Оптоэлектронное устройство для перемножения матриц

 

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано для перемножения матриц в универсальных и специализированных оптоэлектронных вычислительных системах. 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 и блок спектрального разделения оптически связан с входом фотоприемного блока, выход которого - выход устройства. 1 з.п ф-лы, 2 ил.

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 λ_i . Световые потоки, соответствующие элементам различных строк, имеют разные длины волны, т.е.

λ_i≠ λ_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 λ_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(λ_j)_ij; j∈ ; i (1) где m,n - число строк и столбцов матрицы А соответственно; λ_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= τ_ijJ_i(λ₁)_ij (2) и затем суммируются блоком 4 J_4j=J_3ij= τ_ijJ₁(λ_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.

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.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2