DE3218244C2 - Vorrichtung zur optischen Datenverarbeitung - Google Patents

Abstract

Es werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur optischen Datenverarbeitung beschrieben, wobei ein von einer Lichtquelle stammendes Modulationssignal auf einen von einer Adresse ausgesuchten Speicherplatz eines Ladungsspeicherregisters geschaltet wird, in dem das Potential des Modulationssignals gespeichert wird. Nach Speicherung des Potentialverlaufs im Ladungsspeicherregister wird das Po tential jeder einzelnen Zelle über ein optisches Modulatorelement dem Pixel einer Fotodetektoranordnung zugeführt, wobei die optischen Eigenschaften eines jeden Modulatorelementes durch das Potential der zugeordneten Zelle des Ladungsspeicherregisters gesteuert wird. Die Intensität des auf die Pixel treffenden Lichtes ist eine Funktion der auf das optische Bauteil auftreffenden Gesamtintensität und eine Funktion der am jeweiligen Modulatorelement anliegenden Spannung.

Description

daß die Maske als steuerbare Maske (1,2,.*, 4) ausgebildet 'ist und

ein Ladungsspeicherregister (2) mit einer der Anzahl der Pixel des Empfängers (5) entsprechenden Anzahl von Speicherplätzen sowie

einen Speicherplatzselektor (1) für das Ladungsspeicherregister (2), mit dem der zweiten Funktion zugeordnete Modulationssignale (12) als Potentiale auf adressierbaren (über 13) Speicherplätzen des Ladungsspeicherregisters (2) einschreibbar sind, und ferner

eine optische Modulatoranordnung (3) aufweist, die den einzelnen Speicherplätzen des Ladungsspeicherregisters (2) zugeordnete und über diese ansteuerbare Modulatorelemente (4) aufweist, die auf den Pixeln des Empfängers (5) angeordnet sind und von dem Licht der gemäß der ersten Funktion modulierten Lichtquelle durchstrahlt werden, und
daß die Pixel des Empfängers (5) über ein Photoladungsübertragungsgatter (6) mit Ladungsspeicherplätzen eines Ladungsspeicher-Schieberegisters (8) verbunden sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulationselemecte (4) jeweils Flüssigkristalle sind, deren Absorptionsgrad, Transmissionsgrad bzw. Polarisationseigenschaften veränderbar sind.

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur optischen Datenverarbeitung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Eine derartige Vorrichtung zur optischen Datenverarbeitung ist in einem Artikel von K. Bromley et al. »Electro-optical signal processing module«, erschienen in SPIE, Vol. 180, Real-Time Processing Il (1979), Seiten 107 bis 113, beschrieben. Mit dieser Vorrichtung können zwei Funktionen, die einmal durch ein moduliertes Signal einer inkohärentes Licht abstrahlenden Lichtquelle und des weiteren durch eine von dem Licht durchstrahlte Funktionsinaske vorgegeben sind, miteinander in mathematischen Operationen, wie Korrelationen, Faltungen oder dergleichen mit hoher Geschwindigkeit verknüpft werden. Das durch die Maske hindurchgelassene Licht der modulierbaren Lichtquelle, z. B. einer lichtemittierenden Diode LED wird durch eine zweidimensionale Fotodetektoranordnung, z. B. in Art eines Ladungsspeicherempfängers CCD aufgenommen. Die Maske enthält für jedes Pixel der Fotodetektoranordnung ein Fenster unterschiedlicher Größe. Die Größe und die Verteilung dieser Fenster ist abhängig von der gewünschten auszuführenden mathematischen Operation bzw. Transformation. Die mit dieser Vorrichtung zu transformierende erste Funktion f„ wird seriell abgetastet und moduliert die intensität des von der inkohärenten Lichtquelle ausgestrahlten Lichtes. Von diesem Licht werden durch die Maske hindurch alle Pixel der Fotodetektoranordnung gleichzeitig bestrahlt, wobei die pro Pixel in der CCD-Fotodetektoranordnung erzeugte Ladung abhängig ist von der Lichtintensität und der Größe der Fenster in der Maske.

Beim Obergang auf das nächste Pixel der abgetasteten ersten Funktion wird die gesamte bisher in der CCD-Fotodetektoranordnung erzeugte Ladung um einen Speicherplatz verschoben. 1st die erste Funktion vollständig abgetastet, dann enthält die Fotodetektoranordnung ein Ladungsbild, das der durch die Maske definierten Transformation der ersten Funktion entspricht

Die bekannte Vorrichtung ist zur Transformation von ein- als auch von zweidimensionalen Datenfeldern der ersten Funktion anwendbar. Zur Transformation eindimensionaler Daten ist eine eindimensionale Maske und eine eindimensionale, d. h. lineare Fotodetektoranordnung erforderlich. Bei zweidimensionalen Datenfeldern ist entsprechend eine zweidimensionale Maske sowie eine zweidimensionale Fotodetektoranordnung erforderlich.

Die Genauigkeit des mit dieser bekannten Vorrichtung erzielbaren Ergebnisses hängt entscheidend von der genauen Positionierung der Maske in bezug zur Fotodetektoranordnung ab. Annehmbare Ergebnisse sind nur dann erreichbar, wenn die Maske, durch die die zweite Funktion definiert ist, direkt fest auf die Fotodctektoranordnung aufgebracht ist. Dadurch verliert aber die bekannte Vorrichtung an Vielseitigkeit, da für jede Transformation, z. B. eine Fourier-Transformation oder eine Korrelation, ein eigenes Bauteil bzw. Rechenmodul erforderlich ist.

Eine Vorrichtung zur optischen Datenverarbeitung ist auch bekannt aus dem Aufsatz von Orlow und Popov: »Possibility of construction of an arithmetic unit based on controlled optical transparencies«, Soviet Journal Quant. Electron, Vol.4, No. 1, JuIi 1974, Seiten 12 bis 16.

Mit den dort beschriebenen Rechenmodulen sollen Operationen entsprechend der Booleschen Algebra ausgeführt werden, wobei als Moduhtorelemente gesteuerte transparente Zellen verwendet werden. Die verwendeten optischen Zellen sind Ja-Nein-Zellen, die direkt von den Funktionssignalen angesteuert werden. Diese Zellen werden von einer kohärentes Licht abgebenden Lichtquelle, in dem beschriebenen Falle durch einen Laser durchstrahlt, dessen Licht nur als Transportmittel für die einzelnen digitalisierten Funktionswerte dient. Das Licht des Lasers wird nach Durchtritt durch die einzelnen optischen Zellen in einer Fotodetektoranordnung gesammelt und integriert, so daß deren Ausgangssignal dem Rechenergebnis entspricht. Ein Hinweis auf die Ausführung von allgemeinen mathematischen Operationen ist in diesem Artikel nicht enthalten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der in Rede stehenden Art anzugeben, mit der eine Vielzahl von Transformationen optisch durchgeführt werden kann und die sich aufgrund der Flexibilität und der geringen Herstellungskosten für die Massenanwendung zur optischen Datenverarbeitung eignet.

Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des ersten Patentanspruches angegebenen Merkmale gelöst

Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung liegt darin, daß die Modulatorelemente beim Herstollungsprozeß der Vorrichtung mit hoher Genauigkeit über den Pixeln des Empfängers angeordnet werden können, z. B. durch Maskenverfahren, wie sie bei der Herstellung integrierter Schaltkreise bekannt sind. Durch die Auslegung der Maske als steuerbare Maske kann durch in die Vorrichtung eingelesene Daten, d. h. durch ein Modulationssignal, jede gewünschte Moduiationsfunktion eingestellt werden. Außerdem läßt sich die Vorrichtung 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 Bauteiles nicht höher als die bisher üblichen Preise für Fotodetektoranordnungen lirjen und die technische Anwendung der Vorrichtung gemäß der Erfindung problemlos 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 Fourier-Transformationssysiemen, Korrelationssystemen und für die Radardatenverarbeitung.

Die Vorrichtung kann eindimensional, d. h. als lineare modulierbare Detektoranordnung oder zweidimensional als flächige Detektoranordnung ausgebildet sein. Eine zweidimensionale Anordnung kann auch durch viele nebeneinander angeordntete eindimensionale Deiekloranordnungen realisiert werden, wobei in diesem Falle parallel verschiedene Transformationen eindimensionaler Datenfelder einer ersten Funktion gleichzeitig durchgeführt werden können.

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

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 Ladungsspeichsrregisters 2 sind elektrisch mit η Modulatorelementen 4 der Niodulatoranordnung 3 verbunden. Die Modulatoranordnung 3 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 Modulatorelemeni 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 liegenden Fotodetektor-Pixel treffenden Lichtes eine Funktion is» der Intensität der auf das ganze Bauteil von der externen Lichtquelle auftreffenden Lichtintensität und eine Funktion der Spannung an dem jeweiligen ίο 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

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 Modulationselemente 4 eignen sich insbesondere Flüssigkristallschichten, oder elektrooptisch aktive Materialien.

Mit 6 ist das Fotoladungsübertragungsgatter (Fololadungstransfergate) bezeichnet, mit einem Anschluß 7 für ein Steuerungssignal. Bei geöffnetem Fotoladungsübertragungsgatter 6 wird die in den Pixeln der Fotodetektoranordnung 5 erzeugte Ladung in die Ladungs-Speicherplätze eines CCD-Schieberegisters 8 weitergeleitet und dort integriert. Während der Schiebeaktion des CCD-Schieberegisters 8 wird die Fotodetektoranordnung 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.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur optischen Datenverarbeitung mit einer gemäß einer ersten Funktion moduliert»- ren Lichtquelle, einem in Pixel aufgeteilten, von der Lichtquelle beleuchteten Empfänger, einer zwischen Lichtquelle und Empfänger gelegenen Maske, die das von der Lichtquelle ausgesendete Licht entsprechend einer zweiten Funktion beeinflußt und mit einem Speicherregister, in das die die Modulationsergebnisse bildenden Signale des Empfängers einschreibbar und aus dem diese Modulationsergebnisse auslesbar sind, dadurch gekennzeichnet,