SE449667B - Optoelektronisk anordning for avkenning, registrering, forflyttning, generering och logisk behandling av optisk information - Google Patents

Description

20 25 30 35 449 667 via minst en fotoledare och eventuellt ett tunnfilmsmotstånd, samt att ledningarna är anslutna till spänníngskällor, som är anordnade att avge spänningen noll och positiva och negativa spänningspulser, varvid fotoleda- ren vid belysning eller ej är anordnad att optiskt adressera bildelement utan att fördenskull känna av elementets tillstånd. Den nya strukturen inne- håller således inga korsande elektriska tunnfilmsledare, och ljuspolariser- ande skikt kan helt förläggas utanför modulatorn. Anordningen blir synner- ligen användbar för mätning, bildprocessing och människa/maskinkommunikation.

Föreliggande uppfinning hänför sig alltså till en anordning för avkänning och registrering av information i optisk eller elektrisk form, för omvand- ling av information i elektrisk form till optisk form och/eller vice versa och för utförande av olika funktioner och bearbetning av den registrerade informationen med hjälp av optiska och elektriska signaler, där den optiska informationen utgöres av i en, två eller tre dimensioner med tiden varier- ande ljusintensitet och/eller ljuspolarisation och/eller spektralsammansätt- ning. De olika funktionerna kan vara de logiska funktionerna AND, OR och/eller NOT, där avkänning, registrering, omvandling och bearbetning av information i optisk eller elektrisk form är anordnad att utföras av optiska modulatorer, t ex av nämnd typ smektisk C*, dvs vätskekristaller med bistabil funktion i kombination med fotodetektorer, t ex fotoledare.

I svensk patentskrift 8102109-9 (1425 822) är beskriven en anordning för adressering av flata displayer av i huvudsak vätskekristalltyp. Vid anord- ningen enligt patentskriften sker inmatning, utmatning och förflyttning av information i en, två eller tre dimensioner genom utnyttjande av elektro- optiskt återkopplade kretsar, som sinsemellan är optoelektriskt samman- kopplade till elektrooptiska skiftregister. Informationen lagras i minnes- element, som ges en säker bistabilitet genom elektrooptisk återkoppling.

Utökade användningsområden av dessa och liknande elektrooptiskt återkopplade kretsar är angivna i svensk patentansökan 8106174-9, där optoelektroniska bildprocessorer diskuterades. Slicing- och gradientbildningsfunktionerna hos elektrooptiska modulatorer beskrivs här.

I en senare svensk patentskrift 8200123-1 (H29 796) presenteras elektriskt och/eller optiskt klockade skiftregister med bístabila optiska modulatorer.

I förhållande till ovan citerade patentansökningar resp patentskrifter ger detta avsevärt enklare och snabbare funktioner. Denna senare uppfinning bygger på vätskekristaller med inneboende hysteresiseffekter, som på iá ,10 , 20 25 30 gas 3 få 449 667 senare tid experimentellt påvisats (se t ex N.A. Clark och S.T. Lagerwall, "Submicrosecond bistable electro-optic switching in liquid crystals", Applied Physics Letters, vol 36, no 11, sida 899-901; 1 juni 1980). 4 I föreliggande uppfinning presenteras elektrooptiska modulatorer, baserade på bistabila vätskekristaller, som kan utnyttjas för avkänning och regist- rering av information i elektrisk eller optisk form, för omvandling av information från optisk till elektrisk form och/eller vice versa, och för utförande av olika funktioner och bearbetning av den registrerade infor- mationen. Till skillnad frân ovan citerade patentansökningarlpatentskrif- ter kan optiska bilder inläsas både i normal och inverterad form och olika logiska funktioner som t ex AND, OR och NOT kan utföras på den registrerade optiska informationen. Uppfinningen medför även en avsevärt förenklad kon-¿ struktion av elektrooptiska modulatorer genom att polarisatorerna kan pla- ceras på utsidan av modulatorerna, endast.två elektriska ledare behövs till samtliga bildelement och optisk skiftning av informationen kan utföras utan några optoelektriska ihopkopplingar av närliggande bildelement.

Vid uppfinningen består nämnda elektrooptiska modulatorer av ett material med inneboende hysteresis i sambandet mellan modulatorspänning och ljus- transmission. Nämnda modulator befinner sig i samma strålgång från en _ ljuskälla som till modulatorn elektriskt anslutna fotodetektorer, och nämnda modulatorer är på ena sidan försedda med en från övriga modulator- elektroder isolerad elektrod, som bestämmer modulatorns laterala utbred- ning.

Uppfinningen är närmare beskriven i anslutning till bifogade figurer 1-6.

Figur I visar en hystereskurva för en vätskekristall, figur 2 en grundkopp- ling enligt figuren och figur 3 ett kopplingsexempel enligt denna grundkopp- ling; och figur 4 en sammanfogning av flera element. En skiftning av optisk information visas i figur 5, och i figur 6 visas en beräkningsanordning.

I fig 1 visas en typisk hystereskurva för en bistabil vätskekristallcell enligt Clark et al ("Terroelectric liquid crystal eleotro-optics using the surface stabilized structure", Molecule Crystals and Liquid Crystals, vol 9%, sida 213-3U, 1983), där x-axeln utgör modulatorspänningen (VM) och y-axeln ljustransmissionen (T). Vid modulatorspänningen noll har modulatorn två stabila transmissionstillstånd, A och B, där A motsvarar hög ljustransmission och B låg ljustransmission. Om modulatorn befinner sig i tillstånd A, så kan en kort spänníngspuls av amplituden -Vth 10 15 20 25 30 449 667 H ändra transmissionen till B. På motsvarande sätt kan en spänningspuls +Vth föra modulatorn från B till A. Spänningspulser med amplituder större än -Vth och mindre än +V kommer här ej att påverka modulatorns trans- th missionstillstånd.

Fig 2 visar den elektriska grundkopplingen av modulator/bildelementen i den föreliggande uppfinningen; Två spänningskällor 1 och 2 är anslutna till fotoledarna Ha och Ub resp resistanserna 3a och Bb i samtliga modula- torelement, där i fig 2 endast två element är utritade. Fotoledaren Ha och Hb och resistansen Ba och 3b är i sin tur anslutna till den bistabila vätske- kristallcellen Sa och 5b med transmissionskarakteristik enligt fig 1.

Genom ett lämpligt val av spänningspulser V1 och V2 från spänningskällorna 1 och 2 kan olika tillstånd, A eller B, erhållas hos modulatorn, beroende på om fotoledaren 4 är belyst eller ej. Ett antal olika fall kan härvidlag särskiljas genom att låta V vara en positiv puls, en negativ puls eller 1 noll kombinerat med att V2 antingen är en positiv puls, en negativ puls eller noll. Pulsernas amplitud ges optimalvärden med hänsyn till vilka resistansvärden fotoledaren 4 får i belyst (Ron) resp icke belyst (Roff) tillstånd i relation till värdet (Ro) för resistansen 3. Under förutsätt- ningen att R << R och R >> R så erhålles följande fall. on o off o 1) V1 5 Vth, V2 = -Vth; alla belysta element får det höga transmissions- tillståndet A och alla icke belysta element får det låga transmissions- tillståndet B. Detta motsvarar en binär registrering och lagring av den mottagna optiska informationen i modulatorn genom olika transmissíonstill- stånd A och B. 2) V1=Û,V2= missionstillståndet B och de belysta elementen behåller sina tidigare -Vth; alla icke belysta element får det låga trans- tillstånd A eller B. Detta motsvarar den logiska operationen AND mellan den mottagna optiska informationen och den i modulatorn tidigare lagrade informationen. flß' 3) V1'= Vth, V2 = 0; alla belysta element får det höga transmissions- tillståndet A och de icke belysta elementen behåller sina tidigare till- . stånd A eller B. Detta motsvarar den logiska operationen OR mellan den mottagna optiska informationen och den i modulatorn tidigare lagrade in- formationen.

V-f --~_-.-.-._>~-. W _ 20 25 30 .U) V = -V V = V 449 667 1 th, 2 th; alla belysta element får det låga transmissions- tillståndet B och de icke belysta elementen får det höga transmissions- -tillståndet A. Detta motsvarar den logiska operationen NOT på den mottagna optiska informationen genom att transmissionstillstånden blir de inverte- trade jämfört med fall 1). 5) V1 = Û, V2 = belysta elementen behåller sina tidigare tillstånd. Detta motsvarar den Vth; alla icke belysta element får tillstånd A och de logiska operationen NAND mellan den mottagna optiska informationen och den inverterade versionen av den i modulatorn tidigare lagrade informatio- TIEYI . Ö) V1 = -Vth, belysta elementen behåller sina tidigare tillstånd. Detta motsvarar den V2 = O; alla belysta element får tillstånd B och de icke logiska operationen NOR mellan den mottagna optiska informationen och den inverterade versionen av den i modulatorn tidigare lagrade informationen. 7) V = alla modulatorelement får transmissionstillstån- 1 det A.

V V Vth' 2 = th; 8) V1 = -Vth, V2 = Vth; alla element får tillståndet B.

Andra relationer mellan resistansvärdena för fotoledaren H och resistansen 3 medför krav på andra amplituder på spänningspulserna Vi och V2, t ex om i stället för V _ Ron = 0,33RO och Roff = 3Ro så måste amplituden vara 2Vth th Genom att variera amplituden hos spänningspulserna V och V2 och/eller vär- 1 det på resistansen 3, där resistansen 3 också kan utgöra en fotoledare, vars resistans styrs av ljus som inte ingår i den optiska informationen, så kan ljusnivån för triggning av de olika logiska operationerna styras, dvs möjliggör slicing-funktion.

Fig 3 visar hur ett modulatorelement enligt fig 2 kan realiseras då den optiska modulatorn utgöres av en bistabil vätskekristall och den fotokäns- liga delen utgöres av en fotoledare. Fig 3b visar elementet i genomskär- ning vid snittlinjen A-A i fig 3a. Fotoledaren Ä och tunnfilmsresistansen 3 är seriekopplade och anslutna till elektriska ledarna 7 resp 8 i kontakt- punkterna 9 resp 11. Mittpunkten mellan fotoledaren U och resistansen 3 10 15 20 25 30 35 1449 667 är i sin tur ansluten till en transparent elektrod 6 i kontaktpunkten 10.

Elektroden 6 bestämmer den laterala utsträckningen av den optiskt module- rande delen av modulatorelementet. Dessa komponenter är fabricerade på muJer-:snlare av -Jm övre glasplattax: 111 1' Hp; 'il-_ Ile-n :andra gïasphattar» 1? har en transparent elektrod 17 och mellan de båda glasplattorna 12 och 1H befinner sig vätskekristallen 16. I fig 3b visas också två polariserande skikt 13 och 15 på modulatorns utsidor, orienterade på ett lämpligt sätt så att modulatorn har ett lågt och ett högt ljustransmissionstillstånd.

Modulatorelementet enligt fig 2 och 3 kan sammanfogas med andra element till en en- eller tvådimensionell matris, där elektroden 17 kommer att täcka hela den undre glasplattan 12 och vara gemensam för samtliga modula- torelement. På den övre glasplattan 12 kommer det att finnas en elektrod 6, en fotoledare U och en resistans 3 för varje modulatorelement. Mellan elementen kommer det att finnas elektriska ledare 7 och 8, arrangerade i fingerformat mönster utan korsande ledare enligt fig U. Antalet yttre elektriska anslutningar till modulatormatrisen blir endast tre, där spän- ningskällan 1 ansluts till ledaren 7, spänningskällan 2 ansluts till leda- ren 8 och den heltäckande elektroden 17 ansluts till den gemensamma punk- ten mellan spânningskällorna 1 och 2.

Elektrooptiska modulatorer, uppbyggda enligt fig 2, 3 och 4, kan kombine- ras t ex parvis för att åstadkomma flerstegsoperationer, t ex skiftning av den registrerade optiska informationen i godtycklig riktning i modula- torernas plan- En sådan förflyttning beskrives i fig 5, där de elektro- optiska modulatorerna 18 och 19 ses från sidan. Optisk information avbil- das först på modulatorn 19, som erhåller ett transmissionsmönster mot- svarande det infallande ljusets laterala fördelning under aktivering här enligt fall1), beskrivet ovan. I steg två avbildas modulatorns 19 trans- missionsmönster på modulatorn 18 med ett parallellt strålknippe 20 från en ljuskälla, placerad utanför systemets optiska axel 21. Modulatorn 18 aktiveras här enligt fall 1), beskrivet ovan. Därigenom erhålles på modu- latcrn 18 ett likadant transmissionsmönster som på modulatorn 19, fast förskjutet i förhållande till den optiska axeln, exemplifierat med en för- skjutning uppåt i fig 5. I steg tre kan modulatorns 18 tillstånd avbildas med hjälp av ett annat parallellt strålknippe 22 på modulatorn 19. Upp- repade avbildningar enligt ovan medför en stegvis skiftning av den regist- rerade optiska informationen i godtycklig riktning, beroende på det f: 10 15 20 25 449 667 parallella ljusets infallsriktning. Denna funktion kan t ex komma till an- vändning vid elektrisk inläsning/utläsning av bilder på den elektrooptiska modulatorn, då elektriska anslutningar endast behöver göras till en rad av modulator/bildelement i modulatorns periferi, och vid optisk processing tillämpningar där behov av skiftning av bilder för att uppnå maximal korre- lation finnes.

Genom att de olika operationerna AND, OR, NOT, NAND och NOR kan utföras_ mellan information i optisk form med föreliggande uppfinning, så kan även andra logiska operationer byggas upp genom kombinationer av de nämnda lo- giska operationerna. Till exempel vid optisk processing/bildbehandling är det av stor betydelse att snabbt kunna extrahera konturerna av ett avbil- dat objekt, vilket kan göras genom att bilda den logiska funktionen XOR (exclusive-or) mellan den aktuella avbildningen av objektet och en något, i sidled skiftad bild av samma objekt. Exclusive-or-operationen kan t ex skrivas som en kombination av de logiska funktionerna AND, OR och NAND och kan därigenom utföras med nämnda elektrooptiska modulatorer. Således kan en konturextraherande anordning byggas upp enligt fig 5 med två modulatorer.

Denna anordning kan beräkna det avbildade objektets konturer i tre steg, vilket åskådliggöres i fig 6. a) Objektet registreras på modulator 19 under aktiveringen enligt fall 1) ovan, varvid en transmissionsbild 23 erhålles på modulator 19. b) Bilden 23 avbildas på modulator 18, under aktivering av modulator 18 enligt fall 1) ovan, med parallella ljusknippen 20 som får infalla från ljuskällor placerade på samma avstånd från den optiska axeln 21 i form av en cirkel, så att den erhållna transmissionsbilden 2Ä på modulator 18 mot- svarar en skiftning av den ursprungliga bilden 23 i minst åtta riktningar, indikerat med pilarna 25 i fig 6b. c) Objektet avbildas ånyo, men denna gång på modulator 18, under aktive- ring enligt fall 6) ovan, varigenom transmissionsbilden 26 erhålles, och utgör konturerna av den ursprungliga bilden 23.

De i denna beskrivning genomgångna uppkopplingarna av elektrooptiska modu- latorer kan naturligtvis kombineras på ett stort antal sätt för att er- hålla andra funktioner, t ex andra logiska funktioner, displayfunktion,

Claims (10)

449 äs? digitizerfunktion m m genom att t ex använda andra typer av optiska modu- latorer ochjeller andra typer av fotodetektorer. Uppfinningen kan varieras på mångahanda sätt inom ramen för nedanstående patentkrav. PATENTKRAV

1. Optoelektronisk anordning för avkänning, registrering, förflyttning, generering och logisk behandling av optisk information samt för omvandling av optisk information till elektrisk form och vice versa, där fotodetekto- rer, som t ex fotoledare, används för avkänning av den optiska informatio- nen och bistabila vätskekristaller, t ex av typ smektisk Cà, används för generering och behandling av den optiska informationen, där vätskekristal- len är omgiven av två plana, transparenta skivor, försedda med elektrod- mönster,' k ä n n e t e c k n a d därav, att elektrodmönstret definierar modulerbara bildelement (6) anslutna till ledningar (7, 8) via minst en fotoledare (U) och eventuellt ett tunnfilmsmotstånd (3), samt att ledning- arna (7, 8) är anslutna till spänningskällor (1, 2), som är anordnade att avge spänningen 0 och positiva och negativa spänningspulser, varvid foto- ledaren vid belysning eller ej är anordnad att optiskt adressera bildele- menten (6) utan att fördenskull känna av elementets (6) tillstånd.

2. Optoelektronisk anordning enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k - n a d därav, att elektrodmönstret (17) på ena sidan av vätskekristall- skiktet (16) är anordnat att ge en lågohmig elektrisk kontakt till alla bildelementen (6) och att elektrodmönstret på den andra sidan av vätske- kristallen utgöres av öar (6, motsvarande bildelement) och band (7, B, motsvarande ledningar) och att banden (7, 8) är anordnade att bilda ett dubbelt gaffelmönster (fig Hb) för att öarnas (6) anslutning till banden (7, 8) ej skall korsa varandra.

3. Optoelektronisk anordning enligt patentkrav 2, k ä n n e t e c k - n a d' därav, att elektrodmönstret (17) på ena sidan av vätskekristall- skiktet (16) är anslutet till båda spänningskällorna (1, 2) och att ena gaffelmönstret (7) på ena sidan av vätskekristallskiktet (17) är anslutet till ena spänningskällan (1) och det andra gaffelmönstret (8) till den andra spänningskällan (2). :01 449 667

4. H. f Optoelektronisk anordning enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k - n a d därav; att spänningskällorna anordnas att generera olika kombina~ tioner av utspänningstillstånd (V1, V2) för utförande av olika operationer (registrering, lagring, logiska operationer) på den optiska informationen.

5. Optoelektronisk anordning enligt patentkrav U, k ä n n e t e c k - n a d därav, att spänningstillstånden V = positiv puls och V = negativ 1 2 puls ger en binär registrering och lagring av den mottagna 2-dimensionella informationen, att V = 0, V = negativ puls ger en AND-operation mellan 0 1 2 mottagen och lagrad optisk information och V1 = positiv puls och V2 = geren GIK-operation, att V = negativ puls och V = positiv puls ger en invertering av den mottagnaïoptiska informationen? att V1 = O och V2 = = positiv puls ger NAND, att V1 = negativ puls och V2 = 0 ger NOR, att V1 = positiv puls och V2 = positiv puls 1-ställer alla bildelementen och V1 s negativ puls och V2 = negativ puls O-ställer alla bildelementen, där en 1:a motsvarar högt transmissionsvärde relativt en 0:a.

6. Optoelektronisk anordning enligt patentkrav 2, k ä n n e t e c k - n a d därav; att nämnda öar är anslutna till ena gaffelmönstrets band (7) via tunnfilmsfotoledare (Ä) och till andra gaffelmönstrets band (8) via tunnfilmsmotstånd (3).

7. Optoelektronisk anordning enligt patentkrav 6, k ä n n e t e c k - n a d därav, att tunnfilmsmotståndet (3) är utbytt mot en tunnfilmsfoto- ledare och att resistansen hos denna är anordnad att styras selektivt av, en separat ljuskälla eller annan ljusinformation för reglering av trigg- nivån hos bildelementen, varigenom operationerna slicing och korrelering i två dimensioner erhålles.

8. ' Optoelektronisk anordning enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k - n a d därav, att två eller flera modulatorelement (18, 19 enligt fig 5) placeras i ett optiskt system för olika typ av avbildning av modulato- rerna på varandra, varigenom den optiska informationen kan förflyttas, expanderas, komprimeras, gradientbildas etc.

9. Optoelektronisk anordning enligt patentkrav 8, k ä n n e t e c k - n a d därav, att två modulatorelement (18, 19) placeras parvis och att modulatorernas information är anordnad att överföras till varandra genom parallella, mot ytan vinkelräta eller sneda strålknippen eller genom diver- genta eller konvergenta strålknippen. 449 667 10

10. Optoelektronisk anordning enligt patentkrav 8, k ä n n e t e c k - n a d därav, att bildelementen är elektriskt anslutna till ett elektro- niksystem för direkt elektrisk inläsníng av information till modulator- elementen. 'If fr»