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WO2023276061A1 - 光演算装置及び光演算方法 - Google Patents

光演算装置及び光演算方法 Download PDF

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WO2023276061A1
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light
optical diffraction
arithmetic device
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裕幸 日下
正浩 柏木
雄一朗 九内
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Fujikura Ltd
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Fujikura Ltd
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    • G06N3/02—Neural networks
    • G06N3/06—Physical realisation, i.e. hardware implementation of neural networks, neurons or parts of neurons
    • G06N3/067—Physical realisation, i.e. hardware implementation of neural networks, neurons or parts of neurons using optical means

Definitions

  • the present invention relates to an optical computing device and an optical computing method that perform optical computing using an optical diffraction element.
  • An optical diffraction element that has a plurality of cells and is designed to optically perform a predetermined operation by causing mutual interference between signal lights that have passed through each cell.
  • Optical computation using such an optical diffraction element has the advantage of being faster and consuming less power than electrical computation using a processor. Further, by causing two or more optical diffraction elements arranged side by side to act on the signal light in sequence, it is possible to realize a multi-stage optical operation (two or more stages of optical operation).
  • Patent Document 1 discloses an optical neural network having an input layer, an intermediate layer, and an output layer.
  • the optical diffraction element described above can be used, for example, as an intermediate layer of such an optical neural network.
  • One aspect of the present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to realize an optical operation device or an optical operation method capable of performing optical operations at high speed and with high efficiency. .
  • an optical arithmetic device is an optical arithmetic device including an optical diffraction element group including at least one optical diffraction element having an optical arithmetic function, wherein the optical diffraction
  • the element group is an object arranged outside the light arithmetic device, and is reflected or scattered by an object that is a non-light-emitting body other than the display, or is arranged outside the light arithmetic device.
  • the light emitted from the object, which is a light-emitting object other than the display sequentially passes through the optical diffraction elements included in the optical diffraction element group.
  • an optical computing method is an optical computing method that performs optical computing using an optical computing device that includes an optical diffraction element group including at least one optical diffraction element.
  • an optical computing device that includes an optical diffraction element group including at least one optical diffraction element.
  • Light emitted from an object, which is a light emitter other than a display passes through each optical diffraction element included in the optical diffraction element group in order.
  • an optical computing device or an optical computing method capable of performing optical computing at high speed and with high efficiency.
  • FIG. 1A is a perspective view of an optical computing device according to an embodiment of the present invention
  • FIG. (b) is a plan view of the optical arithmetic device.
  • 2A and 2B are plan views of a first optical diffraction element and a filter (diaphragm) provided in the optical arithmetic device shown in FIG. 1, respectively;
  • FIG. (a) shows the behavior of light (signal light) from a point close to the optical axis of the first optical diffraction element;
  • (b) shows the behavior of light (noise light) from a point far from the optical axis of the first optical diffraction element; ) behavior.
  • 2A is a plan view of an optical diffraction element included in the optical arithmetic device shown in FIG.
  • FIG. (b) is a perspective view enlarging a part of the optical diffraction element.
  • 2A is a perspective view of an optical arithmetic device that is a first modification of the optical arithmetic device shown in FIG. 1;
  • FIG. (b) is a plan view of the optical arithmetic device.
  • 5A and 5B are plan views of a first optical diffraction element and a filter (block), respectively, included in the optical arithmetic device shown in FIG. 4; FIG.
  • FIG. 3A is a perspective view of an optical arithmetic device that is a second modification of the optical arithmetic device shown in FIG. 1;
  • FIG. (b) is a plan view of the optical arithmetic device.
  • 7A and 7B are plan views of a first optical diffraction element and a filter (lens) provided in the optical arithmetic device shown in FIG. 6, respectively;
  • FIG. 11 is a perspective view of an optical arithmetic device that is a third modification of the optical arithmetic device shown in FIG. 1;
  • FIG. 1A is a perspective view of the optical computing device 1
  • FIG. 1B is a plan view of the optical computing device 1.
  • the optical arithmetic device 1 includes an optical diffraction element group 11 and a filter 12, as shown in FIG.
  • the optical diffraction element group 11 is a set of n optical diffraction elements 11a1 to 11an.
  • n is any natural number equal to or greater than 1.
  • Each optical diffraction element 11ai is an element having an optical arithmetic function, that is, a function of converting the two-dimensional intensity distribution of signal light according to a predetermined conversion rule.
  • i is each natural number of 1 or more and n or less.
  • FIG. 1 a set of three optical diffraction elements 11a1 to 11a3 is illustrated as an optical diffraction element group 11. As shown in FIG. A specific example of each optical diffraction element 11ai will be described later with reference to FIG.
  • the filter 12 is arranged in front of the optical diffraction element group 11 .
  • the filter 12 selectively guides, to the optical diffraction element group 11, light traveling in a direction in which the angle ⁇ between the optical axis L1 of the first optical diffraction element 11a1 on which the signal light is first incident and the optical axis L1 is a specific angle or less. is the configuration.
  • a diaphragm having an aperture 12a is used as the filter 12. Therefore, the specific angle described above is the maximum value ⁇ 1 of the angle between the optical axis L1 and the optical axis of the light beam incident on the first optical diffraction element 11a1 through the opening 12a of the filter 12, which is the diaphragm. .
  • light incident on the filter 12 light for which the angle ⁇ between the direction of travel and the optical axis L 1 is greater than a specific angle ⁇ 1 is absorbed by the filter 12 .
  • optical arithmetic is performed on the visual information of the object S by inputting light from a display displaying an image including the object S as a subject into the optical diffraction element group.
  • the optical arithmetic device 1 of the present embodiment light from the object S itself is input to the optical diffraction element group 11 to perform optical arithmetic on the visual information of the object S.
  • the optical diffraction element group 11 is arranged so that the light from the object S itself passes through the n optical diffraction elements 11a1 to 11a included in the optical diffraction element group 11 in order.
  • the target object S refers to an object other than the display, which is arranged outside the optical operation device 11 .
  • the light from the object S itself refers to the light reflected or scattered by the object S when the object S is a non-light emitting body, and when the object S is a light emitting body refers to the light emitted from the object S.
  • the optical arithmetic device 1 of the present embodiment there is no need to convert an optical signal into an electrical signal in order to form an image including the object S as a subject.
  • the optical arithmetic device 1 may further include another image sensor that converts the signal light output from the optical diffraction element group 11 into an electrical signal.
  • another image sensor for example, a two-dimensional image sensor including a plurality of light receiving cells arranged in a matrix can be used.
  • FIG. 2A and 2B are plan views showing the filter 12 and the first optical diffraction element 11a1 of the optical arithmetic device 1.
  • FIG. 2A and 2B are plan views showing the filter 12 and the first optical diffraction element 11a1 of the optical arithmetic device 1.
  • Light from a point Pa close to the optical axis L1 of the first optical diffraction element 11a1 has an angle ⁇ formed between the traveling direction and the optical axis L1 of the above-described specific angle ⁇ 1 or less, as shown in FIG. Therefore, the light can enter the first optical diffraction element 11a1 through the opening 12a.
  • Such light is mainly assumed to be light from the object S, that is, signal light.
  • Such light is mainly assumed to be light from other than the object S, that is, noise light.
  • the filter 12 it is possible to prevent noise light from entering the first optical diffraction element 11a1 without preventing signal light from entering the first optical diffraction element 11a1. Therefore, it is possible to suppress a decrease in calculation accuracy due to noise light.
  • FIG. 3A is a plan view of the optical diffraction element 11ai according to this specific example.
  • FIG. 3(b) is an enlarged perspective view of a portion of the optical diffraction element 11ai according to this specific example (the portion surrounded by the dotted line in FIG. 3(a)).
  • the optical diffraction element 11ai is composed of a plurality of microcells whose thicknesses or refractive indices are set independently of each other.
  • the signal lights with different phases diffracted by the microcells interfere with each other, thereby performing a predetermined light calculation (two-dimensional intensity distribution according to a predetermined conversion rule). conversion) is performed.
  • the term “microcell” refers to a cell with a cell size of less than 10 ⁇ m, for example.
  • the term “cell size” refers to the square root of the cell area. For example, when the microcell has a square shape in plan view, the cell size is the length of one side of the cell. The lower limit of cell size is, for example, 1 nm.
  • the optical diffraction element 11ai illustrated in FIG. 3 is composed of 200 ⁇ 200 microcells arranged in a matrix.
  • the plan view shape of each microcell is a square of 500 nm ⁇ 500 nm
  • the plan view shape of the optical diffraction element 11ai is a square of 100 ⁇ m ⁇ 100 ⁇ m.
  • each microcell is composed of a quadrangular prism-shaped pillar having a square bottom surface with the length of each side equal to the size of the cell. Further, in this case, the amount of phase change of the signal light passing through each microcell is determined according to the height of the pillars forming the microcell. That is, the phase change amount of signal light passing through microcells formed by tall pillars is large, and the phase change amount of signal light passing through microcells formed by short pillars is small.
  • the setting of the thickness or refractive index of each microcell can be realized using machine learning, for example.
  • machine learning for example, the two-dimensional intensity distribution of the signal light input to the optical diffraction element 11ai is input, and the two-dimensional intensity distribution of the signal light output from the optical diffraction element 11ai is output.
  • a model can be used that includes the thickness or refractive index of each microcell as a parameter.
  • the two-dimensional intensity distribution of signal light input to the optical diffraction element 11ai refers to a set of intensities of signal light input to each microcell constituting the optical diffraction element 11ai.
  • the two-dimensional intensity distribution of the signal light output from the optical diffraction element 11ai is a set of the intensity of the signal light input to each microcell constituting the optical diffraction element 11ai+1 arranged after the optical diffraction element 11ai.
  • it refers to a set of intensities of signal light input to each cell that constitutes a light-receiving section arranged after the optical diffraction element 11ai.
  • FIG. 4(a) is a perspective view of the optical arithmetic device 1A
  • FIG. 4(b) is a plan view of the optical arithmetic device 1A.
  • the difference in the optical arithmetic device 1A from the optical arithmetic device 1 is that a block is used as the filter 12A instead of using an aperture as the filter 12.
  • This block is made of a material having a higher refractive index than air, and is arranged such that the surface 12A1 opposite to the side facing the first optical diffraction element 11a1 is perpendicular to the optical axis L1.
  • the filter 12A selectively guides to the optical diffraction element group 11 light that travels in a direction in which the angle .theta.
  • the specific angle described above is the critical angle ⁇ 2 on the surface 12A1 of the block forming the filter 12A.
  • light for which the angle .theta. between the traveling direction and the optical axis L1 is greater than a specific angle .theta.2 is totally reflected by the filter 12A.
  • FIG. (a) and (b) of FIG. 5 are plan views showing the filter 12A and the first optical diffraction element 11a1 of the optical arithmetic device 1A.
  • Such light is mainly assumed to be light from the object S, that is, signal light.
  • the light from the point Pb far from the optical axis L1 of the first optical diffraction element 11a1, as shown in FIG. it cannot enter the first optical diffraction element 11a1.
  • Such light is mainly assumed to be light from other than the object S, that is, noise light.
  • the optical arithmetic device 1A it is possible to prevent noise light from entering the first optical diffraction element 11a1 without preventing signal light from entering the first optical diffraction element 11a1. Therefore, it is possible to suppress a decrease in calculation accuracy due to noise light.
  • FIG. 6(a) is a perspective view of the optical arithmetic device 1B
  • FIG. 6(b) is a plan view of the optical arithmetic device 1B.
  • the difference in the optical arithmetic device 1B from the optical arithmetic device 1 is that a lens is used as the filter 12B instead of using an aperture as the filter 12.
  • This lens is made of a material having a higher refractive index than air, and is arranged so that the optical axis of this lens coincides with the optical axis of the first optical diffraction element 11a1.
  • the filter 12B selectively guides to the optical diffraction element group 11 light that travels in a direction in which the angle .theta.
  • the above-mentioned specific angle is between the optical axis L1 and the optical axis of the light beam incident on the first optical diffraction element 11a1 through the filter 12B, which is a lens, before entering the filter 12B, which is a lens. is the maximum value ⁇ 3 of the angle formed by .
  • FIG. (a) and (b) of FIG. 7 are plan views showing the filter 12B and the first optical diffraction element 11a1 of the optical arithmetic device 1B.
  • Light from a point Pa close to the optical axis L1 of the first optical diffraction element 11a1 has an angle ⁇ formed between the direction of travel and the optical axis L1 of the above-described specific angle ⁇ 3 or less, as shown in FIG. Therefore, it can be incident on the first optical diffraction element 11a1.
  • Such light is mainly assumed to be light from the object S, that is, signal light.
  • the light from the point Pb far from the optical axis L1 of the first optical diffraction element 11a1, as shown in FIG. it cannot enter the first optical diffraction element 11a1.
  • Such light is mainly assumed to be light from other than the object S, that is, noise light.
  • the optical arithmetic device 1B it is possible to prevent noise light from entering the first optical diffraction element 11a1 without preventing signal light from entering the first optical diffraction element 11a1. Therefore, it is possible to suppress a decrease in calculation accuracy due to noise light.
  • FIG. 8 is a perspective view of the optical arithmetic device 1C.
  • the difference in the optical arithmetic device 1C from the optical arithmetic device 1 is that the filter 12 is omitted and the light source 13 is added.
  • the light source 13 is configured to irradiate the light for illuminating the object S in a limited manner to a specific range including the optical axis L1 of the first optical diffraction element 11a1.
  • the object S is a piece of paper on which numbers are drawn, and the optical diffraction element group 11 determines whether the number drawn on the paper is one of 0 to 9. Designed.
  • the illumination range of the light source 13 is not limited, in addition to the light (signal light) reflected or scattered by the target area of the object S (the area where "4" is drawn in the illustrated example), the object S (in the illustrated example, areas where "3" and "5" are drawn), and light (noise light) reflected or scattered by an object other than the target object S is detected by the optical diffraction element. Incident into group 11 .
  • the illumination range by the light source 13 is limited to a specific range including the optical axis L1 of the first optical diffraction element 11a1
  • the attention area of the object S in the illustrated example, "4" is drawn area
  • the optical arithmetic device 1C it is possible to prevent noise light from entering the first optical diffraction element 11a1 without preventing signal light from entering the first optical diffraction element 11a1. Therefore, it is possible to suppress a decrease in calculation accuracy due to noise light.
  • An optical arithmetic device comprising an optical diffraction element group consisting of at least one optical diffraction element having an optical arithmetic function,
  • the light diffraction element group is an object placed outside the optical operation device, and is reflected or scattered by an object that is a non-light-emitting body other than the display, or the light outside the optical operation device. and is arranged such that light emitted from the object, which is a light-emitting body other than the display, sequentially passes through each optical diffraction element included in the optical diffraction element group.
  • An optical arithmetic device characterized by:
  • the filter is an aperture
  • the specific angle is the maximum value of the angle formed by the optical axis of the first optical diffraction element and a light ray incident on the first optical diffraction element through the opening of the aperture.
  • the filter is a block made of a material having a higher refractive index than air, and arranged such that the surface opposite to the side facing the first optical diffraction element is perpendicular to the optical axis, the specific angle is a critical angle at the surface of the block;
  • the optical arithmetic device according to mode 2 characterized by:
  • the filter is a lens
  • the specific angle is the maximum value of the angle formed between the optical axis of the first optical diffraction element and the optical axis of a ray that passes through the lens and enters the first optical diffraction element before entering the lens.
  • the optical diffraction element group includes at least one optical diffraction element having a plurality of microcells whose thicknesses or refractive indices are set independently of each other.
  • the optical arithmetic device according to any one of aspects 1 to 6, characterized by:
  • An optical calculation method characterized by:
  • optical arithmetic unit 11 optical diffraction element group 11a1 to 11an optical diffraction element 12 filter (diaphragm) 12A filter (block) 12B filter (lens) 13 light source

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Abstract

光演算装置（１）は、光回折素子群（１１）を備えている。光回折素子群（１１）は、光演算機能を有する少なくとも１つの光回折素子（１１ａ１～１１ａｎ）からなり、光演算装置（１）の外部に配置された、ディスプレイ以外の非発光体である対象物（Ｓ）にて反射若しくは散乱された光、又は、光演算装置（１）の外部に配置された、ディスプレイ以外の発光体である対象物（Ｓ）にて発せられた光が、光回折素子群（１１）に含まれる各光回折素子（１１ａｉ）を順に通過する、ように配置されている。

Description

光演算装置及び光演算方法
　本発明は、光回折素子を用いて光演算を行う光演算装置及び光演算方法に関する。
　複数のセルを有し、各セルを透過した信号光を相互に干渉させることによって、予め定められた演算を光学的に実行するように設計された光回折素子が知られている。このような光回折素子を用いた光学的な演算には、プロセッサを用いた電気的な演算と比べて高速且つ低消費電力であるという利点がある。また、信号光に対して、並べて配置された２つ以上の光回折素子を順に作用させることによって、複数段光演算（２段以上の光演算）を実現することができる。
　特許文献１には、入力層、中間層、及び出力層を有する光ニューラルネットワークが開示されている。上述した光回折素子は、例えば、このような光ニューラルネットワークの中間層として利用することが可能である。
米国特許第７８４７２２５号明細書
　しかしながら、従来の光演算装置においては、対象物を被写体として含む画像が表示されたディスプレイからの光を光回折素子群に入力することによって、対象物の視覚的情報に対する光演算を行っていた。このため、対象物を被写体として含む画像を形成するために、イメージセンサを用いて光信号を電気信号に変換する必要があった。また、対象物を被写体として含む画像を表示するために、ディスプレイを用いて電気信号を光信号に変換する必要があった。したがって、従来の光演算装置には、速度及び効率の両面において改良の余地が残されていた。
　本発明の一態様は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、高速且つ高効率に光演算を実行することが可能な光演算装置又は光演算方法を実現することにある。
　上記の課題を解決するべく、本発明の一態様に係る光演算装置は、光演算機能を有する少なくとも１つの光回折素子からなる光回折素子群を備えた光演算装置であって、前記光回折素子群は、当該光演算装置の外部に配置された対象物であって、ディスプレイ以外の非発光体である対象物にて反射若しくは散乱された光、又は、当該光演算装置の外部に配置された対象物であって、ディスプレイ以外の発光体である対象物にて発せられた光が、前記光回折素子群に含まれる各光回折素子を順に通過する、ように配置されている。
　上記の課題を解決するべく、本発明の一態様に係る光演算方法は、少なくとも１つの光回折素子からなる光回折素子群を備えた光演算装置を用いて光演算を行う光演算方法であって、前記光演算装置の外部に配置された対象物であって、ディスプレイ以外の非発光体である対象物にて反射若しくは散乱された光、又は、前記光演算装置の外部に配置された対象物であって、ディスプレイ以外の発光体である対象物にて発せられた光が、前記光回折素子群に含まれる各光回折素子を順に通過する。
　本発明の一態様によれば、高速且つ高効率に光演算を実行することが可能な光演算装置又は光演算方法を実現することができる。
（ａ）は、本発明の一実施形態に係る光演算装置の斜視図である。（ｂ）は、その光演算装置の平面図である。 （ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、図１に示す光演算装置が備える第１光回折素子及びフィルタ（絞り）の平面図である。（ａ）は、第１光回折素子の光軸に近い点からの光（信号光）の振る舞いを示し、（ｂ）は、第１光回折素子の光軸から遠い点からの光（ノイズ光）の振る舞いを示す。 （ａ）は、図１に示す光演算装置が備える光回折素子の平面図である。（ｂ）は、その光回折素子の一部を拡大した斜視図である。 （ａ）は、図１に示す光演算装置の第１の変形例である光演算装置の斜視図である。（ｂ）は、その光演算装置の平面図である。 （ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、図４に示す光演算装置が備える第１光回折素子及びフィルタ（ブロック）の平面図である。（ａ）は、第１光回折素子の光軸に近い点からの光（信号光）の振る舞いを示し、（ｂ）は、第１光回折素子の光軸から遠い点からの光（ノイズ光）の振る舞いを示す。 （ａ）は、図１に示す光演算装置の第２の変形例である光演算装置の斜視図である。（ｂ）は、その光演算装置の平面図である。 （ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、図６に示す光演算装置が備える第１光回折素子及びフィルタ（レンズ）の平面図である。（ａ）は、第１光回折素子の光軸に近い点からの光（信号光）の振る舞いを示し、（ｂ）は、第１光回折素子の光軸から遠い点からの光（ノイズ光）の振る舞いを示す。 図１に示す光演算装置の第３の変形例である光演算装置の斜視図である。
　〔光演算装置の構成〕
　本発明の一実施形態に係る光演算装置１の構成について、図１を参照して説明する。図１の（ａ）は、光演算装置１の斜視図であり、図１の（ｂ）は、光演算装置１の平面図である。
　光演算装置１は、図１に示すように、光回折素子群１１と、フィルタ１２と、を備えている。
　光回折素子群１１は、ｎ個の光回折素子１１ａ１～１１ａｎの集合である。ここで、ｎは、１以上の任意の自然数である。各光回折素子１１ａｉは、光演算機能、すなわち、信号光の２次元強度分布を予め定められた変換規則に従って変換する機能を有する素子である。ここで、ｉは、１以上ｎ以下の各自然数である。図１においては、３個の光回折素子１１ａ１～１１ａ３の集合を、光回折素子群１１として図示している。各光回折素子１１ａｉの具体例については、図３を参照して後述する。
　光回折素子群１１において、第１光回折素子１１ａ１、第２光回折素子１１ａ２、…、及び第ｎ光回折素子１１ａｎは、信号光の光路上に一直線に並んで配置されている。このため、光回折素子群１１に入力された信号光は、第１光回折素子１１ａ１、第２光回折素子１１ａ２、…、及び第ｎ光回折素子１１ａｎを、この順に透過する。したがって、光回折素子群１１においては、信号光に対して、第１光回折素子１１ａ１による第１光演算、第２光回折素子１１ａ２による第２光演算、…、及び第ｎ光回折素子１１ａｎによる第ｎ光演算がこの順に実行される。光回折素子群１１から出力される信号光の２次元強度分布は、これらの演算の演算結果を表す。
　フィルタ１２は、光回折素子群１１の前段に配置されている。フィルタ１２は、信号光が最初に入射する第１光回折素子１１ａ１の光軸Ｌ１との成す角θが特定の角度以下となる方向に進行する光を選択的に光回折素子群１１に導くための構成である。本実施形態においては、フィルタ１２として、開口１２ａを有する絞りを用いている。このため、上述した特定の角度は、光軸Ｌ１と、絞りであるフィルタ１２の開口１２ａを通って第１光回折素子１１ａ１に入射する光線の光軸と、の成す角の最大値θ１となる。フィルタ１２に入射する光のうち、進行方向と光軸Ｌ１との成す角θが特定の角度θ１よりも大きい光は、フィルタ１２に吸収される。
　従来の光演算装置においては、対象物Ｓを被写体として含む画像が表示されたディスプレイからの光を光回折素子群に入力することによって、対象物Ｓの視覚的情報に対する光演算を行う。これに対して、本実施形態の光演算装置１においては、対象物Ｓそのものからの光を光回折素子群１１に入力することによって、対象物Ｓの視覚的情報に対する光演算を行う。このため、光回折素子群１１は、対象物Ｓそのものからの光が光回折素子群１１に含まれるｎ個の光回折素子１１ａ１～１１ａを順に通過するように配置されている。ここで、対象物Ｓとは、光演算装置１１の外部に配置された、ディスプレイ以外の物体のことを指す。また、対象物Ｓそのものからの光とは、対象物Ｓが非発光体である場合には、対象物Ｓにて反射又は散乱された光のことを指し、対象物Ｓが発光体である場合には、対象物Ｓから発せられた光のことを指す。これにより、本実施形態の光演算装置１においては、対象物Ｓを被写体として含む画像を形成するために、光信号を電気信号に変換する必要がない。また、対象物Ｓを被写体として含む画像を表示するために、電気信号を光信号に変換する必要がない。このため、本実施形態の光演算装置１によれば、対象物Ｓの視覚的情報に対する光演算を、従来の光演算装置よりも高速且つ効率的に実行することが可能になる。
　なお、光演算装置１は、光回折素子群１１から出力される信号光を電気信号に変換する他のイメージセンサを更に備えていてもよい。他のイメージセンサとしては、例えば、マトリックス状に配置された複数の受光セルを含む２次元イメージセンサを用いることができる。
　〔フィルタの効果〕
　光演算装置１におけるフィルタ１２の効果について、図２を参照して説明する。図２の（ａ）及び（ｂ）は、光演算装置１のフィルタ１２及び第１光回折素子１１ａ１を示す平面図である。
　第１光回折素子１１ａ１の光軸Ｌ１に近い点Ｐａからの光は、図２の（ａ）に示すように、進行方向と光軸Ｌ１との成す角θが上述した特定の角度θ１以下になるので、開口１２ａを通って第１光回折素子１１ａ１に入射し得る。このような光としては、主に、対象物Ｓからの光、すなわち、信号光が想定される。
　一方、第１光回折素子１１ａ１の光軸Ｌ１から遠い点Ｐｂからの光は、図２の（ｂ）に示すように、進行方向と光軸Ｌ１との成す角θが上述した特定の角度θ１よりも大きくなるので、開口１２ａを通って第１光回折素子１１ａ１に入射し得ない。このような光としては、主に、対象物Ｓ以外からの光、すなわち、ノイズ光が想定される。
　したがって、フィルタ１２を用いることで、信号光が第１光回折素子１１ａ１に入射することを妨げずに、ノイズ光が第１光回折素子１１ａ１に入射することを妨げることが可能である。したがって、ノイズ光に起因する演算精度の低下を抑制することができる。
　〔光回折素子の具体例〕
　光回折素子１１ａｉの具体例について、図３を参照して説明する。図３の（ａ）は、本具体例に係る光回折素子１１ａｉの平面図である。図３の（ｂ）は、本具体例に係る光回折素子１１ａｉの一部（図３の（ａ）において点線で囲んだ部分）を拡大した斜視図である。
　光回折素子１１ａｉは、厚み又は屈折率が互いに独立に設定された複数のマイクロセルにより構成されている。光回折素子１１ａｉに信号光が入射すると、各マイクロセルにて回折された位相の異なる信号光が相互に干渉することによって、予め定められた光演算（予め定められた変換規則に従う２次元強度分布の変換）が行われる。なお、本明細書において、「マイクロセル」とは、例えば、セルサイズが１０μｍ未満のセルのことを指す。また、本明細書において、「セルサイズ」とは、セルの面積の平方根のことを指す。例えば、マイクロセルの平面視形状が正方形である場合、セルサイズとは、セルの一辺の長さである。セルサイズの下限は、例えば、１ｎｍである。
　図３に例示した光回折素子１１ａｉは、マトリックス状に配置された２００×２００個のマイクロセルにより構成されている。各マイクロセルの平面視形状は、５００ｎｍ×５００ｎｍの正方形であり、光回折素子１１ａｉの平面視形状は、１００μｍ×１００μｍの正方形である。
　（１）マイクロセルの厚みをセル毎に独立に設定することによって、又は、（２）マイクロセルの屈折率をセル毎に独立に選択することによって、各マイクロセルを透過する信号光の位相変化量をセル毎に独立に設定することができる。本実施形態においては、ナノインプリントにより実現可能な（１）の方法を採用している。この場合、各マイクロセルは、図３の（ｂ）に示すように、各辺の長さがセルサイズと等しい正方形の底面を有する四角柱状のピラーにより構成される。また、この場合、各マイクロセルを透過する信号光の位相変化量は、そのマイクロセルを構成するピラーの高さに応じて決まる。すなわち、高さの高いピラーにより構成されるマイクロセルを透過する信号光の位相変化量は大きくなり、高さの低いピラーにより構成されるマイクロセルを透過する信号光の位相変化量は小さくなる。
　なお、各マイクロセルの厚み又は屈折率の設定は、例えば、機械学習を用いて実現することができる。この機械学習において用いられるモデルとしては、例えば、光回折素子１１ａｉに入力される信号光の２次元強度分布を入力とし、光回折素子１１ａｉから出力される信号光の２次元強度分布を出力とするモデルであって、各マイクロセルの厚み又は屈折率をパラメータとして含むモデルを用いることができる。ここで、光回折素子１１ａｉに入力される信号光の２次元強度分布とは、光回折素子１１ａｉを構成する各マイクロセルに入力される信号光の強度の集合のことを指す。また、光回折素子１１ａｉから出力される信号光の２次元強度分布とは、光回折素子１１ａｉの後段に配置された光回折素子１１ａｉ＋１を構成する各マイクロセルに入力される信号光の強度の集合、又は、光回折素子１１ａｉの後段に配置された受光部を構成する各セルに入力される信号光の強度の集合のことを指す。
　〔光演算装置の第１の変形例〕
　光演算装置１の第１の変形例（以下、光演算装置１Ａと記載する）について、図４を参照して説明する。図４の（ａ）は、光演算装置１Ａの斜視図であり、図４の（ｂ）は、光演算装置１Ａの平面図である。
　光演算装置１Ａにおける光演算装置１から変更点は、フィルタ１２として、絞りを用いる代わりに、フィルタ１２Ａとして、ブロックを用いている点である。このブロックは、空気よりも屈折率の高い材料により構成されており、第１光回折素子１１ａ１と対向する側と反対側の表面１２Ａ１が光軸Ｌ１と直交するように配置されている。
　フィルタ１２Ａは、フィルタ１２と同様、第１光回折素子１１ａ１の光軸Ｌ１との成す角θが特定の角度以下となる方向に進行する光を選択的に光回折素子群１１に導く。本変形例において、上述した特定の角度は、フィルタ１２Ａを構成するブロックの表面１２Ａ１における臨界角θ２となる。フィルタ１２Ａに入射する光のうち、進行方向と光軸Ｌ１との成す角θが特定の角度θ２よりも大きい光は、フィルタ１２Ａに全反射される。
　〔第１の変形例におけるフィルタの効果〕
　光演算装置１Ａの効果について、図５を参照して説明する。図５の（ａ）及び（ｂ）は、光演算装置１Ａのフィルタ１２Ａ及び第１光回折素子１１ａ１を示す平面図である。
　第１光回折素子１１ａ１の光軸Ｌ１に近い点Ｐａからの光は、図５の（ａ）に示すように、進行方向と光軸Ｌ１との成す角θが上述した特定の角度θ２以下になるので、第１光回折素子１１ａ１に入射し得る。このような光としては、主に、対象物Ｓからの光、すなわち、信号光が想定される。
　一方、第１光回折素子１１ａ１の光軸Ｌ１から遠い点Ｐｂからの光は、図５の（ｂ）に示すように、進行方向と光軸Ｌ１との成す角θが上述した特定の角度θ２よりも大きくなるので、第１光回折素子１１ａ１に入射し得ない。このような光としては、主に、対象物Ｓ以外からの光、すなわち、ノイズ光が想定される。
　したがって、光演算装置１Ａによれば、信号光が第１光回折素子１１ａ１に入射することを妨げずに、ノイズ光が第１光回折素子１１ａ１に入射することを妨げることが可能である。したがって、ノイズ光に起因する演算精度の低下を抑制することができる。
　〔光演算装置の第２の変形例〕
　光演算装置２の第１の変形例（以下、光演算装置１Ｂと記載する）について、図６を参照して説明する。図６の（ａ）は、光演算装置１Ｂの斜視図であり、図６の（ｂ）は、光演算装置１Ｂの平面図である。
　光演算装置１Ｂにおける光演算装置１から変更点は、フィルタ１２として、絞りを用いる代わりに、フィルタ１２Ｂとして、レンズを用いている点である。このレンズは、空気よりも屈折率の高い材料により構成されており、このレンズの光軸が第１光回折素子１１ａ１の光軸と一致するように配置されている。
　フィルタ１２Ｂは、フィルタ１２と同様、第１光回折素子１１ａ１の光軸Ｌ１との成す角θが特定の角度以下となる方向に進行する光を選択的に光回折素子群１１に導く。本変形例において、上述した特定の角度は、光軸Ｌ１と、レンズであるフィルタ１２Ｂを通って第１光回折素子１１ａ１に入射する光線の、レンズであるフィルタ１２Ｂに入射する前の光軸と、の成す角の最大値θ３となる。
　〔第２の変形例におけるフィルタの効果〕
　光演算装置１Ｂの効果について、図７を参照して説明する。図７の（ａ）及び（ｂ）は、光演算装置１Ｂのフィルタ１２Ｂ及び第１光回折素子１１ａ１を示す平面図である。
　第１光回折素子１１ａ１の光軸Ｌ１に近い点Ｐａからの光は、図７の（ａ）に示すように、進行方向と光軸Ｌ１との成す角θが上述した特定の角度θ３以下になるので、第１光回折素子１１ａ１に入射し得る。このような光としては、主に、対象物Ｓからの光、すなわち、信号光が想定される。
　一方、第１光回折素子１１ａ１の光軸Ｌ１から遠い点Ｐｂからの光は、図７の（ｂ）に示すように、進行方向と光軸Ｌ１との成す角θが上述した特定の角度θ３よりも大きくなるので、第１光回折素子１１ａ１に入射し得ない。このような光としては、主に、対象物Ｓ以外からの光、すなわち、ノイズ光が想定される。
　したがって、光演算装置１Ｂによれば、信号光が第１光回折素子１１ａ１に入射することを妨げずに、ノイズ光が第１光回折素子１１ａ１に入射することを妨げることが可能である。したがって、ノイズ光に起因する演算精度の低下を抑制することができる。
　〔光演算装置の第３の変形例〕
　光演算装置１の第１の変形例（以下、光演算装置１Ｃと記載する）について、図８を参照して説明する。図８は、光演算装置１Ｃの斜視図である。
　光演算装置１Ｃにおける光演算装置１から変更点は、フィルタ１２を省略すると共に、光源１３を追加した点である。光源１３は、対象物Ｓを照らす光を、第１光回折素子１１ａ１の光軸Ｌ１を含む特定の範囲に限定的に照射するように構成されている。なお、図示した構成において、対象物Ｓは、数字が描かれた紙であり、光回折素子群１１は、この紙に描かれた数字が０～９の何れかであるかを判定するように設計されている。
　光源１３による照明範囲を限定しない場合、対象物Ｓの注目領域（図示した例では、「４」が描かれた領域）にて反射又は散乱された光（信号光）に加えて、対象物Ｓの注目領域以外の領域（図示した例では、「３」や「５」が描かれた領域）、及び、対象物Ｓ以外の物体にて反射又は散乱された光（ノイズ光）が光回折素子群１１に入射する。これに対して、光源１３による照明範囲を第１光回折素子１１ａ１の光軸Ｌ１を含む特定の範囲に限定した場合、対象物Ｓの注目領域（図示した例では、「４」が描かれた領域）にて反射又は散乱された光のみが光回折素子群１１に入射する。
　したがって、光演算装置１Ｃによれば、信号光が第１光回折素子１１ａ１に入射することを妨げずに、ノイズ光が第１光回折素子１１ａ１に入射することを妨げることが可能である。したがって、ノイズ光に起因する演算精度の低下を抑制することができる。
　〔まとめ〕
　本明細書には、以下の態様が開示されている。
　（態様１）
　光演算機能を有する少なくとも１つの光回折素子からなる光回折素子群を備えた光演算装置であって、
　前記光回折素子群は、当該光演算装置の外部に配置された対象物であって、ディスプレイ以外の非発光体である対象物にて反射若しくは散乱された光、又は、当該光演算装置の外部に配置された対象物であって、ディスプレイ以外の発光体である対象物にて発せられた光が、前記光回折素子群に含まれる各光回折素子を順に通過する、ように配置されている、
ことを特徴とする光演算装置。
　（態様２）
　前記光回折素子群の前段に配置されたフィルタを更に備えており、
　前記フィルタは、前記光回折素子群に含まれる光回折素子のうち、最初に信号光が入射する第１光回折素子の光軸との成す角が特定の角度以下となる方向に進行する光を選択的に透過する、
ことを特徴とする態様１に記載の光演算装置。
　（態様３）
　前記フィルタは、絞りであり、
　前記特定の角度は、前記第１光回折素子の光軸と、前記絞りの開口を通って前記第１光回折素子に入射する光線と、の成す角の最大値である、
ことを特徴とする態様２に記載の光演算装置。
　（態様４）
　前記フィルタは、空気よりも屈折率の高い材料により構成され、前記第１光回折素子と対向する側と反対側の表面が前記光軸と直交するように配置されたブロックであり、
　前記特定の角度は、前記ブロックの前記表面における臨界角である、
ことを特徴とする態様２に記載の光演算装置。
　（態様５）
　前記フィルタは、レンズであり、
　前記特定の角度は、前記第１光回折素子の光軸と、前記レンズを通って前記第１光回折素子に入射する光線の、前記レンズに入射する前の光軸との成す角の最大値である、
ことを特徴とする態様２に記載の光演算装置。
　（態様６）
　前記対象物を照らす光を、前記第１光回折素子の光軸を含む特定の範囲に限定的に照射する光源を更に備えている、
ことを特徴とする態様１に記載の光演算装置。
　（態様７）
　前記光回折素子群には、厚み又は屈折率が互いに独立に設定された複数のマイクロセルを有する光回折素子が少なくとも１つ含まれている、
ことを特徴とする態様１～６の何れか一態様に記載の光演算装置。
　（態様８）
　少なくとも１つの光回折素子からなる光回折素子群を備えた光演算装置を用いて光演算を行う光演算方法であって、
　前記光演算装置の外部に配置された対象物であって、ディスプレイ以外の非発光体である対象物にて反射若しくは散乱された光、又は、前記光演算装置の外部に配置された対象物であって、ディスプレイ以外の発光体である対象物にて発せられた光が、前記光回折素子群に含まれる各光回折素子を順に通過する、
ことを特徴とする光演算方法。
　〔付記事項〕
　本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、上述した実施形態に開示された各技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
　１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ　　　　光演算装置
　１１　　　　　　　　　　　　光回折素子群
　１１ａ１～１１ａｎ　　　　　光回折素子
　１２　　　　　　　　　　　　フィルタ（絞り）
　１２Ａ　　　　　　　　　　　フィルタ（ブロック）
　１２Ｂ　　　　　　　　　　　フィルタ（レンズ）
　１３　　　　　　　　　　　　光源

Claims (8)

  1. 　光演算機能を有する少なくとも１つの光回折素子からなる光回折素子群を備えた光演算装置であって、
    　前記光回折素子群は、当該光演算装置の外部に配置された対象物であって、ディスプレイ以外の非発光体である対象物にて反射若しくは散乱された光、又は、当該光演算装置の外部に配置された対象物であって、ディスプレイ以外の発光体である対象物にて発せられた光が、前記光回折素子群に含まれる各光回折素子を順に通過する、ように配置されている、
    ことを特徴とする光演算装置。
  2. 　前記光回折素子群の前段に配置されたフィルタを更に備えており、
    　前記フィルタは、前記光回折素子群に含まれる光回折素子のうち、最初に信号光が入射する第１光回折素子の光軸との成す角が特定の角度以下となる方向に進行する光を選択的に透過する、
    ことを特徴とする請求項１に記載の光演算装置。
  3. 　前記フィルタは、絞りであり、
    　前記特定の角度は、前記第１光回折素子の光軸と、前記絞りの開口を通って前記第１光回折素子に入射する光線と、の成す角の最大値である、
    ことを特徴とする請求項２に記載の光演算装置。
  4. 　前記フィルタは、空気よりも屈折率の高い材料により構成され、前記第１光回折素子と対向する側と反対側の表面が前記光軸と直交するように配置されたブロックであり、
    　前記特定の角度は、前記ブロックの前記表面における臨界角である、
    ことを特徴とする請求項２に記載の光演算装置。
  5. 　前記フィルタは、レンズであり、
    　前記特定の角度は、前記第１光回折素子の光軸と、前記レンズを通って前記第１光回折素子に入射する光線の、前記レンズに入射する前の光軸との成す角の最大値である、
    ことを特徴とする請求項２に記載の光演算装置。
  6. 　前記対象物を照らす光を、前記光回折素子群に含まれる光回折素子のうち、最初に信号光が入射する第１光回折素子の光軸を含む特定の範囲に限定的に照射する光源を更に備えている、
    ことを特徴とする請求項１に記載の光演算装置。
  7. 　前記光回折素子群には、厚み又は屈折率が互いに独立に設定された複数のマイクロセルを有する光回折素子が少なくとも１つ含まれている、
    ことを特徴とする請求項１～６の何れか一項に記載の光演算装置。
  8. 　少なくとも１つの光回折素子からなる光回折素子群を備えた光演算装置を用いて光演算を行う光演算方法であって、
    　前記光演算装置の外部に配置された対象物であって、ディスプレイ以外の非発光体である対象物にて反射若しくは散乱された光、又は、前記光演算装置の外部に配置された対象物であって、ディスプレイ以外の発光体である対象物にて発せられた光が、前記光回折素子群に含まれる各光回折素子を順に通過する、
    ことを特徴とする光演算方法。
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