JPH0451224A - 光並列演算処理方法およびその装置 - 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） 本発明は複数のディジタルパターン情報間の論理演算を
光学的に行う方法およびその装置に関するものであり、
特に画像処理や各種記号間の論理演算とその処理装置（
コンピュータ）の分野に属している。

（従来の技術） 第４図は従来の光並列演算処理の説明図であって、１−
１は処理を行うための入射光の光源１２は偏光子、１−
３は空間的な符号化後に隣り合う画素の符号化光と重な
りを起こさせないために配されたピクセルマスク、１−
４は第１の入力の二値情報を偏光の情報に置換する第１
の透過型空間変調器、１−５は空間変調器１−４に第１
の入力を与える回路、１−６は複屈折板、１−７は第２
の入力の二値情報を偏光の情報に置換する第２の透過型
空間変調器、１−８は空間変調器１−７の第２の情報を
与える回路、１−９は複屈折板、１−１０はカーネルで
ある。光源１−１からの光は、偏光子１−２で直線偏光
になり、ピクセルマスク１−３で空間的に画素に分解さ
れ、第１の透過型空間変調器１−４に入射して１−４に
によって回路１−５からの第１の入力により偏光の置換
を受ける。この状態に応じて複屈折板１−６により空間
的に分離され、分離光はさらに第２の透過型空間変調器
１−７に入射して１−７によって回路１−８からの第２
の入力により偏光の置換を受け、この状態に応じて複屈
折板１−９により空間的に分離される。この偏光および
空間的な位置を用いた符号化後の光は、空間的な選択素
子が並んだ演算用カーネル１−１０により演算結果を得
る。第４図中に符号化時の偏光と位置が付しである。画
素ａとｂの論理値の値により四つの空間的に異なる位置
をとることになる。

（発明が解決しようとする課題） 本発明は、光の並列性と高速性を利用し、多段処理可能
で、かつプログラマブルな光並列処理法によってプール
代数で記述される任意の論理演算式を実行する方法およ
び装置を提供することにある。特に系の簡潔性を実現す
ることを課題とする。

（課題を解決するための手段） 本発明は、互いに演算すべき二値のディジタル情報に対
して一画素ごとに偏光符号化を行い、符号化光を空間的
に分離する操作を繰り返し、論理演算に対応する空間的
に分離された位置にある光のみを選択することにより演
算し、演算結果として空間的に選択された出力光に対し
て、必要に応じて空間的には分離の逆の操作も行うこと
により、空間的位置が一つ（または複数の位置）の光と
するが、処理はこの出力光を、ある特徴を持つ光書き込
み型の空間光変調器に入射し、その変調器の読み出し出
力を最終的な演算結果として得ることを特徴とする。こ
こである特徴というのは、その変調器の書き込み入力に
対して有限時間内に入射される光の強度、波長、時間な
どから決定される定数に対して、スレッシュホルドの動
作をする、というものである。

従来の技術とは次の点で異なる。

（１）第４図に示した光並列演算法は、基本的に直列構
成の演算法、演算装置であり、演算結果を保持するメモ
リ機能がなかったので、複雑な論理演算式に対しては動
作が困難であり、論理式に応じて装置の構成、例えば段
数を増やすとか装置を並列に並べるといった変更をしな
ければならず、汎用プロセッサへの拡張性はなかった。

本発明の構成では、この構成とほとんど変わらないにも
拘らず、第４図の方式に光メモリやラッチ等を含む帰還
部をもつ極めて複雑な汎用プロセッサ構成にして、はじ
めて、実行できる種類の演算を、この簡単な構成で実行
できる。例えば２人力間の積の和の表現されるような演
算が実行できる。

（２）前記（１）のように同じ演算を帰還系の処理方法
で実現すると何回も繰り返し帰還するので、演算時間が
かかるほか、誤差が蓄積し易い。本発明の構成は演算時
間でも、演算精度でも有利になる可能性が大きい。

（実施例） 第１図は本発明の一実施例の構成概念図であって、２−
１から２−１０までは第４図における１−１から１−１
０と同一のものである。その部分の説明をここで繰り返
せば、２−１は処理を行うための入射光の光源、２−２
は偏光子、２−３は空間的な符号化後に隣り合う画素の
符号化光と重なりを起こさせないために配されたピクセ
ルマスク、２−４は第１の入力の二値情報を偏光の情報
に置換する第１の透過型空間変調器、２−５は空間変調
器２−４に第１の入力の情報を与える回路、２−６は複
屈折板、２−７は第２の入力の二値情報を偏光の情報に
置換する第２の透過型空間変調器、２−８は空間変調器
２−７に第２の入力の情報を与える回路、２−９は複屈
折板、２−１０はカーネルである。光源２−１からの光
は偏光子２−２で直線偏光になり、ピクセルマスク２−
３で空間的に画素に分解され、第１の透過型空間変調器
２−４に入射して２−４によって回路２−５からの第１
の入力により偏光の置換を受ける。この状態に応じて複
屈折板２−６により空間的に分離され、分離光はさらに
第２の透過型空間変調器２−７に入射して２−７によっ
て回路２−８からの第２の入力により偏光の置換を受け
、この状態に応じて複屈折板２−９により空間的に分離
される。この偏光および空間的な位置を用いた符号化は
、各画素ごとに行われている。この偏光および空間的な
位置を用いた符号化後の光は、空間的な選択素子が並ん
だ演算用カーネル２−１０に入射し、論理演算結果を得
る。このカーネルの各選択素子（またはカーネルに空間
光変調器などを用いる場合はその各画素）を独立に制御
することにより、画素ごとの演算が独立に指示できる。

第１図中に符号化時の偏光と位置が付しである。画素ａ
とｂの論理値の値により四つの空間的に異なる位置をと
ることになる。

２−１１以降が本発明の特徴を示す部分である。

２−１１は空間光変調器（ＳＬＭ）である。このＳＬＭ
は光書き込み型であり、次の特徴を有する。ある有限時
間内に入射された光に関して、その波長・強度・時間等
から定まる定数が、動作条件等も含むがＳＬＭ固有のあ
る定数を越えていると、ＳＬＭは書き込まれて読み出し
光を変調する。それを越えていない場合は変調しない。

２−１２は２−１１の読み出し光源（必要なら偏光子を
含む）、２−１３は読み出し光を２−１１に入射するた
めの偏光ビームスプリッタ　（ハーフミラ−十検光子で
も同じ）であた、２−１１に透過形のＳＬＭを用いる場
合は、偏光ビームスプリッタ２−１３を、読み出し光が
２−１１に入射するように、２−１１の前に配置する。

実際には、以下、第３図の説明などで示すように、各動
作のタイミングをとって演算を実行する必要があるので
、何等かの制御装置が必要である。

第２図（ａ）は従来の演算処理を説明するためのブロッ
ク図、第２図（ｂ）は本発明の演算処理を説明するため
のブロック図であり、従来の技術と本発明での技術の差
異を明確にしている。

従来の技術では、符号化部と論理演算実行部とにより構
成されており、入射された読み出し光が符号化され、こ
の符号化光が論理演算実行部で論理演算内容に応じた空
間選択され、その結果が出力光として得られている。本
発明の技術では、この論理演算実行部の後に論理演算結
果処理部を設けてあり、符号化および論理換算が終わっ
た光は、この論理演算結果処理部で最終的な演算処理が
実行されて出力される。

第３図は本発明の演算処理の動作を説明するためのタイ
ミングチャート例を示す図である。第３図において、４
−１と４−２は符号化部への書き込み命令のタイミング
を示しており、それぞれ人力１（第１図で２−５から２
−４へ書き込まれる）・入力２（第１図で２−８から２
−７へ書き込まれる）に対応している。４−３は論理演
算実行部（第１図で２−１０）への命令のタイミングで
ある。

４−４．４−５は論理演算結果処理部（第１図で２−１
１）への命令であり、それぞれ書き込み状態であること
を命令する書き込みモード命令、読み出しのタイミング
であることを指定する読み出しモード命令である。この
読み出しモード命令は、用いるＳＬＨにより必要とは限
らない。これは書き込みが終わった後、適当なタイミン
グ（例えば４−６のタイミング）で読み出せばよい場合
である。

４−６は論理演算結果処理部のＳＬＭへの読み出し光の
タイミングである。

次に動作を説明する。

例えば積和形式の論理演算Ａ−Ｂ十Ｃ−Ｄを行うとする
。まず入力１．２に並列の二値パターンＡ、Ｂを入力す
る。これは４−１．４−２にも示したが、最初の書き込
みのタイミングに入力する。

この入力後、４−３の最小のタイミングに・（ＡＮＤ）
演算の命令を送る。次に入力を書き換えて４−１゜４−
２にＣ，Ｄをそれぞれ入力した後、・（ＡＮＤ）を実行
する。この論理換算結果が出て来る間、４−４に示すよ
うに論理演算結果処理部のＳＬＭを書き込みモードにし
ておく。この論理演算結果に関係無いタイミングで不要
な光が入射して書き込まれないように、必要なら論理演
算は通常０（論理演算実行部である２−１０を全く光を
通さないようにセットする。２−１０の設定を論理演算
０に設定することは２−１０が全く光を通さないことに
対応する）にしておくか、符号化部への読み出し光のオ
ン−オフのタイミングを制御するか、する。論理演算処
理部の入力に対する条件を、最初の論理演算結果が１か
または二番目の論理演算結果が１かもしくは両方ｌの場
合に変調される。つまり入力０だと変調されずに、１回
でも光パルスが来れば（スレッシュホルド機能により）
変調されるようにしておく。これは２−１１の動作条件
や、読み出し光による書き込みタイミングの幅（４−３
のパルスの幅）や、読み出し光の強度、バイアスとして
の書き込み光の導入などを設定しておけばできる。この
ように２人力間の積の和という処理はこの構成ででき、
また３人力間の積またはそれ以上の多入力間の積の和の
場合は、基本となる入力個数に対する論理演算実行部を
構成し、本発明での方法で論理演算結果処理部を設ける
ことにより実行できる。

次に和積形式の演算（Ａ＋Ｂ）　・　（Ｃ十Ｄ）を実行
してみる。まず入力１，２に並列の二値パターンＡ、Ｂ
を入力する。これは４−１．４−２にも示したが、最初
の書き込みのタイミングに入力する。この入力後、４−
３の最初のタイミングに＋（ＯＲ）演算の命令を送る。

次に入力を書き変えて４−１．４−２にＣ，Ｄをそれぞ
れ入力した後、＋　（ＯＲ）を実行する。この論理演算
結果が出て来る間、４−４に示すように論理演算結果処
理部のＳＬＭを書き込みモードにしておく。この論理演
算結果に関係ないタイミングで不要な光が入射して書き
込まれないように、必要なら論理演算は通常０（論理演
算実行部である２−１０を全く光を通さないようにセッ
トする）にしておくか、符号化部への読み出し光のオン
−オフのタイミングを制御するか、する。論理演算処理
部の入力に対する条件を、最初の論理演算結果が１で、
かつ二番目の論理演算結果も１の場合に変調される、つ
まり人力にＯがあると変調されずに、２回とも光パルス
が来れば（スレンシュホルト機能により）変調されるよ
うにしておく。これは２−１１の動作条件や、読み出し
光による書き込みタイミングの幅（４−３のパルスの幅
）や、読み出し光の強度、バイアスとしての書き込み光
の導入などを設定しておけばできる。このように２人力
間の和の積という処理はこの構成ででき、また３人力間
の和またはそれ以上の多入力間の和の積の場合は、基本
となる入力個数に対する論理演算実行部を構成し、本発
明での方法で論理演算結果処理部を設けることにより実
行できる。

以上のほかにも、２人力間の論理積の中に、二つ以上１
が合った場合、１を出力するといったことが可能になる
。つまり Ａ−Ｂ、Ｃ−Ｄ、Ｅ−Ｆ、Ｇ−Ｈ。

内に１が二つあれば、といった演算が容易にできること
になる。

３人力以上の場合、和積の場合も上に述べたのと同じよ
うにできる。

（発明の効果） 偏光と空間分離による符号化、カーネルによる選択を用
いた方法に、本発明における有限時間内に入射される入
力光の蓄積量に対してスレッシュホルド機能を有する空
間光変調器を用いることにより、複雑な処理内容でも簡
単な構成の処理装置で実行でき、速度的にも遜色ない。

また、かなりの内容の演算を扱うことができ、準汎用の
プロセッサとして利用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の構成概念図、第２図（ａ）
は従来の演算処理を説明するためのブロック図、第２図
（ｂ）は本発明の演算処理を説明するためのブロック図
、 第３図は本発明の演算処理の動作を説明するためのタイ
ミングチャート例を示す図、 第４図は従来の光並列演算処理の説明図である。 １−１・・・光源　　　　１−２・・・偏光子１−３・
・・ピクセルマスク １−４・・・第１の透過型空間変調器 １−５・・・空間変調器に第１の入力の情報を与える回
路 １−６・・・複屈折板 １−７・・・第２の透過型空間変調器 １−８・・・空間変調器に第２の入力の情報を与える回
路 １−９・・・複屈折板　　１−１Ｏ・・・カーネル２−
１・・・光源　　　　２−２・・・偏光子２−３・・・
ピクセルマスク ２−４・・・第１の透過型空間変調器 一５・・・空間変調器に第１の入力の情報を与える回路 −６・・・複屈折板 ７・・・第２の透過型空間変調器 ８・・・空間変調器に第２の入力の情報を与える回路 ９・・・複屈折板　　２−１０・・・カーネル−１１・
・・空間光変調器 １２・・・光源 −１３・・・偏光ビームスプリッタ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、一次元または二次元のディジタル情報を光学的に符
   号化し、複数のディジタル情報間の論理演算を光学的に
   行う方法において、 符号化部で、各画素の二値状態を表現する 方法として二つの状態を互いに直交する二つの偏光に置
   換し、この置換を受けた光を、偏光に応じて空間的に重
   なりがないように分離するという符号化を施し、この分
   離された光に対して、さらに演算処理を行うべき相手と
   なるディジタル情報の各画素の二値状態に応じて、一画
   素中の互いに分離された偏光を互いに直交する二つの偏
   光に置換し、この置換を受けた光を、偏光に応じて空間
   的に重なりがないように、一画素を計四つの位置に分離
   するという符号化を施した後、 論理演算実行部で演算を行うべき論理に従 って各画素の論理に対応すべき位置の光のみを選択的に
   取り出して論理演算を行い、 以上のように論理演算により選択された論 理演算結果出射光に対して、 光書き込み型の空間光変調器上の、光強度、照射時間、
   波長等で定まる定数（Ｐ＿ｔ＿ｈ）があって、該空間光
   変調器へ有限時間内に入射され、書き込まれる一つまた
   は複数の光入力に対して、それぞれの光入力の光強度、
   照射時間、波長等で定まる定数が前記Ｐ＿ｔ＿ｈを越え
   ると、該空間光変調器は応答として読み出し光を変調し
   、前記Ｐ＿ｔ＿ｈを越えていない場合は変調しないとい
   う特性を有する、またはその逆の特性、つまり前記Ｐ＿
   ｔ＿ｈを越えると、該空間光変調器は応答として読み出
   し光を変調しないで、前記Ｐ＿ｔ＿ｈを越えていない場
   合は変調するという特性を有する書き込み型空間光変調
   器を、前記論理演算結果出射光が該空間光変調器 の入力光となるように配置して、該空間光変調器への有
   限時間内の入射光に対する応答を演算出力として取り出
   すことを特徴とする光並列演算処理方法。 ２、請求項１記載の光並列演算処理方法において、空間
   的に符号化され、論理換算に応じて選択された前記論理
   演算結果出射光に対して、前記符号化における空間的分
   離の逆操作を行い、出射光の位置を空間的に符号化前の
   入射状態の１本の光ビームに重ね合わせる操作を行い、
   この重ね合わせ後の光を前記空間光変調器への入力とし
   、あとは請求項１と同様に演算結果を得ることを特徴と
   する光並列演算処理方法。 ３、請求項１記載の光並列演算処理方法において、符号
   化部においてさらに次段の入力に応じて同様の偏光によ
   る変調と空間的な分離を繰り返し、最終的にＮ段であれ
   ば２Ｎの空間的な位置に符号化分離を行った後に、空間
   選択素子により選択することにより、論理演算を実行す
   る光並列演算方法として、その出力光を前記論理演算結
   果出射光として前記光変調器への入力光として演算を実
   行することを特徴とする光並列演算処理方法。 ４、請求項３記載の光並列演算処理方法において、Ｎ段
   まで続けずに、２段またはそれ以上の段数間での符号化
   と論理演算を実行した後に、前記符号化における空間的
   分離の逆操作を行い、出射光の位置を空間的に符号化前
   の入射状態の１本の光ビームに重ね合わせる操作を行い
   、その後でさらに符号化・論理演算を行うといったこと
   を繰り返すように、符号化と論理演算を実行することを
   特徴とする光並列演算処理方法。 ５、光源と、該光源からの光を偏光する偏光子と、該偏
   光子の偏光光を、各画素のディジタル情報の二値状態に
   対応して光ビームの各画素に対応する部分を直交する二
   つの偏光に置換する空間光変調器と、該空間光変調器の
   出射光を、二つの偏光に応じて空間的に重なりがないよ
   うに分離する光学素子と、該光学素子による空間的な分
   離後の光出力を処理に対応して選択する空間光変調器ま
   たはライトバルブと、前記光書き込み型空間光変調器と
   、空間的に光ビームを重ね合わせる空間分離 の逆操作を行う光学素子・部品と、 前記符号化部と論理演算実行部において、 論理演算処理の演算命令を与え、空間光変調器への書き
   込み光と読み出し光のタイミングを制御する制御部と、 その読み出しタイミングを前記空間光変調 器の入力光とする制御を行う該光変調器の制御部とを、 有することを特徴とする光並列演算処理装置。 ６、請求項５記載の光並列演算処理装置において、書き
   込み型空間光変調器として、入力面がＧａＡｓのＰＩＮ
   構造、光変調部が強誘電性液晶からなる空間光変調器を
   用いることを特徴とする光並列演算処理装置。