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《陕西师范大学》 2000年
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多级衍射全息光栅与神经网络的光学互连

吕且妮  
【摘要】:光学系统由于其巨大的互连和内在的并行处理能力,特别适应于超 大容量数据处理和计算。神经网络是包括有很多简单处理元素的大型信 息处理系统。这些处理元素以并行方式互连,从而具有一定的总体计算 功能。神经网络中的高密度的互连最适于用光学方法实现。因此用光学 方法实现神经网络成为目前比较热门的研究课题。 在神经网络半个世纪的发展过程中,人们提出了数以百计的模型, 其中以Hopfield数理模型最具代表性。Hopfield模型实际上是一个自联 想记忆或联想记忆模型。由于其记忆是以外积矩阵的方式被存储的,也 称为“外积模型”。因而可以用矢量-矩阵积来实现。目前提出实现矢量- 矩阵积的光学方法很多,本论文提出了一种实现矢量-矩阵积的光学方法。 由于神经网络中的巨大的神经元之间的互连可以借用光学手段实 现,从而使光学互连成为实现神经网络最具有吸引力的潜在技术。光学 互连技术在数字光计算、光通信、光计算机及神经网络等领域具有广阔 的应用前景。其中自由空间光互连是一种最基本的互连形式。典型的完 善混洗互连网络(PS和FPS)以能构造任意形式的互连网络来实现任意 互连而倍受关注。 光栅作为一种分光元件,在光谱测量、光计算及光学信息处理中发 挥着重要作用。已提出用简单的成像系统和全息光栅来实现PS和FPS的 方案,且得到较满意的结果。全息光栅由其制作方便、成本低等优点, 己有很多的应用。目前已提出用许多方法包括计算机技术和微电子加工 技术制作具有多种性质和特点的各种光栅,如计算全息光栅、二元光栅 等,本论文基于传统的光学全息法,制作了一种新的光栅──多级衍射 全息光栅。将该光栅用于二透镜成像系统,作为滤波器,实现了矢量-矩 阵积的光学互连。为用光学方法实现神经网络的光学互连提供一种切实 可行的实验方案,并为光学神经网络从基础研究走向实际应用提供了一 定的实验基础。 本论文所做的工作主要有三个部分:本文的第一部分首先详尽地综 述了光互连意义、分类及光互连网络中的完善混洗网络的原理和目前所 提出的实现方法。其次详细地论述了神经系统的基本原理,介绍了神经 网络的基本概念和实现它的光学方案。主要介绍Hopfield数理模型及有 关的光学系统、光学神经网络实现所面临的主要困难。 本文的第二部分对透镜成像系统引入了物空间调制的概念,即在物 空间的任意位置对光场进行调制,并从理论上对透镜成像系统物空间调 制的输出效应进行了研究,从相干成像系统和非相干成像系统两种情况 进行讨论,并给出了其数学表达式。研究分析了当在输入面放置2-D数 据阵列,在物空间任一点适当引入光栅、棱镜、光楔等具有分光光学元 件,可以对输入数据阵列实现PS和FPS互连。因此证明了PS和FPS光 互连可作为特定物空间调制的一个应用实例。 本论文的第三部分首先提出了用MachZehnder干涉仪分两步记录制 作具有多缓衍射的全息光栅的方法。第一步先用两相干光束A;*)和 A。(X)同时照明全息干版 H;,将 H;曝光制成的吸收型光栅经化学漂白 转化为位相光栅。再将这个位相光栅H;作母版,复位到光路中原来的位 置。再用丙梧干光束民(X)和B。(X)同时照明H1,调节两反射镜,改 变照明 H1的角度。当满足一定条件时,使 B;(X)照明 H;所得的衍射点 恰好落在由民(X)照明H;所得的各相邻衍射点之中点。在紧靠干版H; 之后放置干版民作为第二次记录,处理后得到所需的全息光栅。观察并 记录了这种全息光栅的夫琅和费衍射谱,利用这种多级衍射全息光栅实 现了图象多重。 其次在双透镜组成光学系统里,将输入信息作为物函数放在第一个 透镜的前焦平面上,多级衍射全息光栅作为滤波器放在其后焦平面上即 频谱平面上。利用多级衍射全息光栅的衍射效应实现了一点到多点的光 学互连,从而实现了 卜 的神经网络的光学互连。然后再把两个l0光 栅正交密接组合实现了2-D神经网络的光学互连。 实验结果表明:用本文制作的多级衍射光栅实现神经网络的互连是 -可行的,且具有结构简单、操作容易等特点。光栅制作时引入的综合噪 音对输出质量的影响及各衍射级能量的不均衡问题尚待进一步改进。
【学位授予单位】:陕西师范大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2000
【分类号】:TN256;TP183

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