模式识别计算及其产生方法 本发明涉及模式识别计算及基于干涉的光学计算机。背景技术
本发明的主要背景技术为本申请人的讲述基于干涉的计算的基础的美国专利号5,093,802。在该专利中，将计算机生成(合成)的全息图描述为产生所要求的计算机功能地方法。虽然进程将采用非光子能量形式操作，但采用基于干涉的计算的器件已被称为“光子晶体管”。
在1994年2月号计算机应用学报上登出了本申请人的一篇论文，它说明当全息图作用在双输入光子晶体管上时它们的传统计算机生成的基础。
本发明利用了以前关于基于干涉的计算的信息中所没有的若干基本过程。其中包括：
1、模式识别图象(条纹)分量分离器的计算机生成。
2、多个信息调制的输入模式的同时识别。
3、来自动态图象的复杂模式组合的分离。
4、采用模式识别产生计算机逻辑。
5、在模式识别中使用特殊干涉(来自申请08/357,460)。
6、在模式识别中同时逻辑函数的频分多路复用的使用(来自申请08/357,460与08/454,070)。
7、超过构成普通的计算机生成的全息图的单个象素的简单不透明、透明或相位调整能力的光学元件的全操作范围的阵列的利用。
模式识别的非计算应用通常在实验室中由照相与全息技术产生。虽然这些方法对于从打字页中拣出字母表中的静态字母工作得很好，但它们不适用于功能活跃的逻辑、数字计算或信号处理。
在数字计算中使用模式识别至少需要独立地用模式照明能量调制的两种不同模式来构成一个基本逻辑器件。来自两个模式的能量必须加以组合来构成随逻辑动作的进行连续地变化的动态图象。此外，为了从输出中消除不能以与构成的特定器件的逻辑规则和谐的方式对输出起作用的来自动态图象的分量部分的任何能量，必须有一个图象分量分离器。本发明通过提供这些必要的事物超越以前的方法。
按照本发明的教导，人们只须简单地猜想哪些模式可能工作得好便能制造一些基本逻辑器件，然后通过反复试验生产有效的逻辑器件。然而，为了优化输出信号能级与波形，需要一种方法来准确确定哪些模式图形工作得最好，尤其是在器件使用多个输入及执行复杂的计算函数时。
本发明还教导应用在基本干涉的计算的计算模式识别波前、光学器件与系统的方法，以及优化输入模式以从给定的输入调制序列提供优化的输出波形的方法。发明的公开
本发明为执行模式识别计算、计算机逻辑、信号处理及相关功能的方法，它也包括计算用来实现本发明的计算机生成的光学器件的方法。
采用波类型能量的多信息调制输入模式产生模式识别计算的基本方法包括下述步骤：
a)产生具有以导致第一组调制状态的量化信息调制的第一模式的所述至少一种波长的第一输入波；
b)产生具有从导致至少另一组调制状态的量化信息调制的至少另一种模式的至少一种波长的至少一另一种输入波前；
c)组合所述第一与至少另一种波前以生成具有分量部分的至少一种动态图象；以及
d)分离来自与所述量化信息具有计算函数关系的所述分量部分的子集中的能量，以生成至少一个输出，
借此提供模式识别计算的方法。
任何能产生所要求的波前组合的波类型能量(包含声波、运动粒子波及电磁能量)都能在本发明中使用。然而，为了提供清楚的理解，在本公开中将使用光学术语。
具有一“组调制状态”中的“量化信息”的波为在类似用来仿真电子学中的模拟信号的阶梯法的离散能级上调幅与/或调相的波。不只是阶梯的一级，而是量化的信息能存在在任何预定义的能级上。名词“数字”也能应用。但是，“数字”通常意味着“进二制”，而在本发明中，可以利用大大超过只是两种能级来构成调制状态集合。
在本发明中量化输入信号具有类似于将电子信号数字化成二进制代码的效果。因为在噪声变化中并不损失正在传输的信息，而能降低或消除噪声的效果。同样，用来调制输入的信息量化降低对噪声变化的敏感度。量化输入信息为各独立调制的输入生成一组调制状态。输入状态的各离散组合产生具有构成动态图象的图象组的一部分的本身的能量分布的离散干涉图象。
在微观尺度上，从一个离散输入能级到另一个的最小能量差以及其非光子波的等值物为通常描述电磁波的一个量子。的确，本发明的精密构造的器件能区分这样精密划分的能级。然而，这里名词“量化”的应用并不仅限于单个量子增量，而是同样包含多量子能级差。
当本发明的器件用模拟调制信号操作时，输入从一个离散能级减弱到下一能级，而这产生从一个离散输出组合到下一个的减弱。这一过程在工作器件中通常非常有用，但在生产器件时则较骓以计算。结果，输入信息的量化允许本发明的计算方法优化模式与光学器件，以便在能仿真模拟波形的离散输入的范围上提供优化的输出波形。即使分辨率必须计算到量子级，本发明现在也能完成这一优化。物理定律并不允许在任何情况中以任何更精密的分辨率传输模拟信息。
上述步骤a)与b)提供多个模式输入，照明及调制各模式来提供一组输入调制状态。当输入波前在步骤c)中组合时，各调制状态的组合将产生不同的干涉图象。从输入调制状态的各种组合得出的所有干涉图象的集合(包含具有一致的能量分布而不出现可见的干涉迹象的图象)便是动态图象。它是“动态”图象，因为随着输入的调制它从一个特定的干涉图象变化到另一个。从而，随着计算从一个输入进行到下一个，动态图象从一个干涉图象改变到下一个。好象电影中的帧，各帧为不同的图象，但它们一起构成完整的电影。
步骤(d)为从复杂的动态图象抽取逻辑或计算结果。动态图象所占据的整个区域被组合波前时出现的相长与相消干涉分成分量部分。这些分量部分的尺寸是由输入模式的形状及用来组合输入波前的光学器件确定的。为了便于计算与描述，可将动态图象区分成小得多的部分，使得各分量部分由一个或多个象素构成。然而，即使一个特定的分量部分只有一个象素大小，使模式识别计算能够工作的是分量部分中的变化中的能级。
随着输入信息的改变，动态图象中的能量分布也改变。结果，各分量部分并从而各象素改变能级(相位与幅度)。单个地看来，随着输入在状态之间变化，各象素将在时间上产生特定的波形，并可用作输出。
随着任何特定的输入调制状态序列的进行，从动态图象内的许多象素位置可得到大量各式各样的波形。为了设计特定的逻辑或其它信号处理器件(即执行计算机功能的器件)，选择产生与所想要的计算机功能对应的输出波形的一个或多个象素。
如果选择一个以上象素，首先从动态图象分离来自该多个象素的能量，然后组合在一起来提供想要的波形输出。当若干象素或分量部分产生相同或几乎相同的波形时，它们便构成图象分量的子集。当分离来自这一子集的能量而成为输出时，其作为输出的公共特征波形具有较高的幅度。当将子集选择为按照某种计算函数的规则产生与输入波形相关的波形时，本发明通过模式识别执行计算机逻辑。输入状态的各种组合连同得出的输出状态，定义所执行的计算操作。
结果，输入的随时间变化通过顺序的模式识别产生信号处理的波形。主要是将多条串行信息线提供给输入。这一信息是在三个重要的步骤中处理的。各串行线上附加有一个模式。并行地将能量从而其所携带的信息组合进动态图象中。由于产生动态图象的物理定律及由于第三步骤(从动态图象内的选择的象素位置的能量分离以产生串行输出)，而出现并行的信号处理，并从而信息处理。从而并行处理的多条串行输入线产生一条或多条出去的串行线。
引入模式到过程中是对先有技术的实质性改进，首先因为它能产生具有比用普通的干涉产生法所产生的多得多的各式各样的象素波形的动态图象。第二，因为这些模式是进行计算的装置的一部分而不是作为输入信息的一部分进入的，可使图象分量分离器符合特定的干涉图象集合；即在模式生成的动态图象中出现的特定能量分布。第三，所使用的输入模式能在设计过程中改变，从而能通过计算找到最高效的协调光学器件组。第四，模式、将模式附加在输入上的光学器件、动态图象及图象分量分离器都协调一致地作为调谐成执行其计算功能的高效单元进行工作。
至于因为它们与特定的计算函数的波形匹配而选择的象素子集，则为产生互补的波形的其它子集，它们具有相同的幅度变化但可具有相位变化，或者反之。当在图象分量分离器内的适当位置上引入象素大小的或分量部分大小的光学元件时，可组合一个或多个这些互补的波形来提供更强的或修正的输出波形。多个互补子集也能组合成多个输出。来自多个子集的能量的这一次级组合的最后结果为从输入状态的一个给定的组生成大量的各式各样的可能输出波形。这使得本发明更为通用。
虽然在传统的全息图中简单的透明、不透明与相变元件无疑是重要的元件，现代光学技术还允许在各图象分量分离器上使用宽广得多的各式各样光学元件。本发明还能在构成图象分量分离器的光学元件阵列中使用透镜、反射镜、滤色镜或任何其它元件。事实上这些光学元件阵列也能用在模式输入的位置上，以便为特定的任务更好地裁剪整个光学配置。
本发明具有同时执行许多复杂的逻辑运算的能力。其中包括诸如地址解码、乘、除、加、减运算及相当大量的其它计算操作。运算类似于表查找功能。
各输入组合为地址的形式。各地址产生作为动态图象的一部分的特定干涉图象。图象分量分离器是通过选择分离成产生这时表示在所选择的地址上找到的信息的一个或多个输出的分量子集而构成的。如同输入“地扯”表示要计算的数据，输出表示已在图象分量分离器中“查找到”的计算结果。
在另一个配置中，为给定的输入组，能生成若干输出，各有其自己的输出波形。如果使用8个这种输出，表查找操作产生一个输出字节。同样，能使用任何数目的输出来构成任何希望长度的并行字、图象或任何其它形式的并行能量携带的信息。如果输出组构成一个象素图象，可用本发明来用表查找一系列图象。
结果，本发明对于作为只读存储器存储信息非常有用，能将信息计算到包含图象分量分离器及输入模式组的协调的光学器件中，而不是写入CD ROM主盘上。
下一步为制造能象电子计算机中的芯片、可拆卸的CD ROM或光学“硬驱动器”那样在计算系统中卸下或更换的组装在模块单元中的协调的光学器件。在下面说明计算机生成与包含的光学器件的优化过程的讨论中，组装整个协调光学器件集合而不只是单一图象分量分离器或模式组的理由将更为清楚。能将照明输入模式的输入信号及生成的输出信号容易地标准化，而输入模式组与图象分量分离器则是将它们作为一个集体计算与修正所得出的个体。
可以在上面陈述的基本方法上增加下述修正步骤而达到频分多路复用操作：
所述至少一个波长包含多个波长，各所述多个波长是用具有独立的所述计算关系的量化信息独立调制的，
借此提供频分多路传输的模式识别计算的方法。
在动态图象内能存在不同频率的干涉图象而在它们之间无交扰。本发明利用这一物理性质，以便允许使用单一的协调光学器组同时与并行执行多个计算操作。进一步的信息提供在美国专利申请08/357,460与08/454,070的下面的引文中。
通过进一步修正基本方法如下，能生成包含幅度与相位变化的波形的输出：
当在激励所述模式集合的不同集合时，所述分量部分的所述子集具有相位变化的能量时，从所述分量部分的所述子集中分离相位变化的能量，
借此提供具有调相的能量的所述至少一个输出。
用量化的信息调相一个或多个输入，生成一个不同的动态图象，正如调幅或调频那样。具有一个不同的动态图象要求一个不同的图象分量分离器来生成相同的波形输出。然而，不论为输入选择什么类型的调制，大多数动态图象会具有包含相位变化的分量部分。这些区也能用来生成具有相位变化的输出。
在上述基本方法的又一修正中，能生成使用特殊干涉的输出，下面在来自美国专利申请08/357,460的引文中更详细地讨论。修正的步骤为：
在激励所述模式集合的不同集合时，从所述分量部分的所述子集中分离按照特殊干涉的原则变化的能量，
借此提供使用特殊干涉的模式识别计算方法。
当使用非光能形式时，则来自调制的模式的信号生成适合于正在使用的能量的装置分离的动态组合。例如，如果输入为电子模式，很明显“光学元件”不能用来从动态组合中分离出输出信号。如果这些模式是在自由空间或某一其它介质中组合的，则利用电与磁场来完成所要求的操作。同样，声学模式需要声学装置从动态组合分离能量。同样，协调的光学器件变成协调的模式组合装置与动态组合分离装置。因此，旨在将这些非光学方法包含在本发明中，即使本公开的主体采用光学术语，如上所述。
通常，不论是利用光学还是非光学方法，模式识别计算是通过动态识别调制的模式完成的。因此，动态模式识别计算机包括：
能输入第一调制模式的第一输入端；
用于输入至少一种其它调制模式的至少一个其它输入端；
至少一个输出装置；
组合装置，用于组合所述第一与至少一种其它调制模式而在所述至少一个输出装置上提供输出信号，使得所述第一与至少一种其它调制模式的各调制组合得出离散输出；
借此提供动态模式识别计算机。协调的光学器件的计算
四种基本事物影响能量在动态图象内的分布。它们是输入模式的形状与/或组织、输入模式的调制状态、用来组合波前以构成动态图象的光学器件以及用来形成输出的分离器光学器件。为了产生工作优化的实施例，本发明提供能计算动态图象的复杂性及产生包含在特定实施例中的协调的光学器件的特殊计算方法。
例如，某一实施例可具有三种输入，一种带有正方形形状的模式，一种圆形形状，及一种星形形状。当接通星形模式而断开其它两种时，单一的干涉图象将出现在动态图象位置上。当园形与正方形模式接通而星形断开时，在动态图象的位置上将出现不同的干涉图象。
可将动态图象分成象素，从而在接通星形模式时将激励一组象素而在接通园形与正方形两者时激励另一组。其中，一个子集只有在园形与正方形接通时才激励，而在接通星形的任何时间则不激励。
如果图象分量分离器是由透明或不透明象素的阵列构成的，可用一个象素子集来传递能量到输出中，而来自其它象素的能量是被封锁的。只将来自接通园形与正方形但断开星形时接通的象素的能量分离，便产生解码逻辑功能，使得只有在对园形与正方形的输入接通面对星形的输入断开时，输出是接通的。这种象素大小的分量区的子集能够选择，以便为任何输入调制组合生成输出。
但星形一定是星形吗？也许它的形状象字母q或象驼鹿头。这些模式很少产生优化的计算波形。确定必须如何组织协调的光学器件中的第一过程是为输入调制状态的每一种组合计算动态图象内的能量分布。
计算动态图象内单个干涉图象的方法包括下述步骤：
a)生成描述具有用生成第一组调制状态的量化信息调制的第一模式的第一输入波前的第一输入模型；
b)生成描述具有用生成至少另一组调制状态的量化信息调制的至少另一模式的至少另一输入波前的至少另一输入模型，及
c)通过计算在所述调制状态组的组合的所述动态图象的位置上组合所述第一输入波前与所述至少另一波前得出的能量分布，生成描述至少一个动态图象的图象分量的动态图象模型，
借此生成从组合来自多个调制的输入模式的能量得出的所述动态图象内的能量分布的数学模型。
生成的各器件的若干处上的能量分布是作为模型计算的。即计算这些点上的能量的数学描述。这些描述能包含幅度与相位矢量的阵列，或任何能用于后面的计算的任何其它适当的数学描述。
在上述a)与b)中，模型具有来自照明的模式的波前。各模型不仅包含波前的象素模式，还包含从量化的信息得出的量化调制状态。这一信息用来为用在最后的器件中的每一量化状态描述调制的输入象素模式。
应指出，每次使用本方法时并不需要计算所有可能的输入组合。可利用经验、过去的计算记录、及将输入状态组合的数目只限制在正在设计的器件的最终应用实际需要的那些组合上，来降低本发明的方法内的计算负担。
步骤c)为产生分成象素的动态图象的模型。这一模型为所有输入的输入调制状态的每一种需要的组合包含动态图象中每一象素上的波前的计算的描述。清楚地，只带少量的调制状态的极少数输入需要可观的计算量。不久以前，诸如本发明这样的发明会是不可能地难于产生的。然而具有了今天的高速计算机并引入了第一台全光学计算机，这种极大的数目压力过程已成为可以工作的。当然，许多计算包含可观的冗余，可用来帮助降低工作负担。
物理定律提供波前分析的若干数字方法。其中包括幅度与相位矢量的求和、付里叶分析及若干其它方法。可与本发明一起使用能提供模型所需的信息的任何适当的数学算法。
一旦得到了动态图象的描述，以下的步骤为：
d)从所述动态图象模型中选择能有助于生成与所述调制状态具有计算函数关系的输出波形的图象分量子集，
借此生成描述能用来生成所述模式识别计算的所述动态图象内的能量分布的数学模型。
这一步骤实际上是通过动态图象模型的搜索，来找出带有能用来对按照正在构造的器件的操作规则与特定输入状态协调的至少一种组合输出产生作用的波形或互补波形的象素。这便是，如果器件为“与”电路，则从动态图象中选择能对表现为“与”的输出产生影响的象素，及对于正在制造的任何器件依此类推。
在达到了计算动态图象内的能量分布及确定动态图象的哪些部分能用来生成所需要的输出的方法之后，下一个操作便是将这一方法加入用于生成既包含图象分量分离器又包含操作它的输入模式集合的协调的光学器件组的方法。
确定如何建立分离器的下一步骤为：
e)生成描述用于从所述图象分量子集分离能量来生成至少一个输出的光学元件阵列的分离器模型，
借此生成已与从所述多个调制的输入模式生成的所述动态图象协调的模式识别光学器件的数学模型。
一旦生成了与通过动态图象的输入模式协调的分离器模型，下一步包含，因为利用分离器阵列中的光学元件来修正来自互补子集的能量而使它们能对公共输出波形产生作用，而产生能利用互补子集生成公共输出的分离器的模型。步骤e)的“图象分量子集”包含所有有作用的分量，及光学元件的模型描述包含有关使互补波形对最终输出产生正面作用所需的单个光学元件的信息。
生成了所有这些模型之后，现在我们有了工作器件的描述，但器件不一定是优化的。
改变输入模式的形状改变能量在动态图象内的分布。结果，能够选择在动态图象内产生更有助于生成某些类型的输出的能量分布的特殊模式。通过改变输入模式，然后将它们与图象分离光学器件协调，便能产生优化的器件。为了产生优化的光学器件组，本发明的方法中的下面两步为：
f)改变下面的至少一个：(i)所述第一输入模型中的所述第一模式描述，及(ii)所述至少另一输入模型中的所述至少另一模式描述；以及
g)重复步骤c)至f)直到达到基本上优化的模式识别配置为止，
借此生成用于完成所述模式识别计算的优化的所述光学器件的阵列的描述。
在至少一个输入模式中进行增量变化，将为各输入模式的各光学器件组生成不同的协调的光学器件组。在各逐次的重复中，将新的光学器件组与前面的光学器件组比较。若干次重复之后，这一过程将产生一个基本上优化的协调的光学器件组，该光学器件组与它们匹配的光学器件一起使用时，与其它模式与光学器件配置相比，具有提供改进的性能的一组输入模式。
本方法的下面的改进是为各输入包含一个独特的输入光学元件阵列。量化的信息调制的输入通过输入光学元件阵列既将模式施加在输入能量上，又产生能优化成更高效的配置的特殊化的输入波前。
利用光学元件的输入阵列产生供在模式识别计算中使用的动态图象的数学模型的方法因此包括下述步骤：
a)生成第一输入模型，描述(i)用生成第一组调制状态的量化信息调制的第一输入波前，及(ii)用于将第一模式施加在所述第一输入波前上的第一输入光学元件的第一阵列；
b)生成至少另一输入模型，描述(i)用产生至少另一组调制状态的量化信息波前调制的至少另一输入，及(ii)用于将至少另一模式施加在所述至少另一输入波前上的至少另一输入光学元件阵列，以及
c)通过为从被所述第一输入光学元件阵列修正过的所述第一输入波前与被所述至少另一输入光学元件阵列修正过的所述至少另一波前的组合中得出的所述调制状态组的组合，计算在所述动态图象的位置上的能量分布，而生成描述至少一个动态图象的图象分量的动态图象模型，
借此生成从来自多个调制的模式的组合能量得出的所述动态图象内的能量分布的数学模型；
d)从所述动态图象模型中选择有助于生成与所述调制状态具有计算函数关系的输出波形的图象分量子集，
借此生成能用来生成所述模式识别计算的所述动态图象内的能量分布的数学模型；
e)生成描述用于从所述图象分量子集分离能量以生成至少一个输出的输出光学元件阵列的分离器模型，
借此生成已互相协调且与从所述多个调制模式生成的所述动态图象协调的模式识别光学器件的数学模型；
f)改变以下至少一个：(i)所述第一输入模型内的所述第一输入光学器件阵列，及(ii)所述至少另一输入模型内的所述至少另一输入光学器件阵列；以及
g)重复步骤c)至f)直到达到基本上优化的模式识别配置为止，
借此生成基本上优化的所述模式识别光学器件的描述。
在每次重复上，可检验输出波形的质量来判定最近的模式改变是否有助于生成更佳的器件。选择新模式的过程可以是自动化的，诸如通过增加或删除模式象素，或通过人的干预与直觉，或通过一些其它方法，包括试验所有的模式并选择最佳的一个。
用这些方法，可以生成优化的与实用的广阔的各式各样的逻辑、信号处理及其它计算机功能。这些功能中包括基于特殊干涉的所有功能、频分多路复用逻辑、及使用任何波类型能量形式的任何其它基于干涉的计算功能。来自优先权申请的信息
某些动态图象分量部分的子集生成服从特殊干涉的原则的波形。
以下来自美国申请号08/357,460的引文说明用在本发明中的特殊干涉的原则(缩略语：di＝相消干涉，ci＝相长干涉)。(从第2页第4行起)
“每当装置的几何图形使得来自多束的能量在第一位置上导致相消干涉时，便生成这些特殊干涉现象，第一位置为接通任何一个输入束本身时出现来自输入束的能量处。由于能量守恒定律要求束中的能量不被相消干涉消灭，当接通不同相束时，能量一定出现在其它任何地方。取决于束叠加的几何图形，能量将被反射或转变方向到邻近第一位置的位置上，或它们之间成一定角度。重要的结果是来自多束的能量真正从出现相消干涉的第一位置转变方向开去，并到达出现相长干涉的第二位置，该位置在没有干涉中出现至少一个输入束的区域外侧。
在最基本的实例中，只有两个输入束，两种特殊干涉是清楚的。当任何一束独自接通时没有输入束提供能量到第二位置。当两个输入束都接通时，干涉导致来自两个束的能量都出现在第二位置上。
以第二种特殊干涉，在单独接通时，第一输入束不提供能量到第二位置。当第二输入束进入接通时，干涉导致来自两个输入束的能量都出现在第二位置上。然而，当独自接通第二束时，来自它的能量的确出现在第二位置上。
本发明的某些实施例与应用能够使用两种干涉中任何一种。然而，有些事物需要一种或另一种，但不能在两种类型上工作；诸如逻辑“与”，下面讨论。
任何一种特殊干涉中的单个的束实际上在发生干涉的位置上生成图象，即使这些图象只是单个的点。然后这些图象互相干涉。
在复杂图象中，一个或多个输入束能生成与上述简单实例对应的图象分量区。输入为构成图象的多个输入束的子集。在只接通一个束组时，并作为结果其图象是接通的，能量模式用能量的存在定义一组“第一”位置。当接通至少两个子集时，在两个图象之间出现干涉，而来自两个图象的能量都被相消干涉从第一位置上消除。然后由于相长干涉而能量出现在第二位置上。第二位置在第一位置所在的区域的外侧。
全息图，特别是但不只是计算机生成的全息图，象其它图形一样，是由单个象素构成的。从各象素出来一组最终组合产生波前重构的全息图象的射线。结果，图象上的各点是由来自全息图的一组射线生成的。这些射线构成一组束。当整组束一齐调制时，使生成图象，并且还调制了出现在它与其它图象之间的复杂干涉。由所有输入束的子集构成的这些图象之间的干涉也能用来产生本发明所使用的特殊干涉现象。
这些特殊干涉现象与先有技术中使用的杨氏(Young)条纹之间的重要区别在于来自至少一个输入束集合的、出现在第二位置上的输入束集合只在发生干涉时出现，而在没有干涉时并不出现在该位置上。反之，杨氏条纹中使用的输入束，在任何这些束独自接通时，没有干涉时也出现在该第二位置上。
这些特殊现象本质上是相似的，在于出现在第二位置上的能量的量是与两个输入束或图象中的能量的量成正比例的。出现在第二位置上的能量已从第一位置转变方向。
如果一个输入保持不变，并增加第二输入，来自第一输入的提供给第二位置的能量的量在第二输入中增加更多能量不能导致来自第一输入的更多能量出现在第二位置上时达到极限。
通过使用离散级来调制输入束可在数字能量电路中利用这一现象来建立在它们的分量部分中具有离散的能量的量的干涉图象的离散状态。(从第49页12行起)
“38.基本操作原理。
申请人从理论上得出的结论，利用在其它干涉现象中的幅度法的标准矢量和的修正，能够计算出采用第一种特殊干涉的，在纯相长干涉位置上的能量幅度与强度。
已从余弦定律及只考虑两条进入的射线出发，推导出用于强度的基本公式。
该公式为：
A＝第一束的幅度
B＝第二束的幅度
θ＝两束之间的相位差
强度＝I＝A2+B2+2ABcosθ
总幅度Tci＝I的平方根，正如A2＝幅度A的强度一样。
在相长干涉(ci)区中心，θ＝0且cosθ＝+1。在相消干涉(di)区中心，θ＝180度，且cosθ＝-1。结果，在这两个位置上的两个幅度的矢量和也是幅度的代数和。
在ci区中两条射线是同相的，因此和具有相同的相位。因此ci强度公式为，
Ici＝A2+B2+2AB＝(A+B)2在di区中：
在di区中两条射线是异相的，因此矢量和为在两个中最大者的相位上所取的两个幅度之差。强度的di公式成为：
Idi＝A2+B2-2AB＝(A-B)2
这两个条件也能看成是三条不同射线的矢量和，它们标记为B1、B2与U。在di区中，B＝-B1＝B2，从而U为A与B之间的差，而A＝B+U。
当A独自接通时，位置1上的幅度为B1与U的矢量和。强度为(B1+U)2。
当接通B2时，它与前两条射线组合。由于它与B1及U相位相差180度，总幅度及强度如式1中所示。式1，所有干涉类型的di位置：T1＝Tdi＝B1+U-B2＝UI1＝Idi＝(B1+U-B2)2＝U2同时，通过代入得出：
T1＝Tdi＝B1+U-B2＝U
I1＝Idi＝(B1+U-B2)2＝U2
also，by substitution we get：
I1＝Idi＝A2+B2-2AB ＝(B+U)2+B2-2B(B+U)
＝B2+2BU+U2+B2-2B2-2BU
＝U2
这正是所期望的因为幅度代数相加而强度则为幅度的平方。
这表示小于第一束的不同相束的相加，使能量具有等于两者之差的幅度。如果将其看成三束之和，它们中的两个的幅度相等但符号相反，第三束等于所有三束相加后剩余在这一位置上的能量的幅度。
干涉过程重新分配条纹图象中的能量。从di区中消失的等量能量出现在ci区中。如上所示，当两个不等的束相消干涉时，不是将di区中的所有能量重新定位到ci区中。余数正好等于两个不等的束之间的差。这一余数并未重新定位；它继续到达di位置上。结果，这一剩余能量便能称作“未转变方向的”能量，因为它并未被干涉转变方向到ci区中。
结果，便能将明显地从di区中消失的能量描述为“转变方向的”能量。在扬氏ci区中：
在杨氏类型干涉的情况中，在只接通一个束时，到达第二位置，即ci区的能量幅度为A。便能将A看成两个幅度B1与U之和。
再者，当束B进入接通时，它与前两个组合。由于它与B1及U相同。B＝B1＝B2，而总幅度与强度如式2中所示。式2，在放大或饱和中的杨氏干涉类型：T2＝Tci＝B1+U+B2＝2B+UI2＝Ici＝(B1+U+B2)＝(2B+U)2同样，通过代入得出：
I2＝Ici＝A2+B2+2AB ＝(B+U)2+B2+2B(B+U)
＝B2+2BU+U2+B2+2B2+2BU
＝4B2+4BU+U2
＝(2B+U)2
这也正是所期望的，因为幅度代数相加而强度为幅度的平方。
在本例中，当只有一束接通时，杨氏类型干涉具有能量导至这一ci位置。能将它看成具有两个分量。当第二束进入接通时，来自di区的能量转变方向到ci区中。如上所示，干涉加在ci区上的量正好等于从di区中消除的量。
结果，存在两个相等的部分B1与B2。一个来自束A而另一个来自束B。两者之间的差为U。
在ci情况与di情况中，U保持不变。它称作“未转变方向的”能量。明显地，它保持不受发生在B1与B2之间的干涉的影响，即使在ci区中也一样。
如果B上升到等于A，在两处U都降至零。得到的干涉图象在di位置上变成完全暗的，而在ci位置上的强度变成4A2＝4B2。所有能量都供献给干涉图象。
当A与B不等时，便能将形成的图象看成是两个图象之和。一个图象是以人们熟悉的干涉条纹模式的由部分B1与B2形成的干涉图象。另一图象为一一致的光斑，各部分之间没有对比度变化；其幅度等于U，而其强度为U2。
结果，两个不等的束之间的差U能正确地称为“未转变方向的”，因为它到达相同的位置并且具有与B1及B2断开时相同的模式。
B1与B2正确地称为“转变方向的”能量，因为这一能量已被重新配置或“转变方向”，以便形成干涉图象。在该图象中，将来自di位置的能量改变方向到ci区中与来自另一束的相等的提供的能量组合，另一束是在没有干涉时无论如何都要到达那里的。在特殊干涉中：
下面检验特殊干涉。当只有一束接通时，特殊干涉对位置2，ci位置，没有影响。这是因为与di区相比束是小的并且只指向di区，并且不散布开来覆盖最终将出现ci的区，才出现这一现象。
di区的作用完全如上所述，具有来自A的两个同相束，以及异相的B。
没有干涉时ci区无能量。最重要的是，它没有“未转变方向的”能量(即U＝0) 。
当第二束(B2)进入接通时，出现干涉产生从di位置消除能量(B1-B2)而留下U作为剩余能量的干涉图象。
将从di位置移走的能量改变方向到ci位置中，作为B1+B2。它具有强度(B1+B2)2。再通过代入得出：
I2＝Ici＝A2+B2+2AB ＝(B+U)2+B2+2B(B+U)
＝B2+2BU+U2+B2+2B2+2BU
＝4B2+4BU+U2
＝(2B+U)2
然而，在这一位置上U＝0，产生式3中所示的重要关系。
式3，放大或饱和中的第一干涉类型：
T1＝2B
I2＝(2B+0)2＝4B2
结果，便为幅度与强度推导出了第一类型的特殊干涉的公式。
任何一种应用中的能量总量取决于ci区中与di区，因为它们能构成许多射线，甚至数千或百万条射线。总能量能扩展到覆盖大的区域或会聚到小的区中。输出特征将是大小、位置、及输出区对图象分量分离器的图象区之比的相对于图象的函数。从并非纯ci或di的图象的其它部分提供的能量也影响本发明的整体操作。
这些公式对放大与限制过程的重要性并未夸大。例如，导向位置1的一个基本上恒定的功率束A与一个控制束B(小于A)在位置1与2上产生干涉图象，di在1上，而ci在2上。
输出强度为4B2，而幅度为2B。在光学器件的破坏或有可能物理地改变配置的其它因素的极限以内，A比B大多少并无关系。改变方向到输出中的能量是与控制束B成正比的。
当控制束调幅时，输出也调幅，具有两倍控制束的幅度。输出波形中信息携带部分的能量增加了一倍。与采用杨氏干涉的先有技术的放大器不同，本发明并不产生残留输出U，并不影响干涉图象的未改变方向的剩余能量。
只要调制的束小于恒定的束，输出将被放大。输出幅度总是两者较小者的两倍。
下面考虑当调制的控制束上升到超过恒定功率束的能级以上时发生的情况。对于B＞A，在任何给定时刻，输出将是两者中较小者的两倍。与在上面公式中交换束名一样。因为较小者也是恒定者，不论B调制得多高，当然是在不破坏或修改光学配置的范围内，输出将是恒定的2A。这一条件称为“饱和”。所有能从束A得到的能量都已改变方向到输出中。
结果，本发明的放大曲线为非线性的。在光束上操作的非线性器件能够完成否则是不可能的许多任务。调制的波形将受到限制并被钳住在两个输入束相等的点上。第二类型的特殊干涉：
也能将第二类型的特殊干涉看成具有三个分量幅度。将功率束(A)导向di位置；而不将其任何部分导向ci模式识别计算及其产生方法ci区。正如在第一类型的特殊干涉中一样。
将控制束(B)导向两个位置。因此，这一类型的干涉在单一阶段中不会产生逻辑“与”，然而它构成优秀的放大器。
当断开控制束时，I2＝0且I1＝B1+U。
当控制束小于基本上恒定的功率束射，A＝B1+U，且B＝B2。位置1上的幅度将是B1+U。式4，放大中的第二干涉类型：
幅度＝T2＝B1+B2＝2B
强度＝I2＝(B1+B2)2＝4B2
这与第一类型的特殊干涉相同。在配置进入饱和时出现差别。出现差别时，等于B-A(因为B较大)的未转变方向的能量(U)并不来自功率束。在本例中剩余能量来自直接导向输出的控制束。结果饱和期间的输出如式5所示。式5，饱和中的第二干涉类型：
幅度＝T2＝B1+B2+U＝2B+U＝2A+U
强度＝I2＝(B1+B2+U)2＝4A2+4AU+U2
因为A是常量，放大降低。已经将功率束的全部可利用的能量转变方向到输出中。B中的进一步增加只增加不加倍的U的大小。当进行平方生成强度时，4AU因子表示存在着与来自干涉图象的其它部分的能量的某种交互作用，但U保持不变。
结果，这一第二类型的特殊干涉的表现与B＜A时的第一类型特殊干涉相同。然而在B＞A时它的表现象杨氏干涉。放大仍然受到一定限制，但不钳住。宽带与窄带配置。
上述过程是依赖于相位的。从di位置移走的能量重新定位到ci位置中。但如果信号在某一其它相位上到达第一位置又当如何？在本例中，ci位置在某一其它位置上，导致调相信号的接近二进制运算。为了使ci位置与输出位置相同，输入必须精确地异相。
实践中，所使用的光学器件必须以波长为单位及以波长为量级设计。大多数光学配置依赖于来自输入束的载面的多点的能量的平均值。来自这些多点的能量的平均值产生熟悉的正弦曲线干涉条纹。
如果将放大器设计成包含大量的这种点以便利用平均原理，则它将具有宽的带宽并将能利用若干输入频率工作。输出位置好象并排放置的一组控制器那样工作，各控制器使用单独的射线组。
本例中，输出孔包含大量波长大小的位置。对于略为不同的相位与略为不同的频率，来自各对输入位置的ci位置将在略为不同的输出位置上。如果这些输出位置碰巧在孔的区域内，能量将输出。否则，不输出能量。
现代光学器件能在波长量级上操作。波长量级输入束与波长量级输出孔将产生与多位置平均型光学器件十分不同的操作过程。为了使ci区命中输出孔，光学器件越精密，相位与频率也必须越精密。
为了使ci区命中波长量级的输出孔，波长量级精度将导致调相信号在第一位置上只在充分接近180时才输出。来自模拟调相信号的输出将是只在两个输入精确地异相时出现的二进制输出。
如果采用多频率，只有与波长的几何尺寸匹配的那些频率才能命中输出孔，从而ci位置便是小孔所在的位置。
结果，必须将各种方法与各种器件设计成产生所需要的类型的放大器。如果相位解调器在模拟输入上操作，它必须具有平均的、多位置(宽带)类型。如果要将它用在二进制电路中，则单一波长量级位置(窄带)类型将工作得相当好。通过使用具有公共的第一位置但分离的输出位置的若干波长量级的控制器，便有可能产生可观数量的复合操作；从而，一次便能全部处理各式各样的信号。通过输入来自导向公共位置的不同位置的束，便能生成频分多路信号分离器。各不同频率将在不同的输出位置上生成其ci。如果各输出位置在图象分量分离器中具有其自己的输出孔，输入中的复合频率组将被分离成分开的输出。同时，它将滤掉任何中间频率，因为没有为这些频率设置输出孔，及没有提供匹配的输入频率。
如果将控制输入导向到公共位置，并使用各有不同频率与不同位置的若干功率输入，便能将几何图形配置成使所有ci位置都匹配，而生成非常精确的可选择频率的滤波器。与功率束匹配的所有频率的ci将在公共输出孔上。所有其它频率则不在该孔上。这一配置与宽带平均配置的差别在于，通过滤波器的各频率必须精确地与功率束的频率与相位匹配。在波长量级上，滤波器能提供任何已知装置中最好的选择性，尤其是在光波频率上及以上。
这些操作基本原理产生的功能类似于电子晶体管执行类似功能的方法。结果，本发明保证了共同的名字“光子晶体管”。即使本发明很能使用非光子的波型能量，仍期望光子的实施例成为在操作中最通用的。
本发明也能使用计算功能的频分多路复用生成模式识别计算。
下面来自美国申请号08/357,460的引文说明在频分多路复用中的特殊干涉的使用。(从第17页31行)“12.有源滤波器
本发明能用作利用第一类型的特殊干涉的相位与频率灵敏的、精密有源滤波器。如果输入束中任何一个包含的能量不是与另一输入频率相同且相位相反的，将不出现非倒相的输出。结果，本发明能用来信号分离频分多路复用的信号、区分颜色及解调调频与调相信号。
如果将一种以上颜色(波长)提供给两个束组，单一的器件将在各波长上独立与同时操作。结果，本发明能用来开关、分离与组织宽带信号。
通过提供与栅控放大器的第一束组一样的基本上恒定的(零以上)能级上的多波长能量，连同多波长第二束组，与同时发生在两个输入上的各波长匹配的放大的信号将出现在输出上。通过将功率束组的单个波长接通与断开，便能栅控滤波过程来选择与信号分离匹配的信号。
能并行或以树形结构利用多个这种有源滤波器来信号分离各种频分多路复用信号，包含用在光纤传输、微波及甚至无线电中的信号。
通过在装置与方法上增加下述步骤，有源滤波器利用本基本发明：
a)向第一束组提供具有至少一种波长；而通常具有若干波长的零能级以上常量能级以上的能量；
b)断开与接通第一束组的波长来栅控这些单个波长断开与接通；
c)向第二束组提供要滤波的多个波长上的能量；以及
d)生成与第一束组波长匹配的多个波长的子集的特殊干涉并排斥所有其它波长，
借此通过生成只在同时存在在两个输入束组中的波长上的输出，而提供栅控有源滤波的装置与方法。13.利用有源滤波器消除信号
应指出两种类型中任何一种特殊干涉都能用于滤波，但第二类型的干涉中的输入信号与输出信号之间的关系与第一类型干涉中的有所不同。
用第二类型的干涉，滤波后的非倒相输出中包含来自第二束组的影响，除非第二束组与第一束组的波长相等且同相，在这一情况中，相长干涉将出现在从第二位置与输出中消除该能量的波长上的第一位置上。
用上述反相器增加一个反相输出，产生一个与现在功率束中的每一波长上的非倒相输出有差别的输出，但在其它波长上没有差别。
利用两种类型干涉中任何一种产生差分有源滤波器的过程，从带有倒相的输出的放大器开始，并继以下述步骤：
a)向第一束组提供其至少具有一个波长的基本上恒定的零以上能级上的能量；
b)向第二束组提供要滤波的多个波长；以及
c)与其多个波长至少与第一束组中的一个波长匹配的子集产生干涉，将匹配的波长的能量的方向从第一位置上改变开并进入第二位置，
借此通过生成欠缺同时存在在两个输入束组中的波长的倒相的输出而提供倒相的有源滤波器。这一倒相的输出是与非倒相的输出有差别的，正如用上述反相器一样，只在这一实例中，为了滤波、消除与互相分离波长同时保留出现在被滤波的波长中的任何信息，提供具有各种波长的输入。14.频分信号分离器
通过单个地将不同频率调制的信号组合进一条公共的束路径中便能容易地执行频分多路复用。信号分离则更为复杂。建立频分信号分离器所用的过程为：
a)设置多个有源滤波器；
b)提供具有多个调制的波长的频分多路复用束组；
c)引导一部分频分多路复用束组到各滤波器的第二(控制)束组中，及
d)向各滤波器的第一束组提供与多个调制的波长中各个匹配的不同频率的能量，
借此通过从各滤波器中生成与各不同频率匹配的分离的调制的输出而提供频分信号分离器。
不使用第二类型的特殊干涉，因为不具有匹配的功率束的频率会通过进入输出中。
如果有源滤波器的第二束使用相同的输入与第一位置，上述步骤c与正在将能量引导到该第一位置时同时发生。各频率将在不同的位置上产生ci，在那里取得分离的输出。”
此外，来自申请08/454,070的以下引文包含关于一般频分多路复用逻辑的进一步的信息，也能将它包含在本发明中。(从第3页第3行起)
“本发明包括用于提供包含逻辑、放大与能量束控制在内的频分多路复用功能的装置与方法。公共的光学器件组在单一器件内的独立频道上产生同时的、独立的功能。频分多路复用输出的单个频道包含单个地在频道上执行的单个功能的结果。
输入束中包含多频率能量，其中单个频道的功能为作为用要在本发明中使用的信息独立调制的独立载波。本发明具有多个这种频分多路复用的输入。干涉是在所有输入中同时产生的，它为各载波频道生成分离的干涉图象。因为利用公共的光学器件来产生干涉，所有图象趋向于在同一通用区中互相重叠，虽然有些频率分离的确发生。
虽然重叠的图象能称作复合图象，事实上单个频道中的调制变化只在已由该特定波长的能量生成的干涉图象中产生变化。来自其它频道的能量所生成的其它图象不受影响。
诸如掩膜等图象分量分离器允许能量从由于它们对单个图象的关系而特别选择的一个或多个位置通过到输出中。作为重叠的结果，同时从这些相同的位置从单个图象中取出输出。利用来自各单个频道的能量执行的功能取决于该频道的输入束的调制特征、该频道的干涉图象的形状、及从中取出能量的图象内的位置。通过正确的选择与定向光学元件，及通过选择单个频道的调制模式及相位，便能将这些参数设计进特定的器件中。
结果，本发明能为一个频道提供逻辑“与”，另一频道提供逻辑“或”，第三频道放大器，等等，在它们涉及使用公共的光学器件时，取决于用于各频道的单个参数。
当使用公共光学器件时，输出还是频分多路复用的，并且包含本发明内单个地执行的功能的各频道内的结果。
频分多路复用逻辑具有减少控制许多信号所需的光学部件的数目的优点。例如，通过将输入信号控制到单个器件上，能够单个地或作为一组，栅控接通与断开完整的频分多路复用字的单个位。”本发明的优点
本发明提供模式识别计算、逻辑与信号处理的装置与方法。
本发明还提供计算动态图象内的能量分布的方法，并生成用于实现模式识别计算的协调的、优化光学器件。
通过检验下面的附图、附图的描述、较佳实施例的描述及权利要求，本发明的上述优点将是很清楚的。
图1为展示利用双图象分量分离器调制的模式的操作图。
图2示出来自双模式输入的动态图象组。
图2A为图2的区30的放大图。
图3示出本发明中带有二次重新组合的图象分量分离。
图4为展示计算优化的协调光学器件的方法的流程图。
图5为展示计算包含光学元件的输入阵列的优化的协调光学器件的方法的流程图。
请注意，束角、尺寸及比例都放大了，以便提供清楚的理解。实现本发明的最佳方式
图1示出具有各用量化信息独立调制的四个输入(10)至(13)的本发明的基本实施例。它们可以是二进制的，或者也可具有表示要计算的信息的任何数目的离散调制级的。各输入设置有导致来自各输入的能量采用一种模式的光学元件阵列。能利用诸如透镜、棱镜、全息图或图1中所示的简单掩膜等任何光学元件的阵列将模式施加在调制的输入能量上。这些光学元件还作为组合装置工作，用于产生从中取得输出(28)的动态图象(31)，及从中取得输出(29)的动态图象(31A)。
在本例中，来自输入(10)的能量采用模式(14)，这里示出为星形，以生成既包含星形模式又包含调制在输入(10)上的信息的波前(18)。将输入(11)引导到模式(15)，这里示出为菱形，生成调制的波前(19)。输入(12)生成具有来自模式(17)的园形模式的调制波前(20)。输入(13)生成具有来自模式(16)的随机象素模式的调制波前(21)。
波前(18)至(21)组合形成位于图象分量分离器(22)与/或(25)上的动态图象。图象分量分离器可以是光学元件的阵列并可包含透镜、棱镜、全息图或图1中所示的简单掩膜。来自位置(24)上的动态图象的能量部分通过图象分量分离器(22)进入输出(28)中，而其它部分则被阻挡在位置(23)上。类似地，位置(27)上的另一部分动态图象通过图象分量分离器(25)成为输出(29)，而位置(26)上的部分则被阻挡住。
图1A示出一组输入波形与一个输出波形之间的计算关系。本图中的计算关系为示出在时间上的逻辑“与”函数。输入(10)与(13)为在时间上调制的波形。至少一个输出(28)为输入(10)与(13)的逻辑“与”。在这一特定情况中，输入(11)与(12)是断开的(不用的)，及并不考虑输出(29)。这便是位置(24)上的能量服从特殊干涉的原则的情况。
确定将动态图象的哪些部分通过进入输出及哪些部分不进入的方法为本发明的主要特征。图2示出如何作出这一确定。
动态图象(31)出现的区域是在分离器(22)的区域之内。在这一示例中，只利用生成图1的一个输出(28)的输入(10)与(13)，因为随着输入数目与量化调制状态数目的增加，调制组合数目急剧增加而变得难于画出。因为这一讨论的目的，设想的是二进制输入，各输入的各组调制状态中有两种状态，如在图1A中。
当输入(10)与(13)都断开时，没有光线，因此没有动态图象。为此，即使它是有效的输入组合，图2中也未示出该状态组合。
当输入(10)接通而输入(13)断开时，波前(18)形成在动态图象(31)内示出为对角线网状区(33)的第一动态图象状态，它是构成动态图象(31)的图象组之一。此时，只有(31)的这一部分具有来自输入(10)的能量，因为物理定律确定波前(18)如何受模式(14)的影响。
当输入(10)断开而输入(13)接通时，波前(21)形成第二动态图象状态，示出为垂直网状区(34)。同样，只有(31)的这一部分具有来自输入(13)的能量，因为物理定律确定波前(21)如何受模式(16)影响。
当输入(10)与(13)都接通时，模式修正的波前(18)与(21)组合与干涉，将能量引导到区(32)中，示出为水平网状，而形成第三动态图象状态。
随着输入通过调制状态的各种组合，动态图象(31)内的能量分布从一种干涉图象改变到另一种。但由于模式化的输入与图象分量分离器是固定的，构成动态图象的图象集合保持不变。这便是，各输入调制状态组合将产生一个且仅一个干涉图象。虽然不同的输入状态组合将产生不同的干涉图象，每当该输入组合出现在输入上时，为该组合产生的图象永远是相同的。
为了产生逻辑与其它计算机功能，将能量从来自对应于要执行的功能的位置上的动态图象(31)中分离。例如，如果要执行的逻辑功能为逻辑“或”，从区(42)中分离输出并包含用所有三个区(36)、(38)与(39)的重叠表示的三种状态组合中各个的能量。使对应于动态图象中区(42)的图象分量分离器(22)的区域透明，从而来自区(42)的能量能进入输出(28)，而使(22)的其余部分不透明以防止其它组合的能量不利地影响输出(28)。
如果要执行的功能是在接通输入(10)或接通输入(10)与(13)而不是单独接通输入(13)时提供能量给输出(28)，便将来自重叠区(37)的能量分离到输出(28)中。如果要用的是“与”功能，便从区(36)中分离能量。由于区(36)只包含输入(10)与(13)都接通时的能量，这一区也符合特殊干涉的原则，从而这一器件能用来完成其它特殊干涉器件所执行的全部任务。
对应于输入状态的特定组合的各单个干涉图象通常比这里所示出的要复杂得多，在图象的各部分之间具有不同的幅度值与相位。为了利用这些复杂图象，本发明采用由光学元件阵列构成的图象分量分离器。图2A中示出了阵列的一部分的放大图，它是区(30)的放大图。
这一放大图示出了由象素大小的光学元件的阵列制成的图象分量分离器，在本例中为透明象素(44)或不透明象素(45)。象素的最佳大小取决于动态图象的本质。象素大小的区可以大到位于动态图象的分量部分之一内的整个光学区，诸如区(36)、(39)或某些其它区，或者象素可以小得多并且更适合于计算协调的光学器件组。
通过分离器的各象素的能量组合构成单个输出(28)。然而，各象素中的能量分布可以也可以不具有表示有助于生成在输出(28)中所要求的组合输出波形的波形的能量的，输出(28)中所要求的组合输出波形正确地表示整个器件要完成的逻辑或其它计算。这包含分离随相位变化的能量以构成调相的输出。因此，使不能正面对所要求的输入波形作出贡献的那些象素(45)不透明，同时使能作出贡献的那些象素成为透明开口或某种其它透明的光学元件(44)。
图3示出沿图1的线3-3所取的模式(14)与(16)及图象分量分离器(22)与(25)的剖视图。将来自模式(14)与(16)的能量引导向图象分量分离器(22)，动态图象形成在图象分量分离器(22)的左侧。动态图象分量被有策略地放置的构成完成能量分离的光学元件的阵列的光学元件分离。阵列中的单个光学元件可以是滤波器、透镜、全息图、移相器、不透明区或任何其它光学元件或它们的一部分。作为透镜(54)、不透明区(55)及透明区(56)示出了一些例子。
将来自构成图象分量分离器(22)的光学元件阵列的输出引导到公共输出位置(57)以构成组合输出(28)。
将图象分量分离器(22)中的各元件选择、定位与定向成便于在随着输入序列通过其各种组合形成所要求的波形中向输出(28)提供正面的作用。如果在诸如不透明区(55)等一定位置上的能量不能被任何实际光学元件修改成附对输出(28)提供正面的作用，便使该位置不透明。
利用模式(14)和(16)分别修正输入(10)与(13)的输入能量，以便向调制的波前(18)与(21)提供单独的模式配置。和图象分量分离器(22)与/或(25)一样，模式(14)、(15)、(16)与/或(17)可由诸如透镜(51)、透明区(或开口)(52)与/或不透明区(53)等各种光学元件的阵列构成。与图象分量分离器(22)与/或(25)的情况相同，这些元件可以是任何类型的象素量级元件。
通过正确地选择这些阵列中的光学元件，便能“调谐”或修正波前，以便提供能用来产生更佳的图象分量分离器(22)与/或(25)及在输出(28)上的更佳波前的最佳的动态图象。
在采用这里教给的计算各种光学元件及优化这些计算的过程时，图象分量分离器(22)及模式(14)与(16)的象素量级的光元件特别有用。
为了计算的目的，使象素小到足以在各可能的输入状态组合中的能量分量能以数学模型容易地表示。方法之一为采用幅度矢量，其中矢量的角度表示该象素上的能量的相位。然而，也能使用其它方法来表示波动能量。
图4描绘本发明的模式识别计算分量的计算方法的流程图。比较图1、2、3与4。基本过程从(60)开始，在(61)生成描述用具有第一组调制状态的量化信息调制的第一调制波前(18)的第一输入模型。
同时在(62)生成描述用具有至少另一组调制状态的量化信息调制的至少另一调制的波前(21)的至少另一输入模型。输入模型(61)与(62)的生成示出为并行发生的，因为它们不需要以互相相对的任何特定序列生成。然而，在(63)生成动态图象模型需要输入模型(61)与(62)两者。
因此，动态图象模型(63)利用第一输入模型(61)及至少另一输入模型(62)出现在至少一个动态图象(31)的区(36)至(39)、(41)与(42)上的图象，并将作为第一输入波前(18)从第一组调制状态与至少另一组调制状态计算的输入状态模式组合与至少另一波前(21)组合。
在这一点上，本发明的过程完成了先有过程所未完成的：为出现在输入上的各量化的信息状态生成动态图象的分量部分的描述供在模式识别计算中使用。从其中能推导出从任何输入组合系列得出的图象分量波形的描述。
下一步骤通过从动态图象模型(63)中选择能用来提供对输出(28)有帮助的作用的图象分量子集，而生成模式匹配的模型(64)。生成模式匹配的模型(64)所需的附加信息为真值表、逻辑规则、或给定了用在整个器件中的输入调制状态序列后要在输出(28)上生成的波形的其它描述。
一旦得到了邻近的动态图象内的有帮助的输出位置的描述，下两步骤为建立分离器模型(65)及输出模型(66)。这两步骤是一起产生的。模式匹配模型(64)中的各象素对应于图象分量分离器(22)与分离器模型(65)中的一个象素元件。利用来自各输入调制状态的动态图象模型(63)及模式匹配模型(65)的各象素上的信息来确定要放在各象素上的光学元件，以便提供在构出(28)上所要求的波形中有帮助的能量。
在它们出现在输出(28)的位置(57)上时，用来自图象分量分离器(22)的各象素元件的能量作用生成作为输出模型(66)的输出波形的描述。
在这一点上，本发明完成了没有其它过程从前做到过的：它生成了从多个调制模式生成的动态图象分离得出的输出波形的描述。构成分离器的光学元件已由这一过程设计出，从而它们是与调制的输入波前协调的，这样便产生了“协调的光学器件”。
已经计算出用于生成逻辑或其它计算功能的一组协调的光学器件之后，仍有改进的余地。开始时作为输入模型(61)与(62)的部分选择的模式可能不是用于在输出(28)上生成所要求的波形的最有效的模式，由于存在着用相同的量化信息调制的一些其它模式或模式组。这为判定一个不同的模式是否较好，下一步骤是首先判定输入模型(61)与(62)中当前描述的模式是否已经是最佳模式。可以在用来比较输出模型(66)与/或分离器模型(65)的若干标准的基础上作出这一判定。如果该模型组已经是优化的，便在(69)从过程输出这些模型，它们便能用来制造本发明的工作部件。
如果协调的光学器件尚未优化，便在(68)改变一个或多个输入模型(61)与/或(62)，并计算另一组协调的光学器件，在生成新的动态图象模型(63)上重新开始这一循环。
再一次在(67)上作出判定这些模型是否已经优化，但从这时开始，能在计算的分离器及输出模型与前面的循环中所产生的进行比较。如果尚未找到最佳的模型，循环继续进行直到找到最佳的配置为止，即使这需要计算所有的可能配置。
当已经计算出模型中所描述的最佳协调光学器件组时，输出(69)提供这些计算结果。在这一点上，本发明已生成了其它计算过程尚未生成的：能通过识别多个调制的模型产生计算机功能的最佳光学器件的协调组的描述。
图5示出图4上的改进：增加了用于调节图3的模式(14)与(16)中的能量的光学元件阵列。这些阵列是作为第一光学器件模型(71)与至少另一个光学器件模型(72)描述的。图5中，光学器件模型的生成是示出为与输入模型的生成并行的，因为能够生成光学器件模型而不需要使用来自输入模型的信息。然而，它们也能用来自输入模型的信息生成，并且甚至能包含关于模式的信息。
重要之处是输入模型(61)与(62)及光学器件模型一起描述图3的调制波前(18)与(21)。结果，在能够计算动态图象模型(63)之前，描述这些波前所需的所有信息都必须包含在输入及光学器件模型中。
图5与4之间的下一差别在(70)处，其中为了继续优化配置的循环过程，在输入模型与/或光学器件模型中作出改变。增加光学器件模型比单独改变模式本身允许对调制的波前(18)与(21)更大量的各式各样的可能改变。这一更大量的各式各样可能波前导致生成用于完成模型识别计算的更好的协调光学器件组的更大机会。现在协调的光学器件中包含如光学器件模型(71)与(72)中所描述的模式(14)与(15)上的光学器件阵列。
再一次，本发明完成了前所未有的事物，它提供了一种完成模式识别计算的方法，连同产生了一种用于生成在模式识别计算中使用的实际光学器件的协调与优化的数字描述组。
本发明具有提供生成更大量各式各样输出波形的方法的优点，使它能完成比简单的布尔逻辑更宽广的各式各样的计算任务。即使用带有大的可能调制状态的集合的大量输入，本发明继续提供如何建立器件的确定，以及能够提供与具有如图1中的多个输入与多个输出的只读存储器的表查找功能等效的调制的模式识别计算的工作器件本身。现在能为从协调的光学器件组中的光学检索生成任何类型的能够量化进数字模型中的信息。
具有本发明的大量象素量级光学器件的光学元件阵列现在能用来在预计算的协调光学器件配置内存储大量的信息。通过将来自光学寄存器组的输出引导到本发明的输入中，便能计算每一种可能的寄存器配置，以产生对应于存储在这些寄存器中的数据的并行处理的任何要求的输出波形集合。通过互连本发明的各种实施例，便能构造完整的光学计算机。
不能忽视作为本发明的基础的基于干涉的计算的重要性。包含特殊干涉在内的每一种类型的干涉都能用在生成动态图象中。结果，本发明能以更先进的、更复杂的及优化的方式使用以前的基于干涉的计算过程。
因为不同波长的干涉图象能同时存在于动态图象内，便能有利地利用本发明，因为所使用的各种波长的各种可能调制状态形成用各种调制状态组描述的量化信息的一部分。将本发明描述为在“至少一种波长上”工作的，因为本发明能利用许多波长工作，各波长带有其本身的调制的量化信息。分开的信息频道的多波长使用便是频分多路复用的定义。结果，本发明提供了其它计算系统或制造方法没有提供过的事物，即频分多路复用、基于利用动态干涉图象的多调制模式的识别的并行处理计算、优化光学器件的协调的组、及其产生方法。
虽然本发明的较佳实施例的以上描述中已公开了实现本发明的特定造、装置及方法，因为对于熟悉计算机及光学器件及此类技术的入员而言，特定的改进与修正将是显而易见的，申请人的意图并非用上面的描述中任何事物来限定，而是只用下面的权利要求来限定。