DE3218244A1

DE3218244A1 - Verfahren und vorrichtung zur optischen datenverarbeitung

Info

Publication number: DE3218244A1
Application number: DE19823218244
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl.-Phys. Dr.rer.nat. 8035 Stockdorf Dietrich
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Dietrich Klaus Prof Dipl-Phys Drrernat 87
Priority date: 1982-05-14
Filing date: 1982-05-14
Publication date: 1983-11-17
Also published as: DE3218244C2; US4589098A

Description

Verfahren und Vorrichtung zur optischen Datenverarbeitung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur optischen Datenverarbeitung, wobei eine modulierbare Lichtquelle ein optisches Bauteil beleuchtet , sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Bei derartigen Verfahren und Vorrichtungen zur optischen Datenverarbeitung ist es insbesondere erforderlich, verschiedenartige Transformationen optisch durchzuführen, wie z.B. eine Faltung, eine Korrelation, eine Fouriertransformation etc.

Ein Verfahren und eine Vorrichtung für Datenverarbeitung ist z.B. in dem Artikel von K. Bromley et al. "Electrooptical signal processing module"^ erschienen in SPIE Vol. 180 Real-Time Signal Processing II (1979), beschrieben. Dabei wird eine zweidimensionale Fotodetektoranordnung durch eine Maske von einer modulierbaren Lichtquelle, z.B. einer LED_x beleuchtet. Die Maske enthält für jedes Pixel dor Fotodetektoranordnung ein Fenster unterschiedlicher Flache. Die Größe und die Verteilung dieser Fenster ist

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abhängig von der gewünschten Transformation. Das mit diesem Verfahren zu transformierende Bild f wird seriell abgetastet und moduliert die Intensität des von der inkohärenten Lichtquelle ausgestrahlten Lichtes. Von diesem Licht werden nun durch die Maske hindurch alle Pixel der Fotodetektoranordnung gleichzeitig bestrahlt, die aus ladungsgekoppelten Speichern (CCD) besteht, wobei die pro Pixel in der CCD-Fotodetektoranordnung erzeugte Fotoladung abhängig ist von der Lichtintensität und der Größe der Fenster der Maske.

Beim übergang des Lichtstrahles von einem Pixel des Bilds f zum nächsten wird die gesamte bisher in der CCD-Fotodetektoranordnung erzeugte Fotoladung um einen Speicherplatz verschoben. Ist das Bild f vollständig abgetastet, dann enthält die Fotodetektoranordnung ein Fotoladungsbild, das der durch die Maske definierten Transformation des Bildes f entspricht. Dieses Verfahren ist sowohl zur Transformation von ein- als auch von zweidimensionalen

Datenfeldern f anwendbar. Bei zweidimensionalen Datenn

feldern ist eine zweidimensionale Maske erforderlich, sowie eine zweidimensionale Fotodetaktoranordnung. Zur Transformation eindimensionaler Daten f ist eine eindimen-

sionale Maske und eine eindimensionale, d.h. eine lineare, Fotodetektoranordnung erforderlich.

Die Nachteile dieses Verfahrens und dieser Vorrichtung bestehen darin, daß zum einen die Maske sehr genau bezüglich der Fotodetektoranordnung positioniert sein muß und daß die maximale Positioniergenauigkeit nur dann erreichbar ist, wenn die Maske fest und direkt auf die Fotodetektoranordnung aufgebracht wird. Dadurch verliert aber die Vorrichtung an Vielseitigkeit , da für jede Transformation, z.B. eine Fouriertransformation oder eine Korrelation,ein eigenes Bauteil erforderlich ist.

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur optischen Datenverarbeitung anzugeben, bei dem die genannten Nachteile vermieden sind, bei dem also eine Vielzahl von Transformationen optisch durchgeführt werden können, und das sich aufgrund seiner Flexibilität und der geringen Kosten für die Massenanwendung der optischen Datenverarbeitung eignet, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens anzugeben, die billig in der Herstellung ist , sich für vielseitigen Einsatz eignet und bei der die Empfindlichkeit der einzelnen Pixel eingestellt werden kann.

Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Kennzeichen des ersten und des fünften Patentanspruches angebenen Merkmale gelöst.

Gemäß der Erfindung wird also ein optisches Bauteil verwendet, das aus zwei Grundeinheiten besteht, nämlich einer CCD-Fotodetektoranordnung und einer Lichtmodulatoranordnung.

Die CCD-Fotodetektoranordnung besitzt die für lineare CCD-Detektoranordnungen bekannten Strukturen und enthält neben den η Pixelnein Fotoladungsubertragungsgatter und ein analoges CCD-Schieberegister. Die Lichtmodulatoranordnung weist ein Ladungsspeicherregister mit η Speicherplatzen , eine Speicherplatz-Auswahlschaltung, d.h. einen Speicherplatz-Selektor, sowie eine Modulatoranordnung auf.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung können verwendet werden für eindimensionale d.h. lineare modulierbare Detektoranordnungen, zweidimensionale modulierbare Detektoranordnungen und viele nebeneinander angeordnete eindimensionale Detektoranordnungen, wobei in diesem Fall parallel verschiedene Transformationen eindimensionaler Datenfelder f gleich-

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zeitig durchgeführt werden können.

Der wesentliche Vorteil der Erfindung liegt darin, daß die Modulatorelemente beim Herstellungsprozeß des Bauteils mit hoher Genauigkeit über den Fotodetektor-Pixeln angeordnet werden können, z.B. durch Maskenverfahren, wie sie bei der Herstellung integrierter Schaltkreise bekannt sind. Ferner kann durch in das optische Bauteil eingelesene Daten , d.h. durch ein Modulationssignal, jede gewünschte Modulationsfunktion eingestellt werden. Außerdem läßt sich das optische Bauteil sehr schnell auf verschiedene Transformationen z.B. Korrelationen umprogrammieren. Einmal eingeschriebene Modulationsfunktionen können in wenigen Millisekunden gelöscht oder beliebig geändert werden.

Da die Herstellungskosten des erfindungsgemäßen optischen Bauteils nicht höher als die bisher üblichen Preise für Fotodetektoranordnungen liegen und die technische Anwendung des erfindungsgemäßen optischen Bauelementes problem- los ist, eröffnet sich damit die Möglichkeit,die Methoden der optischen Datenverarbeitung einer breiten Anwendung zuzuführen. Insbesondere eignet sich die Erfindung für Hersteller und Anwender von Fouriertransformationssystemen, Korrelatbnssystemen und die Radardatenverarbeitung.

Weitere Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen in Verbindung mit der nachfolgenden Beschreibung hervor.
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Die Erfindung ist in einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung näher erläutert, in der schematisch der Aufbau eines linearen optischen Bauteils dargestellt ist.

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In der einzigen Figur ist mit 1 eine Speicherplatz-Auswahlschaltung, d.h. ein Speicherplatz-Selektor bezeichnet mit einem Anschluß 13 für die ausgewählte Adresse. Diesem Speicherplatz-Selektor 1 wird das Modulationssignal 12 zugeführt, das auf den durch die Adresse ausgesuchten Speicherplatz eines Ladungsspeicherregisters 2 geschaltet wird. Dadurch wird in dem ausgesuchten Speicherplatz das Potential des Modulationssignals 12 gespeichert. Werden der Reihe nach alle Speicherplätze η adressiert und dabei am Modulationssignaleingang die für die Speicherplätze gewünschten Potentiale angelegt, dann läßt sich jeder gewünschte Potentialverlauf im Ladungsspeicherregister 2 einspeichern.

Die η Speicherzellen des Ladungsspeicherregisters 2 sind elektrisch mit η Modulatorelementen 4 der Modulatoranordnung 3 verbunden. Die Modulatoranordnung 3, 4 hat folgende Eigenschaften:

1) über jedem Pixel η der Fotodetektoranordnung 5 ist ein Element 4 der Modulatoranordnung 3 angeordnet, dem das Potential einer Zelle des Ladungsspeicherregisters 2 zugeführt wird.

2) Jedes Modulatorelement 4 ist derart angeordnet, daß es die ganze Fläche eines Fotodetektor-Pixels abdeckt, so daß das auf das Fotodetektor-Pixel einfallende Licht vorher das Modulatorelement 4 vollständig durchdringen muß.

3) Die optischen Eigenschaften der Modulatorelemente 4 können durch das Potential der zugeordneten Zelle des Ladungsspeicherregisters 2 derart gesteuert werden, daß die Intensität des auf das unter dem Modulatorelement 4 liegende Fotodetektor-Pixel treffenden Lichtes eine Funktion ist der Intensität der auf das ganze Bauteil

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von der externen Lichtquelle auftreffenden Lichtintensität und eine Funktion der Spannung an dem jeweiligen Modulatorelement 4.

4) Das Modulatorelement 4 besteht aus einem Material, bei

dem durch Einwirken eines elektrischen Feldes mindestens eine Eigenschaft veränderbar ist, d.h. entweder der Absorptionsgrad oder der Transmissionsgrad oder die Polarisationseigenschaft.
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Im Falle der Steuerung des Absorptionsgrades oder des Transmissionsgrades kann direkt die Intensität des auf die Fotodetektor-Pixel einfallenden Lichtes moduliert werden. Im Falle der Steuerung der Polarisationseigenschaft können durch Verwendung von geeigneten Polarisationseinrichtungen vor dem optischen Bauteil die Änderungen der Polarisationseigenschaften der Modulatorelemente in eine Intensitätsmodulation überführt werden.

Als Material für die Modulatorelemente 4 eignen sich insbesondere Flüssigkristallschichten, oder elektrooptisch aktive Materialien.

Mit 6 ist das Fotoladungsübertragungsgatter bezeichnet, mit einem Anschluß 7 für ein Steuerungssignal.

Bei geöffnetem Fotoladungsübertragungsgatter 6 wird die in den Pixeln der Fotodetektoranordnung 5 erzeugte Ladung in die Ladungsspeicherplätze eines CCD-Schieberegisters weitergeleitet und dort integriert. Während der Schiebeaktion des CCD-Schieberegisters 8 wird die Fotodetektor-0 anordnung durch das Steuerungssignal 7 vom CCD-Schieberegister abgetrennt. Mit 9 ist ein Anschluß für das Taktsignal, mit 10 der Eingang eines Analogsignals und mit 11 der Ausgang eines Analogsignals bezeichnet.

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Mit dem erfindungsgemäßen optischen Bauteil kann also die Empfindichkeit der einzelnen Pixel der Fotodetektoranordnung durch zusätzlich in diese Anordnung eingelesene Informationen eingestellt werden. Ferner können ohne weiteres lineare modulierbare Detektoranordnungen sowie zweidimensionale modulierbare Detektoranordnungen und eine Vielzahl nebeneinander angeordneter, eindimensionaler Detektoranordnungen geschaffen werden, wobei eine Vielzahl von optischen Transformationen mit einem einzigen optischen Bauteil durchgeführt werden können.

Claims

Patentansprüche

Verfahren zur optischen Datenverarbeitung, wobei eine
modulierbare Lichtquelle ein optisches Bauteil beleuchtet, dadurch gekennzeichnet ,
daß. ein zweites . Modulationssignal
mittels eines Speicherplatz-Selektors (1) auf einen von einer Adresse ausgesuchten Speicherplatz eines Ladungsspeicherregisters (2) geschaltet wird, daß in der ausgesuchten Speicherzelle das Potential des Modulationssignals gespeichert wird, daß nach Speicherung des vorgegebenen Potentialverlaufs im Ladungsspeicherregister
(2) das Potential jeder Zelle über ein optisches Modulatorelement (4) dem Pixel einer Fotodetektoranordnung (5) zugeführt wird, wobei die optischen Eigenschaften jedes Modulatorelements (4) durch das Potential der zugeordneten Zelle des Ladungsspeicherregisters (2) derart gesteuert werden, daß die Intensität des auf die Pixel treffenden Lichtes eine Funktion der auf das optische Bauteil auftreffenden Gesamtintensität und eine Funktion der am jeweiligen Modulatorelement (4) anliegenden Spannung ist,

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daß die in den Pixeln der Fotodetektoranordnung erzeugte Ladung mittels eines abschaltbaren Fotoladungsübertragungsgatters (6) in die Ladungsspeicherplätze eines CCD-Schieberegisters (8) weitergeleitet und dort integriert werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet , daß jedes Modulatorelement (4) durch Anlegen eines elektrischen Feldes in seinem Absorptionsgrad verändert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß jedes Modulatorelement (4) durch Anlegen eines elektrischen Feldes in seinem Transmissionsgrad verändert wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet , daß jedes Modulatorelement (4) durch Anlegen eines elektrischen Feldes in seiner Polarisationseigenschaft verändert wird.
5. Vorrichtung zur optischen Datenverarbeitung, mit einer modulierbaren Lichtquelle und einem optischen Bauteil, zur Durchführung des Verfahrens gemäß den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß das optische Bauteil folgende Einzelteile aufweist:

einen Speicherplatzselektor (1),

ein Ladungsspeicherregister (2) mit η Zellen zur Aufnahme der Modulationssignale des Speicherplatzselektors (1), eine Modulatoranordnung (3) mit η Modulatorelementen (4), eine Fotodetektoranordnung (5) mit η Pixeln, wobei jedes Pixel einem Modulatorelement derart zugeordnet ist, daß das Modulatorelement (4) die gesamte Fläche des Pixels abdockt,
ein Fotoladungsübertragungsgatter (6) mit einem Eingang (7)

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für ein Steuersignal,

und ein analoges CCD-Schieberegister (8) mit einem Eingang (9) für ein Taktsignal, einem Eingang (10) für ein Analogsignal und einem Ausgang (11) für ein Analogsignal.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Modulatorelemente (4) aus Flüssigkristallen bestehen.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß das Modulatorelement (4) aus einem Flüssigkristall besteht, dessen Absorptionsgrad veränderbar ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch g e k e η η zeichnet , daß das Modulatorelement (4). aus einem Flüssigkristall besteht, dessen Transmissionsgrad veränderbar ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch g e k e η η zeichnet , daß das Modulatorelement (4) aus einem Flüssigkristall besteht, dtssen Polarisationseigenschaft veränderbar ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch g e k e η η zeichnet , daß sie eindimensional aufgebaut ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch g e k e η η zeichnet , daß sie zweidimensional aufgebaut ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch g e k e η η zeichnet , daß sie aus einer Vielzahl nebeneinander angeordneter eindimensionaler Anordnungen besteht.