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図面 (9)

課題・解決手段

可変透過率によるように光を選択的に変更することができる光学データ層(190)にデータが記憶される光学記憶装置(100)。データは多数の領域すなわちページと呼ばれるパッチ組織され、各ページはホールの存在又は不存在として2進データを記憶するデータスポットフィールドを含む。データは、制御可能の光源(150)及び回折性の結像小レンズアレイ(210)により照明され、各データページ光センサー共通アレイ(270)に像を投影する。

概要

背景

概要

可変透過率によるように光を選択的に変更することができる光学データ層(190)にデータが記憶される光学記憶装置(100)。データは多数の領域すなわちページと呼ばれるパッチ組織され、各ページはホールの存在又は不存在として2進データを記憶するデータスポットフィールドを含む。データは、制御可能の光源(150)及び回折性の結像小レンズアレイ(210)により照明され、各データページ光センサー共通アレイ(270)に像を投影する。

目的

効果

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請求項1

変化特性としてデータを記憶し、それぞれがデータのビット(B)を記憶する容量を有する多数の並べられたデータ領域(P)に組織される光学データ手段と、該光学データ手段のデータ領域の少なくとも1つを選択的に照明する制御可能の光源手段と、並べられた多数の小レンズを有する、データの像を造るレンズ手段と、センサー手段と、データ信号出力手段とを含み、前記小レンズはそれぞれが前記データ領域の1つの近傍に配置されかつこれと光学的に整合して配置された回折面でありかつ前記データ手段及びレンズ手段から隔てられた共通の像面上に前記データ領域の前記1つの均一な像を生じさせるように各小レンズから離れて事実上の絞りを形成するように各データビットから光の強度ローブ協同するように形状付けられており、前記センサー手段は照明されたデータ領域に対応する光の像としてのデータを感知するための前記像面に並べて配置された多数の光センサ(S)を有し、前記データ信号出力手段は、照明されかつ像を造られたデータ領域の前記データを表すデータ信号を出力するために前記センサ手段と結合されている、光学データ装置。

請求項2

前記回折面は、前記各データビットからの軸線から外れ光線を弱めるに十分な幅に対する深さの比を持つ格子溝を有する、請求項1に記載の光学データ装置。

請求項3

前記小レンズの回折面は、各小レンズ格子パターンの中心が前記データ領域の各1つと光学軸線上にあるように配行された多数の重なる格子パターン又はホログラフィックパターンを含む、請求項1に記載の光学データ装置。

請求項4

各小レンズの前記回折面は機能上非球面である、請求項1に記載の光学データ装置。

請求項5

前記データ手段及び前記レンズ手段は、それらの間に光学的位置合わせを維持するように単位層構造のものとして形成されている、請求項1に記載の光学データ装置。

請求項6

各小レンズは、付随的なデータ光線の受光角を制限するように選択されるたてよこ比の溝をもつ円形格子を有する、請求項1に記載の光学データ装置。

請求項7

前記光学データ手段は前記データのビット(B)を表すように光伝導ホールを有する材料の層を含み、各光伝導ホールはたてよこ比が3:1の強度プロフィルを生じるように光源光波長λに対して相対的に選択される寸法を有する、請求項1に記載の光学データ装置。

請求項8

光変化特性としてデータを記憶し、それぞれがデータのビットを記憶する容量を有する多数の並べられたデータ領域に組織される光学データ手段と、該光学データ手段のデータ領域の少なくとも1つを選択的に照明する制御可能の光源手段と、並べられた多数の小レンズを有する、データの像を造るレンズ手段と、センサー手段と、データ信号出力手段とを含み、前記小レンズは、それぞれが機能上非球面の回折エレメントを有し、かつ、前記データ領域の1つの近傍に配置されかつこれと光学的に整行して配置され、その解像力は前記データ手段及びレンズ手段から隔てられた共通の像面上に前記データ領域の像を造るために前記データ領域の視界にわたって実質的に均一であり、前記センサー手段は照明されたデータ領域に対応する光像としてのデータを感知するための前記共通の像面に配置された多数の並べて配置されたソリッドステート光センサを有し、前記データ信号出力手段は、照明されかつ像を造られたデータの前記記憶されたビットの選択的な部分を表すデータ信号を出力するために前記センサ手段と結合されている、光学データ装置。

請求項9

光変化特性としてデータを記憶し、多数の別々のデータ領域に組織される光学データ層と、該データ層に隣接して配置された多数の小レンズを有するレンズアレイと、構造ユニットを形成するように前記データ層を前記レンズアレイに光学的に結合しかつ機械的に固定するように前記データ層と前記レンズアレイとの間に配置された構造手段とを含み、前記小レンズはそれぞれが前記データ領域の1つに関連して光学データの像を造るべく配置されるように前記データ領域の1つとそれぞれ整行された光学視界を規定する単一の回折面を有する、光学データ装置のための光学データとレンズの構造。

請求項10

前記構造手段は接着材料からなる透明な光学的層を含む、請求項9に記載の構造。

背景技術

0001

本発明は光学材料に光変化特性として記憶されるデジタルデータの光学的な記
憶及び検索に関し、特に、そのための結像レンズに関する。

0002

フィルム又は薄い材料層に光変化特性として記憶された大量のデジタルデータ
を有し、機械的な運動なしに光学的なアドレッシングによってアクセスがされる
タイプの光学記憶装置は、これまでに提案されてはきたが、広範な商業的使用に
は至っていない。そのような光学的記憶検索技術への関心は、いずれもが記憶媒
体の相対的運動を必要とする、光学ディスクのような既存の電子光学機構及び
テープ磁気ディスクのような磁気記憶装置に比較して大量のデータをより早く
検索するという突出した特性によるものである。

0003

例えば、光学ディスク記憶装置の場合、レコードを回し、連続して出力される
データを検索するために半径方向へ読取りヘッドを移動させる必要がある。デー
タの連続アクセスは、一般に、高速データアドレッシング及び最新コンピュ
タのデータオペレーション適合するように、データ処理装置バッファ又はソ
リッドステートランダムアクセス記憶装置へのトランスファーを必要とする。ソ
ドステートROM及びRAMは、求められる比較的高いアクセス速度を可能に
するが、比較的大きなデータ記憶容量拡張する際のコスト、サイズ及び熱放散
がそれらの使用を制限している。

0004

本発明の主題である光学記憶装置の比較的大容量の記憶及び高速アクセスを可
能にする努力の例が次の文献に示されている。それは、光学スキャナーを含むデ
タル情報写真記録・再生装置の米国特許第3806643号、光学スキャナー
の米国特許第3885094号、多レンズアレイを使用する高密度光学記憶装置
の米国特許第3898005号、光学大容量記憶装置の米国特許第399657
0号、リードオンリメモリの米国特許第3656120号、光学記憶装置の米国
特許第3676864号、高密度光学記憶装置から読み取るための多レンズアレ
イを使用する装置の米国特許第3899778号、光学記憶検索装置の米国特許
第3765749号、高密度ソリッドステート光学記憶装置の米国特許第466
3738号である。これらの装置のいくつかは本発明の目的に適合させようと試
みているが、数点において問題がある。

0005

例えば、上記のいくつかの装置は、有用なデータ密度を検索するために必要な
解像度を与えることができないレンズ又は他の光学構造を備えている。従来のレ
ズ装置によるデータ像の光学解像度は、他の形の記憶装置匹敵する十分なデ
ータ密度及びデータ転送速度に至らなかった。顕微鏡対物レンズのような分野
において使用されるレンズ装置は必要とされる解像度を理論的に可能とするが、
そのレンズの組合せは、近接したデータフィールドに記憶されたデータを読み取
るためには全く適していない。既存の装置が遭遇した他の困難は、温度の実際的
な影響、データのフィルム又は層とレンズの組立体光学データ電気信号に変
換する光学センサとの間の機械的関係の物理的障害である。例えば、このタイプ
の均一な適度の密度の光学記憶装置の熱膨張効果は、光学データ像と読出しセン
サーとの間に困難な位置ずれをもたらす。同様な困難が、記録プロセスとその後
読取りオペレーションとの間の所要の位置合わせにある。高密度光学成分の位
置ずれの検索は、データの総計的な損失でなければ、相当なデータエラーを生じ
る。最密アレイの結像レンズエレメント固有の重なりのために、すべて回折
のエレメントを使用し、可能であれば、単一の回折面を使用することが望ましい
。しかし、考慮すべき基本的な光学装置としての制約がある。光学装置には開口
があり、この開口は1つの光学エレメントの装置の縁部であり、また、この開口
は好ましくは視覚装置においてダイヤフラム内で動作する。光学設計用語におい
て、この開口は絞りと呼ばれる。この絞りは、光線束の寸法を定め、光学装置を
経る各光線束の位置及び方向を定める。絞りの位置は、像の質に非常に大きな影
響を与える。例えば、開口である絞りはレンズに配置される。(データフィー
ドにおける各ビットすなわち孔のような)フィールドにおける各点からの中央光
線は、絞りの中心すなわちレンズを通過しなければならない。他の例において、
絞りはレンズから距離をおいて配置される。中央の光線はなお絞りの中心をねら
い、該光線は必ずしもレンズの中心を通過しない。

0006

第1の例において、得られる像は不鮮明で、特に全フィールドビットにとって
は不鮮明である。その理由は、すべてのフィールド点からのすべての光線は、同
じレンズの同じ点を通過しなければならず、したがって、同様に作用するからで
ある。しかし、中心外のフィールト点からくる光線束は、傾斜したレンズを通過
し、像を歪ませる。

0007

レンズ及び像面から長い距離をおいた絞りにレンズが適合された第2の例にお
いて、得られる像は軸線上でも軸線外でも鮮明である。これは、軸線から外れ
光線束はレンズを非対称パターンで通過し、部分的に異なるレンズ部分を使用す
るからである。レンズは非球面とすることができるので、大きなフィールドに適
合させることができる。

0008

第2の例では像はよいが、像スポットは、2又はそれ以上のレンズエレメント
を使用する従来のレンズ装置より3/2大きい。したがって、他のことは同じで
あり、単一のレンズを使用する装置の密度は低い。そのような低い密度はある用
途では受け入れることができる。

0009

しかし、単一のエレメントの設計にはさらに制約がある。上記の第2の例にお
いて、良質の像は絞りが軸線外の光線束をレンズの一側に制限したために得られ
た。しかし、この絞りは人工的な構成物である。実際の物理的な絞りは像を越え
て存在しない。実際、隣り合うページのために、実際の絞りを置こうとする場所
がレンズに(又はレンズの前に)ある。穴を持つダイヤフラムはレンズでは使用
できないし、(重なりのために)レンズの縁部が絞りを形成する。レンズの前の
絞りは、光線束がレンズの誤った側に向けれられるために働かず、光線を過大に
曲げようとする。
発明の概要

0010

本発明によれば、光学ランダムアクセス記憶装置(以下、「光学RAM」とい
う。)は、データ層におけるデータの各パッチ又はページに1つの、単一エレ
ントの回折性小レンズのアレイを使用し、回折エレメントを横切るデータビット
光線束の道を制御することによって、遠隔絞りのような効果を生じさせて単一レ
ンズ装置に固有の欠点を修正する。この人工的な又は事実上の遠隔絞りは、映し
出されるべきデータフィールド点又はビットとレンズ軸線の同じ側でレンズを優
先して照明することにより造られる。そうするために、第1に、透いたビットか
らの光の分岐は、光源からの光の波長に関してのビット(孔)の寸法に依り、次
いで、照明源の分岐に依る。ビットが非常に小さい限り、出力の配分は引き伸ば
されたローブ、すなわち、等しい強度の輪郭がビットに正接する円である。ビッ
トの寸法と、ビットからくる光の分岐及び方向を制限する照明分岐とを選択する
ことにより、ビットの輪郭の結果的に最も大きい強度部分が、他のビットの光線
を弱めたままにして、そのフィールド位置のために効果的であるレンズ部分に向
けられる。第2に、回折レンズの効率は、ブレーズに依るばかりでなく、溝にお
ける受光角に依る。溝は3次元構造である。たてよこ比、すなわち、深さ対幅の
比は、本発明によれば、1:1から4:1以上の範囲でレンズでの屈折イン
クスの変化に応じて選択され、好ましくは、3:1以上である。異なる溝のた
めにより大きなたてよこ比を使用することにより、入射光のための受光角は増大
方向で制限される。本発明は、レンズ軸線の反対側から入射する光線の効率を減
ずべく受光角を制限するようにたてよこ比を選択し、像を歪める「悪い」光線を
弱め又は抑制する。

図面の簡単な説明

0011

図1は、本発明に従ってデータを記憶し検索するための回折性の単式レンズア
レイを有する光学RAMの概略図である。

0012

図2は、本発明にかかる装置の好ましい具体例においてデータのパッチ又はペ
ージを選択的に照明するために使用される多数の6角形光源の配置を概略的に示
す平面図である。

0013

図3a,3b,3cは、それぞれ、前記具体例に従ってパッチ又はページにお
けるデータの配置を示す平面図、部分拡大平面図及び部分拡大断面図である。

0014

図4a,4b,4cは、それぞれ、データの各ページが単一の回折レンズエレ
メン又は面によって像が造られる単式回折レンズアレイの平面図、部分拡大平面
図及び部分拡大断面図である。

0015

図5は、センタービット及びデータの単一ページエッジビットから伝わる光
線であってそのデータのページのための単一の回折エレメントのために特に形状
付けられた格子溝により選択的に受け入れられかつ変更される光線を示す、より
大きく拡大した概略図である。

0016

図6は、単一の回折エレメントにより変更されたデータの単一ページにおける
センター及び相対するエッジのビット位置からのデータ光線を示すコンピュータ
シミュレーションである。

0017

図7a,7bは、それぞれ、本発明の単式回折レンズアレイと協同する光学R
AMの正面図及びデータ層に記憶されたデータにアクセスをするためインター
ェース回路ブロックダイアグラムである。
詳細な説明

0018

図1に示すように、光学データを記憶するためのデータ層190は、データ/
レンズカード170の一部として形成され、該カードは、センサーアレイ270
に像を造るべきデータの各ページのための単一回折エレメント又は面を特徴とす
る単式レンズアレイ210と本発明に従って協同する。各データページに1つの
単一回折エレメントは、(図1には示されていないが、図7aの記憶装置に示さ
れている)多数の光源150の1つを付勢するすることによって生じるデータ像
の光を集め、データ層190におけるすべてのデータページ及びアレイ210の
すべての回折エレメントに共通な検索視野レンズ250を経てセンサーアレイ2
70上に像を造るように像光線を処理する。本発明の単式レンズアレイ210の
独特な光学的及び構造的特性の他に、図1及び図7a,7bに示された光学RA
Mの基本的な構造及びオペレーションは米国特許出願第07/815924号及
国際特許出願第PCT/US92/11356号に示されている。データレ
ズカード170は、データ層190及びこの場合単式回折レンズアレイ210を
含む種々の層を一体に接着することによって形成された単位成分とし構成され、
その結果カード170は、取り出し可能であり、また、図7aに示された記憶装
置100に種々のデータを記憶するために他の同様に構成されたデータカード
交換可能である。

0019

本発明が独特であるのは、各データページのための、回折性である1つの面を
有するアレイをもつデータ/レンズカード170の製造の経済性にある。後に詳
しく説明するように、本発明は、レンズアレイ210の回折面を形成する特別に
構成された格子を使用することによって、また、データ層190上のデータビ
ト又はスポットがセンサーアレイ270に焦点を合わせることができないデータ
層からの光線を差別的に拒絶するようにレンズエレメントに格別に形状付けられ
た回折性の格子によって協同するある光の散乱を生じるように特別に形状付ける
ことを必要とすることによって、データ層190上の比較的密なデータを解明
ることができる。

0020

本発明によるデータ/レンズカード170の構造上及び光学上の要件のより一
層の理解のために、それぞれが、データ層と、パッチ又はデータページの形状と
、相互に重なり合う集中格子パターン及び格別に形状付けられ格子状の溝を含む
単式回折エレメント又は面とを示す、図3a,3b,3c及び図4a,4b,4
cを参照する。図3aにおいて、データ層190は、ページ及びデータ密度を最
大限にするために密に詰め込まれたほぼ6角形又は円形セルの形をとる多数の
データページ195に組織される。図3bは、2進データを表す光化学フィルム
におけるスポット又は孔である個々のデータビットを実際より低密度で示してい
る。開いた孔は2進ビットの「1」を表し、閉じた孔は2進ビットの「0」を表
している。データビットは光学素子により解像することができるように濃密に詰
め込まれており、この場合、データホール図3cの横断面に示すように直径d
1=0.9ミクロンで、間隔d2=1.5ミクロンである。これらのデータホール
は後に説明するようにさらに選択され、回折層上の格子溝の幅に対する深さのた
てよこ比と協同する平面波頭を有する光源からの光の拡散エンベロープが、セン
サアレイ270上にデータ層の高解像度の鮮明な像をもたらす図1の光学結像
置における事実上又は人工的な絞りを生じる。

0021

図4a,4b,4cを参照して、単式回折格子層230は、各データページ1
95に1つの回折エレメント215を形成する互いに重なる円形の格子を有する
。格子の重なりは、図4a及び4bに誇張して示されているが、重なりが必要と
されるのは、光線が、図1に示すデータ層190から伝わる際、軸線から外れ、
データ層190の最密のデータページ195のために隣接した回折レンズエレメ
ント215に向きを変えるためである。図4からは認識できないが、各回折レン
ズエレメント215の格子パターンは、本発明にとって重要で、図5に関して後
に説明する格子溝における選択された幅に対する深さのたてよこ比を有する。

0022

像の鮮明度を最適にするために像を越えた位置に実際の物理的絞りを置くこと
はできないが、本発明は、データ光線束が回折レンズエレメントと交差する道筋
を制御すべく他の光学構造により人工的な絞りを生じさせることにより同じ又は
類似の結果を達成することが提案する。詳しくは、図5に示すように、単一ペー
ジ195のための単式回折レンズ215は、中心すなわちレンズの軸線217の
、像が造られるデータポイントと同じ側が優先的に照明される。このことは好ま
しい実施例において各データビット用の孔寸法を使用することによって部分的に
達成され、該孔寸法は、光源光の予め定められた波長λに関連して、軸線217
の反対側でレンズをデータビットから分岐し照明する「悪い」光線を弱め又は最
小限にするために光の分岐及び方向を制限する出力拡散エンベロープすなわち強
プロフィル219を生じさせる。換言すれば、図5に示すように、レイパス
21に従う光線は、次の関数に従って強度エンベロープ219により弱められ又
は最小にされる。

0023

この関数は、点光源に生じるエンベロープの強度を定義する、光源の波長とデ
ータホールの直径との関数である。この具体例において、0.645ミクロンの
波長は光源光として使用され、データページ195におけるデータホールは0.
9ミクロンである。強度エンベロープは、データページの末端のビット位置にお
いて、中心線217の他方の側で回折レンズエレメント215を通過する角度で
点光源から分岐する光線を著しく弱めることが観察される。その分岐する光線は
線221で示され、該線はセンサーアレイ上の像を最適にするためのものと区別
される。

0024

好ましい具体例の第2の光学的な特徴は、図5に示すように、幅より大きい深
さのたてよこ比を有し、その比が少なくとも3:1であることが好ましい格子溝
模様223をもつ単式回折レンズ215を組み立てることにある。特定の幅深さ
比をもつ格子溝の3次元幾何学は、図5に示したレイパス221によって示さ
れるような悪い光線と区別する受光角を生じさせる。溝223のたてよこ比は、
1:1から4:1であり、また、カードの透明な接着材から回折レンズ215の
材料を経る屈折のインデックスの差によってはそれ以上であり、好ましいたてよ
こ比は、前記したように、3:1に等しいか又はこれより大きい。この回折溝
たてよこ比は、センサーの像面に達することが許されるならば、常軌から外れた
像を造り、データの読取りエラーを生じさせる悪光線を区別し、これを弱める
ために、ビットホール光の細長強度プロフィルと協同する。

0025

図6は、センタービット及び2つの末端ビットからなるデータページ195上
のデータビットを処理する単式回折レンズエレメント215の結像効果を示すコ
ピュータシミュレーションである。図6において、視野レンズは、光線の束が
単式回折レンズ215により処理される際の末端ビット位置からの光線の束の交
差を明瞭に示すために図示されていない。図5,6において、完全に動作する光
学RAMはページ195のアレイ及びそれぞれが実際に図1及び図7aに示され
ているサンドイッチデータ/レンズカード170の層を形成する回折小レンズ又
はレンズ215のアレイを有する。

0026

図7aを参照しかつ図7bに示された関連するアドレッシング及び制御エレク
トロニクスを参照するに、光学RAM100の動作は、前記した米国特許出願第
07/815924号及び国際特許出願PCT/US92/11356に詳細に
記載されている。アドレッシングエレクトロニクス290は、フラットブス
レートにまとめられ、かつ、像がセンサーアレイ270に形成された後にデータ
の特別な列を選択するためにアドレスバッファ125を介してインターフェース
バス123に接続されたデータバス121からのアドレッシングデータを受け入
れることにより光学RAM100からのデータにアクセスをするために図7aに
示したように取り付けられている。これは、行選択スイッチ127を操作するこ
とによって行われる。選択されたデータページを照明するために、データバス1
21から入手できるアドレスは、センサーアレイ27に像を造るためにデータの
単一ページ195を照明すべくxデコード135及びyデコード137に光源1
50の多光源ドライバー130の特別の1つを選択させるxコードバス131及
びyコードバス133に送られたページアドレスデータを含む。タイミンコン
トロール139は、それ自体知られている方法で、ページ光源ドライバー130
源を制御する「パルスLED」、電荷結合デバイスセンサーアレイ270からの
データの読取りを制御する「パルスCCD行」、センサーアレイ270からの出
マルチプレクサを制御する「ゲートMUX」及びデータ出力マルチプレクサ及
データユーザーバスに対するインターフェースからの、用意ができている信号
である「データレディ」としての一連タイミング制御信号を発する。センサー
アレイからの270からのデータの出力は、バッファレジスター141、マルチ
プレルサ143、バス145に対するインターフェース及び出力データバス14
7を経て得られる。

0027

いくつかの具体例についてのみ説明したが、本発明の範囲内において他の同等
の手段、装置及び方法を採用することができることは当業者にとって明らかであ
る。

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