DE69016804T2

DE69016804T2 - Verfahren zur Korrelation zwischen optischen Strahlenbündeln.

Info

Publication number: DE69016804T2
Application number: DE69016804T
Authority: DE
Inventors: Giorgio Grego
Original assignee: CSELT Centro Studi e Laboratori Telecomunicazioni SpA
Current assignee: Telecom Italia SpA
Priority date: 1989-03-24
Filing date: 1990-03-22
Publication date: 1995-07-20
Anticipated expiration: 2010-03-23
Also published as: EP0388945B1; EP0388945A3; US5044726A; CA2012965C; CA2012965A1; DE388945T1; EP0388945A2; IT8967208A0; IT1232051B; DE69016804D1; JPH02284131A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, das zum Verarbeiten optischer Signale auf dem Gebiet der optischen Berechnung und der Bilderkennung dient, und bezieht sich speziell auf ein Verfahren zur Schaffung einer Korrelation zwischen optischen Strahlenbündeln, nämlich eines Pumpstrahlenbündels mit einer ersten Wellenlänge und eines Lesestrahlenbündels mit einer zweiten Wellenlänge, durch Kombinieren dieser Strahlenbündel über einen oder mehrere halbdurchlässige Spiegel und gemeinsames Hindurchleiten durch ein korrelierendes Fenster element, wodurch man am Ausgang des korrelierenden Fensterelements ein Lichtstrahlenbündel erhält, das die Korrelation zwischen dem Pumpstrahlenbündel und dem Lesestrahlenbündel führt. Diese Korrelation kann beispielsweise das Erstellen eines Produkts, eine zwischen binären Ziffern oder digitalen Matrizen durchgeführte kombinatorische Verarbeitung, eine spezielle Lichtstrommodulation oder eine Fouriertransformation sein.
Verfahren, die in voll optischen Geräten verwendet werden, die Korrelationsfunktionen zwischen Lichtbündeln implementieren, werden im Bereich der Informationsverarbeitung durch optische Techniken gebraucht.
Diese Operationen erweisen sich beispielsweise immer dann als speziell nützlich, wenn eine automatische Bilderkennung durch Vergleich mit einem viel größeren Bild oder mit einer Serie von Bildern gefordert ist. Auf diese Weise kann ein spezielles geografisches Gebiet innerhalb eines weiten terrestrischen oder Himmels-Bereichs identifiziert werden, das Vorhandensein eines Worts in einem Text festgestellt werden usw. In diesen Fällen wird der Vergleich allgemein zwischen zwei optischen Bündein durchgeführt, deren Lichtstärke (Intensität) räumlich durch die jeweiligen Bilder oder durch ihre Fouriertransformation moduliert wird, und die Erkennung findet in Übereinstimmung mit dem Maximum einer von einem geeigneten Analysator festgestellten Korrelationsfunktion statt.
Auch im Bereich der Informationsverarbeitung durch optische Rechner müssen logische Operationen zwischen primären Ziffernmatrizen, die auf optischen Bündeln übertragen werden, durchgeführt werden, wobei das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein von Licht an verschiedenen Punkten einem unterschiedlichen logischen Wort zugeordnet wird. Durch Raum- -und/oder Zeitkorrelation zwischen zwei Bündeln dieser Art können die bekannten logischen Funktionen UND, ODER usw. erhalten werden, indem gleichzeitig eine große Zahl paralleler binärer Ziffern bearbeitet wird und somit eine hohe Verarbeitungskapazität erreicht wird.
Vorrichtungen, die die Korrelation zwischen Lichtbündeln durchführen können, sind bekannt als sogenannte LCLV (Liquid Crystal Light Valve, Flüssigkristall-Lichtventil), die beschrieben sind im Artikel "Digital Optical Computing" von Alexander A. Sawchuk und anderen, veröffentlicht in Proceedings of the IEEE, Band 72, Nr. 7, Juli 1984. Diese Vorrichtungen bestehen aus einer Schicht aus halbleitendem Material CdS, die eine fotoleitende Fläche bildet, und aus einer Flüssigkristallfläche, wobei diese Flächen durch eine opake Schicht, eine reflektierende Schicht und eine isolierende Schicht getrennt sind. Zwei externe transparente und elektroleitende Oberflächen ermöglichen das Anlegen einer Vorbelastungs-Wechselspannung. Ein auf die fotoleitende Fläche einfallendes Lichtbündel bewirkt eine Änderung der Eingangsimpedanz dieser Schicht an verschiedenen Punkten proportional zur räumlichen Lichtstärkeverteilung und somit eine Unterschiedlichkeit des Spannungsabfalls über der anliegenden Flüssigkristallschicht, wodurch eine entsprechende Unterschiedlichkeit der Kristallorientierung erhalten wird. Durch Aufstrahlen eines polarisierten Lichtbündels auf die Flüssigkristallfläche erhält man ein reflektiertes Bündel mit einer Polarisation, die an verschiedenen Punkten in Funktion vom Flüssigkristall-Drehwinkel unterschiedlich ist. Wird das reflektierte Bündel mit einem geeigneten Polarisationsanalysator geprüft, so erhält man abhängig von einem auf die Fotoleiterfläche einfallenden Bündel ein lichtstärkemoduliertes Bündel. Diese Vorrichtung weist jedoch eine Anzahl von Begrenzungen auf, und zwar sowohl aufgrund der elektro-optischen Umsetzung, die zwischen den verschiedenen Schichten stattfindet, als auch aufgrund der Verwendung von Flüssigkristallen. Tatsächlich ist die maximale Raumauflösung etwa 40 Linien/mm und die Antwortzeit beträgt 30 ms.
Diese Nachteile werden überwunden durch das erfindungsgemäße Verfah-ren der Durchführung der Korrelation zwischen optischen Bündeln, das keine elektrische Vorbelastung benötigt, eine Auflösung nahe der maximalen Wellenlänge des einfallenden Bündels erlaubt und eine Antwortzeit hat, die nahe der Antwortzeit von Elektronen-Übergängen zwischen verschiedenen Atom-Energiepegeln liegt.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß man als korrelierendes Fensterelement ein Fenster aus mit seltenen Erden (Seltenerdmetalle) dotiertem Glas verwendet, das einen höchsten Energie pegel entsprechend der ersten Wellenlänge und einen Übergang entsprechend der zweiten Wellenlänge zwischen dem Energie-Zwischenpegel und dem Energie-Grundpegel des mit den seltenen Erden dotierten Glases hat.
Diese und andere Merkmale der Erfindung werden verdeutlicht durch die folgende Beschreibung einer bevorzugten Ausführung einer Anordnung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens, angegeben als nicht-begrenzendes Beispiel, und mit der anhängenden Zeichnung. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Wiedergabe der Anordnung;
Fig. 2 ein Mach-Zehnder-Interferometer, das die Anordnung von Fig. 1 verwendet.
Die in Fig. 1 gezeigte Anordnung verwendet ein korrelierendes Fensterelement F, das aus mit Seltenerde dotiertem Glas besteht. Bekanntlich sind solche Gläser mit Seltenerde dotiertes Siliciumdioxidglas, Fluorzirkonatglas oder dergleichen, die als "aktives Glas" bezeichnet werden und dazu verwendet werden, Laser und optische Faserverstärker zu implementieren, wie es beispielsweise in dem Aufsatz "Review of rare earth doped fibre lasers and amplifiers" von Paul Urquhart, herausgegeben in IEE Proceedings, Band 135, Pt. J. Nr. 6, Dezember 1988, beschrieben ist. Solche Gläser weisen, wenn sie mit einer Lichtstrahlung bei einer bestimmten Wellenlänge bestrahlt werden, die als Pumpstrahlung bezeichnet wird, eine Fluoreszenz mit einer größeren Wellenlänge auf. Tatsächlich verursacht die Pumpstrahlung Übergänge der in den Aktivglasmolekülen vorhandenen Elektronen von einem Energie-Grundpegel zu einem höheren Energiepegel. Sodann fallen die Elektronen nach einer bestimmten Entspannungszeit nicht-radiativ auf einen Zwischenpegel zurück, unter der Erzeugung eines Photons. Von diesem Energie-Zwischenpegel fallen die Elektronen radiativ auf den Energie-Grundpegel zurück und emittieren dabei Photonen niedrigerer Energie. Ist die Zahl der Elektronen im Grundzustand höher als die im angeregten Zustand, so kann ein einfallendes Photon mit einer Energie, die der Energielücke der Entregung entspricht, mit folglicher Dämpfung des hindurchtretenden Lichtbündels absorbiert werden; ist jedoch die Zahl der Elektronen im angeregten Zustand höher als die Zahl der Elektronen im Grund zustand, hat also eine Populationsinversion stattgefünden, so kann das hindurchtretende Lichtbündel verstärkt werden. Natürlich ist dann, wenn eine Populationsbalance existiert, das mit Seltenerde dotierte Glas vollständig transparent. Es ist auch möglich, diese Gläser mit Materialien zu erhalten, bei denen zwei Zwischenpegel anstelle von nur einem existieren, wobei diese eine niedrigere Pumpenergie erfordern.
Das Fensterelement F, das aus mit Seltenerde dotiertem Glas besteht, wird gleichzeitig durch ein Pump- oder Schreibbündel P und durch ein Lesebündel L über einen halbdurchlässigen (semitransparenten) Spiegel V beleuchtet. Natürlich besteht das Bündel P aus Strahlungen mit einer Wellenlänge entsprechend der Pumpwellenlänge und das Bündel L aus Strahlungen mit einer Wellenlänge entsprechend derjenigen des Übergangs zwischen dem Energie-Zwischenpegel und dem Energie-Grundpegel. Als eine Funktion örtlicher Leistungsverteilung des Schreibbündels P geht der räumliche Transmissionsgrad des korrelierenden Fensterelements F von Minimumwerten mit entsprechender Dämpfung zu höheren Werten über, bis eine vollständige Transparenz und möglicherweise eine Verstärkung erhalten wird. Leistungspegel, die eine Verstärkung ermöglichen, sind nicht gefordert, vielmehr genügt ein gewisses Maß an Änderung des Transmissionsgrads, um das Lesebündel L durch das Schreibbündel P zu modulieren und somit am Ausgang des Fensterelements F ein Lichtbündel R zu erhalten, das die Korrelation zwischen den beiden anderen Bündeln L und P führt. Dieses resultierende Bündel kann dann zu einem geeigneten optischen System, zu einem Fourierfilter oder zu einem Analysator gesendet werden, entsprechend dem Gebiet der Anwendung der Vorrichtung.
Diese Anordnung kann in einem Mach-Zehnder Interferometer verwendet werden, um eine Phasenverschiebung variabler Größe eines der beiden interferierenden Lichtbündel zu erzielen.
Im in Fig. 2 dargestellten Schaltplan eines solchen Interferometers wird das Lesebündel L zu einem halbdurchlässigen Spiegel V1 gesendet, der einen Teil LR zu einem zweiten halbdurchlässigen Spiegel V2 reflektiert, der es seinerseits zum Fensterelement F reflektiert. Außerdem tritt ein Pumpbündel P durch den halbdurchlässigen Spiegel V2 und trifft auf die Oberfläche des Fensterelements F auf. In Funktion von der optischen Leistung des Pumpbündels ändern sich die Transparenzcharakteristiken des Fensterelements F und wechseln, wie dargestellt, von einer Dämpfung zu einer Verstärkung. Diese Änderungen sind vollständig äquivalent zu Brechungsindexvariationen und somit zu Änderungen des optischen Wegs, der bekanntlich gegeben ist durch das Produkt des Brechungsindexes mit der Dicke des Fensterelements F. Eine Änderung des optischen Wegs bewirkt eine Änderung der Phase der Wellenfront des Lesebündels, das von F ausgeht, wobei diese Phase von der Leistung des Pumpbündels abhängt.
Am Ausgang des Fensterelements F erlaubt ein dichroitischer Spiegel SD, daß das Pumpbündel P ungestört hindurchtritt, da es nicht mehr notwendig ist, und daß das Lesebündel zu einem dritten halbdurchlässigen Spiegel V3 reflektiert wird, an dem außerdem der Teil LT des ursprünglichen Bündels L eintrifft, der keinen Phasenverschiebungen unterworfen wurde. Der Spiegel V3 ist so ausgerichtet, daß er eine Interferenz zwischen dem Lesebündel, das nicht phasenverschoben wurde, und dem Lesebündel, das vom Fensterelement F phasenverschoben wurde, erzeugt. Das resultierende Bündel R weist also die maximale Lichtstärke auf, wenn die Phasenverschiebung zwischen den interferierenden Bündeln ein geradzahliges Vielfaches von 180º ist, und weist die minimale Lichtstärke auf, wenn die Phasenverschiebung gleich einem ungeradzahligen Vielfachen von 180º ist. Es wird dann eine Lichtstärkemodulation des resultierenden Bündels R erhalten, die von der Lichtstärke des Pumpbündels P abhängt. In dem Fall, in dem das Pumpbündel räumliche Lichtstärkevariationen aufweist, zeigt auch das resultierende Bündel analoge Änderungen, während dann, wenn sowohl das Bündel P als auch das Bündel L räumliche Lichtstärkevariationen aufweisen, das resultierende Bündel eine räumliche Lichtstärkemodulation zeigt, die die Korrelation der Lichtstärken der Bündel P und L ist.
Es ist klar, daß das Beschriebene nur als nicht beschränkendes Beispiel angegeben wurde. Variationen und Abwandlungen sind ohne Verlassen des Umfangs der Ansprüche möglich. Beispielsweise kann die Korrelation zwischen mehr als zwei Bündeln durchgeführt werden, die man auf das korrelierende Fensterelement auftreffen läßt, nachdem sie durch eine Mehrzahl halbdurchlässiger Spiegel, die in Serie angeordnet sind, passend ausgerichtet wurden.

Claims

1. Verfahren zum Korrelieren optischer Strahlenbündel, nämlich eines Pumpbündels mit einer ersten Wellenlänge und eines Lesebündels mit einer zweiten Wellenlänge, durch Kombinieren dieser Bündel über einen oder mehrere halbdurchlässige Spiegel und gemeinsames Hindurchleiten der Bündel durch ein korrelierendes Fensterelement, wodurch man am Ausgang des korrelierenden Fensterelements ein Lichtbündel mit der Korrelation zwischen dem Pumpbündel und dem Lesebündel erhält, dadurch gekennzeichnet, daß man als korrelierendes Fensterelement ein Fenster aus mit Seltenerde dotiertem Glas verwendet, das einen höchsten Energiepegel entsprechend der ersten Wellenlänge und einen Übergang entsprechend der zweiten Wellenlänge zwischen dem Energie-Zwischenpegel und dem Energie- Grundpegel des mit Seltenerde dotierten Glases hat.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man das Pumpbündel (P) mit einer solchen Leistung einsetzt, daß der räumliche Transmissionsgrad des korrelierenden Fensterelements (F) von Minimumwerten, in Übereinstimmung mit denen es Dämpfung gibt, zu höheren Werten, bis eine vollständige Transparenz erreicht ist, übergeht.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man das Pumpbündel (P) mit einer solchen Leistung einsetzt, daß der räumliche Transmissionsgrad des korrelierenden Fensterelements (F) von Minimumwerten, in Übereinstimmung mit denen es Dämpfung gibt, zu höheren Werten, bis eine optische Verstärkung erreicht ist, übergeht.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man durch die Verwendung eines Interferometers die Phase der Wellenfront eines Teils (LR) des Lesebündels (L) in Funktion von der Leistung des Pumpbündels (P) verschiebt und dann diesen Teil (LR) mit dem anderen Teil (LT) des Lesebündels (L) mit unverschobener Phase zur Interferenz bringt und hierdurch ein resultierendes Bündel (R) erhält, dessen räumliche Lichtstärke von der Lichtstärke des Pumpbündels (P) abhängt.