DE1282342B - Vorrichtung zum Auslesen der Daten eines optischen Speichers - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

deutsches mrrw^ Patentamt

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

G06k

Deutsche KL: 42 m6 - 9/08

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

P 12 82 342.6-53 (J 29638)

17. Dezember 1965

7. November 1968

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Auslesen der Daten eines optischen Speichers, die in Form von lichtdurchlässigen und lichtundurchlässigen Bereichen bestimmter Anordnung vorliegen.

Die für das Auslesen der Daten in einem solchen Speicher erforderliche Trennung der einzelnen Datenelemente kann dadurch erreicht werden, daß das auszulesende Datenmuster mehrfach abgebildet wird und aus jeder Abbildung ein anderes Datenelement ausgelesen wird.

Bekannte Vorrichtungen arbeiten dazu mit teildurchlässigen Spiegeln und Linsenanordnungen. Als nachteilig wird dabei empfunden, daß im allgemeinen ein eigener optischer Kanal für jede zu erzeugende Abbildung erforderlich ist oder daß die erzeugten Abbildungen keine identischen Wiedergaben des auszulesenden Datenmusters sind.

Die genannten Nachteile werden bei einer Vorrichtung zum Auslesen der Daten eines optischen Speichers, die in Form von lichtdurchlässigen und üchtundurchlässigen Bereichen bestimmter Verteilung vorliegen, unter Verwendung von teildurchlässigen Spiegeln und von Linsensystemen zur Mehrfachabbildung eines Datenmusters auf verschiedene Masken erfindungsgemäß dadurch vermieden, daß drei as gleiche Krümmungsradien aufweisende Kugelspiegel vorgesehen und derart angeordnet sind, daß die Krümmungsmittelpunkte des zweiten und dritten Kugelspiegels, die nebeneinander angeordnet sind, auf dem Mittelpunkt des ihnen gegenüber angeordneten Kugelspiegels unmittelbar benachbarte Stelle fallen, während der Krümmungsmittelpunkt des ersten Kugelspiegels zwischen dem zweiten und dritten Kugelspiegel liegt. Die Vorrichtung ist weiter dadurch gekennzeichnet, daß eine Lichtquelle ein neben dem ersten Kugelspiegel angeordnetes Transparent mit einem auszulesenden Datenmuster beleuchtet, das auf den zweiten bzw. dritten Kugelspiegel projiziert und durch Reflexionen mehrfach auf jedem der Kugelspiegel abgebildet wird, von denen der zweite und dritte etwas lichtdurchlässig sind, derart, daß die von ihnen durchgelassenen Lichtmuster durch hinter ihnen angeordnete Linsen auf Masken abgebildet werden, deren jede nur einen jeweils einem anderen Datenelement des Datenmusters entsprechenden lichtdurchlässigen Bereich aufweist, durch den das Licht auf Photodetektoren fällt.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist hinter den Masken eine Sammellinse angeordnet, die das von allen Masken durchgelassene Licht nur einem Photodetektor zuführt, und wird die Lichtquelle mit Impulsen gespeist, deren Impulsdauer Vorrichtung zum Auslesen der Daten eines
optischen Speichers

Anmelder:

International Business Machines Corporation,

Armonk, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. R. Busch, Patentanwalt,

7030 Böblingen, Sindelfinger Str. 49

Als Erfinder benannt:

Wilton Audubon Hardy, Ossining, N. Y.

(V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 17. Dezember 1964
(419 003)

kleiner ist als die vom Licht für das Durchlaufen des doppelten Krümmungsradius benötigte Zeit, so daß entsprechend den nacheinander auf dem Kugelspiegel erzeugten Abbildungen auch die vom Photodetektor erzeugten Impulse nacheinander auftreten.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht das Auslesen von Daten, deren Datenelemente dicht angeordnet sind und durch sie getrennt gelesen werden können, und zwar nacheinander oder gleichzeitig auf Grund mehrfacher Abbildungen. Dadurch können Photodetektoren in einem größeren Bereich angeordnet werden, als das möglich ist, wenn alle Datenelemente direkt von dem Transparent abgelesen werden.

Anstatt binär verschlüsselte Datenelemente abzutasten, kann die erfindungsgemäße Vorrichtung auch dazu verwendet werden, unverschlüsselte Daten abzutasten, wie z. B. alphanumerische Zeichen in einem Zeichenerkennungssystem. Andere Anwendungen schließen das Identifizieren von Fingerabdrücken, die Analyse von Kurvenverläufen und die photographische Analyse ein.

Nachfolgend wird die Erfindung durch die Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert; von denen zeigt bzw. zeigen

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F i g. 1 schematisch eine bevorzugte Ausführungs- einem solchen Winkel reflektiert, daß sie nicht mehr form der Erfindung, auf die Fläche des Spiegels 2 fällt, und damit ist dann

F i g. 2 schematisch eine zweite Ausführungsform die Reihe der Abbildungen beendet. Während in den der Erfindung, Fig. 1, 3a und 3b der Einfachheit halber nur

F i g. 3 a und 3 b die Wirkungsweise der Anord- 5 wenige Reflexionen dargestellt sind, können bis zu nungnach den Fig. 1 und 2, fünfzig oder mehr Abbildungen aus dem Spiegel 2

F i g. 4 eine Abwandlung der in den F i g. 1 und 2 erzeugt werden, wenn sich die Krümmungsmitteldargestellten Ausführungsformen. punkte der Spiegel 4 und 6 äußerst nahe dem

In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Er- Mittelpunkt des Spiegels 2 befinden. Mit Ausnahme findung nach F i g. 1 sind drei Kugelspiegel 2, 4, 6 io kleinerer Verzerrungen auf Grund der sphärischen mit gleichem Krümmungsradius so angeordnet, daß Aberration in dem optischen System (die durch gemehrfache Reflexionen erfolgen. Der Spiegel 2 ist so eignete Wahl der numerischen Apertur des Systems angeordnet, daß sein Krümmungsmittelpunkt zwi- verringert werden kann) sind die Abbildungen auf sehen die Spiegel 4 und 6 fällt, und die Spiegel 4 Grund der Verwendung von Kugelspiegeln in Größe und 6 sind so angeordnet, daß ihre Krümmungs- 15 und Form identisch.

mittelpunkte in die Ebene des Spiegels2 fallen. In Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 sind die

dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung Spiegel 4 und 6 so angeordnet, daß die von ihnen liegt der Krümmungsmittelpunkt des Spiegels 4 etwas erzeugten Abbildungen in die horizontale Achse des rechts vom Mittelpunkt des Spiegels 2, und der Spiegels 2 fallen. Durch geeignete Anordnung der Krümmungsmittelpunkt des Spiegels 6 liegt etwas 20 Krümmungsmittelpunkte der Spiegel läßt sich jedoch links vom Mittelpunkt des Spiegels 2. Das Anordnen auch eine andere Anordnung der Abbildungen auf der Krümmungsmittelpunkte der Spiegel 4 und 6 auf dem Spiegel 2 erreichen, beispielsweise dadurch, daß der Fläche des Spiegels 2 bestimmt die Anzahl und der Krümmungsmittelpunkt des einen Spiegels auf die Lage der erzeugten Abbildungen. Es können auch der horizontalen Achse und der des anderen über andere fokussierende und reflektierende Verfahren 35 oder unter dieser Achse liegt. Die Koordinaten (*„,)>„) angewandt werden. Beispielsweise stellen ein flacher der «-ten Abbildung auf dem Spiegel 2 sind, wenn η Spiegel und eine Linse das bekannte optische Äqui- eine gerade Zahl ist, gegeben durch valent eines Kugelspiegels dar.

Ein Transparent 8, das die Datenelemente enthält, ^xn ~^xa~ ⁿ (^xi~ ^xz) >

ist neben dem Spiegel 2 angeordnet. Das in F i g. 1 30 y„ = y„ — η (V₁ — y₂),

dargestellte Transparent 8 ist in vier Quadranten

unterteilt, von denen jeder ein Datenelement ent- während die Koordinaten der η-ten Abbildung, hält. Der obere linke (erstes Element), untere linke wenn η eine ungerade Zahl ist, gegeben sind durch (drittes Element) und der untere rechte (viertes Element) Quadrant sind lichtdurchlässig, was den binä- 33 x_n = — x_a + 2x_t + (n — 1) (X₁ — X₂), ren Wert 1 anzeigt, und der obere rechte (zweites y„ = — y_a 4- Iy₁ + (n — 1) (V₁ — y₂). Element) Quadrant ist lichtundurchlässig, was den

binären WertO anzeigt. Das Transparent enthält da- Darin sind Jt₁, V₁ die Koordinaten des Mittelpunktes

her die binäre Zahl 1011. Das Transparent selbst des Spiegels 4, während X₂, y₂ die Koordinaten des braucht nicht in der Ebene des Spiegels 2 angeord- 40 Spiegels 6 sind und x_a, y_a die Koordinaten des Transnet zu sein, wenn eine Abbildung des Transparents parents bezeichnen. Die Spiegel besitzen Krümin dieser Ebene erzeugt wird. Das Licht einer Licht- mungsradien von etwa 150 cm und weisen Durchquelle 10 (beispielsweise eines Lasers) wird auf das messer von etwa 5 cm auf. Die Abführvorrichtung Transparente gebündelt. Das Transparent wird dann ist hinter den Spiegeln 4 und 6 angeordnet, um mehr nacheinander auf dem Spiegel 2 durch abwechselnde 45 Raum für die einzelnen Teile zur Verfügung zu Reflexionen an den Spiegeln 4 und 6 abgebildet. Aus haben. Die Spiegel sind dielektrisch beschichtet (so den Fig. 3a und 3b ist der Verlauf der äußeren daß sie beispielsweise 99% des auffallenden Lichtes Lichtstrahlen in dem System zu ersehen. Wie der reflektieren), um zu ermöglichen, daß etwas Licht F i g. 3 a zu entnehmen ist, wird das Licht, das das sie durchdringt. Das Reflexionsvermögen R der Transparent 8 durchdringt, an dem Spiegel 4 reflek- 50 Spiegel muß ungefähr 1,0 betragen, da die Intentiert und erzeugt an der Stelle 14 auf dem Spiegel 2 sität /„ der η-ten Abbildung auf dem Spiegel 2 sich ein reelles Bild. Dieses Bild wird dann durch den ergibt zu I_aR²", worin I_a der Intensität des ausge-Spiegel 6 reflektiert, um ein reelles Bild an der Stelle wählten Musters bzw. Bildes entspricht. 16 des Spiegels 2 zu erzeugen. Aus Gründen der Das Licht, das die Spiegel 4 und 6 durchdringt,

Übersichtlichkeit sind die weiteren Lichtwege in der 55 wird mittels der Linsen 20 und 22, die hinter den Fig. 3b dargestellt. Die Abbildung der Stelle 16 Spiegeln angeordnet sind, gesammelt, um reelle Abwird dann mittels des Spiegels 4 reflektiert, um ein bildungen hinter den Spiegeln zu erzeugen. Vier reelles Bild bzw. eine reelle Abbildung an der Stelle Masken 24-1, 24-2, 24-3 und 24-4 sind in der Ebene 18 auf dem Spiegel 2 zu erzeugen, und diese Abbil- der Abbildungen angeordnet, die durch die Linsen dung wird dann zum Spiegel 6 reflektiert. Weitere 60 20 und 22 erzeugt werden.

Abbildungen auf dem Spiegel 2 werden in ähnlicher Jede Maske enthält einen transparenten Quadran-

Weise durch abwechselnde Reflexionen an den Spie- ten, der den Durchtritt des einem Datenelement der geln 4 und 6 erzeugt. Die durch ihre Reflexionen am Abbildung entsprechenden Lichtes erlaubt. Daher Spiegel 4 erzeugten Abbildungen werden nachein- befindet sich die Maske 24-1 an der Stelle, an der ander von links nach rechts auf der Fläche des 65 die erste Abbildung durch die Linse 20 (vor irgend-Spiegels 2 erzeugt und die durch Reflexionen am welchen Reflexionen) erzeugt wird. Die Maske 24-2 Spiegel 6 erzeugten Abbildungen von rechts nach ist an der Stelle angeordnet, die mit der zweiten erlinks. Möglicherweise wird eine Abbildung unter zeugten Abbildung -zusammenfällt -(wenn die Abbil-

dung 14 auf dem Spiegel 2 zum Spiegel 6 reflektiert wurde und ein Teil des reflektierten Lichtes diesen durchdrungen hat). In ähnlicher Weise sind die Masken 24-3 und 24-4 so angeordnet, daß sie mit der dritten und vierten Abbildung zusammenfallen. Auf Grund einer Inversion einer Abbildung bei jeder Reflexion und einer Inversion durch die Linsen 20 und 22 wurden die ungeradzahligen Masken 24-1 und 24-3 umgekehrt. Beispielsweise durchdringt das von dem ersten Element des Transparents 8 (oberer linker Quadrant) ausgehende Licht den unteren rechten transparenten Quadranten der Maske 24-1. Die geradzahligen Masken 24-2 und 24-4 wurden nicht umgekehrt, da die Anzahl der Inversionen geradzahligist. Beispielsweise ist der rechte obere Quadrant der Maske 24 transparent. Jede Maske kann mehrere transparente Bereiche aufweisen, damit mehrere Datenelemente gleichzeitig gelesen werden können.

Die Masken sind schematisch in den F i g. 3 a und 3 b bezüglich der optischen Achse der Kanäle dargestellt (ein Kanal enthält den Spiegel 4 und die Linse 20 und der andere Kanal den Spiegel 6 und die Linse 22). Wie vorher beschrieben wurde, läßt jede Maske 24 das Licht passieren, das von einem Quadranten des ausgewählten, die Daten enthaltenden Transparents 8 ausgeht. Dieses Licht wird entsprechenden Photodetektoren 26-1, 26-2, 26-3 und 26-4 zugeführt. Die Ausgangssignale der Photodetektoren 26 stellen die Ausgangssignale des Systems dar und sind so lange vorhanden, solange die Lichtquelle 10 Licht aussendet. Wenn die Lichtquelle impulsmäßig betrieben wird, erscheinen die Ausgangssignale zu den Zeiten, die durch die Kurvenverläufe in dei F i g. 1 angedeutet sind. Die Verzögerung zwischen den Ausgangssignalen wird durch die Zeit verursacht, die das Licht benötigt, um einen vollständigen Reflexionsweg (von Spiegel 2 zu entweder dem Spiegel 4 oder 6 und dann zurück zu Spiegel 2) zu durchlaufen. Diese Zeit ist durch den Ausdruck 2 RlC gegeben, in dem R die Krümmungsradien der Spiegel und C die Lichtgeschwindigkeit (3 · 10¹⁰ cm/sec) bedeutet. Wenn beispielsweise die Krümmungsradien der Spiegel 150 cm betragen, sind die Signale 10 Nanosekunden (10~⁸ see) gegeneinander verzögert.

Um aufeinanderfolgende Ausgangssignale zu erhalten, wird der Lichtquelle vorzugsweise während eines Zeitintervalls, das die für eine vollständige Reflexion benötigte Zeitspanne nicht überschreitet, ein Impuls zugeführt. Eine andere Möglichkeit besteht darin, einen länger andauernden Impuls zuzuführen und das Ausgangssignal des Photodetektors zu differenzieren, um die Vorderflanke des das System durchlaufenden Lichtimpulses festzustellen. Die Zeitspanne zwischen dem Auslesen aufeinanderfolgender Datenelemente kann weiter durch Vermeiden des Auslesens während bestimmter Reflexionen vergrößert werden. Wenn beispielsweise alle Masken entweder nur hinter dem Spiegel 4 oder hinter dem Spiegel 6 angeordnet sind, wird das Zeitintervall verdoppelt. Offensichtlich sind noch weitere Ausdehnungen möglich, indem das während jeder dritten, vierten usw. Reflexion erzeugte Licht an Stelle des während jeder zweiten Reflexion erzeugten ausgewertet wird. Daher wird das Transparent mit den Eingangsdaten, das die binäre Zahl 1011 darstellt, ausgelesen und erzeugt elektrische Signale auf der ersten, dritten und vierten Ausgangsleitung, entsprechend den »!«-Datenelementen. Kein Signal wird auf der zweiten Ausgangsleitung erzeugt, entsprechend dem »O«-Datenelement.

Eine zweite Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 2 dargestellt. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der nach F i g. 1 nur bezüglich der hinter den Spiegeln 4 und 6 angeordneten Photodetektoren. Anstatt getrennte Photodetektoren 26 (F i g. 1) zu verwenden, wird nur ein Photodetektor 28 benutzt, und die Lichtsignale von allen Masken 24 werden mittels einer Linse 30 dem Photodetektor 28 zugeführt. Die Linse 30 bildet die Fläche des Spiegels 2 auf die lichtempfindliche Fläche des Detektors 28 ab (mit Ausnahme des Lichtes, das durch die Masken 24 ferngehalten wird). Die Licht* quelle 10 wird impulsmäßig betrieben, wie das in Verbindung mit F i g. 1 beschrieben wurde, und das Ausgangssignal des Systems wird durch einen Impulszug gebildet, der den Datenelementen in dem ausgewählten Transparentmuster 8 entspricht. Daher wird die binäre Zahl 1011, die das Ausgangssignal bildet, durch einen Impuls, einen fehlenden Impuls und zwei Impulse dargestellt. Wie bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 wird der Abstand zwischen den Impulsen durch die Krümmungsradien der Spiegel bestimmt.

Die Ausführungsform nach Fig. 2 ist nicht nur für die Verwendung bei der Abtastung von Mustern binärer Datenelemente geeignet, sondern das die Eingangsdaten enthaltende Transparente kann beispielsweise alphanumerische Zeichen, die einer Zeichenerkennungsvorrichtung zugeführt werden sollen, darstellen.

In anderen Ausführungsformen, die denen nach F i g. 1 und 2 entsprechen, werden die Daten hinter dem Spiegel 2 anstatt hinter dem Spiegel 4 oder 6 ausgelesen. Obgleich der geringe Betrag an Lichtenergie, der den Spiegel 2 durchdringt, ausgelesen werden kann durch erneutes Abbilden der reflektierten Bilder, die auf dem Spiegel 2 durch geeignet angeordnete Masken und Photodetektoren erzeugt werden, enthält der Spiegel 2 vorzugsweise transparente Bereiche in seiner reflektierenden Beschichtung, die einem oder mehreren vorbestimmten Datenelementen in jeder Abbildung entsprechen. Bei dieser anderen Ausführungsform werden die vielfachen Abbildungen des Transparents 8 entsprechend der Anordnung der Krümmungsradien der Spiegel 4 und 6 bezüglich der Lage des ausgewählten Transparents nicht längs der horizontalen Achse des Spiegels 2 erzeugt.

Aus der F i g. 4 geht hervor, daß die erste reflektierte Abbildung 32 durch eine Reflexion des Transparents 8 am Spiegel 4 erzeugt wird. Die zweite Abbildung 34 wird durch eine Reflexion des Bildes 32 am Spiegel 6 erzeugt. Nachfolgende (sich nicht überlappende) Abbildungen 36 und 38 werden in der gleichen Weise erzeugt. Die dielektrische Beschichtung des Spiegels 2 ist in den Bereichen 40-1, 40-2, 40-3 und 40-4 entfernt, damit Licht auf einen oder mehrere Photodetektoren gelangen kann. Die entfernte Schicht (F i g. 4) entspricht den transparenten Bereichen der Masken24 in den Fig. 1 und 2, und dadurch wird die Auswahl der Datenelemente in dem Transparent definiert. Während jeder der aufeinanderfolgenden Abbildungen des Transparents wird ein Datenelement ausgelesen oder sehr stark gedämpft auf Grund des Fehlens der reflektierenden

Schicht auf dem Spiegel 2. Der Verlust von Daten in den nachfolgenden reflektierten Bildern beeinträchtigt die Wirkungsweise des Systems nicht ernsthaft, da die verlorengegangenen Daten nicht länger benötigt werden, nachdem sie zu den Photodetektoren gelangt sind. Diese Verfahren haben den Vorteil, daß im wesentlichen die gesamte einfallende Intensität dieses beleuchteten Datenelementes in dem Transparent 8 zu den Photodetektoren gelangt.

Die Spiegel können entweder direkt oder elektrooptisch justiert werden, um Fehler beim Ausrichten zu korrigieren oder zu ermöglichen, daß verschiedene Datenelemente durch die gleichen Masken nacheinander abgefragt werden. Elektrooptische Reflexionsverfahren sind in dem Artikel »Light Beam Deflection Using the Kerr Effect in Single crystal Prisms of BaTiOg« von W. Haas, R. Johannes und P. Choi et beschrieben, der in Applied Optics, Vol. 3, Nr. 8, August 1964, auf den Seiten 988 und 989 veröffentlicht wurde.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Auslesen der Daten eines optischen Speichers, die in Form von lichtdurchlässigen und lichtundurchlässigen Bereichen bestimmter Verteilung vorliegen, unter Verwendung von teildurchlässigen Spiegeln und von Linsenanordnungen zur Mehrfachabbildung eines Datenmusters auf verschiedenen Masken, da-durch gekennzeichnet, daß drei gleiche Krümmungsradien aufweisende Kugelspiegel (2, 4, 6; Fig. 1) vorgesehen und derart angeordnet sind, daß die Krümmungsmittelpunkte des zweiten (4) und dritten Kugelspiegels (6), die nebeneinander angeordnet sind, auf dem Mittelpunkt des ihnen gegenüber angeordneten Kugelspiegels (2) unmittelbar benachbarte Stellen fallen, während der Krümmungsmittelpunkt des ersten Kugelspiegels zwischen dem zweiten und dritten Kugelspiegel liegt, weiter dadurch gekennzeichnet, daß eine Lichtquelle ein neben dem ersten Kugelspiegel angeordnetes Transparent (8) mit einem auszulesenden Datenmuster beleuchtet, das auf den zweiten bzw. dritten Kugelspiegel projiziert und durch Reflexionen mehrfach auf jedem der Kugelspiegel abgebildet wird, von denen der zweite und dritte etwas lichtdurchlässig sind, derart, daß die von ihnen durchgelassenen Lichtmuster durch hinter ihnen angeordnete Linsen (20, 22) auf Masken (24-1 bis 24-4) abgebildet werden, deren jede nur einen jeweils einem anderen Datenelement des Datenmusters entsprechenden lichtdurchlässigen Bereich aufweist, durch den das Licht auf Photodetektoren fällt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß hinter den Masken (24-1 bis 24-4; F i g. 2) eine Sammellinse (30) angeordnet ist, die das von allen Masken durchgelassene Licht nur einem Photodetektor (28) zuführt, und daß die Lichtquelle mit Impulsen gespeist wird, deren Impulsdauer kleiner ist als die vom Licht für das Durchlaufen des doppelten Krümmungsradius benötigte Zeit, so daß entsprechend den nacheinander auf den Kugelspiegeln erzeugten Abbildungen auch die vom Photodetektor erzeugten Impulse nacheinander auftreten.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Journal of the Optical Society of America, Vol. 32, - Mai 1942, S. 285 bis 288.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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