JPH0614161B2

JPH0614161B2 - 光学的演算を実行する方法及び装置

Info

Publication number: JPH0614161B2
Application number: JP61501364A
Authority: JP
Inventors: グリンベーグ，ジヤン; ソツアフアー，ブレナード，エツチ
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1985-03-18
Filing date: 1985-11-25
Publication date: 1994-02-23
Anticipated expiration: 2009-02-23
Also published as: DE3582888D1; EP0215822B1; EP0215822A1; WO1986005607A1; JPS62502070A; IL77387A0

Description

【発明の詳細な説明】発明の分野本発明は一般に、光学的な計算とデータ処理のシステム
に関し、特に、光学データについて多種多様な複雑な計
算を実行するために、電気的なプログラマブル多段レン
ズ無し光学プロセッサに関する。

発明の背景ベクトルとマトリクスデータの光学処理は、その潜在的
な高効率の計算実行能力と、コンピュータによる強力な
画像処理へのその自然な適用性が知られている。画像、
あるいは、他の空間的に関係づけることができるデータ
は、ラスターあるいはデータ要素のベクトルスキャンか
らなるマトリクスとして扱われ、それらは、それらの実
際の、すなわち、有効分解能限界において、画素として
一般に呼ばれる。普通の画像は、連続する一連のそのよ
うな画像で形成される光学ビームの断面として切り取ら
れたアナログ映像フレームによって分類される。各アナ
ログ画像フレームは普通、効果的に連続して空間的に分
布された画素データの配列を有する。他に、不連続なマ
トリクスデータは、例えば、その局所化された強度、あ
るいは、偏光ベクトルによってデータビームの断面を空
間的に変調することによってデータビーム上に重畳され
る。

どんな場合にも、光学処理は、基本的にパラレル処理で
あるという性質のために、非常にポテンショナルが高
い。もちろん、パラレル化は一時に完全な画像処理をす
るために生じる。各画素は分離されたデータなので、パ
ラレルに処理されるデータの量は、画像の有効な分解能
に一般に等しい。さらに、光学処理は、従来得られたの
と同じフォーマットでデータを処理するという長所を有
する。普通、画像の強調と認識のような応用に対して、
処理されるべきデータは単一の画像として、あるいは、
画像フレームのラスタースキャンとして、一般に得られ
る。潜在的にはその時、光学プロセッサは、従来の、あ
るいは、他の中間処理なしで、直接データを受付ける。
画像データの有益な値が画像の有効分解能と、考えられ
る画像の数に連れて増加するので、光学処理の独特なそ
してユニークな属性は非常に望ましくなる。

従来、光学処理は、選択された空間的なマスクを介して
処理されるべき画像を適当な光学検出器上に射影するこ
とによって実行される。マスクそれ自体は、その最も簡
単な形であって、フィルムに固定される画像にすぎな
い。そのような場合でも、比較的複雑な光学処理計算は
実行される。

しかしながら、光学プロセッサ射影システムは、点光
源、視野を調整し焦点を合せるレンズ、偏光板と偏光回
転板、ビームスプリッタおよびミラーような、アークラ
ンプを含む種々の高度に特殊化された構成物を一般に必
要とする。それらのそれぞれの組立ての複雑さに加え
て、これらの構成物は、互いに空間的に離されていて、
しばしば限界近くまで調整されて組立てられ、維持され
なければならない。結果として、光学処理装置は巨大で
あり、環境、特に、振動と汚染に影響されやすく、特
に、１つか、あるいは、２、３にすぎない非常に接近し
た関連する光学処理計算の実行が制限される。

写真フィルに加えて、光学プロセッサのための一時的に
可変のマスクが２次元空間光変調器（ＳＬＭ）として実
現され、それは、電気的活性化によって、マスクによっ
てデータビームに重畳された空間的に分布するデータの
選択的な変更を生じる。標準的な２次元（２Ｄ）ＳＬＭ
は電気光学的に活性化される反射形液晶光バルブを使用
することによって実現され、それは、カソードレイ管に
接続される。画像の二重シリアルな電気光学変換の非効
率さにも拘らず、そのような２ＤＳＬＭデバイスは特定
の制限内で多くの応用に対して十分に機能する。不幸に
も、これらの性能の限界は、普通１０ｍ秒より大きく、
比較的遅い液晶光バルブの応答時間により決まる。これ
は、光学プロセッサの高速処理能力に自然に直接影響を
与える。さらに、この種のマスクを使用することは、焦
点を合せること、ビームを分離すること、および、支持
構成物を必要とし、その結果、光学プロセッサは機械的
に複雑となる。

２次元ＳＬＭマスクはまた、２次元空間に分布された電
極配列によって活性化される固体電気光学素子の形で実
現された。画像を変調することは、それらの各意図され
たデータ値に対応するアナログ値に電極の各電位を別々
に設定することによって効率的になされる。予想される
ように、そのような２次元ＳＬＭの複雑さのレベルは、
その画素の分解能（Ｎ）の２乗に比例して増加する。光
学データ処理（例えば、Ｎ＝１０００では、１００万個
の電極をアドレス指定しなければならない）に十分に利
用できるほど高いデータ速度での動作が可能となるよう
に、Ｎ^２電極が独立してアドレス指定可能でなければな
らない場合には、複雑さはさらに増加する。不幸にも、
製造技術の現在のレベルは、十分に適切な高い分解能の
独立画素をアドレス指定できる２次元ＳＬＭデバイスの
再現性ある製造に対する実際の障害となっている。低効
率の分解能のマスクを代わりに使用することは、光学プ
ロセッサの高速データ処理能力に直接影響を与える。

発明の概要従って、本発明の目的は、先行技術における欠陥のほと
んどを、全てではないにしろ、避け、克服して、種々の
複雑なデータ処理機能を実行するように柔軟に、信頼性
あるように動作することができる光学的演算を実行する
方法及び装置を提供することである。

本発明方法の目的は、データビーム上にデータを重畳す
るための複数の変調器を使用して光学計算を実行するこ
とにより達成される。計算を実行する方法は、ビーム上
に当該データ像を重畳するように変調器の小グループに
各データを印加するステップと、実行される計算が変調
器の小グループに印加されるデータに依存するようにビ
ーム上に当該一様なデータを重畳するように、残りの変
調器に一様なデータを印加するステップとを具備する。

本発明の方法は、光学データビームを空間的に変調する
ための複数の変調器と、変調器間の光学データビームの
焦点の合わされていない転送を行うために各変調器をレ
ンズを使用しないで、内部接続するための手段と、光学
データビームのプログラマブルな処理を可能とするよう
に複数の変調器を制御するための手段とを具備する装置
を使用して実行される。

この様にして、本発明の方法の長所は、種々の光学デー
タ処理計算を実行するために利用できることである。

本発明の方法の他の長所は、一時的に変化する光学デー
タの連続する繰り返し処理を可能とすることである更に、本発明の方法の長所は、データプログラミングに
よって処理装置の動的な改造と再構成が効果的になされ
ることである。

また更に、本発明の方法の長所は、望まれる光学計算を
容易に実行できることである。

更に他の本発明の方法の長所は、多次元フーリエ変換、
相互相関(cross correlation)、摺動窓相互あいまいさ
関数(sliding window cross-ambiguity functions)のよ
うな、計算に適する光学データ処理機能を都合よく実行
できることである。

本発明の装置の目的は、光学データビームを空間的に変
調するための複数の変調器と、変調器間の光学データビ
ームのレンズを使用しないで転送するように、各変調器
のレンズを使用しない内部接続のための手段と、およ
び、光学データビームのプログラム可能な処理を許すよ
うに複数の変調器を制御するための手段とを具備する光
学データビームを処理するための装置を提供することに
より達成される。

このようにして、本発明の装置の長所は、焦点を合せる
ためのレンズと、他の関連する構成物を必要とせず、結
果的に、小さい体積で済み、適当な、そして、正確な動
作を保証するための据付け後の再調整を必要としないこ
とである。

本発明の装置の他の長所は、種々の機能的に異なる空間
光変調器を有するように構成することができることであ
る。

さらに、本発明の装置の長所は、種々の異なる光学デー
タ処理機能を最適に実行するように構成することができ
ることである。

また更に、本発明の装置の長所は、重要な異なる光学デ
ータ処理機能を実行するように、必要により、動的にま
た電気的に再構成されることができることである。

まだ他に、本発明の装置の長所は、最大の柔軟性を有す
る動作構成を提供するために必要な全ての構成物を有し
ながら、従来技術のシステムと比べて、比較的最少の構
成物による構成のみを必要とする小さくて、固定ででき
ていて、堅牢な構成であることである。

さらに、本発明の装置の長所は、固体、あるいは、液晶
電気光学デバイスを利用することである。

さらに、本発明の装置の他の長所は、動作すべき１つの
集積的に結合されたインコヒーレントな光源を必要とす
るにすぎないことである。

図面の簡単な説明添附図面と関連して考察される以下の詳細な説明を参照
して、本発明の他の特徴がよりよく理解され、容易に明
らかになる。なお、同じ構成物は図面中で同じ参照番号
で指定される。ここで、第１図は、本発明に従って、好ましい光学データ処理シ
ステムのブロツクの斜視図であり、第２図は、本発明に従って構成された光学データプロセ
ッサの一般的な実施例の側面図であり、第３図は、本発明で利用される電気光学空間光変調器の
詳細な斜視図であり、第４図は、本発明で利用される他の電気光学空間光変調
器の詳細な斜視図であり、第５図は、動作の好ましい方法を説明示すための本発明
の実施例の展開された斜視図である。

発明の詳細な説明一般に引用番号10で示される、本発明によるシステムの
実施例が第１図に示される。特に、主に引用番号20によ
って示される多段光学データプロセッサ（ＯＤＰ）は、
マイクロコントローラ12とインターフェイスレジスタ1
8、22、24、30、32、および、34によって動作がサポー
トされる。

ＯＤＰ20の構造を以下に詳細に説明する間に、ＯＤＰ２
０の基本的な動作構成部が、フラットパネル光源14、マ
トリックスアレイアキュミュレータ16および複数の空間
光変調器（ＳＬＭ）36、38、40、42、44、および46を含
めて第１図に示される。光源14によって発生された比較
的一様なビームが空間光変調器の各々を介して連続して
伝送され、アキュミュレータ16によって最終的に受信さ
れるように、光源14、アキュミュレータ16、および、Ｓ
ＬＭ36、38、40、42、44、および、46は、互いに近接し
た平行平面として供給される。空間光変調器の各々によ
って供給されるデータを得るデータ伝送機構として光ビ
ームは有効に使用され、そのデータはアキュミュレータ
16に順番に供給される。空間光変調器の各々の動作は、
当該空間的に分配された活性化電位に関する空間的な伝
導度の変位によって説明されることができる。少なくと
も第１次近似では、空間光変調器の伝導度は印加される
電位に直接比例する。このように、２つのシリアルに結
合された空間光変調器の組合わされた伝導度（Ｔ０）
は、空間光変調器の各伝導度の積に比例する。組合わさ
れた伝導度Ｔ０は、このようにして、Ｔ０＝Ｔ１×Ｔ２（１）Ｔ０＝αβＶ１Ｖ２（２）と書かれる。ここで、Ｖ１とＶ２は各々印加電位であ
り、αとβは各空間光変調器の印加電圧係数への伝導度
である。広がった一連の空間光変調器が、本発明に従っ
て、シリアルに結合された場合、多段空間光変調器のス
タックの組合わされた伝導度Ｔ０は、個々の空間光変調
器の各伝導度の積に比例する。フラットパネル14によっ
て発生される光ビームは、このようにして、空間光変調
器36、38、40、42、44、および、46の各々の空間的に分
布した相対伝導度に対応する空間分布データを得るよう
に導かれることができる。

本発明の実施例に従って、空間的に関連ずけられたデー
タは、インターフェイスレジスタ22、24、26、30、32、
および、34を介して、空間光変調器36、38、40、42、4
4、および、46に供給される。これらのレジスタは高速
デジタルデータの格納レジスタ、バッファ、デジタル−
アナログデータコンバータとして動作することが望まし
い。以下に詳細に説明するように、空間光変調器のスタ
ックは複数の１次元空間光変調器と１つ以上の２次元空
間光変調器を有することが望ましい。第１図に示される
ように、１次元空間光変調器36、38、40、42、および、
44は、インターフェイスデータライン60、78、62、80、
および、64を介して、各レジスタ22、30、24、32、およ
び、26に結合されている。２次元空間光変調器46はイン
ターフェイスデータライン82を介してレジスタ34からデ
ータを受取る。

インターフェイスレジスタ22、24、26、30、32、およ
び、34は、外部センサによって供給されるパラレルの形
のデータを受取ることが望ましい。プロセッサコントロ
ールバス50、70を介してマイクロコントローラ12は制御
信号を供給する。プロセッサコントローラバス50、70
は、分離されているとして示され、また、レジスタコン
トロールライン52、54、56、72、74、および、76によっ
てレジスタに各々接続されている。一方、インターフェ
イスレジスタは、コントロールマルチプレクサを介し
て、マイクロコントローラ12によって駆動される単一
で、共通のコントロールバスに交互に接続される。しか
しながら、どちらの場合も、マイクロコントローラ12
が、その予め決められたデータをそれに選択的に供給す
るようにレジスタ22、24、26、30、および、34に渡って
十分な制御を行なうことだけが必須である。光学データ
プロセッサシステム10は、アキュミュレータ16とプロセ
ッサ出力の間に結合された出力レジスタ18に供給されて
完了する。アキュミュレータ16それ自身は、入射光強度
を、空間光変調器36、38、40、42、44、および、46のそ
れを少なくともマッチングさせるアレイ分解能でデータ
ビームを表わす当該電位に変換することができるマトリ
ックスアレイ光感知デバイスである。以下に詳細に説明
するように、クロック発生器83によって供給されるクロ
ック信号によって、出力インターフェイスバス88を介し
てデータ出力レジスタ18にシフトされることができる光
ビームデータを、アキュミュレータ16はアキュミュレー
トする。アキュミュレータ16はまた、光学データプロセ
ッサ20の動作期間中にアキュミュレータ16の中で実行さ
れるべき種々のシフトと合計の動作ができるように、円
形シフトバス86と横方向シフトバス84を有する。

データ出力レジスタ18は、アキュミュレータ16からのシ
フトされた出力データをプロセッサデータ出力バス90を
介してプロセッサ出力に流す高速アナログ−デジタルコ
ンバータ、シフトレジスタ、および、バッファであるこ
とが望ましい。

前述から明らかなように、マイクロコントローラ12は光
学データプロセッサ20に渡って完全な制御を行なう。ど
んな望ましいデータも、望ましいデータ処理アルゴリズ
ムを実行するように、空間光変調器のどんな特定の組合
せにも供給されることができる。任意の特定の光学的デ
ータ処理アルゴリズムの実行に必要なこれらの空間光変
調器だけが、本発明による光学データプロセッサ20に実
際に利用される必要があるということが、特にたやす
い。光学データプロセッサ20の中の空間光変調器には、
空間光変調器を最大伝導度に一様に保持するために、各
データレジスタを介して適当なデータが供給される。結
果的に、選択された空間光変調器は、適当なデータプロ
グラムによって効果的に光学データプロセッサから除か
れる。このようにして、光学データ処理システム10は光
学データ処理計算の実行のための非常に柔軟な環境を提
供する。

本発明の実施例に従って製造された例としての光学デー
タプロセッサ20の構成が第２図に示される。示される実
施例は、本発明の実施例に組込まれる基本的構成物の実
質的に全てを含む例である。

光学データプロセッサの構成物は、光源91と、ＳＬＭ段
92と、および、データビーム受信器93の部分として機能
的に分けられる。光源91は必須的に、フラットパネル光
源14を有し、付加的に光ビームバッファ構成物94を有す
る。フラットパネル光源14はエレクトロルミネッセンス
表示パネルか、あるいは代わりに、ガスプラズマ表示パ
ネル、ＬＥＤ、ＬＥＤアレイ、レーザーダイオード、あ
るいは、レーザーダイオードアレイであることが望まし
い。バッファ構成物94は、フラットパネル表示パネルに
よって作られた光を空間的に一様な光ビームにするため
に利用されることが望ましい。ガスプラズマ表示が利用
される場合、バッファ構成物94はさらに、プラズマ表示
14から発生される熱から光学データプロセッサ20の残り
のものを隔離するように機能する。どちらの場合でも、
バッファ構成物94は約0.25インチの厚さを有する光学ガ
ラス板であることが望ましい。

光学データプロセッサ10の塊は、ＳＬＭ段のシリアルな
スタックによって形成され、そのＳＬＭ段92は代表的で
ある。各段がそれらの構成物の組合せによって同一であ
ることが望ましく、一方、各ＳＬＭは唯一必須の構成物
である。望ましくは、ＳＬＭは他の支持を必要としない
堅牢な構成であることである。そのような実施例におい
て、ＳＬＭは、互いに直ぐ隣に置かれ、光学的に透明な
絶縁薄膜によってのみ分離され、空間光変調器の最適な
小さい多段スタックを生ずる。しかしながら、空間光変
調器が、例えば、それら自身の支持を提供するために不
十分な構造的強度しかない材料でできていて、段92はさ
らに、支持光ファイバー板102を有する。光ファイバー
板102のファイバーは勿論、光学データプロセッサ20の
主軸に平行な円周軸と一致されている。また、光ファイ
バー板102を利用するそのような実施例において、ま
た、空間光変調器の重要な動作が光ビームの偏光変調に
よってなされる場合、偏光器64はＳＬＭ44と光ファイバ
ー板102の間に設けられることが望ましい。偏光器64に
より、さらに、本発明のローカル偏光ベクトルデータを
表す実施例において、偏光されない光学データビーム源
14が利用されることができる。空間光変調器の動作の基
本が、（偏光回転の代わりに）光吸収であるならば、偏
光器は必要ない。

データビーム受信器93は必須的にアキュミュレータ構成
物16を有する。アキュミュレータ16は光学検出器の固体
マトリックスアレイであることが望ましい。特に、光学
検出器アレイは、光学データプロセッサ20の効果的分解
能に同等なアレイ密度に供給される従来の電荷結合デバ
イス（ＣＣＤ）の２次元シフトレジスタアレイであるこ
とが望ましい。ＣＣＤアレイを使用することは、マイク
ロコントローラ12によって直接コントロールされること
ができるＣＣＤシフトレジスタ回路の製造を容易にする
ことと同様に、電荷蓄積、すなわち、データ合計能力の
ために望まれる。さらに、ＣＣＤアレイを使用すること
により、アキュミュレータ16から円形シフトデータバス
86を介してアキュミュレータ16に回帰されるべきデータ
リターンバス88にデータがシフトされることができるこ
とにより、アキュミュレータ16の動作の実質的な柔軟性
がもたらされる。さらに、アキュミュレータ16は、第１
図に一般的に示されるように、横方向シフトデータバス
84を介してそれに含まれるデータの横方向循環を許すた
めに、隣のレジスタとの伝達経路の内部接続を使用する
ことによって望ましい柔軟性を有する。結果的に、アキ
ュミュレータ16はマイクロコントローラ12の直接のコン
トロールの下に、シフトと合計の動作を含む全く複雑な
光学データ処理アルゴリズムの実行に効果的に利用され
ることができる。

データビーム受信器93は、アキュミュレータ16を光学デ
ータプロセッサ20の最終段92のＳＬＭ44に内部接続する
際に、望まれるように、光ファイバー板122を付加的に
有する。

本発明による１次元空間光変調器の実施例が第３図と第
４図に示される。第３図に示される空間光変調器130
は、ストライプ電極136と電位参照平面140が各々供給さ
れる２つの主な平行な向い合う表面を有する電気光学素
子132を有する。電気光学素子132は、それはＫＤ₂ＰＯ₄
あるいはＢａＴｉＯ₃のような固体電気光学材料であ
り、送信モードで液晶光バルブとして働く。この後者の
材料による偏光は、光が通過する材料のその部分に横切
って印加される縦方向と横方向の電位に比例して局所的
に光を変調する。この材料は特徴的には、約１平方イン
チの主な表面領域に対して約５から１０ミルの厚さに供
給された電気光学素子132として利用されるとき、本発
明の目的のために適当に自己支持するべき十分な構造強
度を有する。

電気光学素子132の活性領域が、ストライプ電極136と参
照平面電極140の各々の間に必然的に存在するので、電
極136、140はインジウムスズ酸化物のような高伝導性の
透明な材料で作られることが望ましい。電極136と140へ
の接触は、従来のワイヤ接合、あるいは、半田付け内部
接続技術を使用して取付けられる別々の電極リード13
4、138を各々使用してなされることが望ましい。

空間光変調器130の変化は、本発明で特に有用な０次
元、すなわち一様な空間光変調器を提供する。ストライ
プ電極リード134を共通に接続することにより、電気光
学材料132の伝導度は全ての画素位置において一様に変
調される。代わりに、電気光学材料132の主な表面全体
をカバーする単一電極がストライプ電極136の代わりに
使われる。

第４図には本発明に一致する他の１次元空間光変調器が
描かれている。この空間光変調器は、電気光学素子152
の２つの主な表面上の信号156と参照電位158電極の相対
的な変位によって、第３図のそれとは異なっていること
が重要である。各主な表面上には、参照電位電極158
が、内部デジタル電極構成を形成するように、信号電極
156の対の間に設けられ、それは、電気光学素子152の両
方の主な表面上で必然的に同じである。電気光学素子15
2の活性部分は信号電極156とその表面に近い参照電位電
極158の各々の間にある。このようにして、達成可能な
電気光学効果は電気光学素子152の両方の表面の利用に
よって増強される。更に、電気光学素子152の活性部分
は信号電極156によって遮光されないので、電極156、15
8の全ては、電気光学素子152の活性領域を効果的にマス
クするためにさらに有効に利用される、アルミニウムの
ような不透明な伝導材料でできている。すなわち、電極
156、158は、電気光学素子152を通過している間にそれ
らが発散するように、データビームの各画素端部分を阻
止するために利用される。

第３図の空間光変調器130と同様に、電気光学素子152
は、液晶光バルブ、あるいは、固体電気光学材料のどち
らかである。より早い電気光学的応答時間、より大きな
構造強度、および、製造の容易さのために、ＬｉＮｂＯ
₃、ＬｉＴａＯ₃、ＢａＴｉＯ₃、Ｓｒ_ＸＢａ_1-XＮｂＯ₃
とＰＬＺＴのような横方向電界偏光変調電気光学材料が
望ましい。これらの材料は、上記偏光変調材料ＫＤ₂Ｐ
Ｏ₄と一般に同じ構造強度特性を有すると信じられてい
る。電極156、158への電極リードは、従来のワイヤ接
合、あるいは、半田付け内部接続技術を使用して取付け
られることが、繰返しとなることが望ましい。

ユニークなアルゴリズムを使用して種々の複雑なデータ
処理機能を実現する際の本発明の多機能さは、第５図を
参照して、最もよく描かれている。本発明の動作の説明
を容易にするために、光学データプロセッサ20の実施例
は、一連の平面Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、およびＦとして機
能的に描かれている。各平面は座標系200のＸ軸とＹ軸
に平行で、Ｚ軸に沿って分布している。記述を簡単にす
るために、光学データプロセッサ20は３×３の画素の有
効分解能を有するとして示されている。描かれているよ
うに、平面Ａ、Ｂ、および、Ｃは、それぞれ、バス23
4、236、238によって１次元空間光変調器202、204、206
に内部接続され、バス222、224、226によってマイクロ
コントローラ12に内部接続されるレジスタ212、214、21
8を有する。レジスタ212、214、216は各々、３×３の画
素のバッファアレイを有する。ＡとＢの平面１次元空間
光変調器202、204は、（Ｘ軸に平行な）３画素の列の変
調を行なう。平面Ｃの空間的光変調器206は、（Ｙ軸に
平行な）３画素行の変調を行なうものとして区別され
る。

バス240を介してレジスタ218によって駆動される２次元
空間光変調器208は、バス230によってマイクロコントロ
ーラ12と内部接続されている両方のものが、平面Ｄに与
えられる。以下に示されるように、２次元空間光変調器
は光学データプロセッサの他の平面に関して効果的に静
的であるので、アレイ電極の高速独立アドレス指定の必
要性が実質的に除去される。むしろ、データのより簡単
なシフトレジスタモード伝播が、２次元空間変調器208
の動作において利用される。結果的に、高分解能マトリ
クス空間光変調器の信頼性ある製造における構成上の束
縛と複雑な制限が、本発明の目的により多いに緩和され
た。

平面Ｅは単一画素バス242を介して一様な０次元空間光
変調器210と、および、バス232を介してマイクロコント
ローラ12と内部接続される３×３画素レジスタ220を有
する。

最終的に、マトリクスアレイアキュミュレータ16は平面
Ｆに与えられる。上記のように、円形86と横方向84のシ
フトバスは、柔軟な合計とシフトの動作がマイクロコン
トローラ12のコントロールの下に実行されることができ
る。

本発明の柔軟さと多機能は、以下に述べられる代表的な
アルゴリズムを実行するための能力によって描かれてい
る。各アルゴリズムは、光学像として表すことができる
データを処理するように機能する。結果的な光学像の発
生によって実現される機能がよく知られている一方、そ
れらの各アルゴリズムの実行は、本発明のユニークさで
あり、本発明に独特である。

機能１２次元スペクトル解析に適する、２次元データの２次元
フーリエ変換は、以下のように実行される。

初期化１．２次元データを平面Ｃのレジスタ216にロードし、
列３データをＳＬＭ206の各行に印加すること、２．第１の次元の解析のためのフーリエ変換係数を平面
Ａのレジスタ212にロードし、行３データをＳＬＭ202の
各列に印加すること、３．光学データプロセッサ20の全ての他のレジスタ21
4、218、220に空間光変調器204、208、210の伝導度の最
大値に対応する一様なデータをロードすることと、４．平面Ｆのアキュミュレータ16をクリアすること、処理５．光学データビームの現在の光学画素積を当該以前の
画素積の合計と合計すること、６．レジスタ212のあるデータを、ある方向（例えば、
右方向）に１行だけ行シフトし、新しい行３データをＳ
ＬＭ202の各列に印加すること、７．レジスタ216のあるデータを、ある方向（例えば、
上方向）に１列だけ列シフトし、新しい列３データをＳ
ＬＭ206の各列に印加すること、８．平面Ｃのレジスタ216に格納される２次元データの
各列のためにステップ５から７までを繰返すこと、９．平面Ｆのアキュミュレータに合計されたマトリクス
アレイデータを平面Ｃに転送し、列３データをＳＬＭ20
6の各行に印加すること、 10．第２の次元解析のためのフーリエ変換係数を平面Ａ
のレジスタ212にロードし、行３データをＳＬＭ202の各
列に印加すること、 11．平面Ｃのレジスタ216に格納された２次元データの
各列のためにステップ５から７までを繰返すことと、結果としての像を提供する 12．平面Ｆのアキュミュレータ16に合計されるマトリク
スアレイデータをマイクロコントローラ12に転送するこ
と。

機能２画像認識に適する、２次元データの２次元相互関係は、
以下のように実行される。

初期化１．２次元データを平面Ｅのレジスタ220にロードし、
所定の単一画素対応位置（例えば、１、３）からのデー
タをＳＬＭ210の一様な電極に印加すること、２．２次元相関関係マスクデータを平面Ｄのレジスタ21
8にロードし、データをＳＬＭ208の各画素位置に印加す
ること、３．全ての他のレジスタ212、214、216に空間光変調器2
02、204、206の伝導度の最大値に対応する一様なデータ
をロードすること、４．平面Ｆのアキュミュレータ16をクリアすること、処理５．光学データビームの現在の光学画素積を当該以前の
画素積の合計と合計すること、６．レジスタ220にあるデータを与えられた方向（例え
ば、右方向）に１行だけ行シフトし、与えられた単一画
素当該位置からの新しいデータをＳＬＭ210に印加する
こと、７．アキュミュレータ16にある合計をレジスタ220がシ
フトされたと同じ方向に１行だけ行シフトすること、８．平面Ｅのレジスタ220に格納されたデータの各行の
ためにステップ５から７までを繰返すこと、９．レジスタ220にあるデータを与えられた方向（例え
ば、上方向）に、１列だけ列シフトし、与えられた画素
当該位置からの新しいデータをＳＬＭ210に印加するこ
と、 10．アキュミュレータ16にある合計をレジスタ220がシ
フトされたのと同じ方向に１列だけ列シフトすること、 11．平面Ｅのレジスタ220に格納されたデータの各列の
ために、ステップ８から10までを繰返すこと、結果としての画像を提供 12．平面Ｆのアキュミュレータ16に合計されたマトリク
スアレイデータをマイクロコントローラ12に転送するこ
と。

機能３１次元データに関する１次元の摺動窓相互あいまいさ関
数(sliding window cross-ambiguity function)の計算
は、次のように実行される。ここで、摺動窓相互あいま
いさ関数(sliding window cross-ambiguity function)
は以下のように定義された関数である。

Ｆ(t)は連続的に走る信号であり、Ｇ(t)は長さＴのプロ
グラム可能な基準テンプレートであり、τは遅延時間、
ｔは時間、νは周波数である。

初期化１．フーリエ変換係数のマトリクスの実数部分を平面Ａ
のレジスタ212にロードし、行３データをＳＬＭ202の各
列に印加すること、２．平面Ｃのレジスタ216の各列に同一の固定された長
さをロードし、列３データをＳＬＭ206の各行に印加す
ること、３．平面Ｂのレジスタ214の各列に連続して走しってい
る１次元入力データをロードし、行３データをＳＬＭ20
4の各列に印加すること、４．光学データプロセッサ20の全ての他のレジスタ21
8、220に空間光変調器208、210の伝導度の最大値に対応
する一様なデータをロードすること、５．平面Ｆのアキュミュレータ16をクリアすること、処理６．光学データビームの現在の光学画素積を当該以前の
画素積の合計と合計すること、７．平面Ａのレジスタ212にあるデータを行３の方に１
行だけ行シフトし、行３にある新しいデータをＳＬＭ20
2の各列に印加し、行３からシフトされた行データを再
循環し、レジスタ212の行１に格納すること、８．平面Ｂのレジスタ214にあるデータを行３の方に１
行だけ行シフトし、レジスタ214の行１の各画素位置に
次の順番の入力データをロードし、行３にある新しいデ
ータをＳＬＭ204の各列に印加すること、９．アキュミュレータ16にある合計を行３の方に１行だ
け行シフトし、アキュミュレータ16の行１の画素に対応
する合計をクリアし、光学データプロセッサ20の外部に
入力データストリームの当該部分に対して計算された一
番最近の摺動窓相互あいまいさ関数マトリックスの最後
の行に関して行３からシフトされたデータを保持するこ
と、及び、１０．アキュミュレータ16からシフトされたデータの各
行で、最も最近の摺動窓相互あいまいさ関数のマトリッ
クスを更新して、平面Ｂのレジスタ214を介してバッフ
ァされるように、入力データストリームから取られる各
データに対してステップ６から９までを繰り返すこと。

このようにして、種々の複雑な光学計算を実行するため
に動的に再構成される電気的にプログラム可能な光学デ
ータプロセッサが述べられた。

上述された説明の観点から、光学技術の熟練者は、本発
明の多くの改造と変形が可能である。従って、本発明
は、請求の範囲に述べられた本発明の特徴と範囲から離
れることなく、種々の変形が可能である。

本発明の、空間光変調器(92)を用いて複数のデータ像を
データ・ビームに刻印する光プロセッサを用いて光学的
演算を実行する方法は、空間光変調器(92)が直交して配置された複数個の１次元
空間光変調器と２次元空間光変調器と、各前記変調器を
レンズなしで接続する接続手段とを具備し、(a)第１の
データを第１の１次元空間変調器に順次供給して前記デ
ータ・ビームに第１のデータ像を刻印する工程と、(b)
第２のデータを第２の１次元空間変調器に順次供給して
前記データ・ビームに第２のデータ像を刻印する工程
と、(c)第３のデータを２次元変調器に供給して第３の
データ像を前記データ・ビームに刻印する工程と、(d)
前記データ・ビームに刻印された第１のデータ像、第２
のデータ像及び第３のデータ像の内の少なくとも２つの
像との結合により表示されるデータを空間的に合計する
工程とを有することを特徴とする。

この様な光学演算実行方法によれば、電気的にプログラ
ム可能な多段レンズ無し光学プロセッサを動作させて、
光学データについて多種多様な複雑な計算を実行でき
る。

また、本発明の方法に使用されるシステムでは、集束レ
ンズや集束レンズに関連した構成要素は一切使用してい
ないので、正確に演算をするために処理中にレンズ系を
何度も再調整する必要はない。

また、本発明の方法では、複数のデータ・レジスタを介
して対応する空間光変調器のデータを適切にプログラミ
ングすることにより、複数の空間光変調器を選択的に使
用すること、即ち、複数の空間光変調器の機能を選択的
に停止させることができる。従って、所望のデータを空
間光変調器の特定の組み合わせに供給することにより所
望のデータ処理機能を達成することができるので、広範
囲にわたる多様な複雑なデータ処理機能を果たすことが
できる。

本発明における、所望の光学的演算を選択的に実行する
ための光学データ・ビームを処理する装置は、前記光学データ・ビームを空間的に変調する複数個の空
間光変調器であって、少なくとも２つの空間光変調器
と、少なくとも１つの付加的な空間光変調器とを具備
し、前記少なくとも２つの空間光変調器は両方とも前記
光学データビームの１次元変調器のための手段を有し、
前記第１の変調器は前記第２の変調器に関して、また、
前記光学データビームに関して交差しており、前記少な
くとも１つの付加的な変調器は前記光学データビームの
２次元変調のための手段を有する空間光変調器と、レン
ズを使用せずに前記の空間光変調器を相互に連結して、
空間光変調器相互間で焦点合わせの不要な前記光学デー
タ・ビームの伝送を行う手段と、選択された複数の空間
光変調器にデータを供給することにより前記所望の光学
的演算に関するプログラム可能な処理を実施する手段と
を具備することを特徴とする。

この様な構成を採用することにより、簡単な構造であり
ながら広範囲にわたる複雑なデータ処理機能を果たす光
学データ・ビーム処理システムを提供できる。

また、本発明の装置では、演算モードを様々に変更して
所望の光学的演算を実行でき、非常に柔軟な光学データ
処理システムを提供できる。

更に、本発明の装置は上述した本発明の方法と同様な効
果を達成できる。

フロントページの続き (72)発明者ソツアフアー，ブレナード，エツチアメリカ合衆国カリフオルニア州 90250 パシフイツク・パリサデス，ビイエンベネダ・アベニユー 665 (56)参考文献特開昭59−58422（ＪＰ，Ａ) 特開昭57−17921（ＪＰ，Ａ) 米国特許3989355（ＵＳ，Ａ) 英国特許2144535（ＧＢ，Ａ) ＡｐｐｌｉｅｄＯｐｔｉｅｓＶｏｌ．33 Ｎｏ．（1984．３）ＰＰ．817− 821

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】空間光変調器(92)を用いて複数のデータ像
をデータ・ビームに刻印する光プロセッサを用いて光学
的演算を実行する方法において、空間光変調器(92)が直交して配置された複数個の１次元
空間光変調器と２次元空間光変調器と、各前記変調器を
レンズなしで接続する接続手段とを具備し、 (a)第１のデータを第１の１次元空間変調器に順次供給
して前記データ・ビームに第１のデータ像を刻印する工
程と、 (b)第２のデータを第２の１次元空間変調器に順次供給
して前記データ・ビームに第２のデータ像を刻印する工
程と、 (c)第３のデータを２次元変調器に供給して第３のデー
タ像を前記データ・ビームに刻印する工程と、 (d)前記データ・ビームに刻印された第１のデータ像、
第２のデータ像及び第３のデータ像の内の少なくとも２
つの像との結合により表示されるデータを空間的に合計
する工程と、を有することを特徴とする光学的演算実行法。
【請求項２】空間的に合計されたデータを第１及び第２
のデータのそれぞれの順次供給と共に移行させる工程を
更に有する請求項１に記載の光学的演算実行法。
【請求項３】空間的に合計された各データを移行させる
工程は、第１及び第２のデータのそれぞれが一つづつ順
次供給される度に生じる請求項２に記載の光学的演算実
行法。
【請求項４】光プロセッサの空間光変調器の内で使用し
ていないものに均一のデータを供給して、前記データ・
ビームに均一のデータ像を刻印する工程を更に有する請
求項１、２、又は３に記載の光学的演算実行法。
【請求項５】２次元空間光変調器は第３のデータをデー
タ像の行列として前記データ・ビームに刻印し、第３の
データを供給する工程は第１及び第２の各データが順次
供給される毎に第３のデータを２次元空間変調器の列に
沿って移行させる工程を有している請求項２に記載の光
学的演算実行法。
【請求項６】第３のデータを供給する工程は、第３のデ
ータの内で移行により２次元空間光変調器の最後の列か
ら食み出した部分を２次元空間光変調器の最初の列に供
給する再循環工程を更に有している請求項５に記載の光
学的演算実行法。
【請求項７】使用していない空間光変調器に均一のデー
タを供給して前記データ・ビームに均一のデータ像を刻
印する工程を更に有している請求項５又は６に記載の光
学的演算実行法。
【請求項８】(a)第１のデータ次元用のフーリエ変換係
数マトリックスを一時的に記憶する工程と、 (b)変換されるべき２次元データ・マトリックスを一時
的に記憶する工程と、 (c)マトリックスの最後の行に一時記憶されている係数
を第１の１次元空間光変調器の各列に印加する工程と、 (d)マトリックスの最後の列に一時記憶されているデー
タを第２の１次元空間変調器の各行に転送する工程と、 (e)前記以外の総ての空間光変調器に均一のデータを供
給する工程と、 (f)前記データ・ビームに刻印され、相互に結合し、前
記データ・ビームから取り出されるものとして第１及び
第２の空間光変調器に供給される交差データの積をアキ
ュミュレータで合計する工程と、 (g)２次元データ・マトリックス及び２次元フーリエ変
換係数マトリックスのそれぞれを順次移行させることに
より、係数及びデータのそれぞれの新しい最後の行及び
列を第１及び第２の１次元空間光変調器のそれぞれに印
加する工程と、 (h)２次元データの列毎に工程(c)ないし工程(g)を繰り
返す工程と、 (i)アキュミュレータからの合計された第１のデータ次
元結果データを元の２次元データの替わりに一時記憶す
る工程と、 (j)第２のデータ次元用のフーリエ変換係数のマトリッ
クスを第１のデータ次元用のフーリエ変換係数のマトリ
ックスの替わりに一時記憶する工程と、 (k)合計された第１のデータ次元結果データ変調器の列
毎に工程(c)ないし工程(g)を繰り返す工程とを有し、複数の空間光変調器と空間アキュミュレータとを用いて
前記データ・ビームに刻印された２次元データについて
２次元フーリエ変換を実行する請求項１ないし７のいづ
れかに記載の光学的演算実行法。
【請求項９】(a)２次元相関マスク・データ・マトリッ
クスを一時記憶する工程と、 (b)相関付けされる２次元データ・マトリックスを一時
記憶する工程と、 (c)一時記憶されたマスク・データ・マトリックスを２
次元空間光変調器の対応する空間位置に印加する工程
と、 (d)一時記憶位置の所定の行列から得られ、相関付けさ
れるデータ・マトリックスのデータをゼロ次元空間光変
調器に印加する工程と、 (e)残りの総ての空間光変調器に均一のデータを供給す
る工程と、 (f)２次元空間光変調器に供給された相関マスク・デー
タ・マトリックスと、ゼロ次元空間光変調器に供給され
た相関付けされる２次元データ・マトリックスのデータ
との積をアキュミュレータで合計して、累積した２次元
結果データを生成する工程と、 (g)一時記憶されていて相関付けされる２次元データ・
マトリックスを第１のデータ・マトリックス方向に再循
環させて、一時記憶位置の所定の行列に新しいデータを
供給する工程と、 (h)累積した２次元結果データを第１のデータ・マトリ
ックス方向に再循環させる工程と、 (i)２次元データ・マトリックスの第１のデータ・マト
リックス方向に列又は行毎に工程(c)ないし工程(h)を繰
り返す工程と、 (j)一時記憶されて相関付けされる２次元データを第２
のデータ次元で再循環させて、一時記憶位置の所定の行
列に新しいデータを供給する工程と、 (k)累積した２次元結果データを同様に第２のデータ・
マトリックス次元で再循環させる工程と、 (l)相関付けされる２次元データ・マトリックスの第２
のデータ・マトリックス方向に列又は行毎に工程(i)な
いし工程(k)を繰り返す工程とを具備し、複数の空間光変調器と空間アキュミュレータとを用いて
前記データ・ビームに刻印された２次元データについて
２次元相互相関を実行する請求項１ないし７のいづれか
に記載の光学的演算実行法。
【請求項１０】(a)２次元フーリエ変換係数マスク・デ
ータ・マトリックスを一時記憶する工程と、 (b)１次元基準データ・テンプレートを列に一時記憶す
る工程と、 (c)１次元入力データ列の最初の部分を列に一時記憶す
る工程と、 (d)マトリックスの最後の行に一時記憶されているそれ
ぞれの係数を第１の１次元空間光変調器の対応する列に
印加する工程と、 (e)列に一時記憶されているそれぞれの基準テンプレー
ト・データを第２の１次元空間光変調器の対応する行に
印加する工程と、 (f)第３の１次元空間光変調器のそれぞれの列に入力デ
ータ列の後続部分からの対応するデータを印加する工程
と、 (g)均一のデータを残りの総ての空間光変調器に供給す
る工程と、 (h)第１の１次元空間光変調器に供給された係数マスク
・マトリックス・データと、第２の１次元空間光変調器
に供給された列基準テンプレート・データと、第３の１
次元空間光変調器に供給された入力データ列の後続部分
の積をアキュミュレータで合計して、累積した２次元結
果データ・マトリックスを生成する工程と、 (i)入力データ列の次のデータを一時記憶部に順次移し
て入力データ列の後続部分を所定の列データ移行方向に
移行させる工程と、 (j)一時記憶されている係数マスク・データ・マトリッ
クスを所定の列移行データ方向に再循環させて、係数マ
トリックスの次の一連の行を第１の１次元空間光変調器
に供給する工程と、 (k)累積した２次元結果データ・マトリックスを所定の
列データ移行方向に移行させ、第３の１次元空間光変調
器の行に対応する結果データ・マトリックスの第１のマ
トリックスの行をクリアして、次の入力データ列のデー
タをここに印加する工程と、 (l)工程(d)ないし工程(k)を繰り返し、２次元結果デー
タ・マトリックスの最後のマトリックス行を工程(k)の
間一時記憶して、２次元最新摺動窓横断あいまいさ結果
データ・マトリックスを形成する工程とを具備し、複数の空間光変調器と空間アキュミュレータとを用い
て、前記データ・ビームに刻印された１次元データにつ
いて１次元摺動窓横断あいまいさ関数計算を実行する請
求項１ないし請求項７のいづれかに記載の光学的演算実
行法。
【請求項１１】所望の光学的演算を選択的に実行するた
めに光学データ・ビームを処理する装置において、前記光学データ・ビームを空間的に変調する複数個の空
間光変調器であって、少なくとも２つの空間光変調器
と、少なくとも１つの付加的な空間光変調器とを具備
し、前記少なくとも２つの空間光変調器は両方とも前記
光学データビームの１次元変調器のための手段を有し、
前記第１の変調器は前記第２の変調器に関して、また、
前記光学データビームに関して交差しており、前記少な
くとも１つの付加的な変調器は前記光学データビームの
２次元変調のための手段を有する空間光変調器と、レンズを使用せずに前記の空間光変調器を相互に連結し
て、空間光変調器相互間で焦点合わせの不要な前記光学
データ・ビームの伝送を行う手段と、選択された複数の空間光変調器にデータを供給すること
により前記所望の光学的演算に関するプログラム可能な
処理を実施する手段と、を具備する装置。
【請求項１２】前記光学データビームを発生するための
手段と、および、前記光学データビームを受信するための手段をさらに具
備し、前記発生手段と前記受信手段は前記変調手段の各々に前
記内部接続手段によって結合されていることを特徴とす
る請求の範囲第１１項に記載の装置。
【請求項１３】前記内部接続手段は、前記装置が実質的
に固体であるように、前記複数の変調器手段の物理的
に、実質的に堅牢な内部接続を提供することを特徴とす
る請求の範囲第１２項に記載の装置。
【請求項１４】前記発生手段はコヒーレントでない光を
発生することを特徴とする請求の範囲第１３項に記載の
装置。
【請求項１５】前記内部接続手段は、前記光学データビ
ームのレンズを使用しない導かれる転送のための光学フ
ァイバー手段を具備することを特徴とする請求の範囲第
１４項に記載の装置。
【請求項１６】前記複数の変調器手段のおのおのは、前
記光学データビームに実質的に横方向にある第１と第２
の主な表面を有する電気光学結晶を具備することを特徴
とする請求の範囲第１５項に記載の装置。
【請求項１７】前記少なくとも２つの光変調器の前記１
次元光変調手段と、前記少なくとも１つの付加的な光変
調器の前記２次元光変調手段とは、前記結晶の各１つの
前記第１の主な表面の上にあるパターン化された複数の
電極を具備することを特徴とする請求の範囲第１６項に
記載の装置。
【請求項１８】前記少なくとも２つの空間光変調器の前
記光変調手段は、パラレルなストリップ電極のパターン
として特徴づけられることを特徴とする請求の範囲第１
７項に記載の装置。
【請求項１９】前記少なくとも１つの付加的な空間光変
調器の前記光変調手段は、電極のマトリックス配列とし
て特徴付けられる請求の範囲第１８項に記載の装置。
【請求項２０】光学ビームを供給するための手段と、複数の空間光変調器であって、前記光学ビームに関して
互いに直交するように向けられた第１と第２の１次元光
変調器と、２次元空間光変調器とを有する空間光変調器
と、前記光学ビームを受信するための手段と、前記複数の空間光変調器をレンズ無しに内部接続して、
前記光学ビームが前記複数の空間光変調器を通過するよ
うにするための手段と、前記光学ビームにデータをプログラム可能に転送するよ
うに、前記複数の空間光変調器を制御するための手段
と、を具備することを特徴とする光学ビームに供給されるデ
ータを処理するための光学プロセッサシステム。
【請求項２１】前記内部接続手段は、前記複数の変調器
の各１つの間の前記光学ビームの焦点のない転送のため
のレンズを使用しない手段を有することを特徴とする請
求の範囲第２０項に記載のシステム。
【請求項２２】前記内部接続手段は、前記光学ビームが
焦点の合わされることなくその間を転送されるように、
前記複数の変調器の各々に関して前記複数の受信手段の
各々を前記ビーム供給手段と前記ビーム受信手段とを内
部接続することを特徴とする請求の範囲第２１項に記載
のシステム。
【請求項２３】前記受信手段は、それへのデータを転送
するための前記制御プロセッサに結合されるとして特徴
付けられる請求の範囲第２０項に記載のシステム。
【請求項２４】前記内部接続手段は、光ファイバー板
と、光学ビーム偏向器を具備することを特徴とする請求
の範囲第２３項に記載のシステム。
【請求項２５】前記ビーム供給手段はコヒーレントでな
い光を発生することを特徴とする請求の範囲第２４項に
記載のシステム。
【請求項２６】前記ビーム供給手段は、フラットエレク
トロルミネッセンス光源、光放出ダイオード（ＬＥＤ）
源、プロズマ源、および、空間的にコヒーレントなＬＥ
Ｄレーザ源からなるグループから選択された光源として
特徴付けられる請求の範囲第２５項に記載のシステム。
【請求項２７】光学ビームを発生するフラットパネル
と、交差した１次元空間光変調器と、２次元空間光変調器と
からなるグループから選択された複数の空間光変調器
と、前記光学ビームを受信するためのアキュミュレータ手段
と、および、前記複数の前記空間光変調器を介して前記フラットパネ
ル手段から前記アキュミュレータ手段に前記光学データ
ビームを焦点合わせ不要に転送するように、前記フラッ
トパネル手段と、前記複数の空間光変調器と、前記アキ
ュミュレータ手段とを、レンズを使用せずに結合するた
めの内部接続手段と、を具備することを特徴とする光学データビームを処理す
ることによりデータに関する計算を実行するための光学
コンピュータ。
【請求項２８】前記内部接続手段は、前記複数の空間光
変調器の堅牢な支持のための複数の光ファイバー板と、
複数の偏光板とを具備し、前記フラットパネル手段は、
一様なコヒーレントでない光学ビームを発生することを
特徴とする請求の範囲第２７項に記載の光学コンピュー
タ。
【請求項２９】コントロールプロセッサと、データを前記光学データビームに転送するための前記複
数の空間光変調器を各々制御するための電極手段と、それとデータを相互に交換するために前記電極手段とお
よび前記コントロールプロセッサと結合された複数のバ
ッファ手段と、および、前記アキュミュレータ手段から前記コントロールプロセ
ッサにデータを転送するための手段とを、さらに具備す
ることを特徴とする請求の範囲第２８項に記載の光学コ
ンピュータ。