JPH07501168A - 三次元光データの記録再生方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 三次元光データ記憶及び検索方法 発明の背景 本発明は、ザ・ナショナル・インスティテユーツ・オブ・ヘルスにより与えられ た交付金番号Ｐ４１ＲＲＯ４２２４のもとに、及びザ・ナショナル・サイエンス ・ファウンデーションにより与えられた交付金番号ＤＩＲ８８００２７８のちと に政府援助によってなされた。政府は本発明に一定の権利を有する。

本発明は、一般に三次元媒体中、データを記憶する方法に、より詳しくは屈折媒 体中、二光子励起を用いる光データ記憶技術に関する。

慣用二次元光データ記憶は、回折限界で可視及び赤外波長を用い、約１０＠ビツ ト／ｃｆｆｉ２で情報を記録することができる。三次元フォーマットでデータを 書込み、読み取ることにより、１０′２ビット／ｃｍ　３より大きなデータ記憶 密度を達し得たことが報告された。例えば、二交差ビームの放射線の使用を開示 し、活性媒体の選択された光学的性質に適合し、異種物を形成し、検出する、ス ワイソン等に対する米国特許第４．４６６、０８０号及び第４．４７１．４７０ 号参照。このような系では、多数の二次元の（２−Ｄ）平面ビットが有効に配列 し、三次元の（３−Ｄ）スタック中、面の数によりデータ密度を増殖させる。そ のような計画による主な困難は、面の間のクロストークであるが、厚媒体中、三 次元分解による書込みは、データ記憶を選択された焦点面にとどめるために、媒 体の非線形励起により達成することができる。どのようにしてこれがなされるか を見るため、物理的に厚いが光学的に薄い吸収試料に投射するよく下に飽和して いる強度の単一集束ガウスビームを考える。投射する放射線の方向に線状である 励起の場合については、はとんど同じ正味光子束が各面を交差するので同量のエ ネルギーが焦点面からの距離に関係な（光軸を横断する各面に吸収される。従っ て、線状励起は、アドレス指定されている特別の隼点面の上下の面を強く汚す。

しかしながらその強さに二次的に依存する励起計画のために、面当りの正味励起 は、焦点面からの距離の二乗に反比例して減する。従って、情報はレイレイフ範 囲Ｚ。＝πＷ。２ｎ／λ（式中、ｎは媒体屈折率であり、λは波長であり、そし てＷ、＝１．２２λ／Ｎ、　Ａ、である）を越えて隣接面を有意に汚染すること な（、特定の焦点面に書込みできる。最小スポットの大きさは、丸開口について のレイレイフ基準により概算しつる。

特許第４．４６６、０８０号及び第４．４７１．４７０号は、情報の書込み及び 読取りを３−Ｄ光互変性物質光学メモリーに集束させるため２又はそれ以上の交 差するビームの使用を提案した。デンク等に対する特許第５．０３４．６１３号 、その開示を引用して明細書記載の一部とする、は、二光子励起により記録し、 読取る単一高集束ビームを用いる、より簡単な計画を提案した。続いて本出願人 等は、プロシーディンゲス・オブ・ン・インターナショナル・ソサエティ・フォ ア・オプティカル・エンジニアリング、１３９８巻　１０７−１７７頁　１９９ １年、「ツーホトン・エクサイティション・イン・レーザー・スキャニング・フ ルオレセンス・マイクロスコピイ」に記載されるように、光化学的に修飾される まで非蛍光であった蛍光染料の二光子光活性化による高密度光データ記憶を実施 した。しかしながら、蛍光調節に依存するメモリーは、それらの有効寿命が光漂 白により限られるという限定を受ける。

発明の要約 本発明によれば、三次元の多層フォーマットに、データを書込み、読取る光学技 術の提供によって前述の問題が解決され、そこでは、高集束モード同期レーザー のウェストにより定義された容量で、ポリマー媒体の架橋結合又は劣化を励起し た二光子により誘導される、反射の修飾指数のサブミクロンボクセル（ｖｏｘｅ ｌ）として情報が記載される。

このように記憶された情報は、レーザー差動干渉対比顕微鏡検査により三次元分 解によって後に読み取る。これらの技術により１０′２ビツト／ＣＣよりも大き い空前の密度でデータが記憶され、スピニングディスクフォーマットへのそれら の応用により、現在入手可能な２−Ｄディスク機械よりも１００倍大きい情報記 憶容量を有するメモリ素子を製造する能力を有するようになる。この方法は、又 、光計算での重要な応用について提案されてきた型の容量ホログラムを産生ずる コンピューターの加工に適するよってある。

二元子励起は、発色団分子による二元子の同時吸収に関連する。しばしば、単一 光子吸収により正常にアクセスされる真の励起状態もそれぞれが単一光子のエネ ルギーの半分を有する二つの量子の吸収により励起しつる。これに関連して、方 法の必須の特徴は、光子が分子に同時に当らなければならないことである。即ち 、励起速度は入射強度の二乗に比例する。これにより励起は強度が非常に高い楕 円焦点容量にとどまる。本発明の好ましい形では、そのような励起は、各光学が 正常な単一光子吸収に要するエネルギーの１　１／２　（ｏｎｅ−ｈａｌｆ）を 有する感光性重合体分子により二元子の同時吸収を生ずるのに十分な入射強度を 与えるレーザーにより生ずる。

図面の簡単な説明 本発明の前述した付加的目的、特徴及び利点は、添付されている図面と共にその 好ましい実施態様の以下の詳細な説明を読むことにより当業者にとって明らかと なるであろう。図面において、 図１は、本発明による三次元の反射体（ｒｅｆｒａｃｔｉｌｅ）光メモリーを記 載し、読み取る実験装置の図式イラストであり、図２及び３は、それらが図１の 装置により三次元の光学的メモリーとして記載された後、スタックから取られた 近接ランダムビット平面の画像であり、図４は図２及び３の平面の１０のスタッ クを通る縦断面の画像であり、そして図５は、２５層メモリースタックの中央部 分を通る縦断面の画像である。

好ましい実施態様の説明 屈折率での材料及び共存物増加の密度増加となるポリマーのような材料での架橋 反応の二元子光誘導は、三次元で相データを書き込むのに用いうる。出願人は、 液体アクリル酸エステルブレンド、例えばサード・システムズ、バレンシアＣＡ から入手可能なシバツールＸＢ５０８１が、６２０ｎｍ波長の高集束高ピーク電 力パルスレーザ−照射を用いる二元子励起により固化しうることを見出した。暴 露により、この材料の固化域は反射のために溶液内で可視となり、光メモリー媒 体の対象としてこの種の材料を示唆する。多くの光硬化性樹脂は架橋又は光分解 のいずれかにより密度変化を受けることが知られ、又、相記録メモリー媒体とじ て有用であるべきである。さらに可逆光屈折材料は、もしかすると消去可能光メ モリーとして用いつる。そのような材料は、既にホログラフィ−三次元データ記 録機構に用いられていたが、かなり低いデータ記憶密度でしかなかった。

蛍光メモリーの場合のように、反射体メモリーは記入方法と同様に高い細分解を 有し、又、焦点背景の外側に対して識別する技術によって読み取られなければな らない。顕微鏡検査のよく知られた技術である差動干渉対比顕微鏡検査（ＤＩＣ ）は焦点面でのみ起きる光学的路程差に敏感であるようになされうる。これは、 全フィールドを示す代わりに材料を走査するレーザービームを用いることにより 達成され、これにより面偏光ソースビームの２つの焦点交差分極成分は、横方向 に短い距離（〈１μｍ）に分けられた標本を通過する。成分ビームが非常に近接 し、又は少量だけ重なり合う焦点面で、２つのビームが異なる屈折率の区域を通 ると、それらは相対的相シフトを破るであろう。これらのビームを検出し、次い で再び組合わせることによりこれらが画像面で干渉し、又、ソースビーム偏りに 相対的な検出ビームの偏りを分析することにより、焦点面で材料内の２つのビー ム間に起きた相対的相シフトを測定することが可能である。材料を通る、集束ビ ームをラスク走査すること及びＣＲＴ上に検出強度を表示することにより、屈折 率の横断勾配の画像が生じる。構成ビームは焦点面の外側で太き（重なり合って いるので、この技術は焦点面でのみ情報に敏感である。相感受性は、２つの直交 偏りを記録し、正常な差動シグナルを計算することにより、さらに改良できる。

（例えば、Ｗ、デンク及びＷ、　Ｗ、ウェブ、アプライド・オブテイクス、２９ 巻　２３８２頁（１９９０）参照）。

本発明による光メモリーは、顕微鏡スライドとカバースリップの間に置かれた約 １００μｍ厚のフィルム試料としてデータ記憶用に造られうる感光性重合体、シ バツールのフィルムの形でありうる。フィルム試料は、試料をゲル化し、これに より収縮及び流出による歪を防止するために３ｍＪ／ｃｍ”のＵＶ光をまず照射 する。次いで試料１０を一般に１２に示される倒立顕微鏡、それはツアイス・モ デルＩＭ−３５でありうる、の載物台１１上に置く。試料は、高開口数（Ｎ、　 Ａ、　）対物線１４、例えばニコンブラナボ６０Ｘ１．４Ｎ、Ａ、を経て、アル ゴンイオンレーザ−１８により励起された。１６に図形１２に示される衝突パル スモード同期色素レーザーから、例えば６２０止波長光の１０Ｏｆパルスでデー タ記憶用に照射する。グイクロイックミラー２１及びレーザー走査共焦点顕微鏡 、例えばバイオラドのモデルＭＲＣ−６００のコンピューター調節走査ミラー（ 示さず）により、レーザービーム１０を顕微鏡２０に与える。載物台１１に置か れた試料１０は、顕微鏡１２の集束調節ノブ２６に連結し、コンピューター２８ により調節される、ステッパ電動機焦点調整器により軸又はＺ方向に移動する。

コンピューター２８は、又、顕微鏡２２の走査ミラーに結合し、試料上のレーザ ー１６からの照射ビーム２０のＸ−Ｙ移動を調節する。

Ｘ−Ｙ方向にレーザービーム２０を動かすことにより、ビーム２０により走査さ れている横位置に二次元ビット面が規定され、その面にデータ点を規定する。

異なる面に集束するよう対物レンズ１４をＺ方向に動かすことにより、異なる二 次元ビット面が規定され、これにより三次元スタックのデータが試料中に記入で きる。試料中の位置に集束された光が、試料材料の二元子光重合を生じるように 試料の材料を修飾するのに十分な瞬間強度を有すると、書込みが起きる。そのよ うな重合は、標本材料の特徴に変化、例えば材料の非常に小さな点又は画素でそ の屈折率に変化を生ずる。この変化は、走査ビームの焦点の外の、従って試料材 料の二元子励起の地帯の外の周囲の材料とは異なる材料のビードを生じ、この変 化はその焦点又は画素位置でデータビットと称しつる。

図１の装置を用いる実験に於いて、Ｘ−Ｙ走査及びＺ方向焦点はコンピューター ２８により予め定めたパターンで定期的にシフトし、各選択画素位置に約１０ｍ の走査ビームにドウエルタイムを与える。色素レーザー１６は、１０ＭＨｚの反 覆速度で強い１００ｆパルスの光を生じ、２−３　ｍＷ平均電力を生ずる。各選 択画素位置で材料をこの光に約１０ｍの間暴露することにより、標本の選択位置 に三次元配列の明らかな光学的に非並行の屈折ビードを生ずる。この配列は、デ ータビットを表わしている屈折ビードを伴う、Ｘ−Ｙデータビット面のスタック 化層の形である。

前述の通りに配列に形成された光学的屈折ビードは、図２及び３に示され、図に 於いて、一対の隣接ビット面３４及び３６は多重度の画素位置３８を含んでいる ように示される。面３４及び３６は、約３ミクロメーターで分けられている隣接 面で、スタック中に互いに近接していた。各面の画素位置は、中心と中心で約１ ミクロメーターで横方向に分離され、スタックに０．３Ｘ１０”ビット／ｃｒｓ ”のビット密度を生じる。２つの面上の画素位置に記載されたデータは灰色区域 ４０により示される。

一般に４２−５１に示される１０面のスタックを経る縦軸横断面は、図４に示さ れる。本スタック中の面は、上述したように３ミクロメーターでＺ方向に分離さ れる。１．６Ｘ１０”ビット／ｃｔｒ”のデータ密度を有する３０面厚さまでの 同様の構造が、２５層構造からのセクションを示す、１．３Ｘ１０”ビット／ｃ ｔａ”の密度を有する図５の状態で産生じた。図４の画像において、二次背景減 算をデジタル的に実施し、ＤＩＣ結像法により生じたフィールドランプを除いた ことに注目されたい。

前述の方法により形成された光メモリーは、データ含有面、例えば面４２−５１ の各々を連続的に結像することにより、段階１１により運ばれた試料１０にレー ザー光を導くことにより、再びレーザー走査顕微鏡２２の光を用い読み取りうる 。次いで試料中、指定されたＸ、Ｙ及びＺ画素位置での光学的屈折ビードの存在 又は不存在は、予め記入したデータを検索するように測定できる。より詳しくは 、アルゴンイオンレーザ−５０（図１）は、例えばジクロイックミラー２１、レ ーザー共焦顕微鏡２２の走査ミラー及び倒立顕微鏡１２の光により、標本上に４ ８８１１の波長で光の読み取りビーム５１を注ぐ。読み取りビーム５１は、標本 を通りレンズ５２を通り、レーザー走査顕微鏡２２の一部を形成する光電子増倍 管光検知器に光を注ぐ適当な光管５４に達する。読み取りビームは、Ｘ−Ｙ面の スタックの各層を走査し対応する画像を造り、焦点調節２４により種々′の面上 に顕微鏡を連続的に焦点合せすることによって、スタックの各層を読み取ること ができる。このように作られた面画像はモニター５６上に表示され、適当な処理 回路に提供され、例えば上述したデータ記録処理により形成される耐火（ｒｅｆ ｒａｃｔ。

ｒｙ）ビードの形にデータビットを含むこれらの画素の位置を測定しうる。

上記したように、試料の密接にスペースが取られたビット面を読み取り又は表わ すため、Ｇ、ツマ−スキ、ジャーナル・フィズ・ラジウム１６．９ｓ−１１ｓ（ １９５５）により記載されるように差動干渉対照（ＤＩＣ）顕微鏡検査を用いる 。というのは、それが試料の焦点面からのみ発する光路程差に敏感であるからで ある。

レーザー走査顕微鏡は面偏光読み取りビーム５１を、横方向に短距離（１ミクロ メーターより小）で分離された試料１０を通る２つの集束交差偏光成分に変換す る。要素ビームがわずかに重なり合う標本の焦点面で、画素、又は屈折率は変化 するが変化しない他のビームは隣接区域を通過するデータビット区域を通過する ビームの一つにより起きる相対的相シフトをビームは受けるであろう。試料を通 過した後、これらのビームは再び結合し、それによりそれらは画像面に干渉パタ ーンを示す。元の偏りに関し、画像ビームの偏りを分析することにより、焦点面 でビームに生じた相対的相シフトを測定することが可能である。

次々に試料の各層通過集束ビームを走査することにより、データ面のスタックに ついての屈折率の横軸勾配の画像を作ることができる。

三次元反射体データ記憶は、最新の市販光データ記憶製品に用いられる回転円板 フォーマットに完全に適応できる。読み取り装置はＤＩＣ伝送光の合体を必要と し、記録（又は書込み）装置は高ピーク出力超速モード同期レーザー源又は他の 便利な短パルス源を必要とする。別法として共鳴強化二光子吸収媒体は慣用レー ザーダイオードで記録することができるより高い二元子断面積を与えつる。

書込まれたビットの容量は１／（Ｎ、Ａ、）４に依存するので、真数開口集束光 がデータ密度を最大にするのに必要である。例えばＮ、Ａ、＝０．９の非液漬対 物レンズを用いると６関係事項の因子によりデータ密度を最良油漬対物レンズま で減する一方、理論的限度は約１０１２ビツト／ｃｔａ”に止まる。さらに書込 まれうる層の数がレンズ作動距離に依存するので、乾燥レンズにより、より多（ のデータ層を有するより厚いメモリー構造が使用されるべきである。

上記した実験系の記入速度は比較的遅いが、一方、最新の入手可能なレーザーを 用いる１００の因子による入射ビームの出力の増加は、１０．０００までこの材 料についての書込み速度を増加する。高二光子吸収断面積に対しての材料及び照 射波長の思慮深い最適化により、又、より高い入射力の使用により、サブミクロ セカンドボクセル書込み時間が予想される。書込み時間は、結局、）くルスレー ザーの反覆速度によってのみ限定され、一方、３−Ｄ光メモリーについての最大 読み取り速度は、最新の２−Ｄ系におけるように、走査系及びスピニングディス クの機構によってのみ限定されるべきである。

本発明は好ましい実施態様に関して記載したが、以下の請求の範囲に記載される ように、その真の精神及び範囲から逸脱することなく、変更及び修飾がなされ補 正書の翻訳文提出書 （特許法第１８４条の８） 平成６年１月２０日

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. １．集束しうる干渉性の光の単一の強いビームを生じさせること、ビーム感光性 材料上に集束し、ビームの焦点に該材料の二光子励起を生じさせ、これにより該 材料に特有の変化を生じさせること、を含む三次元分解により光データを書込む 方法。
2. ２．該ビームの集束により、該焦点に、該材料中に屈折率異種物を生じさせる、 請求項１の方法。
3. ３．該ビームの集束により、感光性材料の密度の修飾によって屈折率異種物を生 じさせる、請求項１の方法。
4. ４．選択された位置で、該材料に特有の変化を生じ、これによりそこに三次元異 種物を生ずる、該材料を通る該ビームを走査することをさらに含む、請求項１の 方法。
5. ５．該ビームを走査する段階が、Ｘ−Ｙ面で該ビームの焦点を移動させ、該材料 内で該Ｘ−Ｙ面に多数の画素位置を定めることを含む、請求項４の方法。
6. ６．該ビームを走査する段階が、該ビームの焦点をＺ軸に沿ってシフトさせ、該 材料内に多数のＸ−Ｙ面を定め、これにより該材料中に三次元配列の画素位置を 定めることをさらに含む、請求項５の方法。
7. ７．偏光レーザー読取りビームを生じさせること、該読取りビームから一対の集 束干渉偏光成分ビームを造ること、異種物を含有している媒体中、近接位置で、 該成分ビーム対を集束させること、及び該媒体中に異種物の干渉像を生ずる、該 媒体を通る該集束ビームを走査すること を含む、媒体中に屈折率異種物として記憶した光データを読取る方法。
8. ８．三次元分解で光データを書き込み、次いで読み取る方法であって、予め定め た強度の光の適用により修飾可能な感光性材料の三次元媒体を提供すること、光 の単一の強烈なビームを造ること、 該媒体内で焦点に該光のビームを集束すること、該媒体を経て該焦点を走査し、 該媒体の選択点に該媒体の二光子励起を生成させ、媒体の選択された特有の修飾 を生成させ、各修飾は該媒体中に光データビットを示す、そしてその後、該媒体 を経て集束読取りビームを走査することにより該媒体に生成した光データビット を読取り該光データビットに対応する干渉パターンを生じさせること、を含む。