采用干涉的幅值-相位变换逻辑 本发明是关于利用波动型能束，包括电磁波、声波和运动粒子的光学计算机和为幅值-相位变换器用的如“与非”、“与”和“或”的基本光学逻辑功能。
本申请人的美国专利NO.5093802包含本发明的主要基础技术。它利用波动型能量的受调制和未受调制输入能束间的干涉。功能以在一条纹组成分离器，例如一掩膜的相长和相消干涉组成区域加以定义，此分离器被用来从至少一成分区域分离能量以得到至少一调幅输出。
该专利提供数个逻辑元件，包括二输入“或”、“异或”、反相器和放大器，全部具有调幅输出。现有技术欠缺的是三个重要逻辑元件，即逻辑“与非”、逻辑“与”、和多输入“或”，连同由这些功能产生有用的输出的装置和方法。
其余现有技术，例如Yang的美国专利NO.5239173为实现“与”功能利用“传感器”和其他非干涉装置，而本发明则采用干涉来完成该过程。Ynag没有提供“与非”或多输入“或”。
本发明包括由调幅输入取得调相或调幅输出的装置和方法。它以恰当地选择单个配置的二进制输入能级来提供“与非”、“与”和“或”功能。
在“与”和“或”方面，它以提供产生具有调幅输入但为调相输出的逻辑部件的装置和方法来克服现有技术中的局限性。以提供调相输出而不是现有技术地调幅输出，就能得到多输入“与”和“或”。这些调相输出可由其他部件作进一步处理。
“与”和“或”的输出相位作180°转换来表明由特定逻辑功能得到的二进制状态。一个相位为“截止”相位，而相反相位为“导通”相位，不管其幅值如何。
这一装置和方法在输出信号中提供表明已执行的逻辑操作的结果的信息，而同时使得其他部件能以去除任何可能损害随后阶段的运行的调制成分来与逻辑阶段接口。
本发明可利用任何类型的产生干涉的波动能量来实现，包括声波、运动粒子波和电磁波。为了说明的一致性和便于理解，将采用光学术语。本发明可应用于采用杨氏型干涉(通常的应用干涉仪式的干涉)和U.S.专利申请NO.081357460中所描述的“特殊干涉”两者。
全息图由多个或多组能束产生干涉图象。因为全息图，特别是计算机生成的全息图是实现本发明的方便途径，本发明的输入是多组象一单个能束那样被一齐作调制的能束。这样做是因为在作全息图时射线，即能束进行组合来产生干涉图象，即条纹。然后多组输入能束即一致地起产生决定输出的各种不同的干涉图象模式。
本发明的基本装置和方法包括下列步骤：
1.提供保持基本恒定能级的具有至少一波长的至少一个能束的一组偏置能束；
2.提供多组输入能束，每一组具有相互间同相位而与该组偏置能束异相的所述至少一波长的至少一能束，此每一组输入能束以二进信息作幅度调制并具有能量和；
3.将能束组进行叠加以便在至少一位置在输入能束组与偏置能束组之间产生干涉；和
4.利用图象组成分离器由至少一位置分离能量以提供至少一调相输出。
因为所有输入能束组均互相为同相位而与偏置能束组异相，输出相位将相对于偏置能束组的幅值地按能量和的幅值来确定。在多个输入能束的能量和大于偏置能束组的幅值时，输出的相位将与偏置能束组的相反。当偏置能束组的幅值大于多个输入能束组的能量和时，输出将与偏置能束组同相位。在发生干涉图象分离的至少一个位置测量全部相位。
如果多个输入能束组中仅有一个被用为调幅输入，则当偏置能束组和比单个输入能束组的幅值不等时输出将是作相位调制的。如果该特定输入能束组以二进信息调制而偏置能束组具有等于输入能束组的幅值的一半的幅值，此调相输出将没有幅值调制成分，而将是完全相位调制的。这是因为在各个二进制状态的输出幅值向量在幅度上相等而相位相反。
为产生具有二进制调幅输入和调相输出的逻辑“与”，此多个输入能束组即作为“与”输入的功能作用。此偏置能束组的基本恒定的能级在当所有“与”输入均为导通(运行)时被设定为一低于“与”输入的能量和的能级，而在当除一个外的“与”输入均导通时被设定为大于“与”输入的能量和的能级。因而，当所有“与”输入均导通时输出将为一个相位，而当一或多个“与”输出截止时为另一个相位。
为产生具有多重的、二进制的、调幅的输入和调相输出的逻辑“或”，多组输入能束起作为“或”输入的作用。偏置能束组的基本恒定能级在当仅一个“或”输入导通时被保持为一低于“或”输入能量和的能级，并大于零。因而，当至少一个“或”输入导通时输出将为一个相位，而当所有的“或”输入均截止时为相反的相位。
图象成分分离器可由任何光学元件或光学元件的组合来构成，包括掩膜和全息图，它们使得在该至少一位置的能量能进入到该至少一输出，但同时阻止来自干涉图象其他部分的能量成为输出的部分。
“与非”功能的产生是依靠仔细均衡输入能级以使得当多个输入能束组全都为导通时，能量和抵消偏置能束而使至少一输出截止在低能级。而当多个输入能束组至少一个截止时，输出成为较高的能级。结果“与非”具有一调幅输出，而“与”和“或”则具有调相输出。
每一逻辑操作需要至少一个能量波长。当提供有多个波长时，就可在一单个装置内产生多重的、同时的、独立运行的逻辑操作。
本发明的基本运行原理在美国专利申请08/357460中讨论，该申请已在上面引用过，本申请是其延续部分。下面重复该申请一被选择的部分，它是作为在关于一阈值检测器的“输入能束求和原理”的讨论。为此，在这一讨论中，上面所说的“偏置”能束组与下面的“阈值控制输入”相同，而上面的“输入”则与下面的“触发器输入”相同。本申请中采用术语“偏置”和“输入”是因为它们较短、更适于和更便于说明本发明。
如申请NO.08/357460中指出的：
此相加(第三)位置以使得可能进行阀值检测的特定方式进行。有两种形式的对此相加位置的输入能束组。第一种形式是“触发器输入”第二种是“阀值控制输入”。此二种型式相位相差180°。在复杂的装置中，这些输入能束的某些具有特定的功用，并被给予特定的名称如“设定”或“复位”输入，而它们提供的能量与一种或另一种型式同相位。
按照叠加原理，被叠加能束的幅值作代数相加。所有触发器能束之和平衡所有阀值控制能束之和。每当所有阀值控制能束之和大于所有触发器能束之和时，此二和的总的代数和即有意义并具有与阀值控制能束同相位的性质。每当所有触发器能束之和较大时该总和则与阀值控制能束不同相。如此二和值相等，总和就是零。
如果任何输入能束不是零或180°，则将得到一组合相位(采用宽带镜片)。但由于输入为一种相位或另一相位，此和亦将仅仅为一个或另一个相位(或者如果它们平衡则截止)。
如果至少一个阀值控制能束被保持在一基本恒定的能级，而触发能束之和的能级由零开始增加，则总和的幅值就将减少，但其相位将维持与阀值控制能束的相同。
来自相加位置的能量被加以分开并被导向至放大器的控制输入，具有在达到后即保持此放大器为截止(非反相输出截止)的相位。因为任一产生这一相同相位的和均在第一位置生成相长干涉，所以对放大器的输入能级没有效果。放大器不受输入能级的作用而维持截止状态。
当触发器输入和等于阀值控制和时，总和为零；结果，放大器输出保持截止。
在触发器和升高到阀值控制和的能级之上时，总的幅值上升。但其相位已转换180°，现在是与触发器和同相位；如果触发器和升高迅速，该总和的相位将不会通过由0°至180°的全部相位，而是相位会由零跳至180°。这突发相位变化原理被用于通过检测这种相位变化来进行阀值检测。一旦对放大器的控制输入达到此新的相位，就在第一位置发生相消干涉，而在非反相输出上出现能量。
只要阀值控制输入保持恒定，就会达到发生这种相位交叉的能级。没有这一相抵消的输入，放大器将对最微小的输入很敏感；其阀值能级为零。但在放大器的前面和外面增加相加位置就能在大于零的某点上建立一阀值。
本发明为采用波动能量，如光或声能建立计算机所必需的技术中提供以下的进展。
本发明提供能利用波动能量完成变换的幅度-相位调制变换器。
本发明也提供利用波动能量的多输入“与”。
本发明也提供利用波动能量的多输入“或”。
本发明还提供利用波动能量的逻辑“与非”功能。
本发明是为提供频率多路化逻辑的装置和方法。
通过对附图、附图说明、实现本发明的最佳方式、和随后的权利要求的审阅对本发明的前述优越性将会更清楚。
对附图的简要说明：
图1表示一基本的幅度-相位逻辑变换器；和
图2为能束级向量和的图形。
请注意，为理解清楚，这里所提供的能束角度、大小和比例被加以夸大。
图1表示三组输入能束。所包含的能束(3)和能束(4)在每一至少一能束中，所以在图中表示每一个的“至少一能束”。能束组(3)和(4)相互同相位并表示欲与偏置能束组(5)均衡的多组输入能束，这也包含至少一个能束。
能束组(3)、(4)和(5)在一图象成分分离器(6)的位置上叠加，此分离器在这一情况下由一掩膜构成。当能束组(3)和(4)的调制使得二者的能量和与偏置能束组(5)不同相位时，在至少一个位置(7)、也是掩膜(6)中(至少一个)开孔的位置发生相消干涉(DI)。
图象成分分离器(6)阻隔不是干涉条纹图象(8)的DI区域的一部分的能量。在此至少一位置(7)的开孔使得来自DI区的能量能通过掩膜来提供至少一输出(9)。
图象成分分离对本发明操作是很重要的。如果一为掩膜或某些其他光学元件的图象成分分离器不由干涉条纹的DI区分离能量，干涉图象(8)的剩余能量就将与位置(7)的能量相混杂，并会破坏本发明由分离干涉条纹图象成分来保持的相位关系。这些相位关系如图2中所示。
本发明的一个重要优点是利用多波长能量的能力，据此可在一单个的实际装置中产生独立的逻辑操作。为提供多个独立逻辑操作，每一欲执行的逻辑操作采用独立的频率(或波长)。输入能束组与具有相同波长的偏置能束组的部分相互作用。依靠每一逻辑操作一个地采用多个波长，而取得频率多路化逻辑。
例如，一具有8个不同波长的逻辑“与” (如上述)能对一整个字节信息同时和并行地产生逻辑操作。事实是，本发明中执行的严格的逻辑运行是一相关的能束能级的功能，一个频率可执行多输入“或”，而另一个执行“与”，和另一个执行某种现有技术基于干涉的功能等。这是因为各逻辑功能的运行仅取决于相同频率的能束关系，而与其他频率无关。
对传统的白色光干涉条纹的仔细观察发现，干涉图象只不过是组成白色光的各单独波长的重叠条纹。各个色彩的组成图象出现在与各色彩被单独应用时它们的相同位置上和同样的组构。这表明，加在每一频率上的信息可被作为分开的信号处理，来在一公共位置产生独立的干涉图象。本发明利用这一效应来产生独立的逻辑操作而无需利用实际分开的装置，只要这些装置能以宽带镜片建立。
为容纳本发明中作频率多路化逻辑所需的许多波长，宽带镜片可被构成为将多波长能束组(偏置和输入双方)排列成能使DI组成区被叠加在图象成分分离器上发生图象成分分离的同一位置上。在适中的宽带设置中，图象重叠足够小以致在本发明结合相当大的带宽中无需特殊的光学设置(超过产生一基本实施方案所需的)。但在部件大小缩小时，图象大小减小而将需要更精确的图象组成分离器，和能束组合镜片，特别是在这些大小接近波长大小时。
本发明的非常宽的频带的设置可能需要特别设计的镜片来处理一组中等带宽的设置，以使得在采用多个分离位置时所有的图象均将与能束组合镜片恰当地对准。
不管本发明的特定实施方案被设计来作单个波长还是许多波长的运行，基本操作均是相同的。
图2表示应用本发明中被用于提供逻辑操作的各种不同输入状态的五个图形。对照图1和图2，图形(A)表示偏置能束组(5)向量(10)。输入能束组(3)和(4)截止，所以输出(9)具有与偏置能束组(5)相同的由向量(11)表示的幅值和相位。在位置(7)或输出(9)计量相位，它是距位置(7)的整数倍波长。
图形(B)表示当输入能束之一以向量(12)所示幅值(它小于由偏置能束组(5)的向量(10)所示的幅值)进入运行时所发生的情况。向量(12)的相位与偏置能束组(5)的相位相差180°，如由相对于向量(10)的向量(12)的反方向所指明的。
输入能束组(3)和偏置能束组(5)的代数和以向量(13)表示。当幅值由以向量(10)所示的下降时，本发明中所采用的重要原则是向量(13)的相位(方向)仍然与向量(10)的相位相同。
图形(C)与(B)相同，除开如向量(14)所示输入能束组(4)也成为运行并与向量(12)同相位。在这种情况下，向量(12)和(14)的代数和等于偏置能束组向量(10)，但为其相位相反。输出(9)如向量(15)所示为零。
这一设置产生具有调幅输出的逻辑“与非”，因为输入能束组(3)和(4)在输出(9)截止前必定在运行中。应指出的是，本发明的每一实施例均可能在输出中具有调幅成分。这是可行的，因为本发明被作成连同其他装置应用或者可以去除调幅成分或者不会受其负向影响。
图形(D)表示当其被用来产生具有调相输出的逻辑“与”时本发明中输出相位的变化。在这一情况下，二输入能束组(3)和(4)具有如向量(16)和(17)所示幅值，它们各自均大于如向量(10)所示的偏置能束组(5)的幅值的一半。幅值的代数能量和产生如向量(18)所示的输出(9)的幅值。对比(A)、(B)和(D)可看出向量(18)的相位与向量(11)或(13)的相位相反。这种相位变化提供仅在二输入能束组(3)和(4)均在运行中时才发生的调相输出信号。因此，本发明提供的逻辑“与”，借助它调幅的多个输入能束只有在满足“与”逻辑条件时才在输出中产生相位变化。当所有输入能束组均在运行中时将偏置能束组设定到一小于全部输入能束组的能量和的能级，和当输入能束组之一截止而其余在运行中时将其设定到大于输入能束组的能量和的能级时就会发生这种情况。
图形(E)表示本发明如何能被用作为一具有相位变化输出的多输入“或”。在这种情况中，偏置能束组(5)的基本恒定能级为向量(21)故在当仅仅一个输入能束组在运行其余均截止时它小于输入能束组(3)或(4)的能量和。当二输入能束(3)和(4)均截止时输出相位与(A)中的相同。但当任一组输入能束进入运行，如(E)中向量(19)所示，则输出相位作如向量(20)所示变换。
在此，当输入能束的任一个在运行中时即发生相位变化，这产生一带有相位变化输出的逻辑“或”。在上述任一实施方案中，均可设置大量的输入能束组，而借助对偏置能束组作相应调整，此设置就能起作为一多输入“或”，或一多输入“与”，二者的组合，或一多输入“与非”的功能作用。
图形(E)还表示一单个输入能束组被用来由调幅输入产生调相输出的情况。当输入能束为二进制时，将偏置能束组(21)的基本恒定能级设定为输入能束组(在运行中)的幅值的一半，调相输出在各相位将具有相等的幅值。换句话说，输出将是作相位调制的，但在输出波形中将不会有调幅成分。当输入能束组非二进制时，则可由设定偏置能束组(21)的基本恒定能级来设定相位交叉点。
尽管前述本发明优选实施方案的说明揭示了实现本发明的特定结构、装置、和方法，但因为对计算机和光学装置等技术领域熟悉的人士来说作特定的改善和修改将是显而易见的，申请人并不是期图以前述任何说明来加以限定，而是仅以随后的权利要求来确定发明领域。