оптоэлектронное устройство для перемножения матриц

Формула изобретения

1. ОПТОЭЛЕКТРОННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЕРЕМНОЖЕНИЯ МАТРИЦ, содержащее транспарант, отличающееся тем, что в него введены блок формирования изображения первой матрицы, первый и второй кодирующие волоконно-оптические блоки, блок спектрального разделения и фотоприемный блок, причем управляющие входы блока формирования изображения первой матрицы и транспаранта с изображением второй матрицы являются соответственно первым и вторым информационными входами устройства, выход блока формирования изображения первой матрицы через последовательно расположенные первый кодирующий волоконно-оптический блок, транспарант, второй кодирующий волоконно-оптический блок и блок спектрального разделения оптически связан с входом фотоприемного блока, выход которого является выходом устройства.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что фотоприемный блок содержит матрицу фотоприемников и матрицу масштабирующих элементов, оптические входы фотоприемников образуют оптический вход фотоприемного блока, электрические входы фотоприемников подключены к входам соответствующих масштабирующих элементов, электрические выходы которых являются выходом фотоприемного блока.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано для перемножения матриц в универсальных и специализированных оптоэлектронных вычислительных системах.

Известны различные способы и средства перемножения матриц [1-4]. Так в [1] описаны устройство и принцип действия акустооптронных процессоров для перемножения матриц. Основным недостатком устройств такого типа является недостаточно высокое быстродействие, обусловленное параллельно-последовательным принципом организации процедуры перемножения.

Максимальное быстродействие обеспечивают устройства, в которых реализован полностью параллельный принцип перемножения [2,3].

Недостатком данных устройств является необходимость использования когерентного излучения, что, в сочетании с жесткими требованиями к юстировке элементов оптической схемы, существенно затрудняет достижение высокой точности.

Наиболее близким по техническому решению к предлагаемому устройству является оптическое аналоговое устройство для умножения матриц, содержащее источник света, конденсорную линзу, диффузный рассеивающий элемент, компенсирующий транспарант, три анаморфотных оптических звена, транспаранты с записью изображений матриц и многоэлементный фотоприемник [4].

Недостатком данного устройства является низкая точность, определяемая погрешностями двух типов. Статические погрешности обусловлены неточностью взаимного расположения элементов оптической схемы устройства. Динамические погрешности являются следствием невозможности абсолютно жесткой и стабильной фиксации элементов устройства. При использовании устройства в составе бортовых вычислительных средств это приводит к возникновению шумов и, как следствие, к необходимости привлечения дополнительного комплекса средств их компенсации.

Кроме того, построение схемы на принципах геометрической оптики существенно затрудняет микроминиатюризацию устройства.

Целью изобретения является повышение точности.

Цель достигается тем, что в устройство, содержащее транспарант с записью изображения матрицы, введены блок формирования изображения первой матрицы, первый и второй кодирующие волоконно-оптические блоки, блок спектрального разделения и фотоприемный блок, причем управляющие входы блока формирования изображений первой матрицы и транспаранты с изображением второй матрицы образуют соответственно первый и второй информационные входы устройства, выход блока формирования изображения первой матрицы через последовательно расположенные первый кодирующий волоконно-оптический блок, транспарант с изображением второй матрицы, второй волоконно-оптический блок и блок спектрального разделения оптически связан с входом фотоприемного блока, выход которого является выходом устройства.

Фотоприемный блок содержит матрицу фотоприемников и матрицу масштабирующих элементов, оптические входы фотоприемников образуют вход блока, электрические выходы фотоприемников подключены к входам соответствующих масштабирующих элементов, выходы которых являются выходом блока.

Введение в устройство кодирующих волоконно-оптических блоков обеспечивает повышение точности за счет исключения погрешностей "адресации" элементов матриц, проявляющихся вследствие неточной юстировки оптической схемы, и снимает требование жесткой фиксации взаимного положения элементов устройства.

На фиг. 1 представлена схема устройства; на фиг. 2 показан характер внутренних связей в первом кодирующем волоконно-оптическом блоке.

Устройство содержит блок 1 формирования изображения первой матрицы, первый кодирующий волоконно-оптический блок 2, транспарант 3 с записью изображения второй матрицы, второй кодирующий волоконно-оптический блок 4, блок 5 спектрального разделения и фотоприемный блок 6. Управляющие входы блока 1 и транспаранта 3 являются соответственно первым и вторым информационными входами устройства. Оптический выход блока 1 через последовательно расположенные первый кодирующий волоконно-оптический блок 2, транcпарант 3, второй кодирующий волоконно-оптичеcкий блок 4 и блок 5 спектрального разделения связан с входом фотоприемного блока 6. Электрический выход блока 6 является выходом устройства.

Блок 1 предназначен для преобразования входных сигналов, поступающих на его управляющий вход по шине первого информационного входа устройства и несущих информацию о значениях элементов первой матрицы, в цветное изображение. Входные сигналы блока 1 могут быть как электрические, так и оптические. Выходным сигналом блока 1 является полихроматический световой поток, состоящий из (nxm)-элементарных монохроматических световых потоков (где m - число строк, а n - число столбцов первой матрицы). Элементарные световые потоки, несущие информацию о значении элементов одной строки, имеют одну длину волны _i . Световые потоки, соответствующие элементам различных строк, имеют разные длины волны, т.е.

_{i i-1}, i

Блок 1 может быть выполнен, например, на основе монохроматических управляемых источников света, таких как полупроводниковые светодиоды.

Первый кодирующий волоконно-оптический блок 2 обеспечивает размножение элементарных световых потоков, формируемых блоком 1, и оптическую связь выходов блока 1 с участками (элементов) транспаранта 3, т.е. адресацию элементов первой матрицы к элементам второй матрицы. Характер внутренних связей блока 2 показан на фиг. 2. Блок 2 может быть выполнен на основе как одно-, так и многомодовых волокон.

Транспарант 3 предназначен для модуляции интенсивности элементарных световых потоков, проходящих через него с выхода блока 2 на вход второго кодирующего волоконно-оптического блока 4. Блок 3 может быть выполнен в виде матрицы (nxm) - элементарных управляемых модуляторов света, например жидкокристаллических. Управляющие входы модуляторов объединены в общую шину второго информационного входа устройства. Коэффициент пропускания каждого элементарного модулятора пропорционален значению соответствующего элемента второй матрицы.

Второй кодирующий ВОБ 4 предназначен для одномерного суммирования световых потоков, формируемых на выходе транспаранта 3, и может быть выполнен как с использованием отдельных световодов, так и методами интегральной оптики.

Блок 5 спектрального разделения обеспечивает преобразование одномерного сигнала, формируемого блоком 4, в двумерный, причем формируемое "изображение" состоит из элементарных монохроматических световых потоков, и потоки, имеющие одну длину волны _i , располагаются в одной строке (или столбце, что не принципиально). Данный блок может быть выполнен средствами микроволноводной оптики, например в виде набора микроволноводных селективных фильтров.

Фотоприемный блок 6 предназначен для преобразования совокупности оптических сигналов в электрические. Данный блок может быть выполнен, например, в виде матрицы фотодиодов, оптические входы каждого из которых связаны с соответствующими выходами блока 5. Электрические выходы каждого фотодиода через масштабирующие элементы (резисторы или усилители) связаны с выходами устройства. Масштабирующие элементы предназначены для компенсации неодинаковой чувствительности фотодиодов на различных длинах волн.

Устройство работает следующим образом. На входы 1, 2 устройства подаются электрические сигналы, амплитуды которых пропорциональны значениям элементов матриц А и В, причем сигналы управления транспарантом 3 формируются таким образом, чтобы функция пропускания транспаранта в плоскости ХОУ (см. фиг. 1) соответствовала транспонированной матрице В. Световые потоки, формируемые блоком 1, преобразуются кодирующим блоком 2 в соответствии с выражением

J_2ij= J₁(_j)_ij; j ; i (1) где m,n - число строк и столбцов матрицы А соответственно;

_i - длина волны излучения в j-м столбце. Выходные световые потоки J_2ij блока 2 модулируются элементами транспаранта 3, т.е.

J_3ij=J_2ij= _ijJ_i(₁)_ij (2) и затем суммируются блоком 4

J_4j=J_3ij= _ijJ₁(_j)_ij (3) После прохождения световых потоков J_4j через блок 5 спектрального разделения на вход (i,j)-го фотоприемника блока 6 поступает световой поток с определенной длиной волны, интенсивность которого пропорциональна (i,j)-му элементу результирующей матрицы. При этом на выходе устройства формируется электрический эквивалент результирующей матрицы.

Введение новых элементов и изменение принципа работы предлагаемого устройства по сравнению с прототипом позволяют исключить присущие ему погрешности и тем самым повысить точность при сохранении высокого быстродействия. Кроме того, все элементы предлагаемого устройства и все устройство в целом могут быть выполнены методами интегральной оптики, причем в этом случае топология устройства может существенно отличаться от иллюстративного варианта, представленного на фиг. 1, важно только сохранение характера связей.