DE69010788T2

DE69010788T2 - Räumliche Lichtmodulatoren.

Info

Publication number: DE69010788T2
Application number: DE69010788T
Authority: DE
Inventors: Neil Collings; William Alden Crossland; David Vass
Original assignee: Northern Telecom Ltd
Current assignee: Nortel Networks Ltd
Priority date: 1989-06-23
Filing date: 1990-06-19
Publication date: 1994-10-27
Anticipated expiration: 2010-06-20
Also published as: GB2233469B; GB8914453D0; EP0405815A1; JPH03208029A; GB2233469A; EP0405815B1; GB9013593D0; DE69010788D1

Description

Die Konstruktion von elektrisch adressierten räumlichen Lichtmodulatoren (SLM) wurde in großem Ausmaß durch die Anzeigeindustrie beeinflußt, obwohl größere Unterschiede zwischen den Anforderungen an gute Anzeigen und den Anforderungen an SLM's bestehen. Typischerweise umfaßt eine übliche Flüssigkristallanzeige gemäß Fig. 1, die die Grundlage für einen SLM bilden kann, ein Siliziumsubstrat 1, einen Feldeffekttransistor (FET), der durch Source- und Drainbereiche 2, 3 und ein Gate 4 in einer Siliziumdioxydschicht 5 gebildet ist, die mit einer Öffnung versehen ist, um einen elektrischen Kontakt zwischen einer transparenten Elektrode 6 und dem Drainbereich 3 herzustellen. Eine weitere transparente Elektrode 7 ist auf einer transparent ten Platte 8 vorgesehen. Ein Flüssigkristall, beispielsweise ein chiral-smektisches Flüssigkristallmaterial 9 mit ferroelektrischen Effekt ist zwischen den Elektroden 6 und 7 angeordnet. Die Zelle (Pixel oder Bildelement) kann dadurch betrieben werden, daß ein Steuersignal an das Gate derart angelegt wird, daß die Elektrode 6 auf eine positive oder negative Spannung bezüglich der anderen Elektrode 7 angesteuert wird, so daß das ferroelektrische Flüssigkristallmaterial zwischen seinen zwei stabilen Zuständen umgeschaltet wird, d.h., daß bewirkt wird, daß es beispielsweise hell oder dunkel erscheint. Es wird auf unsere GB-Patente 2 149 555 B (das äquivalent zur EP-A-0 142 326 ist), 2 149 176 B, 2 166 256 B und 2 188 742 B verwiesen, die verschiedene Aspekte der Struktur und Betriebsweise von ferroelektrischen Flüssigkristallanzeigen beschreiben.
Ein zweiter wichtiger elektrooptischer Effekt bei chiralen smektischen Flüssigkristallen ist der 'electroclinische Effekt', der das 'weiche' dielektrische Ansprechverhalten verwendet (Bahr C.H. und Heppke G, Liq. cryst, 2(6), 825-831, 1981; Collings N., Crossland W.A., Chittick R.C. und Bone M.F., Proc. SPIE, 963, (im Druck), 1989). Dieser elektroclinische Effekt kann ein Sub-Mikrosekunden-Ansprechverhalten aufweisen, wie dies auch beim ferroelektrischen Effekt der Fall ist, doch ergibt der elektroclinische Effekt außerdem ein Analog-Ansprechverhalten auf die Spannung, d.h. die optische Achse des Flüssigkristall- Mediums dreht sich (in der Ebene der Flüssigkristallschicht) um einen Betrag, der proportional zur angelegten Spannung ist. Schaltzeiten von einigen Hundert Nanosekunden wurden beobachten (Davey A.B. und Crossland W.A., Second International Conference on Ferro-electric Liquid Crystals, Goteberg, Sweden, Juni 1989) und es wurde weiterhin ein erhebliches optisches Ansprechen bei Spannungen festgestellt, die mit integrierten Siliziumschaltungen kompatibel sind.
Im Prinzip können elektrooptische Effekte in chiral-smektischen Flüssigkristallen die Amplitude und/oder die Phase von auftreffendem Licht ändern.
Die elektrooptischen Effekte in ferroelektrischen Flüssigkristallen (gekippte chiral-smektische Phasen, wie z.B. Sm C*) verwenden die dielektrische Goldstone-Mode-Relaxation, die im Prinzip eine Phasenmodulation von Lichtstrahlen sowie eine Intensitätsmodulation ermöglicht (Tomas Carlson, Bosvtjar Zeks, Cene Filipic und Adrijan Levslik, Ferro-electric, 1988, vol. 84, Seiten 223-240). Dies ergibt sich daraus, daß der n-Direktor des Flüssigkristalls, der mit der optischen Achse zusammenfällt, nicht auf eine Bewegung in einer Ebene orthogonal zum Lichtstrahl beschränkt ist. Er kann irgendeine Position auf einem Kegel von Winkeln annehmen. Diese außerhalb der Ebene liegende Bewegung wird in vielen Fällen bei der Realisation elektrooptischer Effekte unterdrückt, beispielsweise in den sogenannten 'oberflächenstabilisierten' Bauteilen (N.A. Clark und S.T. Lagerwall, Appl. Phys. Let. 36, 899, 1980). Dies muß jedoch nicht notwendigerweise der Fall sein (W.A. Crossland, M. Bone, P.W. Ross, Proc. S.I.D., Vol 29, No. 3, Seiten 237-244, 1988).
Der elektroclinische Effekt in chiral-smektischen A-Flüssigkristallen verwendet die weiche dielektrische Relaxation, die bei der normalerweise verwendeten Bauteilgeometrie (Bahr. C.H. und Heppke - siehe oben) keine Analog-Modulation der Phase eines senkrecht auftreffenden Lichtstrahls ermöglicht, weil die optische Hauptachse durch die elektrischen Felder lediglich in einer Ebene orthogonal zum Lichtstrahl gedreht wird.
Sowohl bei 'stabilisierten' Goldstone-Mode-Bauteilen (ferroelektrisch) als auch bei elektroclinischen (weiche-Mode-) Bauteilen kann die Phase eines auftreffenden Lichtstrahls durch den elektrooptischen Effekt moduliert werden, wenn der Einfallwinkel des Lichtes nicht parallel zur Ebene der smektischen Schichten oder orthogonal zur Ebene ist, die die Bewegung der optischen Achse enthält.
In der EP-A-015 1508 ist eine Flachbildanzeige mit einer Vielzahl von Pixelelementen mit einer ersten elektronischen Schaltung zur Steuerung des Schaltens des Flüssigkeitskristalls und einer weiteren elektronischen Schaltung zur Erzielung einer elektrischen Signal-Verarbeitung und -Aufbereitung beschrieben Die weitere elektronische Schaltung ist durch körperlich getrennte Elemente aus Halbleitermaterial gebildet, die zwischen den Elektroden der Pixelelemente angeordnet sind.
Gemäß einem Grundgedanken der vorliegenden Erfindung wird ein intelligentes Pixel geschaffen, das einen chiral-smektischen Flüssigkristall-Lichtmodulator mit einem chiral-smektischen Flüssigkristallmaterial, das zwischen einem eine erste Elektrode tragenden Halbleitersubstrat und einer Platte angeordnet ist, die eine zweite Elektrode trägt, eine erste elektronische Schaltung, die in dem Halbleitersubstrat in der Nähe der ersten Elektrode angeordnet ist, um den Zustand des Flüssigkristallmaterials zu ändern und eine weitere elektronische Schaltung umfaßt, die derart ist, daß sie eine elektrische Signal-Verarbeitung und -Aufbereitung ergibt, und das dadurch gekennzeichnet ist, daß die weitere elektronische Schaltung in dem Halbleitersubstrat in der Nähe der ersten Elektrode ausgebildet ist und daß das Pixel ein oder mehrere Photodetektoren einschließt, die derart angeordnet sind, daß das Pixel optisch adressierbar ist.
Gemäß einem weiteren Grundgedanken der Erfindung wird ein Bauteil geschaffen, das eine Gruppe von intelligenten Pixeln jeweils gemäß der im vorstehenden Absatz genannten Art umfaßt und Einrichtungen einschließt, durch die elektronische Signale zwischen den intelligenten Pixeln übertragen werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
Fig. 1 einen Querschnitt durch eine übliche Flüssigkristallanzeige zeigt,
Fig. 2 den Eingang/Ausgang an ein intelligentes Pixel zeigt,
Fig. 3 schematisch eine Ausführungsform des intelligenten Pixels zeigt,
Fig. 4 schematisch eine weitere Ausführungsform des intelligenten Pixels zeigt,
Fig. 5 eine optische gerätemäßige Ausführung einer Matrix-Vektor-Multiplikation zeigt,
Fig. 6 einen üblichen räumlichen Lichtmodulator zeigt,
Fig. 7 schematisch eine Ausführungsform eines intelligenten Photodetektor/Schwellenwertschaltungs-Pixels zeigt,
Fig. 8 eine mögliche Schaltung für einen Teil des Pixels nach Fig. 7 zeigt,
Fig. 9 eine Anordnung von Photosensoren, Modulatoren und Mikroschaltungen zeigt,
Fig. 10 drei Ansichten a, b und c (perspektivisch, Draufsicht und Ansicht) eines optischen Verbindungsschemas zwischen Gruppenelementen zeigt,
Fig. 11 ein Beispiel einer Schaltung für ein Pixel in einer optischen Hybrid-Verarbeitungsanordnung zeigt,
Fig. 12 eine alternative Schaltung zu der nach Fig. 11 zeigt, und
Fig. 13 eine Wahrheitstabelle zeigt, die die logischen Funktionen angibt, die die Schaltung nach Fig. 12 liefert.
In einem üblichen räumlichen Lichtmodulator sprechen die Pixel auf eine Digital- oder Analogspannung an. Die vorliegende Erfindung betrifft spezielle räumliche Lichtmodulatoren, d.h. sogenannte intelligente Pixel. Die Bezeichnung als intelligente Pixel ergibt sich, wenn eine zirtliche Intelligenz' an dem Pixel vorgesehen ist (Lichtmodulator). Eine derartige zirtliche Intelligenz schließt beispielsweise einen statischen Speicher, eine Digital-/Analog-Wandlung und eine Photodetektor/ Schwellenwertschaltung ein, wobei Beispiele hierfür und für andere Möglichkeiten weiter unten beschrieben werden. Diese örtliche Intelligenz wird durch zusätzliche Schaltungen zusätzlich zu denen erzielt, die für die grundlegende Schaltfunktion des Modulators vorgesehen sind, der im Vorstehenden als Feldeffekttransistor (FET) beschrieben ist. Die zusätzlichen Schaltungen können in dem gleichen Bereich des Substrates wie der Modulator oder zumindestens in dessen Nähe ausgebildet werden.
Es wird derzeit angenommen, daß die Verbindung von chiralen Flüssigkristallen und Einkristall-VLSI-Siliziumsubstrat-Technologien die besten Aussichten für intelligente Pixelbauteile ergibt. Mit der VLSI-Siliziumtechnologie werden Sub-Mikrometer- Merkmalsgrößen vorausgesagt. Dies bedeutet, daß ein brauchbarer Umfang von Schaltungen unter einem einzigen Pixel-Lichtmodulator von beispielsweise einem Quadrat von 100 Mikrometern angesammelt werden kann. Die chirale Flüssigkristall-Technologie, die ferroelektrische und elektroclinische Effekte einschließt, bietet große elektrooptische Modulationseffekte bei vergleichsweise niedrigen Spannungen. Daher sind wesentliche feinere Zeilentechnologien als sie beispielsweise bei PLZT-Modulatoren möglich sind, nutzbar. Zusätzlich können hinsichtlich des Gesamtleistungsverbrauches, der bei höher entwickelten Versionen dieser Bauteile nicht außer Betracht gelassen werden kann, Vorteile aus der niedrigen Kapazität und der niedrigen Betriebsspannung des chiralen Flüssigkristall-Materials gezogen werden. Alle elektrooptischen Modulationsmöglichkeiten können berücksichtigt werden, nämliche binäre Amplitudenmodulation (ferroelektrisch), binäre Phasenmodulation (ferroelektrisch), analoge Amplitudenmodulation (elektroclinisch) und analoge Phasenmodulation (elektroclinisch oder ferroelektrisch).
Damit kann gesagt werden, daß die Bezeichnung als intelligentes Pixel sich ergibt, wenn die einzelnen Lichtmodulatorelemente (Pixel) zusätzlich mit elektronischen Schaltungen und optischen Detektoren versehen sind, die eine elektronische Aufbereitung oder Verarbeitung von Signalen oder Daten innerhalb der Pixel oder die elektronische Übertragung von Daten zwischen Pixeln ermöglichen. In dieser Hinsicht kann in Erwägung gezogen werden, daß dem Pixel weitere Funktionsmöglichkeiten hinzugefügt werden. Aus einer zweiten Richtung gelangt man zur Bezeichnung einer elektronischen Insel, die äquivalent zu einem intelligenten Pixel ist.
In einem optimierten elektrooptischen System könnte die Größe der intelligenten Pixel der Entfernung entsprechen, über die eine Übertragung unter Verwendung von elektronischen anstelle von optischen Möglichkeiten wirkungsvoller ist. Für Siliziumlogik, die bei den schnellstmöglichen Taktfrequenzen arbeitet, könnte diese Größe im Bereich von hunderten von Mikrometern bis Millimetern liegen. Dies bedeutet jedoch nicht, daß Systeme auf intelligenten Pixelstrukturen beruhen sollten, wenn die Pixelgröße kleiner als dieser Wert ist.
Das intelligente Pixel in seiner allgemeinsten Form (Fig. 2) in einer Anordnung oder Gruppe derartiger Pixel kann Daten von drei Quellen empfangen: elektronischer Eingang von der äußeren Schaltung, elektronischer Eingang von den benachbarten Pixelschaltungen und optische Eingangssignale von entfernten Gruppen oder Anordnungen. Das Pixel überträgt Daten an die äußeren Schaltungen (wenn es als reiner Photodetektor wirkt), an benachbarte Pixel (wenn irgendeine örtliche Nachbarschaftsoperation oder eine Bildverschiebung erforderlich ist) oder zurück in den optischen Bereich über den Flüssigkristall- Modulator.
Eine übliche Anordnung, die zum Ansteuern nematischer Flüssigkristallpixel in Anzeigebauteilen verwendet wird, ist in Fig. 1 gezeigt. Eine ähnliche Anordnung kann zur Ansteuerung von ferroelektrischen Flüssigkristallpixeln in räumlichen Lichtmodulatoren verwendet werden. Die Ziele bei der Anpassung dieser Anordnung in ferroelektrischen Flüssigkristall-SLM's besteht darin, die Zeit zu verringern, die erforderlich ist, um einen Rahmen von Daten zu adressieren, verglichen mit einer direkt multiplexierten Anordnung von Pixeln, und das Kontrastverhältnis, möglicherweise von 100 : 1 auf einen wesentlich größeren Wert zu verbessern.
In Fig. 1 ist an jedem Pixel ein Schalttransistor vorgesehen, um dieses Pixel ein- oder auszuschalten. Es ist eine aktive Rückwandebene vorgesehen, die einen Schalttransistor in der dargestellten Form an jedem Pixel enthält, so daß die Pixelschaltung einer Zelle eines dynamischen Speichers mit wahlfreiem Zugriff (DRAM) ähnelt, wobei der ferroelektrische Flüssigkristall als Kondensator-Dielektrikum wirkt. Eine derartige Anordnung ist jedoch nicht 'intelligent'.
Bei der vorstehend beschriebenen DRAM-Pixelstruktur und der aktiven Rückwandebenen-Adressierung gibt es Reihen- und Spaltenleiter. Die Reihen sind mit den Gate-Elektroden der Transistoren verbunden, die Spalten mit den Source-Elektroden, und die Pixelkissen (Elektroden) mit den Drain-Elektroden. Der Leistungsverbrauch bei chiral-smektischen Flüssigkristall- Modulatoranordnungen ist niedrig. Aufgrund des hohen spezifischen Widerstands des Flüssigkristall-Materials (spezifischer Widerstand in der Größenordnung von 10¹&sup0;X cm) verhält sich das Pixel als ein Kondensator mit einem vernachlässigbaren Leckstrom. Entsprechend wird die Leistung in den Transistortreibern und den Leiterbahnen zu den Pixeln verbraucht.
Bei Zellen von DRAM-Typ unter Verwendung von chiral-smektischen Flüssigkristallen auf einer Siliziumtechnologie ergeben sich Einschränkungen, wenn versucht wird, die spontane Polarisation des Flüssigkristalls zu vergrößern, um die Schaltzeit zu verringern und die Bildrahmenrate zu vergrößern. Derartige Probleme können unter Inkaufnahme einer vergrößerten Pixelkompliziertheit unter Verwendung von Pixelschaltungen verringert werden, die statischen RAM-Speicherzellen ähneln, derart, daß das elektrooptische Schalten nicht in einem isolierten Kondensator erfolgt, sondern daß die Pixel-Kondensatorspannung dadurch aufrechterhalten wird, daß Gleichspannungen an jedes Pixel geliefert werden Es wurden bereits SLM mit Pixelschaltungen, die statischen RAM- Speicherzellen ähneln und die wesentlich langsameren nematischen Flüssigkristalle verwenden, vorgeschlagen. Die vorliegende Erfindung schlägt jedoch intelligente Pixel auf der Grundlage einer integrierten Siliziumschaltungstechnologie (VLSI) zusammen mit chiral-smektischen Flüssigkristallen und Photodetektoren vor. Die Verwendung eines chiral-smektischen Flüssigkristalls auf einer Silizium-VLSI-Technologie ist vorteilhaft, weil die Geschwindigkeit der einen Technologie die der anderen ergänzt, während der Leistungsverbrauch zu einem Minimum gemacht wird. Statische RAM-Speicherzellen unter Verwendung chiral-smektischer Flüssigkristalle sind lediglich ein Beispiel von intelligenten Pixeln, d.h. von Pixeln mit einer daran vorgesehenen zirtlichen Intelligenz', oder, mit anderen Worten, Pixeln, die eine Signalverarbeitung und -aufbereitung beinhalten.
Es gibt verschiedene Anwendungen bei der optischen Signal-/Informations-Verarbeitung, bei der intelligente SLM's (Pixel) verwendet werden können. Die Pixel können optisch oder elektrisch adressiert werden, wobei die Lichtmodulation hinsichtlich der Amplitude oder Phase binär oder analog ist.
Bei der digitalen optischen Verarbeitung können die arithmetischen und logischen Operationen, die sich auf zwei Bildanordnungen beziehen, unter der Verwendung von sieben grundlegenden Operationen ausgeführt werden, die die nächstbenachbarten Pixel (links, rechts, aufwärts, abwärts oder N, S, O, W (Nord, Süd, Ost, West)) umfassen. Dies sind die Schiebe- Operatoren (links, rechts, aufwärts, abwärts) der Anordnungs- Komplement-Operator, ein Ersetzungs-Operator (der ein Zielmuster feststellt und es durch ein 'Ikon' Muster an jeder Stelle in dem Bild ersetzt) und ein Gruppen- oder Anordnungs-ODER-Operator, der Pixel für Pixel bei den beiden Bildern verarbeitet. Die grundlegenden Logikoperationen können sehr bequem unter Verwendung intelligenter binärer Pixel als Verarbeitungsgruppen oder -anordnungen ausgeführt werden. Die adaptiven Zwischenverbindungen zwischen den Logikgruppen oder -anordnungen können durch einen optischen NxN-Kreuzschienenschalter spezifiziert werden. Ein intelligentes binäres Pixel kann weiterhin zur Erzielung einer vorübergehenden Speicherung von Datenbildern verwendet werden. Die digitale optische Verarbeitung wird weiter unten ausführlicher unter Bezugnahme auf die Fig. 9 - 13 beschrieben.
In optischen Prozessoren oder Verarbeitungseinrichtungen, beispielsweise in kohärenten Prozessoren, obwohl keine Beschränkung auf kohärente Prozessoren besteht, können SLM's mit hoher Qualität in der Eingangsebene oder als adaptive räumliche Filter in der Fourier-Transformationsebene verwendet werden, um Bildverbesserungs- und Mustererkennungsaufgaben in Echtzeit durchzuführen. Das allgemeinste und grundlegendste Verfahren, das bei einem kohärenten System erforderlich ist, ist die präzise Analog-Modulation der Amplitude und Phase der Wellenfront eines Lichtstrahls mit einem gut definierten Wellenvektor. In weiterentwickelten Systemen mit mehreren optischen Pfaden kann die Überlagerung vieler genau modulierter Strahlen erforderlich sein. Die Phasor-Eigenart der kohärenten Überlagerung ergibt schwerwiegende Beschränkungen hinsichtlich der annehmbaren Phasenänderungen, wenn störende Intensitätsmodulationen vermieden werden sollen. Eine sehr große optische Ebenheit ( λ/100 nm in reflektierenden Bauteilen) und Homogenität sind erforderlich, um Störphasenänderungen auf ≤ 0,1 rad für ein optimales Betriebsverhalten zu beschränken. Intelligente Pixel mit Digital-/Analog-Wandlerschaltungen in jedem Pixel, wie sie weiter unten beschrieben werden, ermöglichen es, diese engen mechanischen Toleranzen dadurch zu lockern, daß eine Möglichkeit geschaffen wird, das optische Ansprechverhalten über die Fläche des Bauteils abzugleichen.
Ein grundlegender intelligenter Analog-SLM, der Grauskalenfähigkeiten hat, kann intelligente Pixel aufweisen, die die in Fig. 3 gezeigten Funktionen beinhalten. Das Pixel ist das (i, j)-ste Pixel einer Anordnung oder Gruppe. Eine Pixelelektrode oder ein Spiegel 10 ist auf einem Halbleitersubstrat vorgesehen. Weiterhin ist eine Gegenelektrode 11 vorgesehen, die über einer chiral-smektischen Flüssigkristallschicht 12 liegt. Weiterhin ist ein Speicherregister 13 und ein geschaltetes Widerstandsnetzwerk (oder DAC - Digital-/Analog-Wandler) 14 vorgesehen. Ein Flüssigkristall-Ansteuersignal wird dem Netzwerk 14 zugeführt. Das Ansteuersignal kann von einer der folgenden Einrichtungen abgeleitet werden:
(a) von einer gemeinsamen Leistungsschiene, so daß allen Pixeln die gleiche konstante Spannung zugeführt wird,
(b) von einer äußeren Gleichspannungs- oder Wechselspannungs- (d.h. getakteten) Spannungsquelle,
(c) von einem Spannungssignal, das durch die Intensität des Lichtes erzeugt wird, das auf einen Photosensor in der Pixelschaltung auftrifft,
(d) von einem Spannungssignal, das durch Abfragen von benachbarten Pixeln erzeugt wird.
Das Ansteuersignal wird elektronisch auf das Pixel unter Verwendung des Netzwerkes oder des DAC 14 abgeglichen. Ein gesteuertes 3-Bit-Netzwerk kann 8 Pegel für die Amplitudensteuerung des Signals liefern, das längs der Flüssigkristallschicht in jedem Pixel angelegt wird. Die Betriebsweise kann wie folgt sein. Nach dem Rücksetzen wird ein Signal für einen 'signifikanten Platz' allgemein abgesandt, um die Siliziumanordnung oder -gruppe darüber zu informieren, daß ein nachfolgend zu übertragender Datensatz das Bitmuster für den höchstbewerteten Graupegel eines Bildes darstellt. Für jedes Pixel wird das Signal an der Reihen'Daten'-Leitung torgesteuert durch den Spalten- 'Freigabe'-Impuls in das höchstbewertete Bit des Speicherregisters eingeleitet, wodurch andererseits die 'Widerstandsleiter' (oder der Digital-/Analog-Wandler) gesetzt wird, um das Flüssigkristall-Ansteuer- Signal zu modifizieren, das dem Spiegel bzw. der Elektrode des Pixels zugeführt wird. Als nächstes wird das Signal für den 'signifikanten Platz' erneut aktiviert, um das nächste Datenbit in das nächstniedrig bewertete Bit des Speicherregisters einzuleiten. Dies ruft selbstverständlich eine weitere Modifikation des Flüssigkristall-Ansteuersignals hervor. Der Vorgang wird fortgesetzt, bis das niedrigstbewertete Bit geladen wird oder bis das Schreiben des Bildes durch einen Mikrocomputer beendet wird, der den Betrieb steuert, beispielsweise wenn ein entsprechendes Merkmal von wesentlicher Bedeutung in dem Bild festgestellt wird. Bei geeigneter Auslegung des Widerstandsnetzwerkes/DAC kann die Silizium-Rückwandebene unter bestimmten Umständen dazu verwendet werden, (a) mechanische Fehler des SLM auszugleichen, (b) Grauskalenmuster bei zunehmenden Einzelheit-Werten anzuzeigen und (c) wenn das Flüssigkristall-Ansteuersig nal von der Intensität des auf das Pixel fallenden Lichtes abgeleitet wird, arithmetische Operationen an dem von dem Pixelspiegel reflektierten Licht durchzuführen. Das Merkmal (c) ist weiterhin auf binär adressierte SLM's anwendbar und wird weiter unten ausführlicher erläutert, insbesondere unter Bezugnahme auf neuronale Netzwerke.
Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform einer intelligenten Pixel- Schaltung, die eine Phasenmodulation bei 8 Werten erzeugt (bei 2nπ, (2n-1)π und 6 Zwischenwerten, wobei n durch die optische Dicke der Zelle bestimmt ist). Daten werden in das statische Speicherregister 20 geladen und ein Datenwort D&sub3; D&sub2; D&sub1; D&sub0; wird zur Steuerung des Widerstandsnetzwerkes in dem DAC 21 verwendet. Der Analogausgang des DAC 21 wird so eingestellt, daß der Eingang D&sub3; D&sub2; D&sub1; D&sub0; ein Signal (VB/2 + VD) erzeugt und der komplementierte Eingang D&sub3; D&sub2; D&sub1; D&sub0; ein Signal (VB/2 - VD) erzeugt. Bei der dargestellten EXKLUSIV- NOR-Anordnung schwingt die Spannung an dem Pixelspiegel 22 mit der Taktfrequenz mit einer Amplitude VD um einen mittleren Gleichspannungspegel von 1/2 VB. Die Vorspannung an der Gegenelektrode 23 stellt sicher, daß sich keine mittlere Gleichspannung längs des Flüssigkristalls 24 ergibt, die eine Beeinträchtigung dieses Flüssigkristalls ergeben würde.
Bei der digitalen Bildverarbeitung ist es in vielen Fällen nach der Erfassung einer Szene wesentlich, als vorangehende Stufe der Verarbeitung Kanten und Konturen festzustellen und das Bild dann in Segmente zu unterteilen. Für diejenigen Aufgaben, die eine Echtzeitanalyse von großen Datengruppen oder -Anordnungen erfordern, kann eine optische Vorverarbeitung erforderlich sein, und daher besteht ein Bedarf an intelligenten Pixeln, die eine grundlegende Verarbeitung mit hoher Geschwindigkeit durchführen können. Dies kann auf einem Siliziumchip dadurch erreicht werden, daß eine Eingangsgruppe von Photodetektoren hergestellt wird, wobei in den Zwischenräumen eine optische Gruppe von lichtmodulierten Pixeln angeordnet ist, die durch eine Flüssigkristallschicht über einem kleinen Aluminiumspiegel gebildet sind, der direkt auf die Siliziumoberfläche aufgedampt ist. Die optische Transmission jedes Pixels wird durch das Ansteuerspannungssignal gesteuert, das der Spiegelelektrode zugeführt wird, wobei dieses Ansteuersignal durch die Zustände der benachbarten Photodioden bestimmt ist. Durch Einfügung entsprechend ausgelegter digitaler Schaltungen in jeden Pixel kann das reflektierte Leselicht von dem Bauteil ein Ausgangsbild ausgehend von einem gestörten Eingangsbild liefern, das je nach Bedarf verbesserte Kanten, einen verbesserten Kontrast aufweist oder in Segmente unterteilt ist. Diese Pixel arbeiten in einer Reflexionsbetriebsweise, doch sind auch in der Transmissionsbetriebsart arbeitende Pixel bei Wellenlängen von mehr als 1 Mikrometer möglich, wobei in diesem Fall keine Aluminiumspiegel vorhanden sind.
Neuronale Netzwerke sind parallele verteilte Systeme zur Verarbeitung von Informationen in einer nicht-algorithmischen Weise, und sie sind grundlegend Mustererkennungssysteme. Typische Anwendungen ergeben sich bei fehlerkorrigierenden Teilsystemen in optischen Übertragungsstrecken, bei assoziativen Speichern in Rechnersystemen und bei der Wartung und Steuerung von Produktionslinien, wo präzise analytische Verfahren nicht möglich sind und das Steuersystem unter Verwendung von Expertenwissen trainiert werden muß. Die Optik wird als vielversprechende Technologie für neuronale Netzwerke betrachtet, weil sie in der Lage ist, in wirtschaftlicher Weise massiv parallele Zwischenverbindungen zu schaffen. Gemeinsame Merkmale, die viele neuronale Netzwerkarchitekturen vereinen, sind die Multiplikation eines Eingangsvektors mit einer Matrix von Wertigkeiten, gefolgt von der Anwendung von nicht-linearen Schwellenwerten auf die Komponenten des Produktvektors. Für diejenigen neuronalen Netzwerke, die mathematisch durch eine Matrixvektor-Multiplikation dargestellt werden können, ist eine übliche Anordnung für die optische Ausführung eines derartigen neuronalen Netzwerkes in Fig. 5 der beigefügten Zeichnungen gezeigt. Ein Eingangsvektor = [ S&sub1; S&sub2; ..... SN]T wird als eine Spalte von stabilisierten Lichtquellen realisiert, von denen jede gleichförmig eine einzige Reihe von Elementen in einer Maske (Matrix) M = [Mij] beleuchtet. Optische Lenkungseinrichtungen (Linsen oder Hologramme) stellen sicher, daß das durch die j-te Spalte der Maske hindurchlaufende Licht von dem Photodetektor D'j aufgefangen wird. Der Ausgangsvektor ist die Reihe '= [D'&sub1; D'&sub2; ..... D'N]. Die Intensität Ij des auf den j-ten Photodetektor fallenden Lichtes ist:
Ij = Io Si Mij.
Beispielsweise nimmt bei dem Hopfield-Modell (J.J. Hopfield, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 79, 2554-58 (1982)), Si Binärwerte an, Mij kann Analogwerte in dem Bereich von 0 bis 1 annehmen, und der Schwellenwert ist 'hart'. Io ist die Intensität, wenn lediglich eine Quelle und ein Maskenelement vollständig eingeschaltet sind. In der einfachsten Version wird eine Rückführungsanordnung benötigt, die die Quelle Sj gemäß den folgenden Bedingungen schaltet:
Sj = 1 (EIN) wenn Ij > θj
Sj = 0 (AUS) wenn Ij ≤ θj
worin θj ein steuerbarer Schwellenwert ist. Dies ist ein Beispiel für einen 'harten' Schwellenwert.
Wenn ein willkürlicher Eingangsvektor dadurch geliefert wird, daß ein Muster der Lichtquellen für eine kurze Periode erzwungen wird, so spricht das System dadurch an, daß es das am besten passende, in der Maske gespeicherte Muster findet und anzeigt. Wenn eine adaptive Maske mit einem temporären Speicher (beispielsweise ein SLM) verwendet wird, so kann das Netz so trainiert werden, daß Zielmuster für einen späteren Aufruf durch ähnliche, jedoch nicht notwendigerweise identische Eingangsmuster gespeichert werden.
Ein optisches neuronales Netzwerk ist in der Veröffentlichung 'Designs and devices for optical bidirectional associative memorles' C. Guest et al. Applied Optics. Vol. 26, No. 23, 1. Dezember 1987, Seiten 5055 - 5060 beschrieben. Eine kompakte bidirektionale assoziative Speicherausführung, die hierin beschrieben ist, verwendet ein räumliches Lichtmodulatorbauteil, das eine Anordnung von Einzelelement-Detektoren, gepaart mit optischen Modulatoren einer ähnlicher Form umfaßt. Auf einen Detektor fallendes Licht bewirkt, daß sein zugehöriger Modulator stärker transparent wird. Der in Fig. 6 der beigefügten Zeichnungen gezeigte bekannte räumliche Lichtmodulator besteht aus abwechselnden Streifen von Silizium-Photodetektoren 31 und elektrooptischen Modulatoren 32. Das Signal für jeden Detektor wird in einer Silizium-Ansteuerschaltung 33 verstärkt und einem Schwellenwert unterworfen, worauf diese Schaltung dann den zugehörigen Modulator ansteuert. Zwei derartige Bauteilanordnungen, die orthogonal zueinander mit einer Verbindungsmatrix zwischen den einzelnen Bauteilen ausgerichtet sind, werden zur gerätemäßigen Ausführung eines optischen bidirektionalen assoziativen Speichers verwendet. Es wird in der oben erwähnten Veröffentlichung vorgeschlagen, daß derartige räumliche Lichtmodulator-Bauteile durch ein Hybridsystem mit Siliziumdetektoren und Schaltungen und mit PLZT-Modulatoren gebildet sein können. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann dieses Bauteil durch ein intelligentes Pixel mit einem Photodetektor, einer Flüssigkristall-Modulatorzelle und geeigneten Ansteuerschaltungen gebildet sein, wobei das Pixel durch einen chiralen smektischen Flüssigkristall auf einer Silizium- Technologie gebildet sein kann. Fig. 7 zeigt die Funktion der Schaltungen, auf denen ein derartiges intelligentes Pixel beruht. Die Schaltung umfaßt einen Photodetektor 41, einen Weiterleitungstransistor 42, einen Zwischenspeicher 43, eine EXKLUSIV-NOR-Anordnung 44 und eine Flüssigkristall-Modulatorzelle 45 mit einem Pixelspiegel 46 und einer Gegenelektrode 47, zwischen denen der Flüssigkristall 48 angeordnet ist. Fig. 8 zeigt eine mögliche Anordnung der Transistoren, die die Pixelschaltung bilden, d.h. den Weiterleitungstransistor 42, den Zwischenspeicher 43 und das EXKLUSIV-NOR-Glied 44.
Diese Schaltung zeigt, wie die Schaltungsfunktionen unter Verwendung eines elektrooptischen Mediums (beispielsweise eines Flüssigkristalls) ausgeführt werden können, das auf die angelegte Effektivwertspannung anspricht. In den hier betrachteten Fällen der Effekte in chiralen smektischen Flüssigkristallen würde diese Schaltung so modifiziert werden, daß sie das polaritätsabhängige Ansprechverhalten dieser elektrooptischen Materialien berücksichtigt.
Der Schwellenwert θj, bei dem der Pixelzwischenspeicher ausgelöst werden kann, wenn der Weiterleitungstransistor freigegeben (ENABLED) ist, wird durch die Vorspannung Vbias bestimmt. Der Zwischenspeicher wird daher in Abhängigkeit von der Gesamtintensität des auf den Photodetektor (Photodiode) 41 fallenden Lichts gesetzt oder rückgesetzt. Der Ausgang des Zwischenspeichers steuert über die EXKLUSIV-NOR-Anordnung das Spannungsansteuersignal, das an die Spiegelelektrode angelegt wird. Die Verwendung des Zwischenspeichers bedeutet, daß eine angelegte Spannung entfernt werden kann, ohne daß die Spannung an dem Pixel (Flüssigkristall) absinkt. Ein universelles Taktsignal CK oder dessen Komplement wird an die EXKLUSIV-NOR-Anordnung angelegt, und das Taktsignal CK wird an die Gegenelektrode angelegt. Der Komplement-Eingang ermöglicht die Durchführung einer Bildumkehrung und wird dazu verwendet, um sicherzustellen, daß keine verbleibende Gleichspannung längs des Flüssigkristalis angelegt wird. In Abhängigkeit von dem Zustand des Freigabe- Einganges kann die Zelle asynchron oder mit einer getakteten synchronen Logik laufen. Die Schaltungselemente nach Fig. 7 können alle in einer Siliziumtechnologie ausgebildet werden, und der Flüssigkristall kann sich über den Detektor sowie über den Modulator erstrecken, vorausgesetzt, daß der Flüssigkristall über dem Detektor immer lichtdurchlässig ist und daß es irgendein Verfahren der Trennung der Modulator-Ansteuerschaltung von der Photobetätigung durch auf den Detektor fallendes Licht gibt. Es wird auf unsere anhängige GB-Patentanmeldung 8911917.6 (Veröffentlichungs-Nr. ...) (N. Collings - 8) verwiesen, deren Inhalt durch diesen Hinweis hier mit aufgenommen wird und die die Verwendung von intelligenten Pixeln mit Photodetektor-/Schwellenwertschaltungen als eine neuronale Ebene für neuronale Netzwerkanwendungen beschreibt.
Verschiedene Beispiele von Bestandteilen und Funktionen von intelligenten Pixeln werden nachfolgend zusammengefaßt, nämlich:
1. Photodiode; Zwischenspeicher; Schwellenwert mit scharfer Begrenzung und ferroelektrischer Flüssigkristallmodulator.
Eine Anordnung derartiger intelligenter Pixel kann eine gerätemäßige Ausführung eines neuronalen Netzwerkes nach Hopfield bilden.
2. Photodiode; Zwischenspeicher; UND/ODER-Logik in Verbindung mit benachbarten N-, S-, O-, W-Pixeln und einem ferroelektrischen Modulator.
Eine Anordnung derartiger Pixel kann die grundlegenden Operationen einer binären Bildalgebra gerätemäßig ausführen.
3. Photodiode; Zwischenspeicher; N-, S-, O-, W-Verbindungen und ferroelektrischer Modulator.
Derartige intelligente Pixel können beispielsweise in einem optischen Korrelator verwendet werden, wenn dort die Möglichkeit einer räumlichen Standardabweichung besteht, die das System beschränkt, oder wenn eine Koordinatentransformation durchgeführt wird und es wichtig ist, das Bild richtig zu zentrieren, wobei in einem derartigen Fall eine seitliche Bewegung eines aufgefangenen Bildes von Bedeutung sein würde.
4. Wie bei 3., und mit Detektorschaltungen am Umfang der Anordnung oder Gruppe.
Auf diese Weise kann eine Photodetektoranordnung oder -gruppe mit intelligenten Pixeln zur Erkennung von Folgen von Korrelationsspitzen erzielt werden.
5. Eine Photodiode in Verbindung mit einer Zeile von Modulatoren und mit einer fest verdrahteten Logik, so daß die Photodiode einen Modulator einschalten kann, während der Rest abgeschaltet bleibt.
Diese Anordnung stellt ein wichtiges Bauteil für SLM- Kreuzschienenschalter dar.
6. Zwischenspeicher; Widerstandsleiter; ferroelektrischer/electoclinischer Modulator.
Hierdurch kann die DAC-Funktion gerätemäßig ausgeführt werden.
7. Photodioden-Gruppe oder -Anordnung mit 64 Elementen; Mikroprozessor; 64 ferroelektrische Modulatoren.
Hierdurch kann ein optischer 64-Kanal-BUS oder eine Sammelschiene ausgeführt werden, die zwischen Prozessoren angeschaltet ist.
Die vorstehende Beschreibung bezieht sich lediglich auf Beispiele von möglichen intelligenten Pixeln. Es ist klar zu erkennen, daß sich die genaue integrierte Schaltung, die dem Pixel zugeordnet ist, in Abhängigkeit von der beabsichtigten Funktion des intelligenten Pixels ändert. Um die Siliziumfläche in wirtschaftlicher Weise auszunutzen, sollte die integrierte Schaltung unter dem Lichtmodulator (Spiegel) angeordnet sein und hierfür eine aktive Rückwandebene bilden. Dies setzt voraus, daß eine Planarisierungstechnik verwendet wird, um optisch ebene Oberflächen über der integrierten Schaltung zu erzeugen.
Die örtlich angeordnete Intelligenz an dem vorstehend beschriebenen Modulator kann örtliche punktweise Operationen an dem Modulator umfassen, beispielsweise einen Sobel-Operator, der eine bewertete Summe der nächstgelegenen benachbarten Pixelwerte im Fall von Pixeln ist, die in Gruppen oder Anordnungen angeordnet sind. Die elektrische Signalverarbeitung und Aufbereitung an einem Pixel kann beispielsweise eine Schwellenwertbildung umfassen. Durch die Anordnung von einem oder mehreren Photodetektoren an jedem Pixel kann die Intelligenz optisch zusätzlich zur elektronischen Änderung modifiziert werden.
Digitale optische Verarbeitungen unter Verwendung von intelligenten Pixeln werden nunmehr ausführlicher beschrieben. Es ist in der digitalen Bidlverarbeitung gut bekannt, daß eine Maschine zur gerätemäßigen Ausführung irgendeiner willkürlichen Binärlogikfunktion, die sich auf 2-D-Bitgruppen von Daten bezieht (binäre Bilder), unter Verwendung einer Kombination von Logikverknüpfungsgliedern aufgebaut sein kann, die aus einem grundlegenden Satz ausgewählt sind.
Ein typischer grundlegender Satz von logischen Verknüpfungsgliedern, Funktionen oder Operatoren ist wie folgt:
1. Ein Identitätsoperator, der die 2-D-Bit-Anordnung unverändert läßt.
2. Linksverschiebungs-, Rechtsverschiebungs-, Aufwärts- und Abwärtsverschiebungsoperatoren, die eine Bewegung des Bildes gegenüber den Gruppenindizes durch eine Verschiebung des vollständigen Bildes um ein einzelnes Bit nach links, rechts, nach oben oder nach unten hervorrufen.
3. Ein Gruppenkomplement-Operator, der den logischen Wert in jedem Pixel der Gruppe durch dessen logisches Komplement ersetzt.
4. Einen NAND-Operator, der die logische NAND-Verknüpfung zwischen dem Datenwert in einem Pixel eines Bildes und dem in dem entsprechenden Pixel des zweiten Bildes erzeugt.
Ein weiterer wünschenswerter Operator ist ein Ersetzungsoperator, der ein Muster in einem Bild feststellt und dieses Muster an jeder Stelle durch ein anderes (Ersetzungs-) Muster ersetzt.
Ein hybrides elektronisch-optisches Bauteil, das das grundlegende Element für einen optischen Logikprozessor oder Computer bilden kann, ist schematisch in Fig. 9 gezeigt. Das Bauteil besteht aus einer zweidimensionalen Anordnung oder Gruppe von intelligenten Pixeln, die auf einem Substrat hergestellt sind. Jedes Pixel weist (a) einen Photosensor P zur Feststellung eines optischen Eingangssignals, (b) einen Wandler zur Modulation eines Abfrage-Lichtstrahls oder eine Quelle zur Erzeugung eines Lichtstrahls als ein optisches Ausgangssignal und (c) Mikroschaltungen auf, die auf dem Substrat hergestellt sind, um die Modulation des optischen Ausgangsstrahls zu steuern. In Fig. 9 stellt P(i,j) den Photosensor, M(i,j) den Modulator (oder die Quelle) und C(i,j) die Mikroschaltungen für das Pixel in der i-ten Reihe und der j-ten Spalte der Gruppe dar (i = 1, 2, ...l und j = 1, 2, ...m).
Die Betriebsweise der Mikroschaltungen an jedem Pixel wird durch elektrische Signale E(1), E(2) ... E(n) gesteuert, die allen Pixeln in der Gruppe gleichzeitig zugeführt werden. Benachbarte Pixel sind miteinander verbunden, so daß das optische Ausgangssignal L(i,j) von dem (i,j)-ten Pixel von den Eingangslichtsignalen B(i,j), B(i+1,j), B(i-1,j), B(i,j+1) ... usw. abhängt die dem (i,j)-ten Pixel und dessen Nachbarn zugeführt werden, wobei das genaue Ansprechverhalten durch die Werte des elektrischen Eingangssignals E(k), k=1, ....n bestimmt ist. Indem vorgesehen wird, daß das Ansprechverhalten derart ist, wie es in den Boolean'schen Ausdrücken festgelegt ist ('An adaptive Fourier Optical Processor', I. Underwood, P.H. Wilson, R.M. Sillitto und D.G. Vass, Proc SPIE 860, 2-8 (1987)) oder in äquivalenten Beziehungen festgelegt ist, können alle der grundlegenden zweidimensionalen Logikverarbeitungsfunktionen, die im Vorstehenden erläutert wurden, in einem einzigen Bauteil realisiert und unter elektrischer Steuerung ausgewählt werden.
L (i,j) = R(i,j) (6) + (i,j) E(6) (1)
worin
(i,j) = (1) B(1,j) + (2) B(i,j-1) + (3)B(i,j+1) + (4) B(i-1,j) + (5) B(i+1,j)
Gültige Ausgangssignale werden für alle Pixel erzielt, die
i = 2, 3 ..., (l-1)
und j = 2, 3, ... (m-1) gilt.
Die Funktion in der Gleichung (1) kann durch vielfältige unter schiedliche Varianten dieses logischen Ausdruckes realisiert werden. Das De Morgan'sche Theorem ermöglicht beispielsweise eine Vertauschung der UND- und der ODER-Funktion.
Im Prinzip können die einzelnen Pixel jeweils so programmiert werden, daß sie eine bestimmte Logikoperation unabhängig ausführen, indem eine ausreichend große Anzahl von elektrischen Steuersignalen, oder, was wirtschaftlicher ist, Speicherregister in den Mikroschaltungen an jedem Pixel eingeschlossen werden, um den Steuercode zu speichern. Leistungsfähige Verarbeitungsanordnungen ohne Pixelspeicherregister können ebenfalls dadurch hergestellt werden, daß die Anordnung in einige wenige Teilgruppen entweder in aneinander angrenzenden Blöcken oder verschachtelt unterteilt wird, so daß, während jedes Pixel in jeder Teilgruppe ein identisches Verhalten aufweist, diee Teilbaugruppen unterschiedliche optische logische Operationen ausführen können, falls dies erforderlich ist.
Wie dies in einem System verwendet wird, wird nunmehr unter Bezugnahme auf die Figuren 10 (a, b und c) erläutert, in denen eine Hybrid-Verarbeitungsgruppe 51 in ein System mit Anordnungen zum Empfang der Ausgangsbilder von zumindestens zwei weiteren Anordnungen oder Gruppe (52 und 53) eingeschaltet ist, die in genauer Weise auf dessen Photosensoren in Überdeckung gebracht sind. Die Anordnung oder Gruppe 51 überträgt weiterhin das Ausgangsbild von seinen Modulatoren zu den Eingangs-Photosensoren auf zumindestens zwei weiteren Gruppen (54 und 55) wiederum genau in Pixel-für-Pixel-Überdeckung. Die Abbildungsoptik ist in Fig. 10 nicht im einzelnen gezeigt, doch kann sie unter Verwendung üblicher Linsen und Strahlteiler (58), holographischer Elemente, kleiner Linsenanordnungen und/oder integrierter optischer Techniken ausgeführt werden.
Durch Zusammenbau von Systemen, die optische Standardverbindungen und die elektronisch-optischen Standard-Hybrid-Prozessoranordnungen verwenden, können vielseitige optische Logikprozessoren oder Rechner aus lediglich einigen wenigen Arten von Modulatoreinheiten zusammengebaut werden. Die logische Architektur wird danach durch die elektrischen Signale bestimmt. Die Information wird zwischen den logischen Verknüpfungsgliedern durch wiederhergestellte optische Signale geführt.
Wie dies weiter oben unter Bezugnahme auf Fig. 1 usw. beschrieben wurde, können die Rechner/Prozessor-Bauteile unter Verwendung von hochentwickelten Silizium-Mikrofabrikations- und Flüssigkristalltechnologien hergestellt werden. Der Einschluß von Photodioden oder Phototransistoren als die Photosensoren, die auf dem Einkristall-Siliziumsubstrat oder in amorphen Siliziumfilmen hergestellt sind, die auf der Oberfläche zum Aufwachsen gebracht wurde, ist ein einfacher Vorgang. Es ist klar zu erkennen, daß es verschiedene Mikroschaltungs-Herstellungstechnologien gibt, die mit der Schaffung von Photosensoren, Photoemittern und Lichtmodulatoren in integrierten Bauteilen oder zumindestens in kompakten Bauteilen kompatibel sind, und diese können daher zur Herstellung der Hybrid-Prozessorgruppe verwendet werden.
Zwei beispielhafte gerätemäßige Ausführungen werden nunmehr erläutert. Die erste bezieht sich auf die Ausführung der Identitäts-, Schiebe- und Komplement-Operationen. Gemeinsame E(k)- Signale werden gleichmäßig an alle Pixel der Gruppe für jeden k-Wert ausgesandt, worin k = 1, ... 6 ist. Für eine Kaskade von q Gruppen können die folgenden Operationen in klar ersichtlicher Weise ausgeführt werden:
(i) Ein Datenbild kann unverändert durch das kaskadierte System und in der gleichen Relativposition zu den Gruppenindizes übertragen werden, d.h. die Identitätsoperation kann durchgeführt werden. Dies wird dadurch erzielt, daß
E(1) = 0, E(2) = E(3) = E(4) = E(5) = E(6) = 1
für alle Bauteile in der Kaskade eingestellt wird.
(ii) Ein Bild kann um r-Bits nach links verschoben werden, worin r < q ist. Dies wird dadurch erreicht, daß beispielsweise
E(3) = 0, E(1) = E(2) = E(4) = E(5) = E(6) = 1
auf r Gruppen gesetzt wird, während
E(1) = 0, E(2) = E(3) = E(4) = E(5) = E(6) = 1
bei den verbleibenden (q - r)-Gruppen in der Kaskade gesetzt wird. Die Rechts-, Aufwärts- und Abwärts- Verschiebungsoperationen können in einer analogen Weise erzielt werden. Es sei bemerkt, daß Rückführungstechniken, bei denen ein die Kaskade verlassendes Bild nachfolgend zum Eingang der Kaskade zurückgeführt wird, verwendet werden können, um Bilder zu erzeugen, die um eine Anzahl von Bits verschoben sind, die größer als q ist. Weiterhin können durch elektrische Verbindung der letzten Reihe rnit der ersten Reihe und der letzen Spalte mit der ersten Spalte die Drehoperatoren realisiert werden.
(iii) Die Gruppen-Komplementoperation kann dadurch ausgeführt werden, daß
E(1) = 0, E(2) = E(3) = E(4) = E(5) = 1 und
E(6) = 0 auf einer Gruppe gesetzt wird.
Die zweite beispielhafte Ausführung ist die Gruppen-NOR- Operation bezüglich zweier Datenbilder. Um die NOR-Operation zwischen zwei Bildern durchzuführen, ist es erforderlich, vorzusehen, daß die Datensignale für das erste Bild I(p,q) lediglich die ungeradzahligen Spalten einer Pixelgruppe oder Anordnung verwenden, während die Datensignale für das zweite Bild I'(p',q') lediglich die geradzahligen Spalten einer Gruppe verwenden. Die beiden Bilder können dann in einem verschachtelten Format auf einem einzigen Bauteil aufgenommen werden. Wenn die beiden Datenbilder auf einer Gruppe Pixel für Pixel überlagert werden, ist es erforderlich, sicherzustellen, daß die geradzahligen Spalten der das Bild I(p,q) eingebenden Einrichtung alle auf den dunklen Zustand gesetzt sind, während bei der Eingabe des Bildes I'(p',q') alle ungeradzahligen Spalten auf den dunklen Zustand gesetzt sind. Wenn das Bild I(p,q) auf die ungeradzahligen Spalten projiziert wurde, während das Bild I'(p', q') auf die geradzahligen Spalten projiziert wurde, kann die pixelweise NOR-Operation an den Bildern in einem Hybridbauteil durchgeführt werden, dessen elektrische Eingänge an alle Pixel auf die folgenden Logikzustände gesetzt sind:
E(1) = E(3) = E(6) = 0 und E(2) = E(4) = E(5) = 1.
Die Ergebnisse der NOR-Operationen werden an den Ausgängen zu den ungeradzahligen Spalten der Gruppe oder Anordnung zurückgeführt.
Eine typische Schaltung für intelligente Pixel auf einer optischen Hybrid-Prozessoranordnung oder -Gruppe ist in Fig. 11 gezeigt, die als selbsterklärend betrachtet wird. Ein weniger komplizierter, jedoch dennoch sehr leistungsfähiger Prozessor kann auf der Grundlage der Pixelschaltung hergestellt werden, die in Fig. 12 verwendet wird, die einen Teil einer Pixelgruppe oder -anordnung zeigt und zwei derartige Schaltungen einschließt. Fig. 12 wird in ähnlicher Weise als selbsterläuternd betrachtet. Die Wahrheitstabelle, die die Logikfunktionen zeigt, die bei diesem Bauteil zur Verfügung stehen, ist in Fig. 13 gezeigt.
Die Erfindung ergibt sogenannte intelligente Pixel, die sich von üblichen räumlichen Lichtmodulatoren dadurch unterscheiden, daß bei ihnen andere Arten von elektronischen und optischen Funktionalitäten an den Pixeln zusätzlich zu den üblichen elektronischen Bauteilen vorgesehen sind, die an dem Pixel angeordnet sind, damit sie mit Hilfe eines elektrischen Signals ein- und ausgeschaltet werden können. Dadurch, daß diese zusätzlichen Schaltungen mit Hilfe von VLSI-Siliziumtechnologie hergestellt sind und insbesondere die Flüssigkristallbauteile über der VLSI-Siliziumschaltung aufgebaut werden, kann eine äußerst komplexe und flexible Schaltung erzielt werden.

Claims

1. Intelligentes Pixel mit einem chiral-smektischen Flüssigkristall-Lichtmodulator (10, 11, 12), der ein chirales smektisches Flüssigkristallmaterial (9) einschließt, das zwischen einem eine erste Elektrode (6) tragenden Halbleitersubstrat (1) und einer eine zweite Elektrode (7) tragenden Platte (8) angeordnet ist, eine erste in dem Halbleitersubstrat (1) in der Nähe der ersten Elektrode ausgebildete elektronische Schaltung (2, 3) zur Änderung des Zustandes des Flüssigkristallmaterials und eine weitere elektronische Schaltung (13, 14) einschließt, die derart ist, daß sie eine elektrische Signalverarbeitung und Aufbereitung ergibt, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere elektronische Schaltung in dem Halbleitersubstrat in der Nähe der ersten Elektrode ausgebildet ist, und daß das Pixel ein oder mehrere Photodetektoren (41) einschließt, die derart angeordnet sind, daß das Pixel optisch adressierbar ist.

2. Intelligentes Pixel nach Anspruch 1, bei dem der Halbleiter (1) aus Silizium besteht.

3. Intelligentes Pixel nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die weitere elektronische Schaltung (13, 14) durch VLSI-Technologie gebildet ist.

4. Intelligentes Pixel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die weitere elektronische Schaltung (Fig. 11) Einrichtungen einschließt, die Logikfunktionen an optischen Eingangssignalen ausführen.

5. Intelligentes Pixel nach Anspruch 4, das Einrichtungen für die Eingabe von elektrischen Steuersignalen (E) an die weitere elektronische Schaltung einschließt, wobei durch das angelegte elektrische Steuersignal bestimmt wird, welche Logikfunktion ausgeführt wird.

6. Intelligentes Pixel nach Anspruch 4, bei dem die weitere elektronische Schaltung Speicherregister (13) einschließt, wobei die von ihr aus geführte Logikfunktion durch Steuercodes bestimmt ist, die in den Speicherregistern gespeichert sind.

7. Intelligentes Pixel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das chiral-smektische Flüssigkristallmaterial ein Material mit ferroelektrischem Effekt oder mit elektroclinischem Effekt ist.

8. Bauteil mit einer Gruppe von intelligenten Pixeln, jeweils gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Bauteil Einrichtungen einschließt, durch die elektronische Signale zwischen den intelligenten Pixeln übertragen werden.

9. Bauteil nach Anspruch 8, bei dem zwar jedes intelligente Pixel identische Logikfunktionen ausführt, die Anordnung unterschiedliche Logikfunktionen in Abhängigkeit von der Verbindung der intelligenten Pixel ausführen kann.

10. Bauteil nach Anspruch 9, das optische Signalübertragungseinrichtungen zwischen den Pixeln in der Anordnung für die Überführung von Informationen zwischen den Logikfunktionen der Pixel einschließt.