Оптическое логическое устройство

(19))4(5) С 02 Р 3/00к:е ".,; .:ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ,ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЦТИЙ н двторСЙОмм свиДЕТЕЛьСтву(71) Минский радиотехнический институт(56) 1. Авторское свидетельство СССРВ 368575, кл. С 02 Р 3/00, 1971,2. Авторское свидетельство СССРпо заявке Р 3451499/25,кл, С 02 Г 3/ОО, 1983 (прототип).(54) (57) ОПТИЧЕСКОЕ ЛОГИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО, содержащее источник монохроматического излучения, коллиматорполяризатор, два информационных магнитооптических транспаранта, два магнитооптических управлявщих элемента, два анализатора и матрицуфотоприемников, о т л и ч а юе ес я тем, что, с целью расширенияфункциональных возможностей, дополнительно введен магнитооптическийуправляюн(ий транспарант, причемпервый информационный магнитооптический транспарант и первый магнитооптический элемент, первый анализатор и магнитооптический управляющийтранспарант расположены последовательно один за другим вдоль оптической оси устройства ме)кду поляризатором и вторым информационнымтранспарантом, за которым располоаены второй магнитооптический элемент,второй анализатор и матрица 4 ютоприемников,10 С помощью анализаторов в оптической части устройства однозначно 50 выделяются элементарные пучки излучения, соответствующие информацион.ным комбинациям "10" , "01" или "00", "11", т,е. выполняются логические операции "Сложение по модулю 55 два" и "Эквивалентность" при соответствующей записи картин с исходной информацией на магнитоодноосных Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в оптических цифровых вычислительных машинах для выполнениялогических операций над большими 5массивами исходных двоичных данных(картинами),Известно логическое устройство,содержащее источник монохроматического излучения, поляризатор, дваинформационных магнитооптическихтранспаранта, расщепитель считывающего луча с двумя анализаторами ифотоприемники излучения, включенныепо дифференциальной схеме. 15Продвигая известными способамидомены в обеих пластинах и производясчитывание информации в момент прохождения доменов через совмещенныеячейки считывания, с помощью Фотоприемников, включенных по дифференциальной схеме, можно выделить по полярности выходного сигнала комбиможно выполнять логические операции 25"И", "ИЛИ-НЕ", "Сложение по модулюдва" над теми битами информации,которые находятся в данный моментв совмещенных ячейках считывания ЦОднако логическое устройство З 0имеет ограниченные функциональныевозможности, связанные с выполнением только трех логических операций,и невысокое быстродействие при выполнении логических операций надбольшими массивами исходных двоичных данных, так как каждый бит информации должен пройти через ячейку считывания,Наиболее близким к изобретениюявляется логическое устройство, содержащее источник монохроматическогоизлучения, коллиматор, поляризатор,два информационных магнитооптическихтранспаранта, два магнитооптическихуправляющих элемента, два анализатора и матрицу фотоприемников,пластинах в виде прямых и обратныхдоменов 21.Недостатком известного логического устройства является ограниченность функциональных возможностей,поскольку в оптической части невозможно точное выделение других информационных комбинаций и выполнениесоответствующих логических операций,Цель изобретения - расширениефункциональных возможностей оптического логического устройства эа счетувеличения числа выполняемых логических операций.Поставленная цель достигаетсятем, что в оптическом логическомустройстве, содержащем источникмонохроматического излучения, коллиматор, поляризатор, два информационных магнитооптических транспаранта, два магнитооптических управляющих элемента, два анализатора иматрицу Фотоприемников, дополнительно введен магнитооптический управляющий транспарант, причем первыйинформационный магнитооптическийтранспарант и первый магнитооптический элемент, первый анализатори магнитооптический управляющийтранспарант расположены последовательно .дин за другим вдоль оптической оси устройства между поляризатором и вторым информационнымтранспарантом, за которым расположены второй магнитооптический элемент,второй анализатор и матрица Фотоприемников,На Фиг. 1 изображена схема оптического логического устройства, нафиг. 2-12 - расположение векторовполяризации и осей пропускания поляризатора и анализатора.Магнитооптический транспарант (МОТ) выполнен на магнитоодноосной пластине из граната или ортоферрита. Массив исходной информации построчно записывается на МОТ в виде прямых и обратных доменов, обладающих противоположно направленными векторами намагниченности, путем пр опускания токовых импульсов через Формирующую схему, которая состоит из двух систем параллельных токовых проводников, изолированных слоем прозрачного диэлектрика. Для получения прямого домена в ячейке, например, нужно подать такой токовый импульс в петли образующей ячейку, чтобы величина связан15 20 25 30 35 40 45 50 ного с ним магнитного поля была бы ниже порогового поля переключения вовсех участках петель, кроме указанной ячейки, где и происходит переключение намагниченности. Для получения обратного домена в этой ячейке необходимо изменить направление тока в проводниках на обратное. Прямые домены благодаря эффекту фарадея поворачивают плоскость поляризации проходящего поляризованного излучения по часовой стрелке на угол, равный + 9 д, где 9 - величина удельного фарадеевского вращения; д - толщина магнитоодноосного материала.Обратные домены поворачивают плоскость поляризации против часовой стрелки на угол, равный - 9 д. Таким образом, сформированную картину из прямых и обратных доменов можно визуализировать с помощью поляризованного света, поскольку изменения положения плоскости поляри зации могут быть преобразованы анали. затором в амплитудные.Оптическое логическое устройство (фиг.1) содержит источник 1 монохроматического излучения, коллиматор 2 поляризатор 3, магнитооптический управляемый транспарант 4 (МОТ), магнитооптический элемент 5, анализатор 6, магнитооптические транспаранты 7 и 8, магнитооптический элемент 9, анализатор 10, матрицу фотоприемников 11.Работа оптического логического устройства заключается в следующем,Выполнение операции Эквивалентность" ("И-И").Один массив с исходной информацией записывается и виде прямых ("1") и обратных ("0") доменов на информационный МОТ 4, второй массив - в виде прямых ("1") и обратных ("0") доменов на информационный МОТ 8. На управляющий МОТ 7 в виде прямых ("1") и обратных ("0") доменов записывается тот же массив, что и на МОТ 4. Излучение, генерируемое источ. ником 1 монохроматического излучения, с помощью коллиматора 2 преобразуется в пучок параллельных лучей (исходный пучок). Пройдя через поляризатор 3 и МОТ 4, исходный пучок света разбивается на И элементарных пучков (И - количество бит в масси-, ве), в каждом из которых плоскость поляризации повернута относительно плоскости поляризации 12 (фиг.2) исходного пучка на угол, величина которого зависит от значения бит в массиве: " 1" соответствует вращение плоскости поляризации на угол + 6 Й, "О" - на угол - 0 й (вектора поляризации "1" и "О" на фиг.2), Магнитооптический элемент 5 выключен и не изменяет положения векторов поляризации " 1", "О". Анализатор 6 уста- новлен таким образом, что его ось пропускания 13 (фиг.2) скрещена с осью 12 пропускания поляризатора 3, поэтому анализатор 6 пропускает элементарные пучки излучения с векторами поляризации 1" и "О". После анализатора 6 вектора поляризации " 1" и "0" совпадают с его осью 13 пропус. кания, но противопопожно направлены (фиг.З), а интенсивность прошедших через анализатор 6 элементарных пучков излучения одинакова согласно закону Малюса.Поскольку на МОТ 7 записан тот же массив, что и на МОТ 4, то вектор поляризации "О" поворачивается на угол - ОЙ, а вектор поляризации "1" - на угол +6 д. Положение некторов поляризации "1", "0" после ИОТ 7 показано на фиг. 4. На МОТ 8 записан другой массив, поэтому в зависимости от значения бит информации этого массива вектор поляризации "0" повер. нется либо на угол - Од, что соответствует прохождению элементарного пучка излучения через "О" (обратный домен) массива (вектор поляризации "ОО" на фиг,5), либо на угол + Вд, что соответствует прохождению элементарного пучка излучения через "1" (прямой домен) массива (вектор 11 поляризации "01" на фиг. 5). Аналогичным образом поворачивается и вектор поляризации (вектора поляризации "1 О" и "11" на фиг. 6).Магнитооптический элемент 9 выключен и не изменяет положения векторов поляризации. Анализатор 1 О установлен так, что его ось 14 нропускания скрещена с осью 13 пропускания анализатора 6. Следовательно, согласно закону Малюса, анализа"тор 10 полностью погашает элементарные пучки излучения с вектором поляризации "01", "10" и пропускает на матрицу фотоприемников 11 злементарные пучки излучения с векто 11 А 920 Зрами поляризации "00", "1". Этосоответствуе, выполнению логическойоперации Эквивалентность няд массинами с исходной информацией,Для выполнения логической операции 1 ИЛИ" необходимо повернуть всевектора поляризации, представленныена Фиг, 5, по часовой стрелке наугол +2 Эс путем включения магнитооптического элемента 9. Тогда вектор поляризации 00" перпендикулярен оси 14 пропускания анализатора10, и анализатор 10 полностью погашает элементарные пучки излучения свектором поляризации н 00 п и пропус -кает на матрицу фотоприемников 11элементарные пучки излучения с векторами поляризации " 11", "01", " 10",что соответствует выполнению логической операцииИЛИДля выполнения логической операции "И-НЕ" магнитооптический элемент 9 включается на угол -2 0 с 1,и все вектора поляризации, представленные на фиг. 5, поворачиваютсяпротив часовой стрелки на угол-2 6 д, Тогда анализатор 10 полностью погашает элементарные пучкиизлучения с вектором поляризации"11" и пропускает на матрицу фотоприемников 11 элементарные пучкиизлучения с векторами поляризации"00", "01", "1 О", что соответствуетвыполнению логической операциинИ НЕнВыполнение логической операции"Сложение по модулю два" ("Неравнозначность, ИЛИ-ИЛИ ),В данком случае на ИОТ 7 зяписы 10 вается тот же массив, что и ня 40 ИОТ 4, но в обратном коде, т.е. пря. мому домену соответствует 0 массива, а обратному домену " 1" массива, поэтому по сравнению с предыдущим случаем (выполнение операции 45 Эквивалентность) изменяется расположение векторов поляризации "0" и " 1" после ИОТ 7, а именно: вектор поляризации 0 поворачивается на угол + В й, я ве.ктор поляризации50на угол - Вс. Расположение векторов поляризации "0", " 1" после МОТ 7 при выполнении данной операции показано на Фиг, 6. После прохождения элементарных пучков излучения 551 Ю через ИОТ 8 вектора поляризации 1 Он поворачиваются также, как и прис и выполнении операции Эквивалентность,Расположение векторов поляризации после ИОТ 8 показано на фиг, 7. Магнитооптический элемент 9 выключен, и анализатор 10 полностью погашает элементарные пучки излучения с векторами поляризации "00", "11" и пропускает на ма грицу фотоприемников 11элементарные пучки излучения с векторами поляризации "10", "01", что соответствует выполнению логической операции "Сложение по модулю два,Для выполнения логической операции 1 Импликация от Х к У магнитооптический элемент 9 включается на угол +2 Ос 1. Анализатор 10 полностью гасит элементарнь.е пучки излучения с вектором поляризации "10" и пропускает на матрицу Фотоприемников 11 элементарные пучки излучения с векторами поляризации "00", "01", "11", что соответствует выполнению операции "Импликация от Х к У,Для выполнения логической операции "Импликация от У к Х" магнитооптический элемент 9 включается на угол -2 гд, Анализатор 10 полностью гасит элементарные пучки излучения с вектором поляризации "01" и пропускает на матрицу Фотоприемников 11 элементарные пучки излучения с вект.; ями поляризации "00", "10", "11", :то соответствует выполнению операции пИмпликация от 1 к Х".Выполнение логической операции 11 рВ этом случае массивы с исходной информацией как и при выполнении предыдущих операций, записаны в прямом коде на ИОТ 4 и МОТ 8, т,е. прямому домену соответствует " 1" массива, я обратному домену - "0" массива, На МОТ 7 записана "единичная" картина, т.е, во всех ячейках транспаранта сформированы прямые домены, Такая запись массивов с исходной инФормацией и "единичной" картины производится и при выполнении всех последующих логический операций.Расположение векторов поляризации после ИОТ ч показано на Фиг. 2, Магнитооптический элемент 5 включен на угол + 8 с и поворачивает вектора поляризации "1" "0" по часовой стрелке на угол + Д й (фиг.8), Анализатор 6 полностью погашает элементарные пучки излучения с векторами поляризации п 0" и пропускает элемен тарные пучки излучения с вектором7поляризации " 1", который после анализатора 6 совпадает с его осью 13 пропускания (фиг.9). После МОТ 7, на котором записана иединичная 1 кар тина, вектор поляризации "1 повар. чивается по часовой стрелке на угол + 9 д (вектор поляризации "1" на фиг. 10), На МОТ 8 записан массив с исходной информацией, поэтому в зависимости от значения бит информации массива вектор поляризации " 1" поворачивается либо на угол + 9 Й (вектор поляризации " 11" на фиг. 11), либо на угол - Вд (вектор поляризации "10" на фиг, 11), Иагнитооптический элемент 9 выключен. Анализатор 10 полностью погашает элементарные пучки излучения с вектором поляризации "10" и пропускает на матрицу фотоприемников 11 элементарные пучки излучения с вектором поляризации " 1", что соответствует выполнению логической операции "И.Для выполнения логической операции "Запрет Х" магнитооптический элемент 9 включается на угол -2 8 й. Анализатор 10 пропускает только эле ментарные пучки излучения с вектором поляризации " 10".Выполнение логической операции "Запрет У".При выполнении этой операции магнитооптический элемент 5 включается на угол - 9 й и анализатор 6 пропускает только элементарнше пучки излучения с вектором поляриза. ции "0". Прохождение элементарных пучков излучения через ИОТ 7 и МОТ 8 аналогично как при выполнении логической операции "И". Расположение векторов поляризации после ИОТ 8 показано на фиг. 12. Магнитооптический элемент 9 выключен и анализатор 10 пропускает только элементарные пучки излучения с вектором поляризации "01", что соответ ствует выполнению логической операции "Запрет У".Для выполнения логической операции "ИЛИ-НЕ" магнитооптический элемент 9 включается на угол -2 8 Й. Анализатор 10 пропускает только эле. 49203ментарные пучки излучения с вектором поляризации 00",Выполнение операции "Отрицание Х 1.Для выполнения этой операциинеобходимо вместо массива с исходнойинформацией записать на МОТ 8 "единичную" картину и выполнить логическую операцию "Сложение по модулю1 О два над массивам с исходной информацией на МОТ 4 и этой "единичной"картиной, поскольку из булевой алгебры известно, что Х Э= Х.Аналогично выполнив логическуюоперацию "Эквивалентность над массивом с исходной информацией наМОТ 4 и "единичной" картиной, получаем результат выполнения логической операции "Повторение Х.Если вместо массива с исходнойинформацией на МОТ 4 записать "единичную" картину и выполнять логические операции 1 Сложение по модулюдва" и "Эквивалентность" иад масси 25 вом с исходной информацией на КОТ 8и "единичной" картиной, то получаемсоответственно результат выполнениялогических операций Отрицание 1и Повторение У,Использование в оптическом логическом устройстве дополнительноймагнитоодноосной пластины с системойтоковых проводников, на которой записывается либо один из массивов с35исходной информацией в прямом илиобратном коде, либо "единичная" картина, позволяет производить настройку устройства на выполнение любойдвухместной логической операции исовершенно однозначно выделять воптической части устройства из всейсовокупности элементарных пучковизлучения только те элементарныепучки, наличие которых на входе45 матрицы фотоприемников определяетвыполнение соответствующей логической операции.Таким образом, оптическое логическое устройство является универсальным и реализует полый набор логических операций для двух переменных, что существенно расширяет егофункциональные воэможности.