Оптическое вычислительное устройство Советский патент 1985 года по МПК G06G9/00 

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 транспапанта, первый транспарант комплексного пропускания размещен между вторым полупрозрачным зеркалом и первым Фурбе-преобраз-ующим элементом первого канала оптической обработки информации, второй транспарант комплексного пропускания размещен между 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.

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

Изобретение относится к оптической вычислительной технике и может быть использовано для решения дифференциальных уравнений в частных производных параболического- типа, например диффузионного уравнения Фоккера 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 р .

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 оптическорустройство, содержащее четыре полупрозрачных зеркала, первый и второй источники монохроматического света, первьй и второй динамические транспаранты, канал оптической обработки информации,состоящий из первого и второго Фурье-преобразующих элементов и пространственно-частотного фильтра, а также генератор тактовых

10 импульсов, причем первый динамический транспарант размещен между первым и вторым полупрозрачными зеркалами, второй динамический транспарант между третьим и четвертым полупрозрачными зеркалами, пространственночастотный фильтр канала оптическойобработки информации - между первым и вторым Фурье-преобразующими элементами в их фокальной плоскости, пер20 вьй динамический транспарант вьшолнен из материала, сенсибилизированного к длине волны второго источника монохроматического света и снабжен зеркалом, селективным к длине волны

25 первого источника монохроматического света, второй динамический транспа3рант выполнен нз материала, еенсибилизированного только к длине волны первого источника монохроматического света, выход первого источника монохроматического света через второе по лупрозрачное зеркало и зеркало первого динамического транспаранта, а выход второго источника монохроматического света через третье полупрозрачное зеркало оптически связан с входом второго динамического транспа ранта, а первый и второй выходы гене ратора тактовых импульсов подключены соответственно к электрическим входам первого и второго источников мо Iнохроматического света 2. . Известное устройство позволяет реализовать итерационный метод восстановления сигналов, основанный на алгоритме последовательных приближе ний Бургера и Ван Ситтера. Принцип работы устройства состои в том, что в результате последовате ных операций записи и считывания (определяемых работой источников св та), на втором динамическом транспа ранте регистрируется функция 5,,(х)(хН5„(х)-1ч(хи5„(х) , CD где f(x) - искаженное 1|зображение h(x) - характеристика канала обратной связи; S(х) - приближение на п-м Sf,n (х) - приблежение на п+1 шаге которая отражает формулу для восстановления сигналов методом последовательных приближений Бургера и Ван Ситтера. Однако известное устройство не мо жет использоваться для решения, например, дифференциального уравнения Фоккера-Планка-Колмогорова, т.е. класс решаемых задач ограничен. Цель изобретения - расширение класса решаемых задач путем решения помимо уравнений интегрального типа дифференциальных уравнений в частных производных параболического типа. Указанная цель достигается тем, что в оптическое вычислительное устройство, содержащее четыре полупрозрачных зеркала, первый и. второй источники монохроматического света, первый и второй динамические транспа ранты, первый канал оптической обработки информации, состоящий из перво го и второго Фурье-преобразующих эле 274 ментов и пространственно-частотного фильтра, а так-же 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 - между первым и вторым Фурье-преобразующими элементами в их фокальной плоскости, первьш 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 транспаранта, а выход второго ист1„чника монохроматического света через третье полупрозрачное зеркало оптически связаны с входом второго динамического транспаранта, первьм 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, пространственноастотного фильтра, второго Фурьереобрсзующего элемента и второго ранспаранта комплексного пропускаия, при этом электрические входы ервого, второго и третьего источниов монохроматического света блока аписи и стирания информации подклюены соответственно к третьему, четертому и пятому электрическим выхоам генератора тактовых импульсов, ервый источник монохроматического

I 1

света блока записи и стирания информации через первое полупрозрачное зеркало оптически связан с первым динамическим транспарантом, второй источник 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 чет вертое полупрозрачное зеркало оптически связан с выходом второго динамического транспаранта, первый транспарант комплексного пропускания размещен меявду вторым полупрозрачным г зеркалом и первым Фурье-преобразующи элементом первого канала оптической обработки информации, второй транспарант комплексного пропускания размещен между вторым Фурье-преобразующим элементом первого канале оптической обработки информации и третьим полупрозрачным зеркалом, вход первого транспаранта комплексного пропускани 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 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 - временная диаграмма работы устройства; на фиг. 3 - структурная схема блока записи и стирания информации; на фиг. 4 - структурные схемы первого и второго каналов оптической обработки информации.

Оптическое вычислительное устройство содержит генератор 1 тактовых импульсов (ГТИ), первый 2 и второй 3 источники монохроматического света

1276

(ИМС) с длинами волн А и Ag 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. I

Оптическая связь между блоками осуществляется с помощью полупрозрачных зеркал . Блок 4 записи и стирания информации состоит из первого 10, второго 11 и третьего 12 источников монохроматического света с длинами волн соответственно Ящ, , и Z|j , а также из входнохо пространственного модулятора 13 света. Первы КООИ 7 содержит первый транспарант 14 комплексного пропускания, первый Фурье-преобразующий элемент 15, пространственно-частотный фильтр 16, второй Фурье-преобразующий элемент 17 и второй транспарант 18 комплексного пропускания. Аналогично второй КООИ В также содержит первый транспарант 19 комплексного 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. А 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.2, выполняет роль сумматора, складывающего или вычитающего сигналы-изображения, 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 - сильное ослабле ние светового потока после каждого 7 цикла прохождения сигнала в цепи. В качестве ДТ 5 может быть использова ДТ типа Фототйтус а в качестве ДТ 6 - ДТ типа ПРОМ. Структура других узлов устройства определяется видом моделируемого дифференциального уравнения Фоккера Планка-Колмогорова ,)w() .Vx)W() (11 di 2 х2 где W(x,t) - одномерная плотность вероятности скалярного марковского процесса (искомая функция); К,(х) - стационарный коэффициент сноса; KZ(х) - стационарный коэффициент диффузии. Алгоритм решения (2) может быть задан следующей разностной схемой W(x,)c:W()-t у (iu,,CxlW(x,t)j-| V-У ,j(xlW(x,t)j , (3) где V и V - операторы прямого и об ратного преобразования Фурье. В решении (3) производная по вре мени замена аппроксимируиш1 1м ее раз ностным отношением aw W(x,)-W(x,i) (1 Приведение диффузионного уравнения Фоккера - Планка-Колмогорова к виду (3) обусловлено тем, что математические операции сложения, умножения , прямого и обратного преобраз вания Фурье над сигналами-изображениями реализуются на оптических эле ментах довольно просто (стопкой транспарантов и линз). Основой для перехода от одной записи уравнения к другой служит известная формула {(x1 V:{Ou)) V(x)j) , (S) где n-я производная функции вычисля ется в результате применения к функ ции преобразования Фурье умножения полученного Фурье-образа на п-ю сте пень от iw и выполнения обратного преобразования. 1278 Для нахождения W(x,t) на п-м шаге (W(x,nt) необходимо вычислить три слагаемьсх ()t)1-е слагаемое; iwVj K(x|W()(,(n-i)t) 2-еслагаемое, - V uj-V Kjl)t)V(/(Xi(n-()t) 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, ИМС 2 и 3, а также ИМС, входящие в состав БЗСИ 4, выключена, запись на ДТ 5 и 6 отсутствует, на ПМС 13 записано начальное значение W(x,o). Первым тактовым И1 тульсом (ТИ) с 4-го выхода ГТИ 1 (фиг.1 и 2) включается ИМС 11 и излучение с длиной волны j Яг проходит через ПМС 13,. модулируется в соответствии с W(x,o) и записывается на ДТ 6. 2-м ТИ ИМС 11 выключается, а 1-м ТИ с 2-го выхода ГТИ 1 включается ИМС 3 и излучением с одной волны Aj считывает на просвет W(x 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 (W(x о)д которая согласно (3) используется для дальн-ейших вычислений (1-е) слагаемое (6). 1-м ТИ с 1-го выхода ГТИ 1 включается ИМС 2 и светом с длиной волны Да W(x;,o) считывается в отраженном свете с ДТ 5, проходит КООИ 7 и 8, на выходах которых формируются соответственно 2-е и 3-е слагаемые I -tv (itoV- K(x))Jj ,,(x)W(x,o) На ДТ 6 происходит сложение W(xfo) и (7), т.е. формируется первое искомое значение функции W(x4 t) для W(x,tl--W(x,o)-t:V- {,(x)«/(.,c,.| V- {wN- k2WW(o)l, . U) 2-м ТИ ИМС 2 выключается, а ТИ с 3-го выхода ГТИ 1 включается ИМС 10 и светом с длиной волны Д. стирает W(x;,o) на ДТ 5. 2-м ТИ №-10 10 выключается. Таким образом, к кон цу первого шага вычислений элементы устройства находятся в следующем сдстоянйи: на ДТ 5 - запись отсутствует, на ДТ 6 - записывается (8), иcfoчники света выключаются, а в бло ке 9 световая информация W(x,o) преобразовывается в электрическую. Информация с ДТ 6 после каждого шага вычислений не стирается и согласно (3) используется на очередном шаге вычислений как новая начальная инфор мация. Второй и последующие шаги вычислений аналогичны первому. Отличие состоит лишь в том, что теперь перед началом каждого шага вычислений не требуется запись начальных данных

7fy Осн.

Р-

5 /f-

8 Aiff

Лг

3s

32

Фиг. 1 на ДТ 6 (в качестве последних используется результат вычислений на предьщущем 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 W(x,(x(nM)t -rV ic«V K K A , ,w(x C - lt -fvpv K2(x|w({n-i)r). Предложенное устройство по сравнению с известным позволяет также решать дифференциальное уравнение параболического типа (уравнение Фоккера - Планка-Колмогорова), обеспечивая при этом высокую точность вычислений из-за отсутствия аппроксимации по пространственной координате. .j A

I SnixoB

ГТИ1 2 Sbixod

ГТН1 3 SbixoS

fTHi Sbffoi

ГТИ1 Выход

ИМС2 Выход

ИМСЗ ход осн.

SJ5 jrod Sen.,

Выход

Втяоо

ОГб Выход ВТ6

1 Выход бЗСИЧ 2 выход 63CHft Вход , 9

0UZ.Z

f бы ход на$

V/(x,nlj

4-

f

)

-

KfM

-Г-Д

--wV

--

21

1

2J

. -

I 2

0