Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf optische Rechner und Datenverarbeitungssysteme und insbesondere auf mehrstufige linsenlose optische analoge Datenprozessoren, die bipolare und komplexe Daten verarbeiten können.

Aus Applied Optics, Vol. 23, Nr. 6, 15. März 1984, Seiten 817-821, ist ein im Pipelinesystem verarbeitender Polynomprozessor bekannt, der mit integrierten optischen Komponenten realisiert ist. Diese Anordnung kann verwendet werden, um Polynome mit positiven Koeffizienten zu verarbeiten.

Das optische Verarbeiten von Vektor- und Matrizendaten ist für ihre potentiell hochwirksame Rechenleistung und ihre natürliche Anpassungsfähigkeit an rechenintensive Bildverarbeitung bekannt. Bilder oder andere räumlich zuordenbare Daten können als Matrizen behandelt werden, die aus Raster- oder Vektorabtastungen von Datenelementen zusammengesetzt sind, die an ihrer realen oder effektiven Auflösungsgrenze allgemein als Pixel bezeichnet werden. Ein gewöhnliches Bild wird durch einen analogen Bildrahmen typisiert, der als Querschnitt eines optischen Strahls, gebildet als eine kontinuierliche Serie von solchen Bildern, genommen ist. Jeder analoge Bildrahmen enthält typischerweise ein effektiv kontinuierliches räumlich verteiltes Feld von Pixeldaten. Alternativ können auch diskrete Matrizendaten einem Datenstrahl auf geprägt werden, indem der Querschnitt des Datenstrahls moduliert wird, beispielsweise entweder durch seine lokalisierte Intensität oder den Polarisationsvektor.

In jedem Fall ist optische Verarbeitung aufgrund ihrer fundamentalen parallelen Verarbeitungsnatur von großem potentiellen Wert. Die Parallelität ergibt sich natürlich aufgrund der Verarbeitung von kompletten Bildern in einem Zeitpunkt. Da jedes Pixel ein separates Datum darstellt, ist das Volumen der parallel verarbeiteten Daten gewöhnlich gleich der effektiven Auflösung des Bildes. Zusätzlich weist optische Verarbeitung den Vorteil auf, daß die Daten in dem gleichen Format verarbeitet werden, in dem sie üblicherweise vorliegen. Typischerweise und für Anwendungen wie Bildaufbereitung und -erkennung liegen die zu verarbeitenden Daten gewöhnlich als Einzelbilder oder als eine Rasterabtastung von Teilbildern vor. Ein optischer Prozessor kann dann Daten direkt ohne konventionelle oder andere Zwischenverarbeitung empfangen. Da der Informationswert von Bilddaten mit der effektiven Auflösung des Bildes und der Anzahl der zu berücksichtigenden Bilder steigt, werden die speziellen und einzigartigen Eigenschaften optischer Verarbeitung sehr erstrebenswert.

Herkömmliches optisches Verarbeiten wird dadurch durchgeführt, daß ein zu verarbeitendes Bild durch eine ausgewählte räumliche Maske auf einen geeigneten optischen Detektor projiziert wird. Eine zeitlich variable Maske für optische Prozessoren ist als ein eindimensionaler räumlicher Lichtmodulator (SLM = spatial light modulator) realisiert worden, der durch elektronische Aktivierung eine selektive Änderung der räumlich verteilten auf einen Datenstrahl durch die Maske aufgeprägten Daten bewirkt. Ein typischer SLM weist die Form eines elektro-optischen Elements in Form eines Festkörpers auf, das durch ein räumlich verteiltes Feld von Elektroden aktiviert wird. Das modulierende Bild wird effektiv durch separat aufgebaute Spannungspotentiale jeder der Elektroden bei einer analogen Spannung gebildet, die den jeweiligen gewünschten Datenwerten entspricht.

Optische Datenprozessoren des vorstehend beschriebenen Typs sind in dem US-Patent US-A-4,747,069 mit dem Titel Programmable Multistage Lensless Optical Data Processing System, erfunden durch Jan Grinberg und Bernhard H. Soffer und in dem US-Patent US-A-4,764,891 mit dem Titel Programmable Methods of Performing Complex Optical Computations Using Data Processing Systems, erfunden von Jan Grinberg, Graham R. Nudd und Bernhard H. Soffer offenbart.

Eine Einschränkung hinsichtlich der Verwendung dieser optischen Datenprozessoren besteht darin, daß sie nur für das Verarbeiten von analogen positiven Zahlen konstruiert sind. Dies ergibt sich daraus, daß die Zahlen durch Lichtintensitäten repräsentiert werden, bei denen es sich um nicht negative Größen handelt. Der Stand der Technik ist in den meisten Fällen auf die Behandlung von reellen Zahlen eingeschränkt.

Folglich ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein neues und verbessertes optisches Datenverarbeitungssystem bereitzustellen, das sowohl positive als auch negative Zahlen verarbeiten kann. Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein optisches Datenverarbeitungssystem bereitzustellen, das sowohl reelle als auch komplexe Zahlen verarbeiten kann.

Die vorgenannten und andere Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden durch einen ersten Aspekt der Erfindung gemäß Anspruch 1 durch Bereitstellen eines optischen Datenprozessors erreicht, der zur Verarbeitung sowohl von positiven als auch negativen Zahlen mittels eines räumlichen Multiplexverfahrens dient. Der Prozessor umfaßt einen ersten Modulator für das räumliche Modulieren eines optischen Strahls als Antwort auf eine erste Zahl und weist erste und zweite Modulationsbereiche auf.

Ein zweiter Modulator wird zum räumlichen Modulieren des aus dem ersten Modulator austretenden Strahls in Antwort auf eine zweite Zahl bereitgestellt. Dieser Modulator weist dritte und vierte Modulationsbereiche auf, wobei die dritten und vierten Modulationsbereiche Licht aufnehmen, das sowohl durch die ersten als auch zweiten Modulationsbereiche moduliert worden ist.

Ein Lichtdetektor ist vorgesehen, der vier Lichtdetektionsbereiche aufweist. Der erste Detektionsbereich spricht auf Licht an, das durch die ersten und dritten Modulationsbereiche moduliert worden ist. Der zweite Detektionsbereich spricht auf Licht an, das durch die zweiten und dritten Modulationsbereiche moduliert worden ist. Der dritte Detektionsbereich spricht auf Licht an, das durch die ersten und vierten Modulationsbereiche moduliert worden ist und der vierte Detektionsbereich spricht auf Licht an, das durch die zweiten und vierten Modulationsbereiche moduliert worden ist.

Ein Steuerschaltkreis ermöglicht es der ersten Zahl, den Strahl im ersten Modulationsbereich zu modulieren, falls die erste Zahl positiv ist und den Strahl im zweiten Modulationsbereich zu modulieren, falls die erste Zahl negativ ist, wobei der Grad der Modulation in dem ersten und zweiten Modulationsbereich proportional zur Größe der ersten Zahl ist. Der Steuerschaltkreis ermöglicht auch der zweiten Zahl, den Strahl im dritten Modulationsbereich zu modulieren, falls die zweite Zahl positiv ist und den Strahl im vierten Modulationsbereich zu modulieren, falls die zweite Zahl negativ ist, wobei der Grad der Modulation im dritten und vierten Modulationsbereich proportional zur Größe der zweiten Zahl ist.

Ein zweiter Aspekt der Erfindung gemäß Anspruch 3 umfaßt einen optischen Prozessor zum Multiplizieren sowohl von positiven als auch negativen Zahlen unter Verwendung von räumlichen und zeitlichen Multiplexverfahren und eliminiert die meisten Nicht-Linearitäten der vorgehenden Ausführungsform. Dieser Prozessor umfaßt einen ersten Modulator zum räumlichen Modulieren eines optischen Strahls in Antwort auf eine erste Zahl und ein erstes Positionsvorspannungssignal und weist erste und zweite Modulationsbereiche auf.

Ein zweiter Modulator moduliert den optischen Strahl räumlich in Antwort auf eine zweite Zahl und ein zweites Vorspannungssignal und ist so positioniert, daß der Strahl sowohl von dem ersten als auch dem zweiten Modulator moduliert wird. Dieser Modulator weist einen dritten Modulationsbereich auf, der den gleichen Teil des Strahls moduliert, der durch den ersten und zweiten Modulationsbereich moduliert worden ist. Ein Lichtdetektor mit zwei Lichtdetektionsbereichen ist vorgesehen. Der erste Detektionsbereich stellt ein erstes Detektorsignal in Antwort auf durch den ersten und dritten Modulationsbereich moduliertes Licht bereit und der zweite Detektionsbereich stellt ein zweites Detektorsignal in Antwort auf durch den zweiten und dritten Modulationsbereich moduliertes Licht bereit.

Ein erstes Steuersignal wird erzeugt, das die Summe der ersten Zahl und dem ersten Vorspannungssignal ist, ein zweites Steuersignal wird erzeugt, das die Differenz zwischen dem ersten Vorspannungssignal und der ersten Zahl ist, ein drittes Steuersignal wird erzeugt, das die Summe der zweiten Zahl und dem zweiten Vorspannungssignal ist, und ein viertes Steuersignal wird erzeugt, das die Differenz zwischen dem zweiten Vorspannungssignal und der zweiten Zahl ist.

Ein Steuerschaltkreis steuert die optische Verarbeitung der ersten und zweiten Zahl in einem ersten Zeitintervall, indem dem ersten Steuersignal ermöglicht wird, den Strahl im ersten Modulationsbereich zu modulieren, indem dem zweiten Steuersignal ermöglicht wird, den Strahl im zweiten Modulationsbereich zu modulieren und indem dem dritten Steuersignal ermöglicht wird, den Strahl im dritten Modulationsbereich zu modulieren.

Die optische Verarbeitung der ersten und zweiten Zahl bzw. Zahlen in einem zweiten Zeitintervall wird gesteuert, indem dem zweiten Steuersignal ermöglicht wird, den Strahl im ersten Modulationsbereich zu modulieren, indem dem ersten Steuersignal ermöglicht wird, den Strahl im zweiten Modulationsbereich zu modulieren und indem dem vierten Steuersignal ermöglicht wird, den Strahl im dritten Modulationsbereich zu modulieren. Der Grad der Modulation in den Modulationsbereichen ist proportional zur Größe des dem jeweiligen Bereich zugeführten Steuersignals.

Ein Akkumulator, vorzugsweise als Teil des Lichtdetektors realisiert, summiert das erste Detektorsignal über das erste und zweite Zeitintervall auf und stellt diese Summe dem positiven Eingangsanschluß eines Differenzverstärkers zur Verfügung. Der Akkumulator summiert auch das zweite Detektorsignal über das erste und zweite Zeitintervall auf und stellt diese Summe dem negativen Eingangsanschluß des Differenzverstärkers zur Verfügung. Das Ausgangssignal aus dem Verstärker ist proportional zu dem gewünschten Produkt aus der ersten und zweiten Zahl.

Ein dritter Aspekt der Erfindung gemäß Anspruch 6 umfaßt einen optischen Prozessor zum Verarbeiten von komplexen Zahlen unter Verwendung eines räumlichen Multiplexverfahrens. Eine erste komplexe Zahl wird in drei reelle positive Komponenten α&sub1; bzw. β&sub1; bzw. γ&sub1; zerlegt und eine zweite komplexe Zahl wird in drei reelle positive Komponenten α&sub2; bzw. β&sub2; bzw. γ&sub2; zerlegt.

Ein erster Modulator ist zum räumlichen Modulieren eines optischen Strahls als Antwort auf die Komponenten α&sub1;, β&sub1;, γ&sub1; vorgesehen und umfaßt erste, zweite und dritte Modulationsbereiche. Ein zweiter Modulator moduliert den aus dem ersten Modulator austretenden Strahl räumlich in Antwort auf die Komponenten α&sub2;, β&sub2;, γ&sub2; und umfaßt vierte, fünfte und sechste Modulationsbereiche.

Ein Lichtdetektor ist vorgesehen, der neun Lichtdetektionsbereiche umfaßt. Der erste Detektionsbereich spricht auf Licht an, das durch den ersten und vierten Modulationsbereich moduliert worden ist, der zweite Detektionsbereich spricht auf Licht an, das durch den ersten und fünften Modulationsbereich moduliert worden ist, der dritte Detektionsbereich spricht auf Licht an, das durch den ersten und sechsten Modulationsbereich moduliert worden ist, der vierte Detektionsbereich spricht auf Licht an, das durch den zweiten und vierten Modulationsbereich moduliert worden ist, der fünfte Detektionsbereich spricht auf Licht an, das durch den zweiten und fünften Modulationsbereich moduliert worden ist, der sechste Detektionsbereich spricht auf Licht an, das durch den zweiten und sechsten Modulationsbereich moduliert worden ist, der siebte Detektionsbereich spricht auf Licht an, das durch den dritten und vierten Modulationsbereich moduliert worden ist, der achte Detektionsbereich spricht auf Licht an, das durch den dritten und fünften Modulationsbereich moduliert worden ist und der neunte Detektionsbereich spricht auf Licht an, das durch den dritten und sechsten Modulationsbereich moduliert worden ist. Wie nachfolgend beschrieben werden wird, müssen die Antworten bestimmter vorgeschriebener Detektionsbereiche summiert werden, um die Komponenten α, β, γ des Produkts zu erhalten.

Ein Steuerschaltkreis ermöglicht den Komponenten α&sub1;, β&sub1;, γ&sub1; den Lichtstrahl im ersten, zweiten bzw. dritten Modulationsbereich zu modulieren und ermöglicht den Komponenten α&sub2;, β&sub2;, γ&sub2; den Lichtstrahl im vierten, fünften bzw. sechsten Modulationsbereich zu modulieren. Der Grad der Modulation in jedem Modulationsbereich ist proportional zur Größe der jeweiligen Komponente.

Ein vierter Aspekt der Erfindung gemäß Anspruch 11 umfaßt einen optischen Prozessor zum Verarbeiten komplexer Zahlen unter Verwendung von sowohl eines räumlichen als auch eines zeitlichen Multiplexverfahrens. Wie bei der vorhergehenden Ausführungsform wird eine erste komplexe Zahl in drei reelle positive Vektoren α&sub1;, β&sub1; bzw. γ&sub1; zerlegt und eine zweite komplexe Zahl wird in drei reelle positive Vektoren α&sub2;, β&sub2; bzw. γ&sub2; zerlegt.

Ein erster Modulator moduliert einen optischen Strahl räumlich in Antwort auf die Vektoren α&sub1;, β&sub1;, γ&sub1; und weist erste, zweite und dritte Modulationsbereiche auf. Ein zweiter Modulator moduliert einen optischen Strahl räumlich in Antwort auf die Vektoren α&sub2;, β&sub2;, γ&sub2; und weist einen vierten Modulationsbereich auf.

Ein Lichtdetektor ist vorgesehen, der drei Lichtdetektionsbereiche aufweist. Der erste Detektionsbereich spricht auf durch den ersten und vierten Modulationsbereich moduliertes Licht an, der zweite Lichtdetektionsbereich spricht auf durch den zweiten und vierten Modulationsbereich moduliertes Licht an und der dritte Detektionsbereich spricht auf durch den dritten und vierten Modulationsbereich moduliertes Licht an.

Ein Steuerschaltkreis steuert die optische Verarbeitung der komplexen Zahlen in einem ersten Zeitintervall, indem er den Vektoren α&sub1;, β&sub1; und γ&sub1; ermöglicht, den Strahl im ersten, zweiten bzw. dritten Modulationsbereich zu modulieren und indem er dem Vektor α&sub2; ermöglicht, den Strahl im vierten Modulationsbereich zu modulieren. Der Schaltkreis steuert die optische Verarbeitung der komplexen Zahlen in einem zweiten Zeitintervall, indem er den Vektoren α&sub1;, β&sub1;, γ&sub1; ermöglicht, den Strahl im zweiten, dritten bzw. ersten Modulationsbereich zu modulieren und indem er dem Vektor β&sub2; ermöglicht, den vierten Modulationsbereich zu modulieren. Der Schaltkreis steuert auch die optische Verarbeitung der komplexen Zahlen in einem dritten Zeitintervall, indem er den Vektoren α&sub1;, β&sub1; und γ&sub1; ermöglicht, den Strahl im dritten, ersten bzw. zweiten Modulationsbereich zu modulieren und indem er dem Vektor γ&sub2; ermöglicht, den vierten Modulationsbereich zu modulieren. Der Grad der Modulation in dem ersten bis vierten Modulationsbereich ist proportional zur Größe des jeweiligen diesen Bereich modulierenden Vektors.

Ein fünfter Aspekt der Erfindung gemäß Anspruch 8 umfaßt einen optischen Prozessor zum Multiplizieren komplexer Zahlen unter Verwendung eines räumlichen und zeitlichen Multiplexverfahrens in Verbindung mit einem Vorspannungssignal. Im Gegensatz zu dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel müssen die komplexen Zahlen nicht in Komponenten (α, β, γ zerlegt werden. Des weiteren eliminiert diese Ausführungsform die meisten Nicht-Linearitäten, die bei dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel auftreten.

Ein erster Modulator moduliert einen optischen Strahl räumlich in Antwort auf den Real- und Imaginärteil einer ersten komplexen Zahl und einem ersten Vorspannungssignal und weist erste und zweite Modulationsbereiche auf. Ein zweiter Modulator moduliert den Strahl räumlich in Antwort auf den Real- und Imaginärteil einer zweiten komplexen Zahl und einem zweiten Vorspannungssignal und weist dritte und vierte Modulationsbereiche auf.

Ein Lichtdetektor wird bereitgestellt, der vier Lichtdetektionsbereiche aufweist. Der erste Detektionsbereich stellt ein erstes Detektorsignal in Antwort auf durch den ersten und dritten Modulationsbereich moduliertes dicht bereit, der zweite Lichtdetektionsbereich stellt ein zweites Detektorsignal in Antwort auf durch den ersten und vierten Modulationsbereich moduliertes Licht bereit, der dritte Detektionsbereich stellt ein drittes Detektorsignal in Antwort auf durch den zweiten und dritten Modulationsbereich moduliertes Licht bereit und der vierte Detektionsbereich stellt ein viertes Detektorsignal in Antwort auf durch den zweiten und vierten Modulationsbereich moduliertes Licht bereit.

Ein erstes Steuersignal wird erzeugt, das die Summe des Realteils der ersten komplexen Zahl und dem ersten Vorspannungssignal ist. Ein zweites Steuersignal wird erzeugt, das die Differenz zwischen dem ersten Vorspannungssignal und dem Realteil der ersten komplexen Zahl ist. Ein drittes Steuersignal wird erzeugt, das die Summe des Imaginärteils der ersten komplexen Zahl und dem ersten Vorspannungssignal ist. Ein viertes Steuersignal wird erzeugt, das die Differenz zwischen dem ersten Vorspannungssignal und dem Imaginärteil der ersten komplexen Zahl ist.

Ein fünftes Steuersignal wird erzeugt, das die Summe des Realteils der zweiten komplexen Zahl und dem zweiten Vorspannungssignal ist. Ein sechstes Steuersignal wird erzeugt, das die Differenz zwischen dem zweiten Vorspannungssignal und dem Realteil der zweiten komplexen Zahl ist. Ein siebtes Steuersignal wird erzeugt, das die Summe des Imaginärteiles der zweiten komplexen Zahl und dem zweiten Vorspannungssignal ist und ein achtes Steuersignal wird erzeugt, das die Differenz zwischen dem zweiten Vorspannungssignal und dem Imaginärteil der zweiten komplexen Zahl ist.

Ein Steuerschaltkreis steuert die optische Verarbeitung der komplexen Zahlen in einem ersten Zeitintervall, indem er dem ersten, zweiten, achten und siebten Steuersignal ermöglicht, den Strahl in dem ersten, zweiten, dritten bzw. vierten Modulationsbereich zu modulieren. Der Schaltkreis steuert die optische Verarbeitung der komplexen Zahlen in einem zweiten Zeitintervall, indem er dem zweiten, ersten, siebten und achten Steuersignal ermöglicht, den Strahl in dem ersten, zweiten, dritten bzw. vierten Modulationsbereich zu modulieren. Der Schaltkreis steuert die optische Verarbeitung der komplexen Zahlen in einem dritten Zeitintervall, indem er dem dritten, vierten, sechsten und fünften Steuersignal ermöglicht, den Strahl in dem ersten, zweiten, dritten bzw. vierten Modulationsbereich zu modulieren. Schließlich steuert der Schaltkreis die optische Verarbeitung der komplexen Zahlen in einem vierten Zeitintervall, indem er dem vierten, dritten, fünften und sechsten Steuersignal ermöglicht, den Strahl in dem ersten, zweiten, dritten bzw. vierten Modulationsbereich zu modulieren. Der Grad der Modulation der Modulationsbereiche ist proportional zur Größe der den jeweiligen Bereichen zugeführten Steuersignalen.

Ein Akkumulator, vorzugsweise als Teil des Lichtdetektors realisiert, summiert über die vier Zeitintervalle und für jeden der vier Detektionsbereiche die während der vier Intervalle in jedem dieser Bereiche erzeugten Detektorsignale auf. Ein analoger Datenschiebeschaltkreis, vorzugsweise auch als Teil des Lichtdetektors realisiert, stellt während eines fünften Zeitintervalls die summierten Signale von dem ersten Detektionsbereich dem positiven Eingangsanschluß eines Differenzverstärkers zur Verfügung und stellt die summierten Signale des dritten Detektionsbereiches dem negativen Eingangsanschluß des Verstärkers zur Verfügung. Das Ausgangssignal aus dem Verstärker ist während dieses fünften Zeitintervalls proportional zu dem Realteil des Produkts aus der ersten und zweiten komplexen Zahl.

Während eines sechsten Zeitintervalls werden die summierten Signale aus dem zweiten bzw. vierten Detektionsbereich dem positiven bzw. negativen Eingangsanschluß des Differenzverstärkers zur Verfügung gestellt. Während des sechsten Zeitintervalls ist der Ausgang aus dem Verstärker proportional zu dem Imaginärteil des Produkts aus der ersten und zweiten komplexen Zahl.

Weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der Beschreibung im Zusammenhang mit der Zeichnung deutlich, in der gleiche Referenzzeichen gleiche Elemente in den verschiedenen Ausführungsformen bezeichnen.

Fig. 1 ist ein Blockdiagramm eines optischen Datenverarbeitungssystems gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 ist eine Seitenansicht eines optischen Datenprozessors, der gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist;

Fig. 3 ist eine perspektivische Darstellung eines elektrooptischen räumlichen Lichtmodulators, wie er in der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann;

Fig. 4 ist eine perspektivische Darstellung eines anderen elektro-optischen räumlichen Lichtmodulators, wie er in der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann;

Fig. 5 ist eine perspektivische Explosionsdarstellung eines optischen Datenverarbeitungssystems nach dem Stand der Technik zum Verarbeiten von Matrizen, die unipolare reelle Zahlen aufweisen;

Fig. 6 ist eine perspektivische Explosionsdarstellung eines optischen Prozessors der gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung zum Verarbeiten bipolarer Daten unter Verwendung eines räumlichen Multiplexverfahrens aufgebaut ist;

Fig. 7 ist eine perspektivische Explosionsdarstellung eines Einheitszellenteils eines optischen Prozessors, der gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung zum Verarbeiten bipolarer Daten unter Verwendung eines räumlichen und eines zeitlichen Multiplexverfahrens aufgebaut ist;

Fig. 8 ist eine perspektivische Explosionsdarstellung eines Einheitszellenteils eines optischen Prozessors, der gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung zum Verarbeiten komplexer Daten unter Verwendung eines räumlichen Multiplexverfahrens aufgebaut ist;

Fig. 9 ist eine Explosionsdarstellung eines Einheitszellenteils eines optischen Prozessors, der gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung zum Verarbeiten komplexer Daten unter Verwendung eines räumlichen und eines zeitlichen Multiplexverfahrens aufgebaut ist;

Fig. 10 ist eine Explosionsdarstellung eines Einheitszellenteils eines optischen Prozessors, der zu dem in Figur 9 gezeigten gleichartig ist, jedoch einen zusätzlichen elektro-optischen räumlichen Lichtmodulator aufweist; und

Fig. 11 ist eine Explosionsdarstellung eines Einheitszellenteils eines optischen Prozessors, der gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung zum Verarbeiten komplexer Daten unter Verwendung eines räumlichen und eines zeitlichen Multiplexverfahrens in Verbindung mit einem Vorspannungssignal aufgebaut ist.

Die bevorzugte Systemausführungsform zur Verwendung der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 1 gezeigt und wird allgemein mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet. Insbesondere der bevorzugte mehrstufige optische Datenprozessor (ODP), allgemein mit dem Bezugszeichen 20 versehen, wird operativ durch einen Mikrokontroller 12 und Schnittstellenregistern 18, 22, 24, 26, 30, 32 und 34 unterstützt. Die prinzipiellen operativen Komponenten des ODP sind in Fig. 1 gezeigt und umfassen eine Flachpanel- oder LED-Lichtquelle 14, einen Matrizenfeldakkumulator (auch als Detektorfeld bezeichnet) 16 und eine Mehrzahl von räumlichen Lichtmodulatoren (SLMs) 36, 38, 40, 42, 44 und 46. Die Lichtquelle 14, der Akkumulator 16 und die SLMs 36, 38, 40, 42, 44 46 sind vorzugsweise in nah benachbarten parallelen Ebenen zueinander angeordnet, so daß ein vergleichsweise gleichförmiger von der Lichtquelle 14 herrührender Strahl jeden der räumlichen Lichtmodulatoren nacheinander durchläuft und schließlich von dem Akkumulator 16 empfangen wird.

Der Lichtstrahl wird effektiv als Datentransportmechanismus verwendet, der durch jeden der räumlichen Lichtmodulatoren bereitgestellte Daten aufnimmt und dann dem Akkumulator 16 zuführt. Die Arbeitsweise von jedem der räumlichen Lichtmodulatoren kann anhand der Variation ihrer räumlichen Transmissivität unter Bezugnahme auf die entsprechenden räumlich verteilten aktivierenden Spannungspotentiale erklärt werden.

Wenigstens in einer ersten Näherung ist die Lichtamplitudentransmissivität eines räumlichen Lichtmodulators direkt proportional zum angelegten Spannungspotential. Daher ist die Gesamttransmissivität (TO) von zwei in Serie geschalteten räumlichen Lichtmodulatoren proportional zu dem Produkt der jeweiligen Transmissivitäten T1, T2 der räumlichen Lichtmodulatoren. Die Gesamttransmissivität TO kann daher geschrieben werden als:

TO = T1 · T2 (1)

TO = C · D · V1 · V2 (2)

V1 und V2 sind die jeweiligen angelegten Spannungspotentiale und C und D sind die Transmissivitätskoeffizienten bezüglich einer angelegten Spannung für den jeweiligen räumlichen Lichtmodulator. Wenn eine größere Serie von räumlichen Lichtmodulatoren gemäß der vorliegenden Erfindung in Serie geschaltet ist, ist die Gesamttransmissivität TO des mehrstufigen räumlichen Lichtmodulatorstapels proportional zu dem Produkt der jeweiligen Transmissivitäten der einzelnen räumlichen Lichtmodulatoren. Ein von dem Flachpanel 14 bereitgestellter Lichtstrahl kann daher so geführt werden, daß er räumlich verteilte Daten entsprechend den räumlich verteilten relativen Transmissivitäten von jedem der räumlichen Lichtmodulatoren 36, 38, 40, 42, 44 und 46 aufnimmt.

Mit dem optischen Prozessor, der gemäß einer bevorzugten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird, werden räumlich zuordenbare Daten zu den räumlichen bzw. spatialen Lichtmodulatoren 36, 38, 40, 42, 44 und 46 über Schnittstellenregister 22, 24, 26, 30, 32 und 34 zugeführt. Diese Register arbeiten vorzugsweise als digitale Hochgeschwindigkeits-Datenspeicherregister, Puffer und Digital-zu-analog-Datenkonverter. Wie nachfolgend noch im Detail diskutiert werden wird, enthält der Stapel räumlicher Lichtmodulatoren vorzugsweise eine Mehrzahl von eindimensionalen räumlichen Lichtmodulatoren. Wie aus Fig. 1 zu ersehen ist, sind die eindimensionalen räumlichen Lichtmodulatoren 36, 38, 40, 42, 44 und 46 über Schnittstellendatenleitungen 60, 78, 62, 80, 64 und 82 mit den entsprechenden Registern 22, 30, 24, 32 und 26 verbunden.

Die Schnittstellenregister 22, 24, 26, 30, 32 und 34 erhalten vorzugsweise Daten in paralleler Form von externen Quellen. Über Prozessorsteuerbusse 50 und 70 stellt der Mikrokontroller 12 die Steuersignale bereit. Obwohl die Prozessorsteuerbusse 50, 70 separat und jeweils über Registersteuerleitungen 52, 54, 56, 72, 74 und 76 mit den Registern verbunden gezeigt sind, können die Schnittstellenregister alternativ über einen Steuermultiplexer mit einem einzigen Steuerbus verbunden sein, der von dem Mikrokontroller 12 angesteuert wird. In beiden Fällen ist es jedoch nur wichtig, daß der Mikrokontroller 12 über die Register 22, 24, 26, 30, 32 und 34 genügend Kontrolle ausübt, so daß seine Daten selektiv zugeführt werden können.

Das optische Datenprozessorsystem 10 wird durch das Vorsehen eines Ausgangsregisters 18, das zwischen dem Akkumulator 16 und dem Prozessorausgang geschaltet ist, komplettiert. Der Akkumulator 16 selbst ist ein Matrixfeld aus photoempfindlichen Einrichtungen, die geeignet sind, einfallende Lichtintensität in ein entsprechendes Spannungspotential umzuwandeln, das einen Datenstrahl mit -einer Feldauflösung repräsentiert, die wenigstens der Auflösung der räumlichen Lichtmodulatoren 36, 38, 40, 42, 44 und 46 gleich ist. Wie nachfolgend im Detail beschrieben werden wird, sammelt der Akkumulator 16 Lichtstrahldaten, die mittels eines Taktsignals, das durch einen Taktgenerator 83 bereitgestellt wird, über den Ausgabeschnittstellenbus 88 zu dem Datenausgangsregister 18 verschoben werden können. Der Akkumulator 16 umfaßt auch einen zirkulären Schiebebus 86 und einen lateralen Schiebebus 84, um die Durchführung einer großen Vielzahl von Schiebe- und Summieroperationen in dem Akkumulator 16 während des Betriebs des optischen Datenprozessors 20 zu ermöglichen.

Das Datenausgangsregister 18 ist vorzugsweise ein Hochgeschwindigkeits-analog-zu-digital-Wandler, Schieberegister und Puffer, der die verschobenen Ausgangsdaten von dem Akkumulator 16 über den Prozessordatenausgangsbus 90 zu dem Prozessorausgang leitet.

Wie sich ohne weiteres aus dem Vorstehenden ergeben sollte, übt der Mikrokontroller 12 die volle Kontrolle über den optischen Datenprozessor 20 aus. Jegliche gewünschte Daten können zu jeder spezifischen Kombination von räumlichen Lichtmodulatoren zugeführt werden, um einen gewünschten Datenverarbeitungsalgorithmus zu implementieren. Ein besonderer Vorteil besteht darin, daß nur diejenigen räumlichen Lichtmodulatoren, die für die Durchführung eines bestimmten optischen Datenverabeitungsalgorithmus benötigt werden, aktiv in dem optischen Datenprozessor 20 gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Räumliche Lichtmodulatoren innerhalb dem optischen Datenprozessor 20 können über ihre jeweiligen Datenregister mit geeigneten Daten versehen werden, um die räumlichen Datenmodulatoren gleichförmig auf ihrer maximalen Transmissivität zu halten. Folglich können ausgewählte räumliche Lichtmodulatoren effektiv von dem optischen Datenprozessor durch ihre geeignete Datenprogrammierung entfernt werden. Das optische Datenverarbeitungssystem 10 stellt daher eine extrem flexible Umgebung für die Durchführung optischer Datenverarbeitungsberechnungen zur Verfügung.

Die Struktur eines optischen Datenprozessors 20, der gemäß einer bevorzugten Ausführungsform hergestellt ist, ist in Fig. 2 gezeigt. Die gezeigte Ausführungsform ist exemplarisch, da sie im wesentlichen alle grundlegenden Komponenten enthält, die in jegliche bevorzugte Ausführungsform des optischen Prozesses inkorporiert werden können.

Die Komponenten des optischen Datenprozessors umfassen die Lichtquelle 14, SLM-Stufen 36 bis 46 und das Detektorfeld 16. Die Flachpanel-Lichtquelle 14 ist vorzugsweise ein elektrolumineszentes Anzeigepanel oder alternativ ein Gasplasma- Anzeigepanel oder ein LED oder ein LED-Feld oder eine Laserdiode oder ein Laserdiodenfeld. Ein nicht dargestellter Diffusor kann verwendet werden, um das durch das flache Anzeigepanel erzeugte Licht in einem räumlich gleichförmigen optischen Strahl umzuwandeln.

Der Hauptkörper des optischen Datenprozessors 20 wird durch einen seriellen Stapel von SLM-Stufen gebildet, der durch die SLM-Stufe 46 repräsentiert wird. Die SLM weisen vorzugsweise eine starre Struktur auf, die keine zusätzliche Stützhalterung erforderlich macht. In solchen Ausführungsformen können die SLMs unmittelbar aufeinanderfolgend plaziert werden, und lediglich durch eine dünne isolierende optisch transparente Schicht voneinander getrennt sein, was zu einem optimal kompakten mehrstufigen Stapel räumlicher Lichtmodulatoren führt. In Ausführungsformen, bei denen der Betrieb der räumlichen Lichtmodulatoren durch Polarisationsmodulation des Lichtstrahls erreicht wird, sind vorzugsweise Polarisatoren 64 zwischen den SLMs angeordnet. Der Polarisator 64 ermöglicht auch die Verwendung einer unpolarisierten optischen Datenstrahlquelle 14 in Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, bei denen lokale Polarisationsvektoren die Daten repräsentieren. Falls das Wirkprinzip der räumlichen Lichtmodulatoren Lichtabsorption (anstelle von Polarisationsdrehung) ist, werden keine Polarisatoren benötigt.

Der Akkumulator 16 ist vorzugsweise ein Festkörpermatrixfeld aus optischen Detektoren. Insbesondere ist das optische Detektorfeld vorzugsweise ein Schieberegisterfeld aus konventionellen ladungsgekoppelten Elementen (CCD = charge coupled device), die mit einer Felddichte zur Verfügung gestellt werden, die äquivalent zur effektiven Auflösung des optischen Datenprozessors 20 ist. Die Verwendung eines CCD-Feldes wird sowohl wegen ihrer Ladungsakkumulation, das heißt Datenaufsummierfähigkeit, als auch wegen der einfachen Herstellbarkeit von CCD-Schieberegisterschaltkreisen, die direkt von dem Mikrokontroller 12 gesteuert werden können, bevorzugt. Des weiteren ermöglicht die Verwendung des CCD-Feldes eine wesentliche Flexibilität beim Betrieb des Akkumulators 16, indem aus dem Akkumulator 16 ausgeschobene und auf den Datenrückkehrbus 88 geschobenen Daten das Rückzyklieren in den Akkumulator 16 über den zirkulären Schiebedatenbus 86 ermöglicht wird. Zusätzlich weist der Akkumulator 16 die gewünschte Flexibilität durch die Verwendung von Weitergabewegverbindungen zwischen benachbarten Registern auf, um ein laterales Zyklieren von darin enthaltenen Daten über den lateralen Schiebedatenbus 84 gemäß Fig. 1 zu ermöglichen. Folglich kann der Akkumulator 16 bei der Ausführung ziemlich komplexer optischer Datenverarbeitungsalgorithmen effektiv genutzt werden, die Schiebe- und Summieroperationen unter der direkten Kontrolle des Mikrokontrollers 12 erfordern.

Zwei bevorzuge Ausführungsformen eindimensionaler räumlicher bzw. spatialer Lichtmodulatoren sind in Fig. 3 bzw. 4 gezeigt. Der in Fig. 3 gezeigte räumliche Lichtmodulator 130 enthält ein elektro-optisches Element 132, das vorzugsweise zwei parallele einander gegenüberliegende Hauptflächen aufweist, die mit Streifenelektroden 136 bzw. mit einer Potentialreferenzebene 140 versehen sind. Das elektro-optische- Element 132 kann ein Flüssigkristallichtventil in Transmissionsmode sein, vorzugsweise ist es jedoch ein Festkörper aus elektro-optischem Material, wie KD&sub2;PO&sub4; oder BaTiO&sub3;. Dieses letztere Material beaufschlagt Licht mit einer Polarisationsmodulation proportional zu dem longitudinalen und transversalen Spannungspotential, das an dem Teil des Materials angelegt ist, den das Licht durchdringt. Dieses Material besitzt charakteristischerweise eine genügende eigene strukturelle Stabilität, so daß es für den Zweck der vorliegenden Erfindung ausreichend selbsttragend ist, wenn es als elektro-optisches Element 132 verwendet wird und kann in einer Dicke von ungefähr 5 bis 10 Mils für eine Hauptflächengröße von ungefähr einem Quadratinch bereitgestellt werden.

Da die aktiven Regionen des elektro-optischen Elements 132 notwendigerweise zwischen jeder der Streifenelektroden 136 und der Referenzebenenelektrode 140 liegen, bestehen die Elektroden 136, 140 vorzugsweise aus einem transparenten Material mit hoher Leitfähigkeit, wie zum Beispiel Indiumzinnoxid. Kontaktierungen an den Elektroden 136, 140 werden vorzugsweise durch die Verwendung separater Elektrodenleiter 134 bzw. 138 bereitgestellt, die unter Verwendung von konventionellem Drahtboden oder Löttropfenverbindungstechnologie angebracht werden.

Fig. 4 illustriert einen alternativen eindimensionalen räumlichen Lichtmodulator. Dieser räumliche Lichtmodulator unterscheidet sich von dem in Fig. 3 durch die relative Anordnung der Signalelektrode 156 und der Potentialreferenzelektrode 158 auf den beiden Hauptflächen des elektro-optischen Elements 152. Auf jeder Hauptfläche ist eine Referenzpotentialelektrode 158 zwischen Paaren der Signalelektroden 156 angeordnet, um eine interdigitalisierte Elektrodenstruktur zu bilden, die im wesentlichen auf beiden Hauptflächen des elektro-optischen Elements 152 identisch ist. Die aktiven Teile des elektro-optischen Elements 152 liegen zwischen jeder der Signalelektroden 156 und ihrer benachbarten Referenzpotentialelektrode 158 an der Oberfläche.

Der erreichbare elektro-optische Effekt wird durch die Verwendung beider Oberflächen des elektro-optischen Elements 152 verstärkt. Da weiterhin die aktiven Teile des elektrooptischen Elements 152 durch die Signalelektroden 156 nicht abgeschattet werden, können alle Elektroden 156, 158 aus einem undurchsichtigen leitfähigen Material, wie z. B. Aluminium sein, das weiterhin in vorteilhafter Weise verwendet werden kann, um die aktiven Regionen des elektro-optischen Elements 152 effektiv zu maskieren. Das heißt die Elektroden 156, 158 können verwendet werden, um die jeweiligen Pixelkantenteile des Datenstrahls abzublocken, die sich durch die Divergenz während des Durchtritts durch das elektro-optische Element 152 ergeben.

In gleicher Weise wie die räumlichen Lichtmodulatoren 130 aus Fig. 3 können die elektro-optischen Elemente 152 entweder in Form eines Flüssigkristallichtventils oder in Form eines Festkörper aus elektro-optischen Materials realisiert sein. Aus Gründen schnellerer elektro-optischer Antwortzeiten, größerer struktureller Stabilität und leichterer Herstellbarkeit sind elektro-optische Materialien mit Transversalfeldpolarisationsmodulation bevorzugt, wie sie beispielsweise von LiNbO&sub3;, LiTaO&sub3;, BaTiO&sub3;, SrxBa(1-x)NbO&sub3; und PLZT bereitgestellt wird.

Der Betrieb eines optischen Datenverarbeitungssystems des vorstehend beschriebenen Typs erklärt sich am besten, indem die Durchführung von Matrizenmultiplikationen analysiert wird. R. A. Athale und W. C. Collins haben in ihrer Veröffentlichung "Optical Matrix-matrix Multiplier Based on Outer Product Decomposition", Applied Optics 21, 2089 (1982) das Prinzip der äußeren Produktzerlegung für optische Matrizenmultiplikation beschrieben.

Demzufolge ist die Produktmatrix C aus zwei Matrizen B und A gegeben durch

C = BA (3)

wobei das ij-ten Element von C durch das innere Produkt zwischen dem i-ten Reihenvektor von B und dem j-ten Spaltenvektor von A gegeben ist:

C kann jedoch auch als Summe von Matrizen dargestellt werden, von denen jede das äußere Produkt zwischen einem Spaltenvektor von B und dem zugehörigen Zeilenvektor von A ist. Das Prinzip hinter einem Äußeres-Produkt-Matrix-Multiplizierer besteht darin, die Zeilen der Matrix B sequentiell einem SLM, wie z. B. dem SLM 38, zuzuführen und die entsprechenden Spalten der Matrix A einem anderen SLM, wie z. B. dem SLM 36, das zu dem ersten SLM senkrecht steht, zuzuführen. Die Transmission der zwei gekreuzten SLMs ist während des n-ten Taktzyklus des Taktgenerators 83 durch das äußere Produkt der n-ten Zeile von B und der n-ten Spalte von A gegeben. Das transmittierte Licht fällt auf das Akkumulatordetektorfeld 16 und wird auf summiert, um die Produktmatrix C zu bilden. Die Multiplikation von zwei NxN-Matrizen, was N³ Multiplikationen erfordert, wird in N Taktzyklen durchgeführt.

Fig. 5 zeigt die Elemente von zwei Matrizen A und B, wie sie durch Speicherregister 30 und 22 den SLMs 38 und 36 Zeile für Zeile bzw. Spalte für Spalte zugeführt werden. (Zwischen den SLMs angeordnete Polarisatoren sind aus Gründen der Übersichtlichkeit in Fig. 5 weggelassen.) Die Elektroden auf jedem SLM 36, 38 unterteilen den SLM in streifenförmige Regionen 92, 94 die nachfolgend als Einheitszellen bezeichnet werden. Jede Zelle wird verwendet, um ein Matrixelement zu verarbeiten. Während des n-ten Taktzyklus wird Licht aus der Quelle 14 durch die n-te Zeile von A in einer Richtung moduliert und orthogonal dazu durch die n-te Spalte von B, wodurch die n-te äußere Produktmatrix im Akkumulatordetektorfeld 16 gebildet wird, dessen Summe die Produktmatrix C ist. Es wird darauf hingewiesen, daß nur zwei SLMs benötigt werden, um die Matrizenmultiplikation durchzuführen. Das Feld 16 ist in 96 Zellen aufgeteilt, wobei jede Zelle einem der Elemente cij entsprecht.

Während der vorstehend beschriebene Prozessor nach dem Stand der Technik zufriedenstellend arbeitet, wenn alle Matrizenelemente positiv sind, ist er nicht für die Behandlung von bipolaren (negativen und positiven) oder komplexen Zahlen ausgelegt. Dies liegt darin, daß numerische Werte durch Lichtintensitäten repräsentiert werden, bei denen es sich um nicht-negative Größen handelt.

Fig. 6 zeigt eine erste Ausführungsform 20 der Erfindung, bei der es sich um einen optischen Prozessor handelt, der zur Verarbeitung von bipolaren Zahlen geeignet ist. Um das Verständnis der verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zu erleichtern, wird das Beispiel einer Matrizenmultiplikation zur Beschreibung der Funktionsweise von mehreren der verschiedenen Ausführungsformen verwendet, wobei die Matrix quadratisch ist und neun Elemente enthält.

Die Ausführungsform 20' umfaßt erste und zweite SLMs 38' bzw. 36', einen Detektorakkumulator 16' und eine Lichtquelle 14, die in gleicher Weise angeordnet sind, wie vorstehend beschrieben ist. Das SLM 36' ist in drei streifenförmige Einheitszellen 92' und das SLM 38' in drei streifenförmige Einheitszellen 94' unterteilt. Die Zellen 92' sind orthogonal zu den Zellen 94'.

Jede der Zeilen 92' ist wiederum in individuell adressierbare Lichtmodulationsbereiche 98 und 100 eingeteilt, während jede Zelle 94' in individuell adressierbare Lichtmodulationsbereiche 102 und 104 eingeteilt ist. Der Akkumulator 16' ist in neun Einheitszellen 96' unterteilt. Jede Zelle 96' ist in vier Lichtdetektionsbereiche 106, 108, 110, 112 unterteilt. Teile der Einheitszellen 92', 94', 96' sind rechts in Fig. 6 im Detail gezeigt.

Die Betriebsweise des Prozessors 20' ist folgendermaßen. Signale, die die Größe bzw. Stärke eines jeden der Spaltenelemente der Matrix A (eine Spalte zu einer bestimmten Zeit) darstellen, werden durch ein Register 30 den Zellen 94' des SLM 38' zugeführt. Falls die Polarität eines Elements positiv ist, wird das Signal über geeignete dem Register 30 zugeordnete Steuerschaltkreise dem Bereich 102 der entsprechenden Zelle 94' zugeführt. Falls die Polarität des Elements negativ ist, wird das dieses Element repräsentierende Signal dem Bereich 104 der entsprechenden Zelle 94' zugeführt.

In gleichartiger Weise werden Signale, die die Stärke eines jeden der Zeilenelemente von Matrix B darstellen (eine Zeile zu einer bestimmten Zeit) durch ein Register 22 den Zellen 92' des SLM 36 zugeführt. Falls die Polarität eines bestimmten Elements positiv ist, wird das Signal mittels eines geeigneten dem Register 22 zugeordneten Steuerschaltkreis dem Bereich 98 der entsprechenden Zelle 92' zugeführt. Falls die Polarität des Elements negativ ist, wird das dieses Element repräsentierende Signal dem Bereich 100 der entsprechenden Zelle 92' zugeführt.

Die vier Detektionsbereiche 106, 108, 110, 112 in jeder Zelle 96' des Detektors 16' sind so angeordnet, daß jeder Bereich Licht auffängt, das durch bestimmte Modulationsbereiche der SLMs 36' und 38' moduliert worden ist. Der Bereich 106 detektiert daher von den Bereichen 102 und 98 moduliertes Licht, der Bereich 108 detektiert von den Bereichen 102 und 100 moduliertes Licht, der Bereich 110 detektiert von den Bereichen 104 und 98 moduliertes Licht und der Bereich 112 detektiert von dem Bereich 104 und 110 moduliertes Licht.

Die in der Einheitszellendarstellung von Fig. 6 gezeigten Vorzeichensymbole zeigen sowohl die Polarität der Matrizenelemente in jeder der Zellen 94' und 92' als auch die Polarität der resultierenden Multiplikation dieser Elemente an, wie dies durch die verschiedenen Bereiche der Einheitszelle 96' des Detektors 16' detektiert wird. Beispielsweise detektiert der Bereich 106 das Produkt von zwei positiven Zahlen und ist folglich auch positiv. In gleicher Weise detektiert der Bereich 112 das Produkt von zwei negativen Zahlen und ist folglich positiv. Durch Aufsummieren der Signale von den Detektorbereichen 106 und 112 ergibt sich ein Signal, das proportional zu dem Quadrat des positiven Produkts von Matrizenelementen ist und durch Aufsummieren der Signale von den Detektorbereichen 108 und 110 ergibt sich ein Signal, das proportional zum Quadrat des negativen Produkts von Matrizenelementen ist. Durch Differenzbildung zwischen diesen zwei Signalen ergibt sich ein resultierendes Signal, das das Quadrat des Produkts von zwei bipolaren Zahlen enthält. Das Auslesen von Daten aus dem Detektor 16' kann in zwei 2N Taktzyklen für ein NxN-Matrixfeld erreicht werden, wobei jeder Zelle zwei Taktzyklen zugeordnet sind. Da unterschiedliche Bereiche jeder Zelle zur Unterscheidung der Polarität verwendet werden, wird die Ausführungsform 20' als Konfiguration mit räumlichen Multiplexverfahren bezeichnet.

Eine Einschränkung dieser vorstehend beschriebenen Ausführungsform mit räumlichen Multiplexverfahren besteht darin, daß die Ausgangssignale aus dem Detektor/Akkumulator 16' nicht direkt proportional zu dem Produkt der Matrixelemente sind, sondern vielmehr proportional zu dem Quadrat dieser Produkte sind. Dies ergibt sich aus dem quadratischen Zusammenhang zwischen Lichtamplitude und Intensität. Die Modulatoren 38' und 36' modulieren die Amplitude des Lichts von der Quelle 14 proportional zu der Größe der angelegten Signale. Der Detektor 16' stellt jedoch Signale bereit, die proportional zur Lichtintensität sind, die wiederum proportional zum Quadrat der Lichtamplitude ist.

Folglich müssen bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform die Detektorsignale einer weiteren Signalverarbeitung unterworfen werden, um das gewünschte numerische Produkt aus den quadratischen Werten, die auch von verschiedenen arithmetischen Kreuzprodukten überlagert sind, abzuleiten. In einer in Fig. 7 gezeigten zweiten Ausführungsform 20'' der vorliegenden Erfindung wird eine Kombination von räumlichen und zeitlichen Multiplexverfahren zusammen mit Vorspannungs- bzw. Überlagerungssignalen verwendet, um einen optischen Prozessor für bipolare Zahlen bereitzustellen, dessen Ausgangssignale direkt proportional zu dem Produkt der bipolaren Zahlen sind.

In der Vergangenheit wurden Konfigurationen mit Zeitmultiplex für die optische Verarbeitung von bipolaren Zahlen vorgeschlagen. Beispielsweise schlagen D. Casasent, J. Jackson und C. Neuman eine solche Konfiguration in ihrer Veröffentlichung "Frequency-multiplexed and Pipelined Iterative Optical Systolic Array Processors," Applied Optics, Vol. 22, Nr. 1, Seite 115, 1. Januar 1983, vor. Diese Prozessoren nach dem Stand der Technik stellen jedoch nicht direkt Ausgangssignale bereit, die linear proportional zu dem Produkt der bipolaren Zahlen sind, wie dies durch die folgende Ausführungsform der Erfindung erreicht wird.

In Fig. 7 sind Einheitszellenteile von ersten und zweiten SLMs und einem Detektor-/Akkumulatorfeld gezeigt, die zusammen einen optischen Prozessor bilden. Es ist selbstredend, daß, wie bei der vorhergehenden Ausführungsform, multiple Zellen zur Verarbeitung der Matrixfelder mit komplexen Daten verwendet werden können.

Die Einheitszelle 94'' repräsentiert eine Zelle eines SLM, wie z. B. dem vorstehend beschriebenen SLM 38. In gleicher Weise repräsentiert die Zelle 92'' eine Zelle eines SLM, wie dem SLM 36 und die Zelle 96'' repräsentiert eine Zelle eines Detektor-/Akkumulatorfelds 16, ebenfalls wie vorstehend beschrieben.

Die Zelle 94'' ist in zwei individuell adressierbare Lichtmodulationsbereiche 170 und 172 unterteilt, während die Zelle 92'' aus einem einzelnen adressierbaren Lichtmodulationsbereich besteht. Die Detektorzelle 96'' ist in zwei Lichtdetektionsbereiche 174 und 176 eingeteilt.

Die zwei Detektionsbereiche 174 und 176 sind so positioniert, daß jeder Licht auffängt, daß von bestimmten Modulationsbereichen moduliert worden ist. Der Bereich 174 detektiert demnach von den Bereichen 170 und 92'' moduliertes Licht und der Bereich 176 detektiert von den Bereichen 172 und 92'' moduliertes Licht. Im Bereich 174 akkumulierte Detektorsignale werden einem positiven Eingangsanschluß eines Differenzverstärkers 230 zugeführt, während im Bereich 176 akkumulierte Detektorsignale einem negativen Eingangsanschluß des Verstärkers 230 zugeführt werden. Wie nachfolgend beschrieben werden wird, wird das gewünschte Ausgangssignal d aus dem Prozessor 20'' an einem Ausgangsanschluß 232 des Verstärkers 230 zur Verfügung gestellt.

Ein Signalverarbeitungsschaltkreis wird bereitgestellt, um Signale zu erzeugen, die folgendermaßen zur Steuerung der Modulatoren 94'' und 92'' verwendet werden. Ein Signal, das eine erste bipolare Zahl a&sub1;&sub1; repräsentiert, das ein Matrixelement sein kann, wird dem positiven Eingangsanschluß eines Summierverstärkers 234 und dem negativen Eingangsanschluß eines Differenzverstärkers 236 zur Verfügung gestellt. Ein positives Vorspannungs- bzw. Überlagerungssignal Δ&sub1; wird dem positiven Eingangsanschlüssen der Verstärker 234 und 236 zur Verfügung gestellt. Am Ausgangsanschluß des Verstärkers 234 erscheint ein Steuersignal S&sub1;, das gleich a&sub1;&sub1; + Δ&sub1; ist. Am Ausgangsanschluß des Verstärkers 236 erscheint ein Steuersignal S&sub2;, das gleich $&sub1; - a&sub1;&sub1; ist.

Ein zweites eine bipolare Zahl b&sub1;&sub1; repräsentierendes Signal, das ein Element einer zweiten Matrix sein kann, wird dem positiven Eingangsanschluß eines Summierverstärkers 238 und dem negativen Eingangsanschluß eines Differenzverstärkers 240 zur Verfügung gestellt. Ein zweites positives Vorspannungs- bzw. Überlagerungssignal Δ&sub2; wird dem positiven Eingangsanschlüssen der Verstärker 238 und 240 zugeführt. Am Ausgangsanschluß des Verstärkers 238 erscheint ein Steuersignal r&sub1;, das gleich b&sub1;&sub1; + Δ&sub2; ist. Im Ausgangsanschluß des Verstärkers 240 erscheint ein Steuersignal r&sub2;, das gleich Δ&sub2; - b&sub1;&sub1; ist.

Die Funktionsweise des Prozessors 20'' ist folgendermaßen. Während einem ersten durch den Taktgenerator 83 definierten Zeitintervall τ&sub1; werden in nachfolgender Weise den Zellen 94'' und 92'' Steuersignale zur Verfügung gestellt. Das Steuersignal S&sub1; wird dem Modulationsbereich 170 zugeführt, das Steuersignal S&sub2; dem Modulationsbereich 172 zugeführt und das Steuersignal r&sub1; wird dem Modulationsbereich 92'' zugeführt. Die Detektionsbereiche 174 und 176 sprechen auf das modulierte Licht an und stellen Detektorsignale zur Verfügung, die durch den Akkumulatorteil des Detektors/Akkumulators 96'' akkumuliert worden sind.

Während eines zweiten Zeitintervalls τ&sub2; werden die Steuersignale S&sub2;, S&sub1; und r&sub2; den Modulationsbereichen 170, 172 bzw. 92'' zugeführt, wie dies durch die in Fig. 7 dargestellte zeitliche Abfolge angezeigt ist. Die Detektionsbereiche 174 und 176 sprechen auf moduliertes Licht an und stellen während dieses Zeitintervalls Detektorsignale bereit, die in jeder Zelle 174, 176 zu den Detektorsignalen addiert werden, die in diesen Zellen während dem vorhergehenden Intervall τ&sub1; akkumuliert worden sind.

Es wird darauf hingewiesen, daß die Amplitude des positiven Vorspannungssignals Δ&sub1; so gewählt wird, daß die Modulationsbereiche 170, 172 auf einen Punkt vorgespannt sind, der diese Bereiche in dem linearen Bereich der Lichtamplitudenmodulation für die größten vorgesehenen positiven und negativen Werte für die bipolare Zahl a&sub1;&sub1; hält. In gleicher Weise wird das Vorspannungssignal Δ&sub2; so gewählt, daß der Bereich 92'' im Bereich linearer Lichtamplitudenmodulation für die größten vorgesehenen positiven und negativen Werte für die bipolare Zahl b&sub1;&sub1; verbleibt. Die Amplituden der Vorspannungssignale Δ&sub1; und Δ&sub2; können zueinander gleich sein.

Wie vorstehend beschrieben worden ist, werden die akkumulierten Signale aus den Detektionsbereichen 174 und 176 dem positiven bzw. negativen Eingangsanschluß des Differenzverstärkers 230 zugeführt. Es kann gezeigt werden, daß am Ende des zweiten Zeitintervalls τ&sub2; das am Ausgangsanschluß 232 erscheinende Ausgangssignal d proportional ist zu

d = 16 Δ&sub1; Δ&sub2; a&sub1;&sub1; b&sub1;&sub1; (5)

Folglich stellt der Prozessor 20'' ein Ausgangssignal bereit, das direkt proportional zu dem Produkt der bipolaren Zahlen ist.

Eine in Fig. 8 gezeigte dritte- Ausführungsform der Erfindung ist ein optischer Prozessor, der ein räumliches Multiplexverfahren verwendet, um komplexe Zahlen zu verarbeiten. Es ist bekannt, daß komplexe bipolare Daten in drei reelle und positive Vektorkomponenten zerlegt werden können, die jeweils einen Vektor entlang der 0º-, 120º- und 240º-Richtung in einem polaren Koordinatensystem darstellen. Siehe hierzu beispielsweise J.W. Goodman und L.M. Woody, "Method for Performing Complex-valued Linear Operations on Complexvalued Data Using incoherent Light," Applied Optics, Vol. 16, Seite 2611 (1977). Ein komplexer Wert X kann daher zerlegt werden in

X = Xα + Xβ exp(i2π/3) + Xγ exp(i4π/3), (6)

wobei Xα, Xβ und Xγ reelle positive Werte sind.

Fig. 8 zeigt einen optischen Prozessor 20''' mit dem es möglich ist, zwei komplexe Zahlen, die mittels eines geeigneten arithmetischen Prozessors (nicht gezeigt) in ihre Komponenten α, β und γ zerlegt worden sind, zu multiplizieren. Die Figur zeigt nur den Einheitszellenteil des ersten und zweiten SLM und dem Detektorfeld des Prozessors. Es versteht sich von selbst, daß wie bei den vorhergehenden Ausführungsformen Vielfachzellen zum Verarbeiten von Matrixfeldern mit komplexen Daten verwendet werden können.

Die Einheitszelle 94''' repräsentiert eine Zelle eines SLM, wie z. B. dem in der vorgehenden Ausführungsformen beschriebenen SLM 38. In gleicher Weise repräsentiert die Zelle 92''' eine Zelle eines SLM, wie z. B. dem vorhergehend beschriebenen SLM 36 und die Zelle 96''' repräsentiert eine Zelle eines Detektors, wie dem Detektor 16, der ebenfalls vorstehend beschrieben worden ist.

Die Zelle 94''' ist in drei individuell adressierbare Lichtmodulationsbereiche 178, 180, -182 eingeteilt, während die Zelle 92''' in drei individuell adressierbare Lichtmodulationsbereiche 184, 186, 188 eingeteilt ist, die senkrecht zu den Bereichen der Zelle 94''' liegen. Die Detektorzelle 96''' ist in neun Lichtdetektionsbereiche 190, 192, 194, 196, 198, 200, 202, 204 und 206 eingeteilt.

Die Betriebsweise des Prozesses 20''' ist folgendermaßen. Signale, die die Größe der Komponenten α, β und γ einer komplexen Zahl "a" darstellen, werden den Modulationsbereichen 178, 180 bzw. 182 der Zelle 94''' zur Verfügung gestellt. Signale, die die Größe der Komponenten α, β und γ einer zweiten komplexen Zahl "b" darstellen, werden den Modulationsbereichen 184, 186 und 188 der Zelle 92''' zur Verfügung gestellt.

Die neun Detektionsbereiche in jeder Zelle 96''' des Detektors sind so positioniert, daß jeder Bereich Licht auffängt, daß von einem bestimmten Bereich der Modulationsbereiche in Zellen 94''' und 92''' moduliert worden ist. Der Bereich 190 fängt demnach von den Bereichen 178 und 184 moduliertes Licht auf, der Bereich 192 fängt von den Bereichen 178 und 186 moduliertes Licht auf, der Bereich 194 fängt von den Bereichen 178 und 188 moduliertes Licht auf, der Bereich 196 fängt von den Bereichen 180 und 184 moduliertes Licht auf, der Bereich 198 fängt von den Bereichen 180 und 186 moduliertes Licht auf, der Bereich 200 fängt von den Bereichen 180 und 188 moduliertes Licht auf, der Bereich 202 fängt von den Bereichen 182 und 184 moduliertes Licht auf, der Bereich 204 fängt von den Bereichen 182 und 186 moduliertes Licht auf und der Bereich 206 fängt von den Bereichen 182 und 188 moduliertes Licht auf.

Die α-, β- und γ-Symbole in jedem der neun Detektorbereiche in Fig. 8 zeigen die zyklische Zuordnung der verschiedenen Komponentenprodukte, was leicht unter Verwendung der Definition von Produkten bei polarer Darstellung von komplexen Zahlen abgeleitet werden kann. Die verschiedenen α-, β- und γ-Komponentenprodukte können aus der Zelle 96''' in drei Taktintervallen ausgelesen und arithmetisch in bekannter Weise kombiniert werden, um in karthesischen Koordinaten Signale zu erhalten, die die Quadrate der Real- und Imaginärteile des Produkts der komplexen Zahlen "a" und "b" enthalten.

Eine vierte in Fig. 9 gezeigte Ausführungsform 20'''' der Erfindung verwendet eine Kombination von Raum- und Zeitmultiplexverfahren, um komplexe Zahlen zu verarbeiten, wobei die Zahlen in drei reelle positive Komponenten zerlegt worden sind, wie das bei der vorhergehenden Ausführungsform beschrieben worden ist.

Fig. 9 zeigt die Einheitszellenkonstruktion des ersten und zweiten SLM und des Detektorfeldes des Prozessors 20''''. Wie bei den vorhergehenden Ausführungsformen können Mehrfachzellen verwendet werden, um Felder mit komplexen Daten zu verarbeiten.

Die Einheitszelle 94'''' repräsentiert eine Zelle eines SLM, wie z. B. dem vorhergehend beschriebenen SLM 38. In gleicher Weise repräsentiert die Zelle 92'''' eine Zelle eines SLM, wie dem SLM 36, und die Zelle 96'''' repräsentiert eine Zelle eines Detektors, wie dem ebenfalls vorhergehend beschriebenen Detektor 16.

Die Zelle 94'''' ist in drei individuell adressierbare Lichtmodulationsbereiche 208, 210, 212 eingeteilt, die senkrecht zu den durch die Zelle 92'''' definierten Modulationsbereichen liegen. Die Detektorzelle 96'''' ist in drei Lichtdetektionsbereiche 214, 216 und 218 eingeteilt.

Die Funktionsweise des Prozessors 20'''' ist folgendermaßen. Während eines ersten Zeitintervalls τ&sub1;, das durch den Taktgenerator 83 definiert ist, werden Signale, die die Größe der Komponenten α, β und γ einer komplexen Zahl "a" darstellen, den Modulationsbereichen 208, 210 bzw. 212 der Zelle 94'''' zugeführt. Ein Signal, das nur die Größe der α-Komponente der zweiten komplexen Zahl "b" darstellt, wird dem Modulationsbereich 92'''' zugeführt.

Während eines zweiten Taktintervalls τ&sub2; werden Signale, die die γ-, α- und β-Komponenten von "a" darstellen, den Bereichen 208, 210 bzw. 212 zugeführt, während nur die β-Komponente von "b" den Bereich 92'''' zugeführt wird.

Während eines dritten Taktintervalls τ&sub3; werden Signale, die die β-, γ- und α-Komponenten von "a" darstellen, den Bereichen 208, 210 bzw. 212 zur Verfügung gestellt, während nur die γ-Komponente von "b" dem Bereich 92'''' zur Verfügung gestellt wird.

Die drei Detektionsbereiche 214, 216, 218 in jeder Zelle 96'''' sind so positioniert, daß sie Licht auffangen, das von einer bestimmten Kombination von Modulationsbereichen moduliert worden ist. Demnach fängt der Bereich 214 von den Bereichen 208 und 92'''' moduliertes Licht auf, der Bereich 216 fängt von den Bereichen 210 und 92'''' moduliertes Licht auf und der Bereich 218 fängt von den Bereichen 212 und 92'''' moduliertes Licht auf.

Die α-, β- und γ-Symbole und die zeitliche Abfolge in Fig. 9 zeigen für jedes Intervall τ&sub1;, τ&sub2;, τ&sub3; sowohl die Komponenten, die jedem der Modulationsbereiche zugeführt werden, als auch die Zuordnung der verschiedenen Komponentenprodukte, wie sie unter der Definition des Produkts bei polarer Darstellung von komplexen Zahlen abgeleitet worden sind. Für den Durchschnittsfachmann ist klar, daß ein bestimmtes zyklisches Muster von α-, β- und γ-Komponenten, das den Modulationsbereichen zugeführt wird, gewählt ist, um eine einzelne Komponentenzuordnung in den Detektorbereichen während der drei Taktintervalle bereitzustellen. Folglich sind die Detektionsbereiche 214, 216 und 218 immer mit den α-, βbzw. γ-Produktwerten assoziiert. Diese Mechanisierung vereinfacht das Auslesen von Daten aus den Zellen 96'''' sehr stark, was in einem Taktintervall erreicht werden kann, wobei die einem Vektor zugeordneten Daten parallel gelesen werden.

Es wird darauf hingewiesen, daß obwohl die vorstehend beschriebene dritte und vierte Ausführungsform anhand von drei Vektorzerlegungen von komplexen Zahlen beschrieben worden ist, auch andere Zerlegungsschemata verwendet werden können, ohne den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Beispielsweise können die komplexen Zahlen in zwei oder vier Komponenten zerlegt werden, wobei die resultierenden Komponenten entsprechend den vorstehenden Prinzipien verarbeitet werden.

Es sei auch darauf hingewiesen, daß, obwohl die vorstehenden Beispiele der Erfindung die Multiplikation von zwei Matrizen beschreiben, die Erfindung in keiner Weise darauf begrenzt ist. Eine Erweiterung der Architektur des optischen Prozessors, um mehrere Matrizen verarbeiten zu können, erfordert lediglich zusätzliche Schichten von SLMs.

Beispielhaft zeigt Fig. 10 die Einheitszellendarstellung eines optischen Prozessors 224, der ein räumliches und zeitliches Multiplexverfahren verwendet, um drei Matrizen mit komplexen Elementen zu verarbeiten. Vergleicht man Fig. 10 mit Fig. 9 wird deutlich, daß die Konstruktion des Prozessors 224 im wesentlichen identisch mit der des Prozessors 20'''' ist mit dem Zusatz eines dritten SLM, dargestellt durch die Einheitszelle 226. Diese dritte SLM kann als Entsprechung zu SLM 40 in den Fig. 1 und 2 betrachtet werden.

Der Prozessor 224 arbeitet in neun Taktintervallen und Betriebsdetails ergeben sich auf einfache Weise unter Berücksichtigung der α-, β- und γ-Symbole und der zeitlichen Abfolge in Fig. 10 unter Berücksichtigung der vorhergehenden Beschreibung des vorhergehenden Prozessors 20''''.

Wie bei der ersten Ausführungsform der Erfindung stellen die soeben beschriebenen dritten und vierten Ausführungsformen Ausgangssignale aus dem Detektor/Akkumulator bereit, die nicht direkt proportional zu dem Produkt der komplexen Zahlen sind. In einer in Fig. 11 gezeigten fünften Ausführungsform 20''''' der Erfindung wird eine einzigartige Kombination von Raum- und Zeitmultiplexverfahren zusammen mit Vorspannungssignalen verwendet, um einen optischen Prozessor für komplexe Zahlen bereitzustellen, der keine Vektorzerlegung nötig macht und der Ausgangssignale erzeugt, die direkt proportional zu dem Produkt der komplexen Zahlen sind.

In Fig. 11 ist eine Einheitszellenkonstruktion des Prozessors 20''''' gezeigt, die verwendet wird, eine erste komplexe Zahl "a" mit Real- und Imaginärteil ar bzw. ai mit einer zweiten komplexen Zahl "b" mit Real- und Imaginärteil br bzw. bi zu multiplizieren. Wie bei den vorhergehenden Ausführungsformen können Mehrfachzellen verwendet werden, um parallel Felder mit komplexen Daten zu verarbeiten.

Die Einheitszelle 94''''' repräsentiert eine Zelle eines SLM, wie dem vorhergehend beschriebenen SLM 38. In gleicher Weise repräsentiert die Zelle 92''''' eine Zelle eines SLM, wie dem SLM 36 und die Zelle 96''''' repräsentiert eine Zelle eines Detektors, wie dem ebenfalls vorstehend beschriebenen Detektor 16.

Die Zelle 94''''' ist in zwei individuell adressierbare Lichtmodulationsbereiche 209, 211 eingeteilt, die orthogonal zu zwei individuell adressierbaren durch die Zelle 92''''' definierten Lichtmodulationsbereichen 214, 215 liegen. Die Detektorzelle 96''''' ist in vier Lichtdetektionsbereiche 217, 219, 221 und 223 eingeteilt.

Die vier Detektionsbereiche 217, 219, 221 und 223 in jeder der Zellen 96''''' sind so positioniert, daß jeder Bereich Licht auffängt, das durch bestimmte Kombinationen von Modulationsbereichen moduliert worden ist. Demnach fängt der Bereich 217 von den Bereichen 209 und 213 moduliertes Licht auf, der Bereich 219 fängt von den Bereichen 211 und 213 moduliertes Licht auf, der Bereich 221 fängt von den Bereichen 209 und 215 moduliertes Licht auf und der Bereich 223 fängt von den Bereichen 211 und 215 moduliertes Licht auf.

Aus den Bereichen 217 und 219 akkumulierte Detektorsignale werden dem positiven bzw. negativen Eingangsanschluß eines Differenzverstärkers 242 zugeführt. Wie im vorhergehenden anhand von Fig. 1 beschrieben worden ist, können Taktsignale von dem Generator 83 verwendet werden, um Daten in dem durch die Zelle 96''''' repräsentierten Detektor/Akkumulator zu verschieben. In der vorliegenden Ausführungsform stellen in den Bereichen 217 und 219 akkumulierte Daten an einem Verstärkerausgangsanschluß 244 ein Signal dr bereit, daß direkt proportional zu dem Realteil des Produkts der komplexen Zahlen "a" und "b" ist. Taktsignale bewirken, daß die aus den Bereichen 221 und 223 akkumulierten Detektorsignale dem positiven bzw. negativen Anschluß des Verstärkers 242 zugeschoben werden, womit zu diesem Zeitpunkt ein Signal di an dem Anschluß 244 bereitgestellt wird, das direkt proportional zu dem Imaginärteil des Produkts der komplexen Zahlen "a" und "b" ist.

Ein Signalverarbeitungsschaltkreis ist vorgesehen, um folgendermaßen auf verschiedene Weise Signale zur Steuerung der Modulatoren 94''''' und 92''''' bereitzustellen. Ein den Realteil ar der ersten komplexen Zahl "a" repräsentierendes Signal wird dem positiven Eingang eines Summenverstärkers 246 und einem negativen Eingangsanschluß eines Differenzverstärkers 248 zugeführt. Ein positives Vorspannungssignal Δ&sub3; wird dem positiven Eingangsanschlüssen der Verstärker 246, 248 zugeführt. Am Ausgangsanschluß des Verstärkers 246 erscheint ein Steuersignal t&sub1;, das gleich ar + Δ&sub3; ist. Am Ausgangsanschluß des Verstärkers 248 erscheint ein Steuersignal t&sub2;, das gleich Δ&sub3; + ar ist.

Ein den Imaginärteil ai der Zahl "a" repräsentierendes Signal wird einem positiven Eingangsanschluß eines Summenverstärkers 250 und einem negativen Eingangsanschluß eines Differenzverstärkers 252 zugeführt. Das Vorspannungssignal Δ&sub3; wird den positiven Eingangsanschlüssen der Verstärker 250 und 252 zugeführt. Am Ausgangsanschluß des Verstärkers 250 erscheint ein Steuersignal u&sub1;, das gleich ai + Δ&sub3; ist. Am Ausgangsanschluß des Verstärkers 252 erscheint ein Steuersignal u&sub2;, das gleich Δ&sub3; - ai ist.

Ein den Realteil br einer zweiten komplexen Zahl "b" repräsentierendes Signal wird dem positiven Eingangsanschluß eines Summenverstärkers 254 und dem negativen Eingangsanschluß eines Differenzverstärkers 256 zugeführt. Ein positives Vorspannungssignal Δ&sub4; wird den positiven Eingangsanschlüssen der Verstärker 254, 256 zugeführt. Am Ausgangsanschluß des Verstärkers 254 erscheint das Steuersignal v&sub1;, das gleich br + Δ&sub4; ist. Am Ausgangsanschluß des Verstärkers 256 erscheint das Steuersignal v&sub2;, das gleich Δ&sub4; - br ist.

Ein den Imaginärteil bi der Zahl "b" darstellendes Signal wird einem positiven Eingangsanschluß eines Summenverstärkers 258 und einem negativen Eingangsanschluß eines Differenzverstärkers 260 zugeführt. Das Vorspannungssignal Δ&sub4; wird dem positiven Eingangsanschlüssen der Verstärker 258 und 260 zugeführt. Am Ausgangsanschluß des Verstärkers 258 erscheint ein Steuersignal ω&sub1;, das gleich bi + Δ&sub4; ist. Am Ausgangsanschluß des Verstärkers 260 erscheint ein Steuersignal ω&sub2;, das gleich Δ&sub4; - bi ist.

Die Betriebsweise des Prozessors 20''''' ist folgendermaßen. Während eines ersten durch den Taktgenerator 83 definierten Taktintervalls τ&sub1; werden in nachfolgend beschriebener Weise Steuersignale den Zellen 94''''' und 92''''' zur Verfügung gestellt. Die Steuersignale t&sub2;, t&sub1; ω&sub1; und ω&sub2; werden den Modulationsbereichen 209, 211, 215 bzw. 213 zugeführt. Die Detektorbereiche 217, 219, 221 und 223 sprechen auf das modulierte Licht an und stellen Detektorsignale bereit, die durch den Akkumulatorteil des Elements 96''''' akkumuliert werden.

Während eines zweiten Taktintervalls τ&sub2; werden die Steuersignale t&sub2;, t&sub1;, ω&sub2; und ω&sub1; den Bereichen 209, 211, 215 bzw. 213 zur Verfügung gestellt. Während eines dritten Taktintervalls T&sub3; werden die Steuersignale u&sub1;, u&sub2;, v&sub1; und v&sub2; bereitgestellt, um die Bereiche 209, 211, 215 bzw. 213 zu modulieren. Während eines vierten Taktintervalls τ&sub4; werden die Steuersignale u&sub2;, ω&sub1;, v&sub2; und v&sub1; den Bereichen 209, 211, 215 bzw. 213 zur Verfügung gestellt. Für jede der Detektorzellen 217, 219, 221 und 223 summieren Akkumulatoren die während der vier Taktintervalle τ&sub1; - τ&sub4; erzeugten Detektorsignale.

Es sei angemerkt, daß die Amplitude des positiven Vorspannungssignals Δ&sub3; so gewählt ist, daß die Modulatorbereiche 209, 211 auf einem Punkt vorgespannt sind, der sie für die größten vorkommenden positiven und negativen Zahlenwerte der Zahlen ar und ai im Bereich linearer Lichtamplitudenmodulation hält. In gleicher Weise ist das Vorspannungssignal Δ&sub4; so gewählt, daß die Bereiche 213, 215 für die größten vorkommenden positiven und negativen Werte der Zahlen br und bi im Bereich linearer Lichtamplitudenmodulation gehalten werden. Die Amplituden der Vorspannungssignale Δ&sub3; und Δ&sub4; können gleich zueinander sein.

Nach dem Ende des vierten Taktintervalls τ&sub4; werden wie vorstehend beschrieben die akkumulierten Daten aus den Detektorbereichen 217, 219 dem Verstärker 242 zugeführt. Es kann gezeigt werden, daß das an dem Ausgangsanschluß 244 erscheinende Ausgangssignal dr proportional ist zu

dr = 16 Δ&sub3; Δ&sub4;(arbr - aibi) (7)

Unter Verwendung bekannter Techniken können geeignete Taktsignale dem Detektor/Akkumulator zugeführt werden, um aus den Detektorbereichen 221 und 223 akkumulierte Daten zu verschieben, so daß diese Daten nun als Eingangssignale dem Verstärker 242 zur Verfügung gestellt werden. Wenn dies geschieht, kann gezeigt werden, daß das am Ausgangsanschluß 244 erscheinende Ausgangssignal di proportional ist zu

di = 16 Δ&sub3; Δ&sub4;(arbr + aibi) (8)

Folglich stellt der Prozessor 20''''' Ausgangssignale zur Verfügung, die direkt proportional zu dem Real- und Imaginärteil des Produkts der komplexen Zahlen "a" und "b" sind.

Während die vorstehende Ausführungsform der Erfindung die Multiplikation von zwei Zahlen beschreibt, die Elemente von zwei Matrizen sind, ist die Ausführungsform in keinster Weise darauf beschränkt. Eine Erweiterung der Architektur des optischen Prozessors, um mehr Matrizen verarbeiten zu können, erfordert lediglich in der vorstehend beschriebenen Weise zusätzliche Schichten an SLMs.

Für den Fall, daß es wünschenswert ist, zwei Matrizen zusammen mit einer positiven Zahl zu multiplizieren, kann dies mit einem optischen Prozessor bewerkstelligt werden, der nur zwei SLMs hat, indem von den Modulationseigenschaften der Lichtquelle Gebrauch gemacht wird. Beispielsweise kann die zweite Ausführungsform der Erfindung nach Fig. 7 so modifiziert werden, daß sich das Produkt von zwei Matrizenelementen a&sub1;&sub1;, b&sub1;&sub1; und einer dritten positiven Zahl c ergibt, indem die Intensität der Lichtquelle 14 proportional zur Größe der Zahl c moduliert wird. Liegt daher die Lichtquelle 14 in Form einer LED vor, kann der Strom durch die LED mittels eines Signals moduliert werden, das proportional zur Zahl c ist. Für diesen Fall kann gezeigt werden, daß das am Ausgangsanschluß 232 erscheinende Signal d sich von dem in Gleichung 5 ergebenden in folgender Weise unterscheidet:

d = 16 Δ&sub1; Δ&sub2; c a&sub1;&sub1; b&sub1;&sub1; (9)

Es wird darauf hingewiesen, daß die Modulation der Lichtquelle auf jegliche Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angewandt werden kann.