一种光学相关器、光学相关运算方法和光计算装置制造方法及图纸

本申请实施例公开了一种光学相关器、光学相关运算方法和光计算装置，主要应用于基因序列比对、条形码比对、文本库检索等一维序列匹配的场景中。光学相关器包括光源、一维空间光调制器SLM、光扩束装置、第一折射装置、二维SLM、第二折射装置和光探测器。光源用于发射光束。一维SLM用于对光源输出的光束进行调制。光扩束装置用于在第二方向上对经过一维SLM调制后的光束进行扩束。第一折射装置用于在第一方向上对扩束后的光束进行会聚。二维SLM用于对会聚后的光束进行调制。第二折射装置用于对经过二维SLM调制后的光束进行准直。光探测器用于对经过第二折射装置准直后的光束进行像素采集，以得到多个相关峰的光场信息。以得到多个相关峰的光场信息。以得到多个相关峰的光场信息。

【技术实现步骤摘要】
一种光学相关器、光学相关运算方法和光计算装置


[0001]本申请涉及光学计算领域，尤其涉及一种光学相关器、光学相关运算方法和光计算装置。

技术介绍

[0002]光计算利用光学特性在光域实现信号处理，具备功耗低、运算时间短的优势。其中，光学相关器(optical correlator)是一种用光学方法实现信号相关处理的光学系统，其基于傅里叶光学，在自由空间中对光场进行变换和处理，能够实现数据(信号、编码、图像等)的匹配和搜索。
[0003]目前的光学相关器都是基于二维空间的傅里叶变换，其主要作用是用于对二维图像进行匹配，难以应用于一维序列的匹配。具体地，该光学相关器采用的是二维空间光调制器(Spatial Light Modulator，SLM)和二维光探测器。如果输入的是多行不同的一维序列，每一行一维序列都要进行多次匹配，最终会在二维光探测器上呈现较多的匹配结果，很难进行区分。但是，如果采用时分的方式每次输入一行一维序列，又会导致整体的运算耗时较长，匹配的过程较慢。

技术实现思路

[0004]本申请实施例提供了一种光学相关器、光学相关运算方法和光计算装置。该光学相关器应用于一维序列的匹配场景，一次运算就可以完成目标序列与多组参考序列的匹配，减少了运算耗时，提高了序列的匹配速度。
[0005]第一方面，本申请提供了一种光学相关器。该光学相关器包括：光源、一维SLM、光扩束装置、第一折射装置、二维SLM、第二折射装置和光探测器。第一折射装置的后焦面与第二折射装置的前焦面重合，光扩束装置的出瞳平面位于第一折射装置的前焦面，二维SLM位于第一折射装置的后焦面，光探测器位于第二折射装置的后焦面。具体地，光源用于发射光束。一维SLM用于对光源输出的光束进行调制。其中，一维SLM上加载有一组目标序列对应的电信号，一维SLM包括在第一方向上排列的一排像素点。光扩束装置用于在第二方向上对经过一维SLM调制后的光束进行扩束。其中，第二方向与第一方向垂直，并且第二方向与光束输入光扩束装置的方向垂直。第一折射装置用于在第一方向上对扩束后的光束进行会聚。二维SLM用于对会聚后的光束进行调制。其中，二维SLM上加载有多组参考序列对应的电信号，二维SLM包括在第一方向上排列的多排像素点。第二折射装置用于对经过二维SLM调制后的光束进行准直。光探测器用于对经过第二折射装置准直后的光束进行像素采集。
[0006]在该实施方式中，在空间上对一维SLM调制后的光进行扩束，从而可以将一维SLM上加载的一排目标序列复制为相同的多排目标序列。之后，这多排相同的目标序列可以同时与二维SLM上加载的多排参考序列进行相关运算以实现一对一匹配。相当于一次运算就完成了目标序列与多组参考序列的匹配，减少了相关运算的耗时，提高了序列的匹配效率。
[0007]在一些可能的实施方式中，一维SLM将调制后的光束透射至光扩束装置，二维SLM
将调制后的光束透射至第二折射装置。即本申请提供的一维SLM和二位SLM都是透射式的SLM，增强了本方案的可实现性。
[0008]在一些可能的实施方式中，光学相关器还包括第一分束器和第二分束器。第一分束器用于对扩束后的光束进行分路。其中，分路后的第一路光束传输至第一折射装置，分路后的第二路光束传输至第二分束器。第二分束器用于将第二路光束传输至第一折射装置。通过上述方式，在光扩束装置对光束进行扩束的基础上，还可以通过第一分束器和第二分束器新增了一路光束，相当于对光束进一步地扩束，对目标序列复制的数量也进一步翻倍，提高了运算效率。
[0009]在一些可能的实施方式中，经过第一分束器分路后的其中一路光束沿第一方向或第二方向传输，也就是说，本申请通过第一分束器可以在多个不同方向上扩展光束，提高了本方案的灵活性。
[0010]在一些可能的实施方式中，光学相关器还包括第一偏振分束器和第二偏振分束器。第一偏振分束器用于对扩束后的光束进行分路。其中，第一偏振分束器将第一偏振方向的光束传输至第一折射装置，第一偏振分束器将第二偏振方向的光束传输至第二偏振分束器，第一偏振方向与第二偏振方向相互正交。第二偏振分束器用于将第二偏振方向的光束传输至第一折射装置。通过上述方式，由于第二偏振分束器接收到的只有第二偏振方向的光束，只需要将第二偏振方向的光束反射至第一折射装置，不会再有光束透过第二偏振分束器，减少了光束不必要的浪费。并且，在光扩束装置对光束进行扩束的基础上，还可以通过第一偏振分束器和第二偏振分束器新增了一路光束，相当于对目标序列复制的数量也进一步翻倍，提高了运算效率。
[0011]在一些可能的实施方式中，光学相关器还包括反光装置和第三分束器。一维SLM具体用于将调制后的光束反射至光扩束装置。反光装置用于将扩束后的光束反射至第一折射装置。第三分束器用于将会聚后的光束传输至二维SLM。二维SLM用于对接收到的光束进行调制，并将调制后的光束反射至第三分束器。第三分束器还用于将经过二维SLM调制后的光束传输至第二折射装置。通过上述方式，一维SLM和二维SLM采用的都是反射式的SLM，并且新增了反光装置和第三分束器来改变光路，从而实现了折叠式的光路。避免了所有器件都沿着同一个方向排布，通过折叠式的光路更便于在有限的空间内集成，也更容易实现小型化。
[0012]在一些可能的实施方式中，述光源包括激光器和光束准直装置。激光器用于发射光束。光束准直装置用于对激光器发射的光束进行光束准直，并将光束准直后的光束输出至一维SLM。在该实施方式中，提供了一种光源的具体实现方式，增强了本方案的可实现性。
[0013]在一些可能的实施方式中，光扩束装置包括第一透镜和第二透镜。第一透镜用于在第二方向上对经过一维SLM调制后的光束进行会聚。第二透镜用于对经过第一透镜会聚后的光束进行准直。在该实施方式中，提供了一种光扩束装置的具体实现方式，进一步增强了本方案的可实现性。
[0014]在一些可能的实施方式中，光扩束装置还用于在第一方向上对经过一维SLM调制后的光束进行缩束，从而可以更好地与二维SLM的大小匹配。
[0015]在一些可能的实施方式中，光探测器包括多个像素点，每个像素点用于采集一个相关峰的光场信息。由于本申请只是对一维序列进行匹配，因此光探测器具体可以采用一
维探测器，即光探测器只包括一列像素点，相对于二位探测器成本更低。
[0016]在一些可能的实施方式中，光学相关器还包括控制器。控制器用于：向一维SLM发送一组目标序列对应的电信号，以驱动一维SLM对光源输出的光束进行调制。向二维SLM发送多组参考序列对应的电信号，以驱动二维SLM对接收到的光束进行调制。接收光探测器发送的输出信号，并根据输出信号确定目标序列与多组参考序列的匹配结果，输出信号包括多个相关峰的光场信息。在该实施方式中，可以通过控制器来实现电信号的输入和输出，以实现自动化控制。
[0017]在一些可能的实施方式中，控制器还用于：向一维SLM发送更新后的一组目标序列对应的电信号，以控制一维SLM对加载的目标序列进行更本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种光学相关器，其特征在于，包括：光源、一维空间光调制器SLM、光扩束装置、第一折射装置、二维SLM、第二折射装置和光探测器，所述第一折射装置的后焦面与所述第二折射装置的前焦面重合，所述光扩束装置的出瞳平面位于所述第一折射装置的前焦面，所述二维SLM位于所述第一折射装置的后焦面，所述光探测器位于所述第二折射装置的后焦面；所述光源用于发射光束；所述一维SLM用于对所述光源输出的光束进行调制，所述一维SLM上加载有一组目标序列对应的电信号，所述一维SLM包括在第一方向上排列的一排像素点；所述光扩束装置用于在第二方向上对经过所述一维SLM调制后的光束进行扩束，所述第二方向与所述第一方向垂直，并且所述第二方向与光束输入所述光扩束装置的方向垂直；所述第一折射装置用于在所述第一方向上对所述扩束后的光束进行会聚；所述二维SLM用于对所述会聚后的光束进行调制，所述二维SLM上加载有多组参考序列对应的电信号，所述二维SLM包括在所述第一方向上排列的多排像素点；所述第二折射装置用于对经过所述二维SLM调制后的光束进行准直；所述光探测器用于对经过所述第二折射装置准直后的光束进行像素采集。2.根据权利要求1所述的光学相关器，其特征在于，所述一维SLM将调制后的光束透射至所述光扩束装置，所述二维SLM将调制后的光束透射至所述第二折射装置。3.根据权利要求1或2所述的光学相关器，其特征在于，所述光学相关器还包括第一分束器和第二分束器；所述第一分束器用于对所述扩束后的光束进行分路，其中，分路后的第一路光束传输至所述第一折射装置，分路后的第二路光束传输至所述第二分束器；所述第二分束器用于将所述第二路光束传输至所述第一折射装置。4.根据权利要求3所述的光学相关器，其特征在于，经过所述第一分束器分路后的其中一路光束沿所述第一方向或所述第二方向传输。5.根据权利要求1或2所述的光学相关器，其特征在于，所述光学相关器还包括第一偏振分束器和第二偏振分束器；所述第一偏振分束器用于对所述扩束后的光束进行分路，其中，所述第一偏振分束器将第一偏振方向的光束传输至所述第一折射装置，所述第一偏振分束器将第二偏振方向的光束传输至所述第二偏振分束器，所述第一偏振方向与所述第二偏振方向相互正交；所述第二偏振分束器用于将所述第二偏振方向的光束传输至所述第一折射装置。6.根据权利要求1所述的光学相关器，其特征在于，所述光学相关器还包括反光装置和第三分束器；所述一维SLM具体用于将调制后的光束反射至所述光扩束装置；所述反光装置用于将所述扩束后的光束反射至所述第一折射装置；所述第三分束器用于将所述会聚后的光束传输至所述二维SLM；所述二维SLM用于对接收到的光束进行调制，并将调制后的光束反射至所述第三分束器；所述第三分束器还用于将经过所述二维SLM调制后的光束传输至所述第二折射装置。7.根据权利要求1至6中任一项所述的光学相关器，其特征在于，所述光扩束装置还用
于在所述第一方向上对经过所述一维SLM调制后的光束进行缩束。8.根据权利要求1至7中任一项所述的光学相关器，其特征在于，所述光学相关器还包括控制器，所述控制器用于：向所述一维SLM发送所述一组目标序列对应的电信号，以驱动所述一维SLM对所述光源输出的光束进行调制；向所述二维SLM发送所述多组参考序列对应的电信号，以驱动所述二维SLM对接收到的光束进行调制；接收所述光探测器发送的输出信号，并根据所述输出信号确定所述目标序列与所述多组参考序列的匹配结果。9.根据权利要求8所述的光学相关器，其特征在于，所述控制器还用于：向所述一维SLM发送更新后的一组目标序列对应的电信号，以控制所述一维SLM对加载的目标序列进行更新；向所述二维SLM发送更新后的多组参考序列对应的电信号，以控制所述二维SLM对加载的多组参考序列进行更新，其中，所述一维SLM的更新频率大于或等于所述二维SLM的更新频率。10.根据权利要求8或9所述的光学相关器，其特征在于，所述控制器还用于：向所述一维SLM、所述二维SLM和所述光探测器发送控制信号，以控制所述一维SLM、所述二维SLM和所述光探测器保持时钟同步。11.一...

【专利技术属性】
技术研发人员：李腾浩，杨童，谢洪波，
申请(专利权)人：华为技术有限公司，
类型：发明
国别省市：