基于雙數(shù)字微鏡器件的光學(xué)邏輯運(yùn)算裝置和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于雙數(shù)字微鏡器件的光學(xué)邏輯運(yùn)算裝置和方法，屬于光學(xué)邏輯 運(yùn)算領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著光學(xué)器件制造水平的提高和空間光線調(diào)制技術(shù)的發(fā)展，使得大數(shù)據(jù)的光學(xué)邏 輯運(yùn)算成為可能。與傳統(tǒng)的電子邏輯運(yùn)算相比，光學(xué)邏輯運(yùn)算具有數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)，運(yùn)算速 度快，傳輸信號(hào)失真小，功耗低的優(yōu)點(diǎn)。目前光學(xué)邏輯運(yùn)算多采用波分復(fù)用技術(shù)與邏輯處理 器結(jié)合的方法，即將加載在不同波長的光波，通過波分復(fù)用器合成輸入給邏輯器件進(jìn)行運(yùn) 算。這種方法的數(shù)據(jù)處理能力依賴于波分復(fù)用器的通道數(shù)量，但通道數(shù)量過多會(huì)使通道間 的光波信號(hào)相互串?dāng)_。為了避免光波信號(hào)發(fā)生串?dāng)_，波分復(fù)用器的通道數(shù)量不宜過多，這樣 就限制了光學(xué)邏輯運(yùn)算數(shù)據(jù)處理能力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 針對上述現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明提供一種基于雙數(shù)字微鏡器件的光學(xué)邏輯運(yùn)算裝置和 方法，用以解決現(xiàn)有光學(xué)邏輯運(yùn)算技術(shù)中所存在的問題，具有速度快、效率高、集成度高的 特點(diǎn)。
[0004] 本發(fā)明基于雙數(shù)字微鏡器件的光學(xué)邏輯運(yùn)算裝置予以實(shí)現(xiàn)的技術(shù)方案是：包括平 行光源、擴(kuò)束透鏡、第一數(shù)字微鏡器件、配準(zhǔn)透鏡、第二數(shù)字微鏡器件、成像透鏡和C⑶圖像 傳感器。
[0005] 所述的平行光源發(fā)射出平行光線，用以作光學(xué)邏輯運(yùn)算的數(shù)據(jù)載體；所述的擴(kuò)束 透鏡將平行光源發(fā)射的平行光線進(jìn)行擴(kuò)束，并以24°傾角投射在第一數(shù)字微鏡器件上；所 述的第一數(shù)字微鏡器件由數(shù)百萬微鏡元以二維陣列形式排列而成，每個(gè)微鏡元在接收到on 控制信號(hào)后可以向其左偏轉(zhuǎn)12°，將投射給它的光線垂直反射給第二數(shù)字微鏡器件，而接 收到off控制信號(hào)后可以向其右偏轉(zhuǎn)12°，將投射給它的光線反射出裝置，這樣通過二維 陣列微鏡元的左右偏轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)了對經(jīng)擴(kuò)束后的平行光線的第一次空間調(diào)制；所述的配準(zhǔn)透 鏡置于第一數(shù)字微鏡器件和第二數(shù)字微鏡器件中間，用以調(diào)整實(shí)現(xiàn)兩個(gè)二維陣列微鏡元的 配準(zhǔn)，即兩數(shù)字微鏡器件的微鏡元實(shí)現(xiàn)一一對應(yīng)關(guān)系；所述的第二數(shù)字微鏡器件與第一數(shù) 字微鏡器件結(jié)構(gòu)完全相同，且對稱置于配準(zhǔn)透鏡兩側(cè)，接收經(jīng)第一數(shù)字微鏡器件第一次空 間調(diào)制后的平行光線，并對其進(jìn)行第二次空間調(diào)制，第二數(shù)字微鏡器件上的微鏡元接收到 on控制信號(hào)向其左側(cè)偏轉(zhuǎn)12°將投射給它的光線反射給CCD圖像傳感器，而接收到off控 制信號(hào)向其右側(cè)偏轉(zhuǎn)12°將投射給它的光線反射出裝置；所述的成像透鏡置于第二數(shù)字 微鏡器件和CCD圖像傳感器之間，將經(jīng)第二數(shù)字微鏡器件調(diào)制的平行光線透射到CCD圖像 傳感器感光面上，且三者位置滿足斜置場面成像條件；所述的CCD圖像傳感器用于接收經(jīng) 第二數(shù)字微鏡器件調(diào)制后的光線，實(shí)現(xiàn)感光成像。
[0006] 本發(fā)明基于雙數(shù)字微鏡器件的光學(xué)邏輯運(yùn)算方法，包括以下步驟。
[0007] 第一步、打開平行光源，利用移相莫爾條紋法，調(diào)整第一數(shù)字微鏡器件與第二數(shù)字 微鏡器件的相對于配準(zhǔn)透鏡位置，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)二維陣列微鏡元的配準(zhǔn)。
[0008] 第二步、將第一數(shù)字微鏡器件和第二數(shù)字微鏡器件上的微鏡元接收到on控制信 號(hào)向其左側(cè)偏轉(zhuǎn)12°定義為邏輯值1，而將微鏡元接收到off控制信號(hào)向其右側(cè)偏轉(zhuǎn)12° 定義為邏輯值〇,這樣就將第一數(shù)字微鏡器件和第二數(shù)字微鏡器件的二維陣列微鏡元轉(zhuǎn)變 為了由1和〇元素組成的兩個(gè)二維數(shù)據(jù)矩陣；將這兩個(gè)數(shù)據(jù)矩陣元素以2行X2列的方式 分組，轉(zhuǎn)化為新的二維數(shù)據(jù)矩陣仍和/2 ;在光學(xué)邏輯運(yùn)算中，仍代表第一輸入值，/2代表 第二輸入值；
式（1)中，為二維數(shù)據(jù)矩陣的元素，是2行X2列的子數(shù)據(jù)矩陣，它在光學(xué)邏輯運(yùn) 算中代表一個(gè)數(shù)據(jù)位；^、2、~^?/2，戶1、2、~/7/2^和/7分別是參與運(yùn)算的二維陣列微 鏡元的行數(shù)和列數(shù)。
通過控制第一數(shù)字微鏡器件和第二數(shù)字微鏡器件上的微鏡元偏轉(zhuǎn)，將第一輸入值和第 二輸入值載入平行光線中。
[0010] 經(jīng)擴(kuò)束透鏡擴(kuò)束的平行光線被第一數(shù)字微鏡器件第一次空間調(diào)制，隨后通過配準(zhǔn) 透鏡被第二數(shù)字微鏡器件第二次空間調(diào)制，承載著第一輸入值和第二輸入值信息再通過成 像透鏡打到CCD圖像傳感器感光面上；此時(shí)，CCD圖像上得到的二維分布的黑白方格碼就是 光學(xué)邏輯運(yùn)算的結(jié)果。
[0011] 第三步、對CCD圖像進(jìn)行解碼；將CCD圖像上的黑白方格碼以2行X2列進(jìn)行分 組，每組的子圖像在光學(xué)邏輯運(yùn)算中代表輸出值的一個(gè)數(shù)據(jù)位。
[0012] 不同的光學(xué)邏輯運(yùn)算法則對應(yīng)不同的C⑶圖像數(shù)值化定義方式；進(jìn)行AND運(yùn)算時(shí)， 定義子圖像右下角方格為白格對應(yīng)輸出值的數(shù)據(jù)位1，其他為〇 ;進(jìn)行NAND運(yùn)算時(shí)，定義子 圖像右下角方格為白格對應(yīng)輸出值的數(shù)據(jù)位〇,其他為1 ;進(jìn)行OR運(yùn)算時(shí)，定義子圖像左上 角方格為白格對應(yīng)輸出值的數(shù)據(jù)位〇,其他為1 ;進(jìn)行NOR運(yùn)算時(shí)，定義子圖像左上角方格為 白格對應(yīng)輸出值的數(shù)據(jù)位1，其他為0 ;進(jìn)行XOR運(yùn)算時(shí)，定義子圖像左上角或右下角方格為 白格對應(yīng)輸出值的數(shù)據(jù)位0,其他為1。
[0013] 將第二數(shù)字微鏡器件的所有微鏡元向其左側(cè)偏轉(zhuǎn)12°，控制第一數(shù)字微鏡器件的 微鏡元偏轉(zhuǎn)將第一輸入值載入，可進(jìn)行INV運(yùn)算；此時(shí)，定義子圖像右上角和右下角方格同 為白格對應(yīng)輸出值的數(shù)據(jù)位0，其他為1。
[0014] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是： 本發(fā)明采用雙數(shù)字微鏡器件對空間光線進(jìn)行兩次調(diào)制和CCD圖像的邏輯解碼方式，實(shí) 現(xiàn)了光學(xué)邏輯運(yùn)算功能。本光學(xué)邏輯運(yùn)算裝置采用平行光源發(fā)出的平行光線作為光學(xué)邏輯 運(yùn)算的數(shù)據(jù)載體，較之于傳統(tǒng)的電流為載體的電子運(yùn)算器，集成度更高，功耗更低，運(yùn)算速 度更快。該光學(xué)邏輯運(yùn)算方法因?yàn)椴捎脤ΧS分布的黑白方格解碼的方式，不會(huì)發(fā)生光波 信號(hào)串?dāng)_的現(xiàn)象，且簡單易行，一次光學(xué)運(yùn)算，就能得到除INV之外的所有邏輯運(yùn)算結(jié)果。
【附圖說明】
[0015] 圖1為本發(fā)明基于雙數(shù)字微鏡器件的光學(xué)邏輯運(yùn)算裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016] 圖2為本發(fā)明中第一數(shù)字微鏡器件和第二數(shù)字微鏡器件的兩陣列微鏡元配準(zhǔn)示 意圖。
[0017] 圖3為本發(fā)明中輸入值11000101對應(yīng)的第一數(shù)字微鏡器件空間調(diào)制圖案。
[0018] 圖4為本發(fā)明中輸入值10100011對應(yīng)的第二數(shù)字微鏡器件空間調(diào)制圖案。
[0019] 圖5為本發(fā)明實(shí)施例一中輸出值的C⑶圖。
[0020] 圖6為本發(fā)明實(shí)施例二中輸出值的C⑶圖。
[0021] 圖中：1-平行光源，2-擴(kuò)束透鏡，3-第一數(shù)字微鏡器件，4-配準(zhǔn)透鏡，5-第二數(shù)字 微鏡器件，6-成像透鏡，7-CXD圖像傳感器。
【具體實(shí)施方式】
[0022] 下面結(jié)合【具體實(shí)施方式】對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)地描述。
[0023] 如圖1所示，本發(fā)明基于雙數(shù)字微鏡器件的光學(xué)邏輯運(yùn)算裝置，包括平行光源1、 擴(kuò)束透鏡2、第一數(shù)字微鏡器件3、配準(zhǔn)透鏡4、第二數(shù)字微鏡器件5、成像透鏡6和C⑶圖像 傳感器7。
[0024] 所述的平行光源1發(fā)射出平行光線，用以作光學(xué)邏輯運(yùn)算的數(shù)據(jù)載體；所述的擴(kuò) 束透鏡2將平行光源1發(fā)射的平行光線進(jìn)行擴(kuò)束，并以24°傾角投射在第一數(shù)字微鏡器件 3上；所述的第一數(shù)字微鏡器件3由數(shù)百萬微鏡元以二維陣列形式排列而成，每個(gè)微鏡元在 接收到on控制信號(hào)后可以向其左偏轉(zhuǎn)12°，將投射給它的光線垂直反射給第二數(shù)字微鏡 器件5,而接收到off控制信號(hào)后可以向其右偏轉(zhuǎn)12°，將投射給它的光線反射出裝置，這 樣通過二維陣列微鏡元的左右偏轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)了對經(jīng)擴(kuò)束后的平行光線的第一次空間調(diào)制；所 述的配準(zhǔn)透鏡4置于第一數(shù)字微鏡器件3和第二數(shù)字微鏡器件5中間，用以調(diào)整實(shí)現(xiàn)兩個(gè) 二維陣列微鏡元的配準(zhǔn)，即兩數(shù)字微鏡器件的微鏡元實(shí)現(xiàn)一一對應(yīng)關(guān)系；所述的第二數(shù)字 微鏡器件5與第一數(shù)字微鏡器件3結(jié)構(gòu)完全相同，且對稱置于配準(zhǔn)透鏡4兩側(cè)，接收經(jīng)第一 數(shù)字微鏡器件3第一次空間調(diào)制后的平行光線，并對其進(jìn)行第二次空間調(diào)制，第二數(shù)字微 鏡器件5上的微鏡元接收到on控制信號(hào)向其左側(cè)偏轉(zhuǎn)12°將投射給它的光線反射給CCD 圖像傳感器7,而接收到off控制信號(hào)向其右側(cè)偏轉(zhuǎn)12°將投射給它的光線反射出裝置；所 述的成像透鏡6置于第二數(shù)字微鏡器件5和CCD圖像傳感器7之間，將經(jīng)第二數(shù)字微鏡器件 5調(diào)制的平行光線透射到CCD圖像傳感器7感光面上，且三者位置滿足斜置場面成像條件； 所述的CCD圖像傳感器7用于接收經(jīng)第二數(shù)字微鏡器件5調(diào)制后的光線，實(shí)現(xiàn)感光成像。
[0025] 利用本發(fā)明基于雙數(shù)字微鏡器件的光學(xué)邏輯運(yùn)算裝置進(jìn)行光學(xué)邏輯運(yùn)算方法，其 步驟如下。
[0026] 第一步、打開平行光源1，利用移相莫爾條紋法，調(diào)整第一數(shù)字微鏡器件3與第二 數(shù)字微鏡器件5的相對于配準(zhǔn)透鏡4位置，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)二維陣列微鏡元的配準(zhǔn)，即第一數(shù)字微 鏡器件3與第二數(shù)字微鏡器件5的微鏡元實(shí)現(xiàn)一一對應(yīng)關(guān)系，如圖2所示；根據(jù)投影成像定 理，兩個(gè)二維陣列微鏡元的坐標(biāo)方向上下、左右相反。
[0027] 第二步、將第一數(shù)字微鏡器件3和第二數(shù)字微鏡器件5上的微鏡元接收到on控 制信號(hào)向其左側(cè)偏轉(zhuǎn)12°定義為邏輯值1，而將微鏡元接收到off控制信號(hào)向其右側(cè)偏轉(zhuǎn) 12°定義為邏輯值0,這樣就將第一數(shù)字微鏡器件3和第二數(shù)字微鏡器件5的二維陣列微鏡 元轉(zhuǎn)變?yōu)榱擞?和〇元素組成的兩個(gè)二維數(shù)據(jù)矩陣；將這兩個(gè)數(shù)據(jù)矩陣元素以2行X2列 的方式分組，轉(zhuǎn)化為新的二維數(shù)據(jù)矩陣仍和/2 ;在光學(xué)邏輯運(yùn)算中，仍代表第一輸入值， 從代表第二輸入值；
式（1)中，為二維數(shù)據(jù)矩陣的元素，是2行X2列的子數(shù)據(jù)矩陣，它在光學(xué)邏輯運(yùn) 算中代表一個(gè)數(shù)據(jù)位；i=l、2、…m/2，j=l、2、…n/2;?和