具有衍射单工成像透镜的光随机存取存储器 本发明包含James T.Russell 1991年12月30日申请的，系列号为07/815,924的美国专利申请，和1992年12月30日申请的系列号为PCT/US92/11356的国际专利申请，题目为“光随机存取存储器(OPTICAL RANDOM ACCESS MEMORY)”公开的的技术主题。
本发明涉及光存储和检索以光变化特性存储在光学材料上的数字数据和，更确切地讲，涉及其中使用的成像透镜。
已经有人提出这类具有利用一种薄膜或薄层材料的光修改特性而存储的，和利用没有机械运动的光寻址存取的大量数字数据的光存储器，但是并没有导致广泛的商业应用。由于这种光记录和检索技术具有比现有的需要存储介质相对运动的电-光机构——例如光盘——，和磁存储——例如磁带和磁盘——较快的检索大量数据的突出能力，因而引起人们对它地兴趣。
例如，在使用光盘存储器的情况下，需要旋转记录并且径向地移动读出头以检索数据，该数据是以串行方式输出的。串行存取的数据一般需要输送到一个数据处理器的缓冲器或固态随机存取存储器中，以便适应现代计算机的高速数据寻址和其它操作。固态ROM和RAM可以提供所寻求的相对较高的存取速度，但是当把它们扩充到相对较大的数据容量时，这些设备的成本，尺寸和热损耗限制了它们的应用。
在一些专利文献中公开了为提供有关本发明的技术主题的这种类型的光存储器的相对较大的存储容量和较快的存取速度所作的努力，例如：James T.Russell申请的，题目为“包括光扫描器的数字信息的照相记录和读出系统(PHOTOGRAPHIC RECORDS OF DIGITALINFORMATION AND PLAYBACK SYSTEM INCLUDING OPTICALSCANNERS)”的第3,806,643号美国专利，和题目为“光扫描器(OPTICAL SCA NNER)”的第3,885,094号美国专利；题目为“利用一个多透镜阵列的高密度光存储器装置(HIGH DENSITYOPTICAL MEMORY MEAARRAY)”的第3,898,005号美国专利；题目为“大容量光存储器(OPTICAL MASS MEMORY)”的第3,996,570号美国专利；题目为“只读存储器(READ-ONLY MEMORY)”的第3,656,120号美国专利；题目为“光存储器装置(OPTICAL MEMORYAPPARATUS)”的第3,667,864号美国专利；题目为“使用一个从高密度光存储器读取数据的多透镜阵列的装置(MEANSEMPLOYING A MULTIPLE LENS ARRAY FOR READING FROM AHIGH DENSITY OPTICAL STORAGE)”的第3,899,778号美国专利；题目为“光存储器存储和检索系统(OPTICAL MEMORY STORAGEAND RETRIEVAL SYSTEM)”的第3,765,749号美国专利；和题目为“高密度面向块的固态光存储器(HIGH DENSITY BLOCKORIENTED SOLID STATE OPTICAL MEMORIES)”的第4,663,738号美国专利。尽管这些系统中的一些试图本满足发明的上述目的，但它们都有一个或多个方面的不足。
例如，上述的一些系统的透镜或其它光学结构不能为检索有用的数据密度提供必要的分辨率。这些现有的透镜系统提供的数据图像的光学分辨率不能导致足以与其它形式的存储器相比的数据密度和数据率。尽管某些用于其它领域的透镜系统——例如显微镜物镜——在理论上可以提供需要的分辨率，但这类透镜组合完全不适于读取存储在微小间隔的数据区中的数据。现有设计所遇到的其它困难是温度以及数据膜或层，透镜组件和把光数据转换为电信号的光传感器之间的机械关系的其它物理干扰的实际影响。例如，即使是这种类型的中等密度的光存储器的热膨胀效应也能在光数据图像和读出传感器之间造成严重的重合不良。在记录过程和随后的读出操作之间所需的重合性中也会遇到同样的困难。高密度光学组件的介入重合不准如果不是使数据完全丢失的话，也将造成严重的数据误差。由于在紧密排列成阵列的成像透镜元件中固有的重叠，应当最好使用全衍射元件，并且，如果可能的话，只有单一的衍射表面。但是，要考虑基本的光系统的制约因素。在任何光系统中都有一个定义孔径。这个孔径可能正好是一个光学元件的边缘，或它(最好是在图像设备中)可以正在一个遮光板中操作。以光学设计语言讲，这个孔径称为光阑。光阑设定光束的大小，并且它确定整个光学系统中每一个光束的位置和方向。光阑的位置对图像质量可能有非常重要的影响。例如，孔径光阑可能在透镜的位置。来自一个区域(例如在一个数据区中的每个位)中每个点的中心光线必须通过光阑的中心，即透镜。在另一个例子中，光阑可能放置在超过透镜一段长的距离之外。中心光线仍然对准光阑的中央，所以它们必须不穿过透镜的中心。
在第一个例子中，得到的图像很差，特别是对于满区域位。原因是来自整个区域所有的点的全部光线必须通过同一个透镜的同一个区域，因此受到同样的作用。但是来自非中央区域点的光束将穿过一个倾斜的透镜，这将使图像变形。
在第二个例子中，优化透镜使光阑超过透镜和图像平面间隔一段长的距离，对于在轴线上的和不在轴线上的光线都能得到好的图像。这是由于非轴线光束在一个非对称图样中穿过透镜，并利用了局部不同透镜区域。由于透明可以是非球面的，因此可以容纳大的区域。
尽管第二个例子的图像是好的，但图像点比以前使用两个(或更多)透镜元件的透镜系统大3/2。因此，在其它条件相同的情况下，使用单透镜的系统的密度较小。对于某些应用来说这种较低的密度可能是可以接受的。
但是，在单元件设计上也有限制。在上述的第二个例子中，由于光阑把偏离轴线的光束限制在透镜的一侧，因此获得了好的图像。但是，这种光阑是一种人为的构造。在超过图像之外不可能有起作用的物理光阑。实际上由于相邻的页，可以放置起作用的光阑的唯一的地方是在透镜上(或透镜之前)。带有一个孔的遮光板也不能在透镜上使用(因为重叠)，但透镜的边缘将形成光阑。放置在透镜之前的光阑不起作用，这是由于会把光束导向透镜的错误的一侧，这将过度弯曲边缘的光束。
根据本发明，光随机存取存储器使用一个单元件衍射小透镜的阵列，每个单元件衍射小透镜对着一个数据层上的数据片段或页，并且通过控制数据位光束与衍射元件相交的路径产生一种类似远距离光阑的效应而纠正但透镜系统的某些固有的偏差。通过优先照亮与那些要成像的数据区点或位在同一透镜轴线侧的透镜来产生这种人为的或虚拟的远距离光阑。为了这样作，首先，来自一个透明位的光的发散度依赖于相对于源光的波长的位(孔)的尺寸，其次依赖于发光源的发散度。在位非常小的情况下，输出的分布是一种拉长的波瓣，也就是说一个等亮度轮廓应当是一个与位相切的圆形。通过选择一个位的尺寸和限制来自一个位的光的发散度和方向的照明发散度，可以把所得的位轮廓的最大亮度的部分导向对于那个区域位置有效的透镜部分，而使其余的位光线衰落。其次，衍射透镜的效率不仅依赖于发出的光，还依赖于在一个沟槽的接受角度。沟槽是一种三维结构。根据本发明选择的高宽比，或深度与宽度的比在1∶1至4∶1或更大的范围，这依赖于通过透镜的折射率的变化，最好是3∶1或更大。通过使用较大的衍射沟槽高宽比，入射的光线的接受角受到更大的限制。本发明选择这种限制接受角的高宽比以便减小来自透镜轴线相反一侧的光线的效率，因此一致上述第一种效应一同，进一步地排斥并因而使那些使图像变形的“坏”光线衰落或受到抑制。
图1是显示根据本发明的用于存储和检索数据的具有衍射单工透镜阵列的光随机存取存储器的示意图；
图2显示是在利用本发明的装置的一个优选实施例中用于有选择地照亮数据的片段或页的多个六边形光源的排列的平面图；
图3a，3b和3c分别是根据优选实施例的数据排列的一个平面图，一个放大的局部视图和一个进一步放大的剖视图；
图4a，4b和4c分别是单工衍射透镜阵列的一个平面图，一个放大的局部视图和一个进一步放大的剖面图，其中数据的每页被一个单独的衍射透镜元件或表面成像；
图5是一个放大很大倍数的视图，显示了光线从一个数据的单一页的一个中心位和一个最边缘的位的传播，并且被用于该数据页的单一衍射元件的特殊形状的光栅沟槽有选择地接受和修正；
图6是一个计算机产生的模拟图，显示了被单一衍射元件修正了的，来自一个单一数据页上的中心和相反的最边缘比特位置的数据光线；
图7a和7b分别是一个与本发明的单工衍射透镜阵列结合的光随机存取存储器的正剖视图，和一个用于存取存储在数据层中的数据的接口电路的电子框图。
如图1所示，存储光数据的数据层190被制造为一个数据/透镜卡170的一部分，根据本发明，该数据/透镜卡170与一个单工透镜阵列210结合，该单工透镜阵列210的特征在于有一个用于每一个要在传感器阵列270上成像的数据页的单一衍射元件或表面。这个单一衍射元件，每个数据页一个，收集通过激发多个光源(在图1中未示出，但在图7a的完整的存储器装置中显示了)中的一个而产生的数据图像光线，并且处理图像光线以通过一个插入的场透镜250在传感器阵列270上产生一个图像，该场透镜250是数据层190中所有数据页和阵列210的所有衍射单工元件共用的。在图1中显示的，并且在图7a和7b的装置中更完整显示的，不是本发明的单工透镜阵列的独特的光学和结构特征的，光随机存取存储器的基本结构和操作在有关的共同未决的系列号为07/815,924的美国专利申请中，和系列号为PCT/US92/11356的国际专利申请中进行了说明，这些公开的说明引用于此作为参考。因此，如上述有关的申请中所述，数据/透镜卡170构造成一个整体的组件，该组件是由结合包括数据层190，和，在本发明中，单工衍射透镜阵列210的各层形成的，因此卡170是可以取出的，并且可以再把其它的同样结构的存储不同数据的数据卡插入图7a所示的存储器100中。
本发明的独特之处是可以经济地制造带有一个阵列210的数据/透镜卡170，该阵列210仅有一个衍射的表面，用于每个数据页。如将在下面详细讨论的那样，本发明通过利用一个形成透镜阵列210的衍射表面的特殊结构的光栅，和通过要求适当构造数据层190上的数据位或点使得产生与透镜元件上特殊构造的衍射光栅共同作用的某种散射包络线，以有区别地排斥来自数据层的不能在传感器阵列270上清晰聚焦的光线，而可以分辨高密度的数据。
为了更好地理解根据本发明的数据/透镜卡170的结构和光学要求，参考图3a，b和c，以及图4a，b和c，它们分别显示了数据层和片段或数据页的构造，以及包括重叠的同心光栅图样和特殊构造的光栅沟槽的单工衍射元件或表面。因此，在图3a中，数据层190被组织成包括大量的数据页195，在本例中数据页是紧密排列的大致的六边形或圆形的蜂窝，以获得最大的页和最高的数据密度。图3b以大大低于实际情况的密度显示了独立的数据位，在本例中是在一种光化学膜中的点或孔形式的，用以代表二进制数据。一个打开的孔代表二进制位“1”；关闭的孔代表位“0”。数据位以光学可分辨的密度排列，并且在本例中数据孔的直径d1＝0.9微米，间距d2＝1.5微米，如图3c中的剖面图所示的那样。像下面说明的那样进一步选择数据孔，使得来自一个具有平面的波阵面的光源的光线的散射包络线与衍射层上的光栅沟槽的深度与宽度的高宽比共同作用，在图1的整个光成像系统中产生一个虚拟的或人为的光阑，以便在传感器阵列270上形成一个数据层的高分辨率的清晰的图像。
参考图4a，4b和4c，单工衍射光栅层230具有形成一个衍射元件215的重叠的环形光栅，一个光栅用于一个数据页，并且与之轴向对准。光栅的重叠被夸大了以便在图4a和4b中显示，但某种程度的重叠是必要的，因为光线，当它们如图1所示的从数据层190传播时，偏离了轴线，由于数据层190的密集的页195而进入到相邻的衍射透镜元件215中。尽管不能从图4c看出，每个衍射透镜元件215的光栅图样具有一个对光栅沟槽的选定的最小深度与宽度的高宽比，这是本发明的关键，并且将结合图5更详细地讨论。
由于不可能图像以外的位置放置一个真正的物理光阑以便优化图像的清晰度，根据本发明提出了通过利用其它光学结构控制数据光束与衍射透镜元件相交的路径而建立一个人为的光阑来达到相同的或类似的结果。更准确地讲，如图5中所示，优先照亮用于一个单一页195的单工衍射透镜215的与要成像的数据点相同的透镜的中心线或轴线217一侧。在本优选实施例中，这部分地是通过利用一个用于每个数据位的孔的尺寸而实现的，这个孔的尺寸与预定的源光的波长λ一同造成一种输出包络或亮度轮廓219，其限制光线的偏离和方向，以使那些从起始数据点偏离和照亮轴线217另一侧的透镜的“坏”光线衰落或减至最小。换言之，任何如图5所示的沿光迹221的光线将首先被亮度包络219衰减或最小化，其衰落遵循以下的方程：f(x)=sinπ·d1·sin(x)2λπ·d1·sin(x)2λ·(1+cos(x))2]]>X=-π2′-π2+.01...π2]]>
λ＝0.645微米
d1＝0.9微米
这个方程定义了在一个点光源起始的包络的亮度，并且是光源的波长和数据孔直径的函数。在本实施例中，使用了0.645微米的波长作为源光的波长，页195中的数据孔的直径是0.9微米。可以看到，亮度包络显著地衰减从点光源以一个角度偏离的光线，该角度将使发自一个数据页的最边缘的位的位置的光线通过中心线217的另一侧的衍射透镜元件215。正是图中由点线221表示的偏离光线要被排斥，以便优化在传感器阵列上产生的图像。
本优选实施例的第二个光学特点是制造带有光栅沟槽图样223的单工衍射透镜215，如图5所示，该沟槽具有深度大于宽度的高宽比，这个比率最好至少是3∶1。因此具有如上所述的深度与宽度比率的光栅沟槽223的三维几何形状产生了一种排斥如图5中所示的由光迹221表示的坏光线的接受角。尽管根据从卡的透明结合材料到衍射透镜215的折射率的差别，沟槽223的高宽比可以在1∶1至4∶1或更大的范围，但优选的高宽比，如D比W指出的，是等于或大于3∶1。这种衍射沟槽高宽比与位孔光线的拉长的亮度轮廓协作以进一步排斥，并因此衰减那些坏光线，如果允许这些坏光线到达传感器图像平面，就产生畸变的图像和造成数据读出的误差。
图6是一个计算机产生的，处理包括一个中心位和两个最边缘位的页195上的数据位的一个单一衍射透镜元件215的成像效果。在这个图中，删除了场透镜以便更清除地显示当单工衍射透镜215处理来自最边缘的比特位置的光线束时它们的交叉。应当理解图5和6中的显示，完全操作的光随机存取存储器具有一个页195的阵列，和一个对应的衍射小透镜或透镜215的阵列，实际上如图1和7a中所示的那样它们每个形成夹层数据/透镜卡170的一层。
现在参考图7a，以及图7b中的相关的寻址和控制电子电路，存储器100的操作在上述的共同未决的系列号为07/815,924的美国专利申请中，和系列号为PCT/US92/11356的国际专利申请中进行了详细的说明。寻址电子电路290可以集成在一个平的基底中，和如图7a所示的那样安装，用于在一个图像形成在传感器阵列270上之后，通过从一个连接于一个接口总线123的数据总线121经过一个地址缓冲寄存器125接受寻址数据，以选择数据的特定的行，从ORAM100存取数据。这是通过操作行选择开关127完成的。为了照亮一个选定的页，从总线121得到的包括页地址数据的地址，经过X译码器和Y译码器总线131和133输送，这使得X译码器135和Y译码器137选择光源150的多个光源激励器130中特定的一个，以便照亮数据的一个单一的页195，用于在传感器阵列270上成像。一个定时控制器139以本身已知的方式提供一个定时信号的序列，分别标识为“激发LED”(控制页光源激励器130)；“激发CCD行”(控制从一个电荷耦合器件传感器阵列270读出数据)；“选通MUX”(从传感器阵列270控制一个输出多路复用器)；和“数据准备完毕”(数据已经可以从数据输出多路复用器和连接数据用户总线的接口输出的信号)。可以经过一个缓冲寄存器141，一个多路复用器143，一个总线接口145，和一个输出数据总线147从传感器阵列270输出数据。
尽管这里仅公开了特殊的实施例，但是熟悉本领域的技术人员将会理解，可以对其进行多种过改变和修改，包括使用等同的手段，装置，和方法步骤，而不脱离本发明的精神。