CN112230709B - 一种可实现高精度光输入的光电计算装置及校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可实现高精度光输入的光电计算装置及校准方法。其装置包括发光阵列、光电计算阵列和光学调制机构，发光阵列由多个发光单元周期性排列组成，光电计算阵列由多个光电计算单元周期性排列组成，光学调制机构用于对发光单元发出的光子进行调制；光电计算装置还包括辅助对准机构，辅助对准机构使得发光单元发出的光子经过光学调制机构后能够入射在计算关系上与发光单元相对应的光电计算单元中；辅助对准机构包括至少一个可成像阵列，可成像阵列与发光阵列或光电计算阵列二者之一在整个装置的光路中相对于另一者具有对易性。本发明不仅可以提高光输入的精度，而且可以方便地进行现场校准或调焦。

Description

一种可实现高精度光输入的光电计算装置及校准方法

技术领域

本发明涉及一种可以实现高精度光输入的光电计算装置及校准方法，属于光学领域和半导体器件领域的结合。

背景技术

中国专利申请CN111208865A公开了一种光电计算单元，该计算单元至少由三大功能区结构组成，可以独立运算也可以与目前的电子计算技术相结合来进行运算，其特点为单器件即可实现“存-算一体功能”，具有集成度好、能效比高、兼容性强等优点。

但是当将多个光电计算单元组合为大型的光电计算阵列，来实现各种复杂的运算加速功能时，如何给大型阵列中的每一个光电计算单元进行精准并高效的光输入，是光电计算单元真正实用化道路上的一大障碍。因为传统计算器件中并不存在“光与电”混合参与运算的计算方式，更不存在大型光电计算阵列进行光输入的案例，因此找到行之有效的光输入方案，减少光输入串扰，提高光输入精度，增加光电计算单元的计算准确度，对于光电计算领域而言是一件迫在眉睫的事。

中国专利申请CN110045781A中提到了一种利用光学结构输入的光电计算阵列，为了实现高精度的光输入，可以将光电计算的光输入操作等效于成像领域的成像操作，借助于镜头的原理，通过光学机构辅助来进行光输入。但是该方案中没有给出一个高精度的校准方案，尤其是在光输入阵列并不具备成像功能的大前提下。这是因为光电计算单元的基本原理虽然和成像器件在某种程度上存在相似，但是本质上光电计算单元并不具备直接成像的功能。因此当整个光电计算装置上的各个部分发生位置的移动，或某些单元的更换导致部分参数变化后均有可能导致发光单元和对应的光电计算单元不再一一对应，使得发光阵列在光电计算阵列上的像不“合焦”，影响计算精度。

发明内容

为了进一步提高光输入的精度，本发明提供了一种光电计算装置，该装置可以校准发光单元和光电技术单元的对应关系。同时本发明提供一种该光电计算装置的校准方法。

本发明采用的技术方案为：

一种可实现高精度光输入的光电计算装置，包括发光阵列、光电计算阵列和光学调制机构，其中，发光阵列由多个发光单元周期性排列组成，光电计算阵列由多个光电计算单元周期性排列组成，光学调制机构用于对发光单元发出的光子进行调制，所述光电计算装置还包括辅助对准机构，所述辅助对准机构使得发光单元发出的光子经过光学调制机构后能够入射在计算关系上与所述发光单元相对应的光电计算单元中；所述辅助对准机构包括至少一个可成像阵列，所述可成像阵列与发光阵列或光电计算阵列二者之一在整个装置的光路中相对于另一者具有对易性。

本发明的光电计算装置加入了辅助对准机构，不仅可以提高光输入的精度，而且在装置更换了厚度、尺寸不同的光电计算阵列或发光阵列时，亦或者当光电计算阵列中需要做光输入的区域发生变化后，又或者因为其他因素导致之前已经完成校准的装置被破坏，或装置被拆散重装后，仍能重新进行现场校准或调焦，使得运算关系上需要存在对应的光电计算单元和发光单元重新再一一对应，其校准方法操作简单。本发明的光电计算装置具有更好的适用性。

附图说明

图1为本发明实施例1中的装置结构图。

图2为光电计算阵列周边的标记点示意图。

图3为本发明实施例2中的装置结构图。

图4为本发明实施例3中的装置结构图。

具体实施方式

为了使得本发明实施例的目的、技术方案和优点更为明显，下面将参照附图详细描述根据本发明的各个实施例。应理解，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是本发明的全部实施例。基于本发明中描述的实施例，本领域技术人员在没有付出创造性劳动的情况下所得到的所有其它实施例都应落入本发明的保护范围之内。而且，为了使说明书更加清楚简洁，将省略对本领域熟知功能和构造的详细描述。

本实施例组成光电计算阵列的光电计算单元，如专利申请号CN201811398206.9中所述，至少包含三大功能区的多功能区结构：载流子控制区、耦合区和光生载流子收集和读出区。三大功能区的具体功能分别如下：

载流子控制区：负责控制并调制所述光电计算单元内的载流子，并且作为所述光电计算单元的电输入端口，输入其中一个运算量作为电输入量；或者只控制并调制所述光电计算单元内的载流子，通过其他区域输入电输入量。

耦合区：负责连接光生载流子收集区和读出区中的收集区和读出区，使得光子入射产生的光生载流子作用于所述光电计算单元内的载流子，形成运算关系。

光生载流子收集区和读出区：其中收集区负责吸收入射的光子并收集产生的光生载流子，并且作为所述光电计算单元的光输入端口，输入其中一个运算量作为光输入量；读出区可以作为所述光电计算单元的电输入端口，输入其中一个运算量作为电输入量，并且作为所述光电计算单元的输出端口，输出被光输入量和电输入量作用后的载流子作为单元输出量；或者通过其他区域输入电输入量，读出区只作为所述光电计算单元的输出端口，输出被光输入量和电输入量作用后的载流子，作为单元输出量。

根据上面所述不难看出，光电计算单元的计算精度除了取决于本身的计算精度，还取决于光输入量以及电输入量的精度，专利申请号CN201811398206.9中提及的多种由光电计算单元组成的乘法器以及矩阵向量乘法器、卷积运算器等电输入均采取二值化的方式来进行，因此采用模拟值的光输入量的准确性对计算精度的影响更加重要。当整个光电计算装置上的各个部分发生位置的移动，或某些单元的更换导致部分参数变化后均有可能导致本应对应的发光单元和光电计算单元二者不再有一一对应的关系，这在光电计算芯片发生了更换从而导致整个结构厚度发生改变时非常常见。同样，在光电计算芯片的设计上，同一个光电计算芯片往往会集成多个独立的光电计算阵列，针对同一个芯片上的多个光电计算阵列来进行光输入，需要高精度光输入装置在结束一个阵列的光输入操作后“平移”光电计算阵列或调整装置的其他机构，如果要让发光阵列的光斑精确的落在光电计算阵列上，不可避免的会带来如何校准二者之间的位置的问题。

为了有效抑制光学串扰，提高光输入的精度，本发明的光电计算装置包括发光阵列、光电计算阵列、光学调制机构和辅助校准机构。光学调制机构对发光阵列中发光单元发出的光子进行调制，使得相应发光单元发出的光子能够入射在计算关系上与之相对应的光电计算阵列中的光电计算单元当中，根据具体计算需要，调制机构的调制作用可以是光电计算的一部分，也可以不参与运算，只起到对应光电计算单元和发光单元的作用。辅助对准机构用于寻找、调整并稳定发光阵列、光电计算阵列、光学调制机构和辅助对准机构自身之间合适的相对位置，该合适的相对位置为能够使得发光阵列中发光单元发出的光子经过光学调制机构后可以被正常调制并进入相应光电计算阵列中的光电计算单元发生光电运算。

其中，发光阵列在具体实施例中可以是OLED屏幕、阴极射线管屏幕、液晶屏幕或DMD阵列等多种光源阵列。光学调制机构可以是光学镜头、透镜或反射镜镜片组、平板超透镜、光纤阵列或光纤锥阵列等可以实现发光阵列在光电计算阵列上投影的装置，又或者但不仅仅局限于诸如滤色片阵列等可以实现特定功能的光学调制的装置等等。辅助对准机构可以包括机械结构、平移或旋转机构或者包括用于辅助定位的成像芯片乃至又不仅仅局限于电子学控制系统，辅助对准机构中包括至少一个可成像阵列，并且可成像阵列与发光阵列或光电计算阵列二者之一在整个装置的光路中相对于另一者具有对易性。

下面将结合具体的实施例来详细描述以上结构，具体阐述上述“对易性”的含义。

实施例1

本实施例的高精度输入的光电计算装置，如图所示，为了在光电计算阵列不可成像的同时让发光阵列的像精确地落在光电计算阵列的表面，保证合焦的同时也保证光斑正好落在光电计算阵列上合适的位置，在装置结构中设置了辅助成像阵列用于辅助校准发光阵列和光电计算阵列之间的相对位置。

本实施例采用OLED作为发光阵列，发出的光经过光学调制机构的调制投影在光电计算阵列上，光学调制机构使用一款2.5X放大倍数的双远心低畸变镜头，因为在使用过程中可能会发生更换光电计算阵列的操作，而不同光电计算阵列因型号的不同，其光生载流子收集和读出区中的收集区所在的位置也不尽相同，因此需要在每次更换了新的光电计算阵列后做校准操作。同时当OLED发生损坏或老化以后会涉及到OLED的更换，重新更换新的发光阵列后依旧需要做校准操作。

本实施例将双远心低畸变镜头拆成为两段，镜头前半段作为上半段组，镜头后半段作为下半段组。在两段组镜头之间插入一个折返镜，此折返镜的反射率和折射率各为50％，同时在折返镜和辅助成像阵列之间添加了一个和折返镜到OLED之间同样的辅助透镜组。OLED发出的光直接进入镜头前半段后出射到折返镜的上表面，其中折射光透过折返镜后进入镜头后半段，然后照射到光电计算阵列表面被部分反射，原路再入射到镜头后半段，并在折返镜表面被反射；反射后的反射光入射到辅助透镜组，辅助透镜组的出射光入射到辅助成像阵列的表面。通过镜头的调制作用让OLED像素发出的光斑分别投影到对应的光电计算单元上，即可进行高精度光输入操作。

光电计算阵列放置在一个高精度XYZ平移升降台上，该升降台支持锁死功能同时在装置装调时，平台的表面和镜头的焦平面平行。OLED和辅助成像阵列设置在两个微调装置上，微调装置可以调节OLED到镜头之间的距离，以及辅助成像阵列到镜头之间的距离。

光电计算阵列表面每一块需要被进行光输入的区域都设置有多个位置已知的通过顶层金属绘制的标记点，如图2所示，用于在校准的时候方便观察OLED的像是否对准了光电计算阵列需要被进行光输入的区域。图中实线为光电计算阵列的整体芯片大小；疏虚线的区域为需要进行光输入的光生载流子收集和读出区中读出区所在的位置；密虚线所在的区域即为用于对准所用的标记物，标记物的尺寸确保在2.5X放大倍数下可以被辅助成像阵列所观察到。

本实施例的装置开始校准时，具体操作如下：

1、先不安装光电计算阵列，在光电计算阵列所在的位置安装一个平面镜。

2、点亮OLED，通过辅助成像阵列去观察平面镜接收并反射的OLED发出的光，当辅助成像阵列可以清晰观察到OLED上的像时，即认为此时OLED和辅助成像阵列相对于光电计算阵列所在的位置在光学上等价，之后锁死OLED、辅助成像阵列和镜头之间的微调装置，确保二者的位置被固定下来。

假设平面镜的反射率为K₁，此时，辅助成像阵列表面所接收到的OLED光因为经过折返镜折射一次，同时又反射一次，同时也被平面镜反射一次，因此能量为从OLED发出时的0.5*0.5*K₁＝0.25倍。

3、取下平面镜，更换为光电计算阵列，通过辅助成像阵列观察光电计算阵列的表面，并调整光电计算阵列下方的平移升降台，使得成像清晰，之后锁死平移升降台的升降功能，此时光电计算阵列到辅助成像阵列以及OLED均合焦。

4、点亮OLED，通过辅助成像阵列观察此时OLED的光斑以及光电计算阵列表面标记点之间的相对位置，当光斑落在标记点之内的光生载流子收集和读出区中读出区所在的位置时，即认为对准完成，可以开始进行光电计算阵列的光输入操作。

进行此操作时，假设光电计算阵列表面的反射率为K₂，则此时辅助成像阵列表面所接收到的OLED光为从OLED发出时的0.5*0.5*K₂＝0.25倍。

不难看出，在本方案当中，辅助对准阵列首先在操作步骤2中，当OLED阵列和辅助成像阵列都固定锁死后，二者到光电计算阵列表面就已经等光程了，即当辅助成像阵列能够通过装置光路清晰观察到光电计算阵列表面的标记物的时候，OLED屏幕发出的光经过光路也就可以清晰成像在光电计算阵列表面，同时，如果把OLED屏幕和辅助成像阵列交换位置，上述情况依旧存在，即上面所述描述的“对易性”。而装置中的折返镜能够让下方光电计算阵列表面的反射光能够通过下半段组镜头后向右反射最终进入辅助成像阵列，也可以让上方OLED屏幕发出的光透射往下照射到光电计算阵列表面，即让OLED屏幕和辅助成像阵列的“对易”实际可以执行。

其中此方案中作为光学调制机构的光学镜头亦可以更换为透镜组、或配有光纤耦合器的两组光纤或光纤锥阵列，依旧不影响其对准调焦的操作。

实施例2

本实施例如图3所示的可校准高精度光输入装置方案，将OLED芯片放置在XY平移台上，该平移台上还设置辅助成像阵列用于对准光电计算阵列和OLED芯片。辅助成像阵列和OLED芯片在Z方向完全等高且二者之间的相对距离已知，并且辅助成像阵列面积大于OLED芯片。在对准操作时，首先通过XY平移台将辅助成像阵列移入靶面内，使用辅助成像阵列观察光电计算阵列表面，调整Z平移台，使得成像清晰可见，之后再平移XY平移台使得OLED芯片进入靶面。由于OLED芯片和辅助成像阵列芯片在XY平移台上的安装孔位已经事先被设定为一个已知值，因此OLED芯片和辅助成像阵列芯片之间的相对水平位置已知，通过换算即可知道OLED芯片发光区域与光电计算阵列的对应关系。

在本方案中可以看见，辅助成像阵列与OLED屏幕不光符合可对易性要求，同时还在XY平移台的作用下实际上发生了物理位置的对易。同时，本装置中的OLED芯片如果和光电计算阵列发生了位置上的调换，依旧不影响装置的工作，即辅助成像阵列可以与发光阵列满足对易性，也可以与光电计算阵列满足对易性。

因为本方案中不涉及到对光学调制机构的改造，同时也不需要光路具有可逆性操作，此方案中的光学调制机构可以采用光学镜头、透镜组、光纤阵列、光纤锥阵列、微透镜或者滤色片阵列。其中，如果采用微透镜，可直接覆盖在光电计算阵列表面。如果采用滤色片阵列，发光阵列可设置成相邻发光单元发出不同波长的方式，滤色片阵列设置在发光阵列和光电计算阵列之间，且与发光阵列按照相同的波长周期排布，即发光单元与正下方的滤色片单元为相同波长。因为滤色片单元的调制作用，发光单元发出的单色光因为和相邻滤色片单元波长不匹配，只与其正下方滤色片单元波长匹配，因此即可减少发光单元发出的球面波往横向相邻计算单元的串扰，实现高精度的光输入。

实施例3

本实施例提供一种双辅助成像阵列高精度光输入装置，如图4所示，光电计算阵列放置在一个高精度Z平移台上；OLED芯片所在平移台为一高精度XY平移台，并且该平移台上还设置辅助成像阵列2用于对准。光路中设置一反光镜，当反光镜插入光路时OLED芯片发出的光将成像在另一设定在固定平台上的辅助成像阵列1上。

当XY平移台移动到合适的位置时，通过辅助成像阵列1可以清晰观察到OLED芯片表面和辅助成像阵列2的表面，辅助成像阵列2也可以清晰观察到辅助成像阵列1的表面。使用该装置进行校准时，具体操作步骤如下：

1、首先通过XY平移台，将辅助成像阵列2移动到靶面内，并插入反光镜。通过辅助成像阵列2观察辅助成像阵列1，移动辅助成像阵列1所在的Z平移台确保辅助成像阵列2能清晰观察到辅助成像阵列1的表面，并使得整个辅助成像阵列1的像落在辅助成像芯片2的的芯片表面，并记录下该区域，可以通过在辅助成像阵列1的边界处设置相应的反光的标记物来增加辅助成像阵列1表面的易观测性。

完成此操作后，固定辅助成像阵列1的位置。

2、撤出反光镜，使用Z平移台对光电计算阵列调焦，使能够通过辅助成像阵列2观察到清晰的光电计算阵列表面，并记录该光电计算阵列在辅助成像阵列2成像区域的位置(光电计算阵列表面也存在反光标记物)。通过此操作，可保证光电计算阵列和辅助成像阵列2合焦，即光电计算阵列到辅助成像阵列2以及辅助成像阵列1到辅助成像阵列2等光程；同时因为可以同时通过辅助成像阵列2观察到辅助成像阵列1和光电计算阵列表面，因此可以知道辅助成像阵列1和光电计算阵列在X-Y方向的相对位置。

完成此操作后，固定光电计算阵列的位置。

3、平移XY平移台，使OLED芯片进入靶面，使用辅助成像阵列1观察OLED芯片，发现OLED发光区域在辅助成像阵列1的成像效果中的相对位置，并通过辅助成像阵列1和光电计算阵列在X-Y方向的相对位置换算出如果需要OLED光斑能够落到需要光照的光电计算阵列指定区域，则需要点亮哪些OLED像素或平移X-Y平移台多少距离。

不难看出，本方案中辅助成像阵列1和光电计算阵列之间，相对于OLED存在对易性；而辅助成像阵列2和OLED放置在一个平移台上，二者相对于光电计算阵列又存在对易性。通过双对易性的存在，使得该方案相对于实施例2而言不需要已知一个固定的距离，也可以做到一边校准一边观察，规避了该距离导致的误差；同时相对于实施例1而言最大的优势在于因为装置中使用的是一个反光镜而非折返镜，因此该装置可以让OLED发出的光尽可能多的输入光电计算阵列当中，当OLED不够明亮或需要被观测的对象表面反射量不够高时有较大优势。

其中此方案中光学调制机构可以采用光学镜头、透镜组、光纤阵列或光纤锥阵列，依旧不影响具体的校准操作。

Claims (3)

1.一种可实现高精度光输入的光电计算装置，包括发光阵列、光电计算阵列和光学调制机构，其中，发光阵列由多个发光单元周期性排列组成，光电计算阵列由多个光电计算单元周期性排列组成，光电计算单元至少包含三大功能区的多功能区结构：载流子控制区、耦合区和光生载流子收集和读出区，光学调制机构用于对发光单元发出的光子进行调制，其特征在于，所述光电计算装置还包括辅助对准机构，所述辅助对准机构使得发光单元发出的光子经过光学调制机构后能够入射在计算关系上与所述发光单元相对应的光电计算单元中；所述辅助对准机构包括至少一个可成像阵列，所述可成像阵列与发光阵列或光电计算阵列二者之一在整个装置的光路中相对于另一者具有对易性；

所述光电计算阵列表面设置有对准标记物；

所述辅助对准机构包括Z平移台、XY平移台、反光镜、第一辅助成像阵列和第二辅助成像阵列；所述光电计算阵列和第一辅助成像阵列分别设置在两个Z平移台上，所述发光阵列和第二辅助成像阵列设置在XY平移台上，所述反光镜位于光电计算阵列和光学调制机构之间；所述光学调制机构采用光学镜头、透镜组、光纤阵列或光纤锥阵列；所述第一辅助成像阵列成像面的法线和光电计算阵列的光生载流子收集区所在平面的法线关于反光镜反光平面镜像对称，以确保从光路中撤出反光镜后从光学调制机构出射并入射光电计算阵列的光子可以在反光镜插入光路后所述光子可以被反光镜反射到第一辅助成像阵列表面。

2.如权利要求1所述的一种可实现高精度光输入的光电计算装置的校准方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)通过XY平移台，将第二辅助成像阵列移动到靶面内，并插入反光镜；通过第一辅助成像阵列观察第二辅助成像阵列，移动XY平移台和第一辅助成像阵列所在的Z平移台，使得第二辅助成像阵列的图像能清晰观察并覆盖第一辅助成像阵列的整个芯片表面，记录下该区域；然后固定第一辅助成像阵列的位置；

(2)撤出反光镜，使用Z平移台对光电计算阵列调焦，使能够通过第二辅助成像阵列观察到清晰的光电计算阵列表面，并记录该光电计算阵列在第二辅助成像阵列的成像区域的位置；然后固定光电计算阵列的位置；此时因为通过插入或撤出反光镜即可以使得第二辅助成像阵列在清晰观察第一辅助横向阵列表面和清晰观察光电计算阵列表面之间切换，因此可以通过第二辅助成像阵列得知第一辅助成像阵列和光电计算阵列之间的相对位置关系；

(3)平移XY平移台，使发光阵列进入靶面，使用第一辅助成像阵列观察发光阵列，找出发光阵列的发光区域在第一辅助成像阵列的成像效果中的相对位置，并通过第一辅助成像阵列和光电计算阵列之间的相对位置得到使发光阵列发出的光经过光学调制机构后刚好落在光电计算阵列上需要点亮的发光阵列的像素或X-Y平移台的平移距离。

3.根据权利要求2所述的校准方法，其特征在于，所述第一辅助成像阵列的边界处设置有反光的标记物。