Оптическое вычислительное устройство

Авторы патента:

G06G9 - Аналоговые вычислительные машины (аналоговые оптические вычислительные устройства G06E 3/00; компьютерные системы, основанные на специфических вычислительных моделях G06N)

ОПТИЧЕСКОЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО, содержащее четыре полупрозрачных зеркала, первый и второйисточники монохроматического света, первый и второй динамические транспаранты , первый канал оптической обработки информации, состоящий из первого и второго Фурье-преобразующих элементов и пространственно-частотного фильтра, а также генератор тактовых импульсов, причем первый динамический транспарант размещен между первым и вторым полупрозрачными зеркалами , второй динамический транспарант между третьим и четвертым полупрозрачными зеркалами,пространственно частотный фильтр первого канала оптической обработки информации - между первым и вторым Фурье-преобразующими элементами в их фокальной плоскости,первый динамический транспарант выполнен из материала, сенсибилизированного к длине волны второго источника монохроматического света,и снабжен зеркалом, селективным к длине волны пег зого источника монохроматического света, второй динамический транспарант выполнен из материала, сенсибилизированного только к длине в.олны первого источника монохроматического света, выход первого источника монохроматического света через второе полупрозрачное зеркало и зеркало первого динамического транспаранта, а выход второго источника монохроматического света через третье полупрозрачное зеркало оптически связаны с входом второго динамического транспаранта , первый и второй выходы генератора тактовых импульсов подключены соответственно к электрическим входам первого и второго источников монохроматического света, отличающееся тем, что, с. целью расширения класса решаемых задач ve путем решения помимо уравнений интегрального типа дифференциальных уравнений в частных производных параболического типа, в него введены блок записи и стирания информации, состоящий из первого, второго и третьего источников монохроматического света и входного пространственного модулятора света, выходной преобразователь оптического сигнала в электрический , два транспаранта комплексного пропускания, второй канал опти10 ческой обработки информации, состоящий из последовательно расположенных первого транспаранта комплексного пропускания, первого Фурье-преобразующего элемента, пространственночастотного фильтра, второго Фурьепреобразующего элемента и второго транспаранта комплексного пропускания , при этом электрические входы . первого, второго и третьего источкиков монохроматического света блока записи и стирания информации подключены соответственно к третьему, чет

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

4(51) С 06 С 9/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3646692/24-24 (22) 29.09.83 (46) 07.03.85 Бюл. № 9 (72) Ю.Г.Булычев, В.В.Хуторцев и В.Н.Таран (53) 681.333(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

¹ 10?3340, кл. G 06 F 15/328, 1979.

2. Василенко Г.И. Теория восстановления сигналов. M. "Советское радио", 1979, с. 245 (прототип). (54)(57) ОПТИЧЕСКОЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЕ

УСТРОЙСТВО, содержащее четыре полупрозрачных зеркала, первый и второй. источники монохроматического света, первый и второй динамические транспаранты, первый канал оптической обработки информации, состоящий из первого и второго Фурье-преобразующих элементов и пространственно-частотного фильтра, а также генератор тактовых импульсов, причем первый динамический транспарант размещен между первым и вторым полупрозрачными зеркалами, второй динамический транспарант межцу третьим и четвертым полупрозрачными зеркалами, пространственновЂ” частотный фильтр первого канала оптической обработки информации вЂ” между первым и вторым Фурье-преобразующими элементами в их фокальной плоскости, первый динамический транспарант выполнен из материала, сенсибилизированного к длине волны второго источника монохроматического света,и снабжен зеркалом, селективным к длине волны пегзого источника монохроматического света, второй динамический транспарант выполнен из материала, сенсибилизированного только к длине волны

„„SU„„1144127 А первого источника монохроматического света, выход первого источника монохроматического света через второе полупрозрачное зеркало и зеркало первого динамического транспаранта, а выход второго источника монохроматического света через третье полупрозрачное зеркало оптически связаны с входом второго динамического транспаранта, первый и второй выходы генератора тактовых импульсов подключены соответственно к электрическим входам первого и второго источников монохроматического света, о т л ивЂ” ч а ю щ е е с я тем, что, с целью . расширения класса решаемых задач путем решения помимо уравнений.интегрального тина дифференциальных уравнений в частных производных параболического типа, в него введены бпок записй и стирания информации, состоящий из первого, второго и третьего источников монохроматического света и входного пространственного модулятора света, выходной преобразователь оптического сигнала в элект- 0Ь рический, два транспаранта комплекс- ффЬ ного пропускания, второй канал опти- iaeL ческой обработки информации, сбстоя- ф щий из последовательно расположенных щ ) первого транспаранта комплексного пропускания, первого Фурье-преобразующего элемента, пространственночастотного фильтра, второго Фурьепреобразующего элемента и второго Ь транспаранта комплексного пропускания, при этом электрические входы . первого, второго и третьего источников монохроматического света блока записи и стирания информации подключены соответственно к третьему, чет1144127!

О вертому и пятому электрическим выходам генератора тактовых импульсов, первый источник монохроматического света блока записи и стирания информации через первое полупрозрачное зеркало оптически связан с первым динамическим транспарантом, второй ис- . точник монохроматического света блока записи и стирания информации через входной пространственный модулятор оптически связан с входом второго динамического транспаранта, третий источник монохроматического света блока записи и стирания информации оптически связан с входом второго динамического .транспаранта, вход выходного преобразователя оптического сигнала в электрический через четвертое полупрозрачное зеркало оптически связан с выходом второго динамического транспаоанта, первый транспарант комплексного пропускания размещен между вторым полупрозрачным зеркалом и первым Фурье-преобразующим элементом первого канала оптической обраИзобретение относится к оптической вычислительной технике и может быть использовано для решения дифференциальных уравнений в частных производных параболического типа, например диффузионного уравнения ФоккеравЂ”

Планка-Колмогорова, имеющего фундаментальное значение в теории марковских процессов.

Известно устройство для решения дифференциальных уравнений в частных производных, реализующее конечно-разностную схему, полученную в результате аппроксимации исходного дифференциального уравнения как по временной, так и по пространственной координате 11) .

Такого рода аппроксимация существенно снижает точность вычислений, технически трудно реализуема, не обеспечивает высокое быстродействие, а следовательно, ограничивает класс решаемых с ее помощью задач.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к изобретению является оптическое ботки информации, второй транспарант комплексного пропускания размещен между вторым Фурье-преобразующим элементом первого канала оптической обработки информации и третьим полупрозрачным зеркалом, вход первого транспаранта комплексного пропускания второго канала оптической обработки информации оптически связан с выходом первого динамического транспаранта, выход второго транспаранта комплексного пропускания второго канала оптической обработки информации оптически связан с входом второго динамического транспаранта, причем длина волны второго и третьего источников монохроматического света блока записи и стирания информации равна длине волны первого источника монохроматического света, а длина волны первого источника монохроматического света блока записи и стирания информации равна длине волны второго источника монохроматического све-. та. устройство, содержащее четыре полупрозрачных зеркала, первый и второй источники монохроматического света, первый и второй динамические транспаранты, канал оптической обработки информации, состоящий из первого и второго Фурье-преобразующих элементов и пространственно-частотного фильтра, а также генератор тактовых импульсов, причем первый динамический транспарант размещен между первым и вторым полупрозрачными зеркалами, второй динамический транспарантвЂ” между третьим и четвертым полупрозрачными зеркалами, пространственночастотный фильтр канала оптической. обработки информации вЂ” между первым и вторым Фурье-преобразующими элементами в их фокальной плоскости, первый динамический транспарант выполнен из материала, сенсибилизированного к длине волны второго источника монохроматического света и снабжен зеркалом, селективным к длине волны первого источника монохроматического света, второй динамический транспа3 1144 рант выполнен из материала, еенсибилизированного только к длине волны первого источника монохроматическогo света, выход первого источника монохроматического света через второе по5 лупрозрачное зеркало и зеркало первого динамического транспаранта, а выход второго источника монохроматического света через третье полупрозрачное зеркало оптически связан с входом второго динамического транспаранта, а первый и второй выходы генератора тактовых импульсов подключены соответственно к электрическим вхо дам первого и второго источников мо нохроматического света (2j.

Известное устройство позволяет реализовать итерационный метод восстановления сигналов, основанный на алгоритме последовательных приближевЂ” ний Бургера и Ван Ситтера.

Принцип работы устройства состоит в том, что в результате последовательных операций записи и считывания (определяемых работой источников света), на втором динамическом транспаранте регистрируется функция

S„,„(x)= f(xi+5„(x j- 4(x)+S„(x), (1)

rpe f(x) вЂ” искаженное 1зображение; 0

h(x) вЂ” характеристика канала обратной связи;

Бя(х) вЂ” приближение на и-м шаге;

Sqi1 (х) вЂ” приблежение на и+1 шаге, 35 которая отражает формулу для восстановления сигналов методом последовательных приближений Бургера и Ван

Ситтера.

Однако известное устройство не мо-40 жет использоваться для решения, на-. пример, дифференциального уравнения

Фоккера-Планка-Колмогорова, т.е ° класс решаемых задач ограничен.

Цель изобретения вЂ” расширение 45 класса решаемых задач путем решения помимо уравнений интегрального типа дифференциальных уравнений в частных производных параболического типа.

Указанная цель достигается тем, 50 что в оптическое вычислительное устройство, содержащее четыре полупроз. рачных зеркала, первый и. второй источники монохроматического света, первый и второй динамические транспа. 55 ранты, первый канал оптической обработки информации, состоящий из первого и второго Фурье-преобразующих эле127

4 ментов и пространственно-частотного фильтра, а также генератор тактовых импульсов, причем первый динамический транспарант размещен между первым и вторым полупрозрачными зеркалами, второй динамический транспарант между третьим и четвертым полупрозрачными зеркалами, пространственночастотный фильтр первого канала оптической обработки информации вЂ” между первым и вторым Фурье-преобразующими элементами в их фокальной плоскости, первый динамический транспарант выполнен из материала, сенсибилизированного к длине волны второго источника монохроматического света, и снабжен зеркалом, селективным к длине волны первого источника монохроматического света, второй динамический транспарант выполнен из материала, сенсибилизированного только к длине волны первого источника монохроматического света, выход первого источника монохроматического света через второе полупрозрачное зеркало и зеркало первого динамического тран- .спаранта, а выход второго ист чника монохроматического света через третье .полупрозрачное зеркало оптически связаны с входом второго динамического транспаранта, первый и второй выходы генератора тактовых импульсов подключены соответственно к электрическим входам первого и второго источников монохроматического света, введены блок записи и стирания информации, состоящий из первого, второго и третьего источников монохроматического света и входного пространственного модулятора света, выходной преобразователь оптического сигнала в электрический, два транспаранта комплексного пропускания, второй канал оптической обработки информации, состоящий из последовательно расположенных первого транспаранта комплексного пропускания, первого Фурье-преобразующего элемента, пространственночастотного фильтра, второго Фурьепреобрсзующего элемента и второго транспаранта комплексного пропускания, при этом электрические входы первого, второго и третьего источников монохроматического света блока записи и стирания информации подключены соответственно к третьему, четвертому и пятому электрическим выходам генератора тактовых импульсов, первый источник монохраматического

1144127 света блока записи и стирания инфор- мации через первое полупрозрачное зеркало оптически связан с первым динамическим транспарантом, второй источник монохроматического света бло- 5 ка записи и стирания информации через входной пространственный модулятор оптически связан с входом второго динамического транспаранта, третий источник монохроматического света блока записи и стирания информации оптически связан с входом второго динамического транспаранта, вход выходного преобразователя оптического сигнала в электрический через чет-15 вертое полупрозрачное зеркало оптически связан с выходом второго динамического транспаранта, первый транспарант комплексного пропускания размещен между вторым полупрозрачным . щ зеркалом и первым Фурье-преобразующим элементом первого канала оптической обработки информации, второй транспарант комплексного пропускания размещен между вторым Фурье-преобразующим 25 элементом первого канала оптической обработки информации и третьим полупрозрачным зеркалом, вход первого транспаранта комплексного пропускания второго канала оптической обработки ЗО информации оптически связан с выходом первого динамического транспаранта, выход второго транспаранта комп-. лексного пропускания второго канала оптической обработки информации оптически связан с входом второго динамического транспаранта, причем длина волны второго и третьего источников монохроматического света блока записи и стнрания информации равна длине о волны первого источника монохроматического света, а длина волны первого источника моиохроматического све,та блока записи и стирания информации равна длине волны второго ,источника монохроматического света.

На фиг. 1 представлена структурная схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 вЂ” временная диаграмма работы устройства; на фиг. 3 вЂ” структурная схема блока записи и стирания информации; на фиг. 4 вЂ” структурные схемы первого и второго каналов оптической обработки информации.

Оптическое вычислительное устрой- 55 ство содержит генератор 1 тактовых импульсов (ГТИ), первый 2 и второй 3 источники монохроматического света (ИКС) с длинами волн Л и Лр соответственно, блок 4 записи и стирания информации (БЗСИ), первый 5 и второй

6 динамические транспаранты (ДТ), первый 7 и второй 8 каналы оптической обработки информации (КООИ) и выходной преобразователь 9 оптического сигнала в электрический.

Оптическая связь между блоками осуществляется с помощью полупрозрачных зеркал 3 -3 . Блок 4 записи и стирания информации состоит из первого 10, второго 11 и третьего 12 источников монохроматического света с длинами волн соответственно Х,, 3ф и 3, а также из входного пространственного модулятора l3 света. Первый

КООИ 7 содержит первый транспарант 14 комплексного пропускания, первый

Фурье-преобразующий элемент 15, про странственно-частотный фильтр 16, второй Фурье-преобразующий элемент

17 и второй транспарант 18 комплексного пропускания, Аналогично второй

КООИ 8 также содержит первый транспарант 19 комппексного пропускания, первый Фурье-преобразующий элемент

20, пространственно-частотный фильтр

21, второй Фурье-преобразующий элемент 22 и второй транспарант 23 комплексного пропускания. Основная особенность ДТ 5 состоит в том, что считывание с него оптической информации осуществляется светом с длиной волны. 3.< на отражение. Поэтому вспомогательный вход этого транспаранта и его выход оказываются совмещенными (световой пучок, падающий перпендикулярно плоскости транспаранта, отражается от него в том же направлении, при этом отраженный пучок. света поступает на входы КООИ 7 и 8). ДТ 6 чувствителен к излучению с длиной волны Л, выполняет роль сумматора, складывающего или вычитающего сигналы-иэображения, работает только в режиме запись-считывание (стирание происходит после окончания работы устройства). ДТ 5 и 6 установлены в предметные плоскости системы, их применение делает характер функционирования системы активным, т.е. позволяет снизить требования к допустимому поглощению света оптическими элементами схемы, и, кроме того, устраняется недостаток, присущий пассивным оптическим схемам вЂ” сильное ослабле ние светового потока после каждого

1144127

Для нахождения W(x,t) на и-м шаге (W(x,ï(.) необходимо вычислить три слагаемых

W(s„())») tj 1- е слагаемое;

5 (K (rI)V(x,(n-xle))) 2-е слагаемое, -»1 2

1 1 ((("х(х)чч(xx(x-к)к))) 3-е слагаемое, и сложить их.

Структуры КООИ 7 и 8 (фиг. 4) определяются соответственно видом 2-го и 3-го слагаемых (6). Основными элементами каналов являются линзы прямого и обратного преобразования Фурье и пространственные модуляторы света (ПМС) с заданным комплексным пропусканием.

Устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии ГТИ 1.не работает, HMC 2 и 3, а также ИМС, вхоцикла прохождения сигнала в цепи. В качестве ДТ 5 может быть использова

ДТ типа "Фототитус" а в качестве

ДТ 6 вЂ” ДТ типа "IIPOM".

Структура других узлов устройства определяется видом моделируемого дифференциального уравнения ФоккеравЂ”

Планка-Колмогорова

-а(к,(к)чх(х,к)) аr (,(х)хч(х,к))

dt . d»

+ l (Ч)

2 х> где W(x„ t) вЂ” одномерная плотность вероятности скалярного марковского процесса (искомая функция);

К,(х) вЂ” стационарный коэффициент сноса;

К2(х) вЂ” стационарный коэффициент диффузии.

Алгоритм решения (2) может быть

) я ИМС 11 и излучение с длиной волны Х», =Х проходит через

ПМС 13,.модулируется в соответствии с W(x, î) и записывается на ДТ 6. 2-м

ТИ HMC 11 выключается, а 1-м ТИ с

2-го выхода ГТИ .1 включается ИМС 3 и излучением с одной волны А. считывает на просвет Я(х„ о) с ДТ 6 на ДТ 5, при этом часть световой энергии поступает на вход блока 9, где преобразуется в электрическую и используется для дальнейшей обработки. 2-м ТИ

ИМС 3 выключается. Теперь на ДТ 5 и 6 записана одна и та же информация (чч(х» о)„которая согласно (3) используется для дальнейших вычислений (1-е) слагаемое (6). 1-м ТИ с 1-го выхода ГТИ 1 включается HMC 2 и светом с длиной волны Хд И(х„о) считывается в отраженном свете с ДТ 5, проходит КООИ 7 и 8, на выходах которых формируются соответственно 2-е и 3-е слагаемые ( х о) ко=t где Ч и Ч вЂ” операторы прямого и обратного преобразования

Фурье.

В решении (3) производная по времени замена аппроксимирующим ее разностным отношением

%(x,t+ )- e (к„ }

Приведение диффузионного уравнения Фоккера вЂ” Планка-Колмогорова к виду (3) обусловлено тем, что мате- 40 матические операции сложения, умножения, прямого и обратного преобразования Фурье над сигналами-изображениями реализуются на оптических элементах довольно просто ("стопкой" 45 транспарантов и линз). Основой для перехода от одной записи уравнения к другой служит известная формула

tl к(к) Ч- ((и)" Ч (К(к))), (x)

» -С Ч )().о Ч (К (х)))(((»„о)Д (7)

--, V (,РЧ fx,(xlxv(x, )))

На ДТ 6 происходит сложение W( и (7), т. е. формируется перв6е ис мое значение функции W(x» t) для к Ч((х„х)=КЧ(х,е)-КЧ (1иЧ (К (к)Ч)(к,е)))где и-я производная функции вычисляется в результате применения к функции преобразования Фурье умножения полученного Фурье-образа на п-ю степень от дЮ и выполнения обратного преобразования. задан следующей разностной схемой. . дящне в состав БЗСИ 4, выключена, запись на ДТ 5 и 6 отсутствует, на

«1«® „ ) «Ч-» f. Ч-г „) )Ч „ (11 ПМС 13 записано начальное значение

)ч (х,о) . Первым тактовым импульсом (ТИ) с 4-ro выхода ГТИ 1 (фиг. 1 и 2 включаетс

1 14 i 127

Ос

2-м ТИ ИМС 2 выключае.тся, а 1-и

ТИ с 3-го выхода ГТИ 1 включается

HHC 10 и светом с длиной волны,.

5 стирает M(x

10 выключается. Таким образом, к концу первого шага вычислений элементы устройства находятся в следующем состоянии: на ДТ 5 вЂ” запись отсутствует, на ДТ 6 вЂ” записывается (8), исТочники света выключаются, а в блоке 9 световая информация M(x,о) преобразовывается в электрическую. Информация с ДТ 6 после каждого шага вычислений не стирается и согласно (3) используется на очередном шаге вычислений как новая начальная информацияе

Второй и последующие шаги вычислений аналогичны первому. Отличие состоит лишь в том, что теперь перед началом каждого шага вычислений не требуется запись начальных данных на ДТ 6 (в качестве последних испопьзуется результат вычислений на предыдущем шаге) . Световая информация поступает на блок 9 в начале каждого нового шага вычислений при считывании на просвет информации с ДТ 6 на ДТ 5.

В конце п-го шага вычислений на

ДТ 6 записывается информация

4(x„n7)=6Ix (-a)7)-Ò ((1и) V (К,(x л (w(x (n-t))j- 2 ч (w v (к (х/Nl(a - )ад(Предложенное устройство по сравнению с известным позволяет также решать дифференциальное уравнение параболического типа (уравнение ФоквЂ” кера. вЂ” Планка-Колмогорова), обеспевЂ” чивая при этом высокую точность вычислений из-за отсутствия аппроксимации по пространственной коорди-, нате.

1144127

/ "Йяоо

ГТИ f

2 "оыкоо

ГЮ

Я Рыл оо

Ф"Юьиод

Г ТН8

5 "Фикоо

ГТИ f

Выход

ИМС2