および光学的なりロストークを生じてしま（＼　シミ
ュレーションどうりの結果を得ることが困難になってく
る。このような事態を防ぐために　空間光変調素子アレ
イ８０６内に　固定マスクを形成するのが有効である。

具体的に（よ　入射光側のガラス基板の東　入射光側の
ガラス基板と透明導電性電極との阻　あるいは入射光側
の透明導電性電極と光導電層の間である。さらく　空間
光変調素子アレイ８０６のガラス基板に　上述のレンズ
を付加するとより効果的であム　また　この様な方法に
より、シミュレーション結果と全く同じ結果を得ること
が可能になるのを確認しな 実施例７ 実施例１に示す透過型空間光変調素子および実施例２の
反射型空間光変調素子を用いて、第９図（ａ）に示すよ
うな階層型の神経ネットワークモデルに基づく神経ネッ
トワーク回路９０１を構成し九先ず、この回路の構成に
ついて説明す、４４ｘ４マトリツクスの入力情報（Ｘ）
を面光源９０２に表示ＬＡ　４ｘ４マトリツクス配置の
レンズアレイ９０３によって、実施例５と同様に多重像
（Ｘ　Ｌ）をＡＭ−ＬＣ（１）９０４に結像すム　面光
源９０２およびレンズアレイ９０３６よ　入力層の神経
細胞（この場合　神経細胞の数は１６個）に相当Ｌ　　
ＡＭ−ＬＣ（１）９０４は入力層と中間層との間のシナ
プスに相当する書換え可能な光学マスクとして使用し九
　面光源９０４はλ１、λ２の異なる波長成分を持って
おり、ＡＭ−Ｌ　Ｃ（１）９０４をはさむ２枚の偏光子
は偏光方向が平行であるカラー偏光子を用いており、特
定の波長（例えばλ１）に対して偏光を行うものであ４
　−Ｘλ２の波長はほとんど透過してしまう。従って、
　λ１の光はＡ　Ｍ　−Ｌ　Ｃ（１）９０４によって変
調を受けるがλ２の光は液晶層の動作状態に関係なく透
過すムこのＡ　Ｍ　−Ｌ　Ｃ（１）９０４からの透過光
を、４ｘ４のマトリックス状に実施例１の透過型空間光
変調素子（１素子当り並列接続されている光導電層の数
は４ｘ４＝１６個）を並べた空間光変調素子アレイ　（
以下、　ＳＬＭアレイと略記する）　（１）９０５に照
射し九　また　この光導電層を構成する材料（よλ２よ
りもλ１を主として吸収するものである。このＳＬＭア
レイ（１）９０５は中間層の神経細胞に相当する（この
場合、神経細胞の数は１６個）。ＳＬＭアレイ（１）９
０５を透過した光（よ　カラーフィルタ９０６を透過す
る際にλ１構成が遮断され　λ２構成のみ透過すム　カ
ラーフィルタ９０６からの透過光を、４ｘ４マトリツク
スのレンズアレイ９０７で多重展開し　中間層と出力層
間のシナプスに対応する書換え可能な光学マスクとして
使用した１６ｘ１６のマトリックス表示のＡ　Ｍ　−Ｌ
　Ｃ（２）９０８に入射すムＡ　Ｍ　−Ｌ　Ｃ（２）９
０８の透過光（よ　実施例２に示した反射型の４ｘ４マ
トリツクスのＳＬＭアレイ（２）９０９（１素子当りの
光導電層の数は４ｘ４＝１６個）に入射すも　ここで、
ＳＬＭアレイ（２）９０９の光導電層（よ　波長λ２の
光をよく吸収する材料で構成されてい、５　　ＳＬＭア
レイ（２）９０９は出力層の神経細胞に相当する（この
場合、神経細胞の数は１６個）。ＳＬＭアレイ（２）９
０９からの出力光はビームスプリッタ−９１０を通して
４ｘ４のマトリックス配置をしたフォトダイオードアレ
イ　（以下、　ＰＤＡと略記する）９１１で受光すも　
ＳＬＭアレイ（１）９０５およびＳＬＭアレイ（２）９
０９ｆｉ　　光和算を行うとともにその結果に対して閾
値処理した結果を出力するものであ４　　Ｐ　Ｄ　Ａ　
９１１からの信号を電子計算機９１２で、フィードバッ
ク型の教師有り学習法（例え（瓜誤差逆伝搬学習法）に
よるシナプスの修正量を計算り、　　ＡＭ−ＬＣ（１）
９０４．（２）９０８の学習を行ったこのシステム（よ
　入力層−１６仏　中間層−１６ｉ　　出力層−１６個
のニューロンからなるニュラルネットワークが構成され
た状態にある。

この神経ネットワーク回路９０１に１６種類の単一波長
の光に反応する光センサからの出力を入力情報として用
（＼　−例として太陽光　蛍光灯、白熱電床　ナトリウ
ムランプ、ろうそくの炎の入力情報か収　これらを認識
区別できるように学習させたただし　学習の際　ＳＬＭ
アレイ（１）９０５．　（２）９１０に印加する電圧を
変化させてしきい値を変化させたその結果　学習に使っ
た入力情報に対しては認識率は１００％が得られ　学習
に使用しなかった別の入力については９９．５％以上の
認識率をか得られた　またこの場合、　しきい値につい
て学習行わなかった場合よりＬ　学習の収束度は５〜１
０倍速くなったこのように　階層型ニューラルネットワ
ークに対して鯨　人力光に多数の波長を有する光を用（
＼光の進行する方向にＳＬＭアレイに使用する光導電層
の材料を順に禁止体幅の小さい材料で構成すると、ＡＭ
−ＬＣのような透過型の空間光変調素子とＳＬＭアレイ
を交互に積層するだけで、非常に簡単に実現できる。ま
た　この神経ネットワーク回路９０１におけるＡＭ−Ｌ
ＣおよびＳＬＭアレイのマトリックスサイズをこの例以
上に大きくしても同様の効果が得られるし　さらにＡＭ
−ＬＣとＳＬＭアレイの対を増やして、階層を多くして
もより機能を向上できも このとき叡　実施例７と同様に実施例３および５の空間
光変調素子アレイを用いても同様な結果が得られること
を確認した まｆ、−ＡＭ−ＬＣの代わりに実施例７で使用した他の
光学マスクを使用しても同様な結果が得られ九 さらＥ、ＳＬＭアレイ（１）９０５．　（２）９０９の
ガラス基板にレンズを形成すると、より効率よく学習が
収束するとともに　認識率が向上した また　シミュレーションで得られた学習結果を固定マス
クに作製り、、Ａ　Ｍ　−Ｌ　Ｃ（１）９０４．　（２
）９０８の代わりに用ｃ＜ＳＬＭアレイ（１）９０５．
　（２）９０９のガラス基板と透明導電性電極の阻　あ
るいは透明導電性電極と光導電層の間に挿入したとこへ
　シミューレーションどうりの結果を得な 発明の効果 本発明によれは　高速動作で、光和算および閾値処理可
能な空間光変調素子が得られもまた　空間光変調素子の
長寿命化が可能になる駆動方法が得られも さらに　学習の収束に優れ　階層型ネットワークモデル
を容易に形成する神経ネットワーク回路が得られも

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）および（ｂ　）　ＩＬ　　それぞれ本発明
における空間光変調素子の一実施例の断面図および回路
図　第２図は本発明の一実施例における反射型空間光変
調素子の回路図　第３図（ａ）、　（ｂ）および（Ｃ）
は　それぞれ　本発明の空間光変調素子の駆動方法の一
実施例で使用した回路を示す回路図　従来例の電圧波形
医　本発明による電圧波形医　第４図は本発明における
空間光変調素子の一実施例の断面図　第５図Ｃよ　本発
明の反射型空間光変調素子の一実施例の断面図　第６図
１上　本発明の空間光変調素子の一実施例の断面図　第
７図（ａ）、　（ｂ）ｉよ本発明の実施例における空間
光変調素子の断面医第８図（ａ）、　（ｂ）、　（ｃ）
および（ｄ）（よ　それぞれ　本発明の神経ネットワー
ク回路の一実施例の構成を示す概略に　回路に記憶させ
たパターンの一例を示す図　入カバターンの多重像の一
例を示す医　および不完全なパターンの一例を示す医　
第９図（ａ）、（ｂ）４；Ｌ　　それぞれ　本発明にお
ける階層型神経ネットワーク回路の一実施例で使用した
階層型神経ネットワークモデルの医　および神経ネット
ワーク回路の構成を示す斜視医　第１０図（ａ）、（ｂ
）ｉ；＆従来例の空間光変調素子の回路図である。 １０１、１０５・・・透明絶縁性基板、１０２．１０４
．１０６・・・透明絶縁性電極　１０３・・・光導重恩
　１０７・・・変調部分、１０８・・・絶縁風１０９・
・・入射光　１１０・・・読み出し光　１１１・・・出
力光　４０１．４０９・・・ガラス基Ｋ　　４０２，４
０７・・・透明導電外電Ｋ　　４０３・・・光導重恩　
４０４・・・絶縁［２０５・・・Ｉ　Ｔ　Ｏ１１ｉ　極
バター　ン、４０６．４０８・・・配向Ｋ　　４１０・
・・強誘電液ａ４１１・・・偏光子、４１２・・・検光
子、４１３・・・空間光変調素子、４１４・・・入射光
４１５・・・出力光　６０１・・・空間光変調素子、６
０２・・・半導体恩６０３，６１６・・・ガラス基板、
６０４・・・アース電極　６０５・・・ゲート電極６０
６・・・ゲート絶縁風６０７・・・半導体保護恩６０ｇ
・・・ｎ型半導体慰６０９・・・ソース電極６１０・・
・ドレイン電極６１１・・・光導重恩　６１２・・・電
極　６１３・・・強誘電液晶　６１４・・・画素電機　
６１５，６１９・・・配向風　６１７・・・対向電極６
１８・・・遮光恩６２０・・・カラー偏光板、７０１．
７０６・・・ガラス基板、７０２．７０５・・・透明電
極７０３・・・光導電Ｗ＃７０４・・・強誘電液晶　７
０７・・・導電性電極アレイ、８０１・・・面発光素子
、８０２・・・ＡＭ−ＬＣ（１）、８０３・・・ＡＭ−
ＬＣ（２）、８０４．８０５・・・駆動同区８０６・・
・空間光変調素子アレイ、８０７．８０９・・・テレビ
カメラ、８０８・・・計算ａ　　９０１・・・神経ネッ
トワーク同格９０２・・・面光＃９０３，９０７・・・
レンズアレイ、９０４・・・ＡＭ−ＬＣ（１）、９０５
・・・ＳＬＭアレイ（１）、９０６・・・カラーフィル
久　９０８・・・ＡＭ−Ｌ　Ｃ（２）、９０９・・・Ｓ
ＬＭアレイ（２）、９１０・・・ビームスプリッタ−９
１１・・・フォトダイオードアレイ、９１２・・・電子
計算隨 代理人の氏名　弁理士　小鍜治　明　ほか２名ｏｔｔｏ
ｓ 遭θ１絶緩性暮法 区 （Ｎ シ 第 図 （Ｑｌ ４ｏ！４０ｑ ４０２．４０７ 仰３ 覗込４０８ １Ｏ 乃　　ラ　　ス　　基　　課 透明璃′Ｔｌ牲電− 光　１ｌＩｔＬ４ 縫ｔ４Ｉｌｌｌ Ｉ　ＴＱｔ昏Ｉｆターン 配向罎 ５！！胡電溝晶 １＆た子 ４）Δ゛−２（１１丁ツー。 ４Ｉ５−−　出　７］　光 ４／１ 空蘭光変 瘍光子 惇兇子 入射光 ｔ１！奸田し 出７３光 論 光 １↓１ ＼−−−〜−−−ノ 第 図 （Ｃ） ｒｄ） 号Ｃ

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. （１）導電性電極ではさんだ光導電層を複数個並列接続
   した部分と、電界によって光の透過量が変化する部分を
   電気的に接続していることを特徴とする空間光変調素子
   。
2. （２）電界によって光の透過量が変化する部分と光導電
   性を有する部分と電界効果型トランジスタとを備え、前
   記電界効果型トランジスタに前記光導電性を有する部分
   が電気的に接続されており、かつ前記光導電性を有する
   部分が、導電性電極ではさんだ光導電層を複数個並列接
   続して構成されていることを特徴とする空間光変調素子
   。
3. （３）光導電層が整流性を有することを特徴とする請求
   項１または２に記載の空間光変調素子。
4. （４）電界によって光の透過量が変化する部分が強誘電
   性液晶から成ることを特徴とする請求項１または２に記
   載の空間光変調素子。
5. （５）整流性を有する光導電層と強誘電液晶を少なくと
   も有する空間光変調素子において、印加する電圧波形が
   １周期（以下、Ｔとする）の間にＴ／２未満の正および
   負のパルス成分をもち、かつＴに渡って前記光導電層に
   対し逆バイアスになる直流成分を有することを特徴とす
   る空間光変調素子の駆動方法。
6. （６）導電性電極ではさんだ光導電層を複数個並列接続
   した部分と、電界によって光の透過量が変化する部分を
   電気的に接続しており、これらを透明絶縁性基板ではさ
   んだ空間光変調素子および光学マスクおよび発光素子か
   らなることを特徴とする神経ネットワーク回路。
7. （７）透明絶縁性基板上に形成した光導電性を有する部
   分と電界によって光の透過量が変化する部分と電界効果
   型トランジスタとを備え、前記電界効果型トランジスタ
   に前記光導電性を有する部分が電気的に接続されており
   、かつ前記光導電性を有する部分が、導電性電極ではさ
   んだ光導電層を複数個並列接続されている空間光変調素
   子および光学マスクおよび発光素子からなることを特徴
   とする神経ネットワーク回路。
8. （８）透明絶縁性基板上に透明導電性電極および光導電
   層およびアレイ状の導電性電極を形成し、さらに電界に
   よって光の透過量が変化する部分および透明導電性電極
   を積層した構造を有する空間光変調素子および光学マス
   クおよび発光素子からなることを特徴とする神経ネット
   ワーク回路。
9. （９）光学マスクが、電界または光照射によって光の透
   過量が変化する空間光変調素子で構成されていることを
   特徴とする請求項６から８のいずれかに記載の神経ネッ
   トワーク回路。
10. （１０）光学マスクが空間光変調素子の絶縁性基板上あ
    るいは前記絶縁性基板中あるいは透明導電性電極と光導
    電層の間に形成されていることを特徴とする請求項６か
    ら８のいずれかに記載の神経ネットワーク回路。
11. （１１）空間光変調素子の透明導電性基板上にレンズが
    形成されていることを特徴とする請求項６から８のいず
    れかに記載の神経ネットワーク回路。