JPH0789189B2 - 光並列処理方法及び装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は二値状態をとるディジタル情報を光学的に処理
する方法及び装置に係り、特に画像処理や各種演算を行
うのに好適な光並列処理方法及び装置に関する。

〔従来の技術〕

第３図に従来の光並列処理方式の一例を示す。これは画
像処理の例であり、第３図（ａ）に示すように、点光源
アレイ３−１、符号化画像３−２、スクリーン３−３、
復号マクス３−４により構成されている。二値画像（Ａ
とＢとする）が各画素の値に応じてあらかじめ符号化さ
れる。符号化画像３−２として入力される。点光源アレ
イ３−１を点灯し、符号化画像３−２をスクリーン３−
３に投影し、復号マスク３−４を通して演算結果が得ら
れる。この方法は、点灯する点光源アレイ３−１のパタ
ーンを変えることにより、演算の種類を変えるものであ
る。第３図（ｂ）にこの対応を示す。なお、これの詳細
は、谷田 純“並列光論理演算”（応用物理学会光学懇
話会発行「光学」第15巻第５号1986年10月）において述
べられている。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来の光並列処理方式には次のような問題点がある。

多段処理が不可能。復号マスクを密着したスクリー
ンに投影することにより演算が終了するため、一度スク
リーンに投影した光信号は次段への入力光とすることは
できない。

符号化・入力が困難。多画像間の演算を実行しよう
とすると、全ての画像を合わせた符号化を行い入力とし
なければならないが、画像数に応じて急速に複雑とな
る。これは入力時の処理として無視できない負荷とな
る。

全ての演算の光での処理が不可能。光による論理和
（OR）で演算を実現するため、ORを実現したら論理積
（AND）は実行できない。このため、一度スクリーンへ
投影したOR演算の結果を利用して再度の入力信号として
符号化し、もう一度OR（ANDができないために正負の論
理を逆にし、ORにして実現する。但し、すでに一度目の
ORを終了し結果を保存してからでないと意味がない。OR
がANDになってしまうからである。）を実行することに
より全ての演算を可能としている。これは一度、光から
処理結果収集、それを用いた符号化、再び入力とスクリ
ーンへの投影という過程を経るため非常に煩雑な手間と
なるとゝもに、光の高速性が活きなくなる。

本発明の目的は、光の並列性と高速性を利用でき、多段
入力可能・多段処理可能でかつプログラマブルな光並列
処理方法及び装置を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明の光並列処理方法においては、ディジタル情報の
二値状態をそれぞれ直交する二つの偏光に置換し、この
置換された光を、偏光に応じて空間的に重なりがないよ
うに分離し、この分離された光を処理に対応して選択す
る。

本発明の光並列処理装置は、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、ディジタル情
報の二値状態に対応して直交する二つの偏光に置換する
空間変調器と、該空間変調器の出射光を、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、該光学素子の光出力を処理に対応して選択する偏光
選択素子とを有する。これを基本構成として、さらに、
前記空間変調器と光学素子の組をＮ段（Ｎは２以上の整
数）直列に配置し、前段の光学素子により空間的に分離
された2^m位置（ｍ＝1,2,…Ｎ−１）の各光出力を次段の
空間変調器に入射してそれぞれ直交する二つずつの偏光
に置換し、該空間変調器の各出射光を偏光に応じて再び
空間的に重なりがないように2^m+1位置に分離する。ま
た、前記光学素子の後にλ/4板（λは入射光の波長）と
偏光子を設置するようにしてもよい。

〔作 用〕

本発明では、入力ディジタル情報の二値状態を二つの偏
光に置換し、これを偏光に応じて空間的に分離し、この
分離された光を選択することを基本とする。この入力情
報と偏光への置換という対応は非常にシンプルであり、
入力が容易である。

また、本発明では、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返し、処理内容に対応して光を選
択する（この選択を行うものをカーネルと呼ぶ）ことに
より演算を行う。このため、多段処理が極めて容易であ
り、また、全ての演算が光で処理可能であり、光の利点
を活かせる。さらに、本発明では、空間分離する光学素
子の後にλ/4板の偏光子を設置することにより、偏光の
並びがよくなり空間配置と論理の対応が分かりやすいも
のとなる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例について図面により説明する。

第１図は本発明の最も簡単な実施例であって、光源１−
１、偏光子１−２、入力信号１−３、透過型空間変調器
１−３′、複屈折板１−４、カーネル１−５により構成
されている。

光源１−１からの光は偏光子１−２により直線偏光にな
る。第１図では紙面に垂直な偏光とし、図中「○」で示
した、直線偏光は空間変調器１−３′において入力信号
１−３により偏光方向の変化を受ける。即ち、二値状態
のうち、一方の状態（Ａとする）の時は、偏光は90゜回
転し、紙面に平行で上下方向の直線偏光になり（図中、
破線の矢印）、他方の状態（とする）の時は偏光は変
化せず、紙面に垂直なまゝである。空間変調器１−３′
を通過した光は、複屈折板１−４により偏光に応じて空
間的に分離される。第１図では、丸印の偏光が直進し、
矢印の偏光が上に移動するとしている。このようにし
て、入力信号１−３の状態に応じて空間的に分離した光
（光はどちらか一方にのみある）をカーネル１−５に選
択する。

第２図は第１図の入力を反射型にした場合の実施例であ
って、光源２−１、偏光子２−２、ハーフミラー２−
３、入力信号２−４、反射型空間変調２−４′、複屈折
板２−５、カーネル２−６により構成されている。光源
２−１からの光は偏光子２−２で直線偏光となり、ハー
フミラー２−３を通過し空間変調器２−４′に入射す
る。この空間変調器２−４′からの反射光は、入力信号
２−４の二値状態（Ａまたは）により偏光方向を無変
化または90゜回転している。この反射光はハーフミラー
２−３により反射し、複屈折板２−５に入射して空間分
離される。複屈折板２−５からの出射光をカーネル２−
６で選択することは第１図と同じである。

第４図は第１図や第２図の複屈折板１−4,2−５からの
出射光を光線に対して正面から見た光線と偏光の位置関
係を示したものである。即ち、状態の時、水平方向の
偏光で位置は下、状態Ａの時、垂直方向の偏光で位置は
上である。

第５図はカーネル１−5,2−６の構成法の一例を示した
もので、偏光子５−１、偏光回転素子５−２、検光子５
−３、演算（instruction）信号５−４により構成され
ている。偏光子５−１と検光子５−３は互いに直交して
おり、点線の下方に示した如く、水平から互いに逆方向
に45゜傾いた（同時に垂直から45゜傾いている）直線偏
光をそれぞれ通過させる。なお、偏光子５−１のない構
成も可能である。この場合は、検光子５−３を水平また
は垂直の偏光を通過するように設定する。第６図は偏光
回転子５−２の詳細構成で、空間分離された二つの光線
に対応するように、二つの偏光回転素子片を並べて構成
される。それぞれは、電気光学効果を有する媒質、例え
ば結晶あるは液晶６−１とそれに演算信号５−４の電界
を加える透明電極６−２よりなる。媒質６−１の厚み
は、電界により偏光回転を０゜か90゜に制御できるよう
に設定する。

第１図や第２図の複屈折板１−4,2−５で二つに空間的
に分離された光は偏光子５−１を通り、偏光回転素子５
−２の各片に入射するが、演算信号５−４により電界を
電極６−２に加え、90゜偏光を回転させると、そこに入
射した光は検光子５−３を透過し、偏光回転０゜の時は
検光子５−３を透過できない。この空間分離された光の
選択により論理演算を実行できる。第７図はそれを示し
たもので、「○」印は検光子５−３を透過するようにし
た「選択」（オン）の場合、「●」印は透過しない「非
選択」（オフ）とした場合を表わしている。７−１は論
理“1"、７−２は論理“0"、７−３は論理、７−４は
論理Ａである。

第８図は二つの透過型空間変調器を使い二画像間の演算
を行う実施例を示したもので、光源８−１、偏光子８−
２、第一の入力信号８−３、第一の透過型空間変調器８
−３′、複屈折板８−４、第二の入力信号８−５、第二
の透過型空間変調器８−５′、複屈折板８−６、カーネ
ル８−７により構成されている。

光源８−１からの光は偏光子８−２により直線偏光にな
る。図では、紙面に垂直な偏光とし、「○」印で示し
た。直線偏光は第一の空間変調器８−３′により入力信
号８−３の状態で偏光を変化する。即ち、入力信号８−
３の二値状態のうち、一方の状態（Ａとする）の時は、
偏光は90゜回転し紙面に平行で上下方向の直線偏光にな
り（図中、破線の矢印で示した）、他方の状態（とす
る）の時は偏光を変化せず、紙面に垂直のまゝである。
空間変調器８−３′を通過した光は、複屈折板８−４に
より偏光に応じて空間的に分離される。図では丸印の偏
光が直進し、矢印の偏光が上に移動する。

複屈折板８−４の出力光は、さらに第２の空間変調器８
−５′により入力信号８−５の状態で偏光を変化する。
こゝで、入力信号８−５の二値状態のうち、一方の状態
（Ｂとする）の時は、偏光は90゜回転する。他方の状態
（とする）の時は、偏光は変化しない。空間変調器８
−５′の出射光は、複屈折板８−６により偏光に応じて
空間的（図では前後、正面からみて左右）に分離され
る。即ち、複屈折板８−６は紙面に対して垂直な偏光を
直進させ、紙面に平行な偏光を前後方向（正面から見て
右）に分離する。このように分離された光から、演算に
応じて設定されたカーネル８−７により所定の光が選択
され、論理演算が実行できる。

第９図は二つの反射型の空間変調器を用いた二画像間の
演算を行う実施例であり、光源９−１、偏光子９−２、
ハーフミラー９−３、第一の入力信号９−４、第一の空
間変調器９−４′、複屈折板９−５、ハーフミラー９−
６、第二の入力信号９−７、第二の空間変調器９−
７′、複屈折板９−８、カーネル９−９により構成され
ている。複屈折板９−５で第一の入力信号９−４に応じ
て分離光を得るまでは、第２図の複屈折板２−５で分離
光を得るまでと同じである。複屈折板９−５の出力光は
ハーフミラー９−６を通過して第二の空間変調器９−
７′に入射し、第二の入力信号９−７の二値状態に応じ
て、一方の状態（Ｂとする）の時は偏光を90゜回転し、
他方の状態（とする）の時は偏光は変化しない反射出
力光となる。反射出力光はハーフミラー９−６で反射
し、複屈折板９−８に入射し、偏光状態に応じて空間的
（図では前後、正面からみて左右）に分離される。複屈
折板９−８は紙面に対して垂直な偏光を直進させ、紙面
に平行な偏光を前後方向（正面からみて右）に分離する
ものを用いる。このように分離された光から、演算に応
じて設定されたカーネル９−９により所定の光が選択さ
れ、論理演算が実行できる。

第10図は第８図の複屈折板８−６からの出射光の様子を
光線に対して正面から見た時の、偏光の空間配置であ
る。これに対応する論理演算を第12図に示す。

第10図の左下は水平方向の偏光で、これは第８図では紙
面に垂直な偏光である。紙面に垂直な偏光（８−２の出
力）が第一の入力の画素ａが状態であったので偏光は
変化せず複屈折板８−４を直進し、第二の入力の画素ｂ
が状態であったので偏光は変化せず複屈折板８−６を
直進した場合である。これは第12図の論理演算・に
対応する。

第10図の左上は水平方向の偏光で、これは第８図では紙
面に垂直な偏光である。紙面に垂直な偏光（８−２の出
力）が第一の入力の画素ａが状態Ａであったので偏光は
変化して垂直方向の偏光になって複屈折板８−４で上に
移動し、第二の入力の画素ｂが状態Ｂであったので偏光
は変化して水平（第８図で紙面に垂直）な偏光となり複
屈折板８−６を直進した場合である。これは第12図の論
理演算Ａ・Ｂに対応する。

第10図の右下は垂直方向の偏光で、これは第８図では紙
面に平行な偏光である。紙面に垂直な偏光（８−２の出
力）が第一の入力の画素ａが状態であったので偏光は
変化せず複屈折板８−４を直進し、第二の入力の画素ｂ
が状態Ｂであったので偏光は変化して垂直（第８図では
紙面に平行）な偏光となり複屈折板８−６で右に移動し
た場合である。これは第12図の論理演算・Ｂに対応す
る。

第10図の右上は水平方向の偏光で、これは第８図では紙
面に水平な偏光である。紙面に垂直な偏光（８−２の出
力）が第一の入力の画素ａが状態Ａであったので偏光は
変化して垂直方向の偏光になって複屈折板８−４で上に
移動し、第二の入力の画素ｂが状態であったので偏光
は変化せず垂線（第８図では紙面に水平）な偏光となり
複屈折板８−６で右に移動した場合である。これは第12
図の論理演算Ａ・に対応する。

第11図は第８図のカーネル８−７を示したもので、該カ
ーネル８−７は第10図に示す複屈折板８−６の四つの空
間分離光を選択抽出するために、各画素に対してマトリ
ックス状になっている。これは第５図と同様に構成で
き、また、第６図と同様に今度は偏光回転素子片を四個
並べることにより実現できる。

第12図の論理演算はさらに三画像間演算などでも現われ
るが、空間配置と論理の対応がわかりやすくない。第８
図の複屈折板８−4,8−６あるいは第９図の複屈折板９
−5,9−８の次に第14図に示した光学素子14−1,14−２
を挿入すると、空間配置と論理の対応が分かりやすくな
る。第13図はその対応を示したものである。

第14図の（１）は、λ/4板（λは入射光の波長）14−１
と（直線）偏光選択素子14−２により構成されている。
λ/4板14−１は入射した光（第10図でいう水平方向の偏
光または垂直方向の偏光の二種類のどちらかの偏光であ
る）は、該板14−１により右回りまたは左回りの円偏光
になる。次に偏光選択素子14−２により直線偏光（図で
は紙面に垂直）になり、空間的に分離され偏光は同一の
出力光となる。第14図の（２）は、（直線）偏光選択素
子14−３とλ/2板（λは入射板の波長）14−４により構
成されている。偏光選択素子14−３に入射した光（第10
図でいう水平方向の偏光または垂直方向の偏光の二種類
のどちらかの偏光である）は、該素子14−３により垂直
方向から45゜（水平方向からも45゜）の直線偏光にな
る。このように空間的には分離され偏光は同一の出力光
となる。（１）のように任意の方向とするには、λ/2板
14−４により偏光回転すればよい。なお、λ/2板14−４
はなくてもよい。

第14図の素子を用いた時のカーネルと論理演算の対応を
第15図（１）に示す。第15図（２）はその論理演算の真
理値表を示したものである。

第16図は第８図を発展させて透過型の三画像間の処理を
行う実施例で、光源16−１、偏光子16−２、第一の入力
信号16−３、第一の空薄変調器16−３′、複屈折板16−
４、第二の入力信号16−５、第二の空間変調器16−
５′、複屈折器16−６、第三の入力信号16−７、第三の
空間変調器16−７′、複屈折板16−８、カーネル16−９
により構成されている。第16図中、複屈折板16−６まで
は第８図の複屈折板８−６までと同じである。複屈折板
16−６の出射光は第三の空間変調器16−７′に入射し、
第三の入力信号16−７の二値状態に応じて（C,とす
る）偏光を90゜回転または無回転する。次に複屈折板16
−８により偏光状態に応じて空間的に分離される。図で
は手前側と向こう側に四つの光線が八つの光線に分離さ
れている。この分離された光線の所定のものが演算に応
じて設定されたカーネル16−９により選択され、論理演
算が実行される。

第17図は第９図を発展させて反射型の三画像間の処理を
行う実施例で、光源17−１、偏光子17−２、ハーフミラ
ー17−３、第一の入力信号17−４、第一の空間変調器17
−４′、複屈折板17−５、ハーフミラー17−６、第二の
入力信号17−７、第二の空間変調器17−７′、複屈折板
17−８、ハーフミラー17−９、第三の入力信号17−10、
複屈折板17−11、カーネル17−12、（17−11と17−12は
第16図の16−８と16−９に全く同一なので略した図を記
した）により構成されている。第17図中、複屈折板17−
８までは第16図の複屈折板16−８までと同じである。複
屈折板17−８の出力はハーフミラー17−９を通過して第
三の空間変調器17−10′に入射し、第三の入力信号17−
10の二値状態に応じて偏光を無回転または90゜回転して
反射する。この光はハーフミラー14−９で反射して複屈
折板14−11に入射する。以下は第16図と同じであり、論
理演算が実行できる。

第18図は第16図の複屈折板16−８の出力光を光線の正面
からみた場合の偏光と空間配置の関係を示したものであ
る。第一の入力の状態をA,、第二の入力の状態をB,
、第三の入力の状態をC,とし、第一の画素ａ、第二
の画素ｂ、第三の画素ｃとしてある。例えば、最左下は
ａ＝,b＝,c＝の場合に水平方向の偏光がくる（
・・に対応する）。

第19図は第14図の光学素子を第16図の複屈折板15−4,15
−6,15−８のあとに配置した場合の空間配置と論理の関
係を示したものである。第20図は論理演算とそれを実行
するカーネルの対応例を示したものである。

第21図は本発明による論理演算系の構成例である。こゝ
で、演算式の一例として距離１の近傍画素間演算の演算
式をA AND（A₁ OR A₃ OR A₅ OR A₇）で示した。A_iは入
力Ａをシフトした入力である。A₁はＡを一画素上方向
に、A₃はＡを一画素右方向に、A₅はＡを一画素下方向
に、A₇はＡを一画素左方向に、シフトした入力でこの四
つを用いる。いずれも反射型とした。各カーネルは第９
図と同じ物で、入力A_iに対応して論理Ａ・_ｉ出力す
る。

第22図にカーネルの設定を示す。二段の演算を実行し、
ハーフミラーにより合波すると、OR（論理和）が実行さ
れ、第20図に対応する出力が得られる。

〔発明の効果〕

本発明による光並列処理では、光が空間変調器（SLM）
や光学素子を透過または反射し、カーネルまで伝搬する
ことにより処理ができるため、光の速度で処理結果を得
るこができ、多段の処理をした場合でも非常に処理速度
が速い。また、大量の画素からなる並列画像情報を、光
線と一度に与えることができるため、非常に並列性が高
いまゝ処理できる。電気で処理する場合の処理能力と光
並列処理の能力を比較すると、大量で並列性の高い情報
を処理する場合（特に画像関係）、光の方が有利とな
る。電気では通常、並列性の高い情報もシリアルなデー
タとし、非常に高速なデータとして処理しなければなら
ない。これが処理能力を高めるためのボトルネックにな
っているのである。

さらに、本発明による光並列処理は、並列画素間論理演
算の他に、並列２次元ディジタルフィルタリング演算、
並列近傍画素間論理演算などの画像処理にも利用でき
る。論理式で表現される処理はすべてできることにより
利用価値は高い。加算や減算を構成すれば、計算機とし
ても動作させられる。また動画像間の差分演算なども構
成でき、データの圧縮などに用いると、画像伝送や伝送
処理の分野にも適用分野がある。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は本発明の最も簡単な実施例を示す
図、第３図は従来の構成例を示す図、第４図は第１図及
び第２図における複屈折板の出射光線の偏光と空間位置
関係を示す図、第５図及び第６図はカーネルの構例例を
示す図、第７図は第１図及び第２図の実施例のカーネル
と論理対応を示す図、第８図は第１図の透過型を発展さ
せた二画像間の演算を行う実施例を示す図、第９図は第
２図の反射型を発展させた二画像間の演算を行う実施例
を示す図、第10図は第８図及び第９図における光線の偏
光と空間位置関係を示す図、第11図は同じくカーネルの
構成例を示す図、第12図及び第13図は光線の空間配置と
論理の対応を示す図、第14図は複屈折板の次に挿入する
光学素子の一例を示す図、第15図は第14図の光学素子を
用いた場合の第８図及び第９図のカーネルと論理対応及
び論理式と真理表の関係を示す図、第16図は第８図の透
過型を更に発展させた三画像間の演算を行う実施例を示
す図、第17図は第９図の反射型を更に発展させた三画像
間の演算を行う実施例を示す図、第18図は第16図及び第
17図における光線の偏光と空間位置関係を示す図、第19
図は空間配置と論理対応を示す図、第20図は論理式と例
とカーネルを示す図、第21図は本発明により演算系の構
成例を示す図、第22図は第21図に用いるカーネルを示す
図である。 １−１……光源、２……偏光子、１−３……入力、１−
４……複屈折板、１−５……カーネル、２−１……光
源、２−２……偏光子、２−２……ハーフミラー、２−
４……入力、２−５……複屈折板、２−６……カーネ
ル。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ディジタル情報の二値状態をそれぞれ直交
   する二つの偏光に置換し、この置換された光を、偏光に
   応じて空間的に重なりがないように分離し、この分離さ
   れた光を選択することを特徴とする光並列処理方法。
2. 【請求項２】光源と、該光源からの光を偏光する編光子
   と、該編光子の偏光光を、ディジタル情報の二値状態に
   対応して直交する二つの偏光に置換する空間変調器と、
   該空間変調器の出射光を、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、該光学素子の
   光出力を処理に対応して選択する偏光選択素子とを有す
   ることを特徴とする光並列処理装置。
3. 【請求項３】前記空間変換器と光学素子の組をＮ段（Ｎ
   は２以上の整数）直列に配置し、前段の光学素子により
   空間的に分離された2^m位置（ｍ＝1,2,…Ｎ−１）の各光
   出力を次段の空間変調器に入射してそれぞれ直交する二
   つずつの偏光に置換し、該空間変調器の各出射光を編光
   に応じて再び空間的に重なりがないように2^m+1位置に分
   離することを特徴とする請求項（２）記載の光並列処理
   装置。
4. 【請求項４】前記光学素子の後にλ/4板（λは入射光の
   波長）と編光子を設置することを特徴とする請求項
   （２）及び（３）記載の光並列処理装置。