8x8デジタル・スマートピクセル

1.はじめに

現在の一般的な画像処理システムにおいて、実世界からの大容量データは、まずCCDでセンシングされた後、パラレルーシリアル変換されて、フレームメモリに送られる。このパラレルーシリアル変換は、高速画像処理を実現する上でのボトルネックであり、これを解消する方法の一つは、並列光処理である。

　われわれは、デジタル・スマートピクセルと、自由空間光インターコネクションによる光並列処理システムを提案してきた。デジタル・スマートピクセルの各画素は、ALUと光入出力部を有しており、外部から入力された命令に従って、近傍画素と通信しながら、直接SIMD処理を実行すると共に、光出力部から処理結果を並列に出力することができる。並列データ伝送を実現する自由空間光インターコネクションで、デジタル・スマートピクセルをカスケード接続したシステムは、パラレルーシリアル変換ボトルネックの無い実時間処理システムである。

2.デジタル・スマートビクセルの素子構造

　デジタル・スマートピクセルの構成を図１に示す。デジタル・スマートピクセルは、DPEアレイ、LED、回折光学素子(DOE)を形成した石英基板とで構成されている。DPEアレイは汎用型の並列デジタル演算チップで、画素ごとにALU、レジスタ、PD、LED駆動回路を備えている。DPEの各画素には、光出力のためのLEDがフリップチ ツプ実装される。LEDを、Si基板に形成された貫通穴に挿入することで、その位置精度を確保している(図2)。LED上の石英基板には集光・コリメートレンズおよび偏向素子が形成されており、デバイスとレンズの一体化で、自由空間光インターコネクションの小型高効率化を図っている。

図１ デジタル・スマートピクセルの構造

3.デジタル・スマートビクセルの動作実験

　デジタル・スマートピクセルは、自由空間光インターコネクションによって、カスケード接続されることによって、その能力を発揮することができる。カスケード接続による動作実験には、組レンズによる光学系を用いた。デジタル・スマートピクセルの動作速度は、光入射強度に強く依存している。実験に用いた光学系の接続効率は約1% であるが、入力側のスマートピクセルのPDが0.25ms 検出時間で、出力側スマートピクセルの信号を検出することができることを確認した。試作した素子は、 20 uW/pixelの光出力が可能で、これはカスケード接続に十分な光強度である。また、外部命令によって、動作状態を変えることができることも確かめた。

図２ LED アレイ。LED は300um x 300um

4.まとめ

2x2と8x8のデジタル・スマートピクセルを試作し、自由空間光インタコネクションを用いてカスケード接続し動作させた。動作に十分な光入出力強度が確保されており、外部命令によって動作状態を変化させることができることも確認した。

謙辞

　試作したデジタル・スマートピクセルに用いた DPEアレイチップは、東京大学大学院工学研究科石川研究室から供給を受けた。石川正俊教授、並びに小室孝氏に感謝します。