TW516030B - Three-dimensional imaging system - Google Patents

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TW516030B
TW516030B TW088103569A TW88103569A TW516030B TW 516030 B TW516030 B TW 516030B TW 088103569 A TW088103569 A TW 088103569A TW 88103569 A TW88103569 A TW 88103569A TW 516030 B TW516030 B TW 516030B
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Paul Michael Blanchard
Alan Howard Greenaway
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Qinetiq Ltd
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Description

經濟部中央標準局員工消費合作社印製 516030 45llpif . doc/ 0 0 6 A7 B7 ~~1»"«—_________________ 五、發明説明（/ ) 本發明是有關於一種可在一三度空間物間區域內同時 製作複數層之影像的系統。此系統可應用在不同之領域， 如光學資訊儲存（Optical Information Storage)、影像 短時間範圍現象（Imaging Short-t imescale phenomena)、 顯微鏡學（Microscopy):影像三度物件結構（Imaging Three-Dimensional Object Structure)、被動描準 (Passive Ranging)、雷射束輪廓製作（Laser Bean Profiling)、波前分析（Wavefront Analysis)、毫米波光 學（Millimeter Wave Optics)。 使用無畸變之振幅光柵，以一些繞射階來針對一場景 製作完全相同之影像是已知之技術。大部分之能量是集中 在零階中，而大部分剩下能量是進中在+ 1及-1階中。可 使用相位或相位及振幅光柵來改變在不同繞射階中之能量 分佈。 眾所皆知，此光柵之畸變（亦即垂直於光柵線之移位 (Dislocation)可在光線系統中使用來產生相位之改變， 因而可塑造系統之後焦距平面中之波前。此效應已使用了 很多年，其藉由使用一移位光柵來分離在隙遮蓋縫系統中 之多餘基準線，其並已成爲以電腦製作全息圖（Hologram) 的基礎（P M Blanchard，A H Greenaway，R N Anderton，R Appleby， "Phase calibration of arrays at optical and millmeter wavelengths"，J . Opt . Soc . Am. A.，Vol 13, No. 7，ppl 1593- 1600; GTricoles，"Computer generated holograms: an historic review", Appl.〇pt.，Vol 26, 4 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝· 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 516030 4511pif .doc/006 A7 B7 五、發明説明（>)
No. 20，pp4351 -4360, 1987 and M Li，A Larsson，N
Eriksson, M Hagberg，Cont inuous-1evel phase only computer generated holograms realized by di slocated binary gratings", Opt . Lett.， Vol . 21， No. 18, PP1516-1518， 1996)。 使用一"直通焦點組（Thro ugh-Foe a 1 Se r i es)"來製作 三度空間物件影像已經是已知的。藉由此方法，可以此光 學系統來攝取物件之一連串的影像，其中此光學系統是定 焦在物件區域中之不同平面上。一替代方法可同時形成一 矩陣影像，並經由一矩陣透鏡來記錄上述矩陣影像，而每 一透鏡提供一不同焦距狀態。直通焦點組之缺點如下：因 爲連續記錄影像，所以其並不適合用來製作動態過程之三 度空間結構。而上述第二方法之缺點在於其複雜設計，且 所獲得之解析度是受限於矩陣中個別透鏡所傳送之解析 度，其中每一透鏡之直徑是受限於上述矩陣包裝之空間。 經濟部中央標隼局員工消費合作社印製 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 在三度空間光學可讀取之儲存裝置中之資料儲存亦是 已知的（S J u t amu lia and G M Stori，"Three-Dimensional Optical Digital Memory”， Optoelectronics-Devices and Technologies Vol 10, No. 3, pp343-360, 1995 and K Kobayashi and SS Kano, "Multi-Layered Optical Storage with Nonlinear Read/Write’’，Optical Review，Vol 2，No 1，PP20-23, 1995).上述三份論文針對不同三度空間光 學記憶體來評論媒體及結構。 在一高性能及幾近繞射限制之光學系統’如一光碟播 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 516030 451lpif.doc/006 A7 B7 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 五、發明説明（彡） 放裝置，必須考慮波前像差之所有來源。在一標準光碟中， 資料層上覆蓋有具有數百微米厚的基底。光經由此基底穿 透（上述基底基本上是一平行板）引進球形像差，進而增加 在資料層上之聚光大小（Spot Size)以及惡化解析度。在 傳統單層光碟系統中是以建立球形像差校準（Sphencal Aberration Correction)於接物鏡中以克服上述效應。 在一複層光學資料儲存媒體中，球形像差之程度是依 據在儲存媒體中資料層之深度而定。因此，當自每一不同 層之資料讀取，需要不同準位之球形像差校準。因此，一 像差校準之接物鏡是不夠的。數件有關於以依賴一移動透 鏡來聚焦不同之深度之複數層光學資料儲存系統的專利， 其已提議使用主動球形像差校準之方法。美國專利US 5202875邁議使用一階梯塊之基底物質，此基底物質移動 經過光束（使用一聲音線圏馬達）到一位置，而此位置是依 所讀取之層來決定，如此光束通過之物質厚度是固定的。 其它提議包括一對三稜鏡（其中之一是動的）、一可改變厚 度之轉動盤、一可移動之補償板。 上述所有方法引進額外移動零件及複雜事物於系統 中〇 依據本發明，一用來同時從一物件區域製作複數個空 間彼此分離之影像的裝置包括： 一光學系統，其用來產生一與一第一聚焦狀態有關之 影像； 一繞射光柵，其配合上述光學系統用來產生與每一繞 6 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐ί ·- In J - · (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) L— . 裝· 、11 516030 4511Pif-d〇C— A7 --—_B7 _ 五、發明説明（^ — -- 射阽有關之影像；以及 &置’其用來檢測上述影像； 其中上述光學系統、繞射光柵、檢測裝置是位於一光 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 軸上。此外，上述繞射光柵是位於一合適光柵板平面中， 並且大致依據一 2次函數來畸變，以便在不同聚焦狀態下 形成上述影像。 此外’上述函數可包括用來在每一繞射階中產生不同 里之球形像差的項。此可使用來校正在相關光學系統中之 球形像差’例如：可校正在一光學資料儲存媒體中有關於 具有不同深度之複數層之球形像差。 崎變函數之原點可移離光軸。可使用此特徵以便沿著 有關於每一繞射階之影像光軸來對齊。 光柵可以爲單一光柵或者是由2個以上光柵所組成。 可使用不同之光柵形態於本發明中，例如：振幅、相位、 振幅與相位之組合、偏極化敏感（P〇丨arisatlon Sensitive)、對不同偏極化敏感之雙光柵、可程式化、反 射、透射、2準位（2位元）、複數準位（數位化）、連續準 位（類比）。 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 錯由實施可在一單一影像平面上同時產生在物件區域 中之具有不同深度（亦即不同之物件平面）之位置影像。此 可允許同時讀取儲存在一合適儲存媒體中（例如：一複數層 CD-ROM)之不同層的光學資料。 藉由一可替代實施，可在一些不同影像平面上同時產 生在物件區域中之一單一平面（亦即一單一物件平面）的影 7 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 516030 4511pif . doc/〇〇6 A7 B7 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 五、發明説明（夕） 像。此可允許將一單一光源聚焦於一些不同平面上。 可結成上述兩種實施於一系統’而在此系統中前者之 物件平面是與後者之影像平面是相似的，因此適當照明前 者之物件平面有方便於影像之製作。 在一較佳實施例中，物件平面包括資料儲存元件，並 且可製作其影像。較佳地’可錯由本發明來照明上述物件 平面。可使用此實施例自一三度空間光學儲存媒體中讀取 資料。 另一實施例包括一散色系統，其針對一輸入光束引進 一補償而不需要改變光束之方向，而此補償是垂直於光 軸，且與輸入光線之波長成比例。此會造成在所有角度之 繞射角會大致相等。 本發明使用一單一透鏡或具有複數個透鏡之系統，並 配合一畸變繞射光柵，以便在其中同時產生物件區域之一 組影像，而該組影像之每一個影像是對應於以不同聚焦狀 態所記錄之物件區域中的一個影像，但複數個透鏡之全直 徑使用在該組影像中之每一個影像中。對於該組影像之一 影像，如果藉由只改變透鏡系統之焦距來產生一直通焦點 組，則可獲得解析度、放大倍率、焦距深度。 所使用之光柵可以是一單一畸變繞射光柵或是一連串 畸變繞射光柵◦可以電腦產生（空間及/或振幅數位化）之 裝置或類比裝置來製造上述所用之光柵。 在下面之描述中，檢測裝置意指一檢測裝置，其包括 一空間解析系統，如一檢測元件圖素陣列，亦即一電荷稱 8 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（2丨〇><297公釐） (請先閱讀背面之注意事項存填寫本頁) •装· 訂 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 516030 A7 45iipif .doc/006 gy ----______—--- 五、發明説明（6 ) 接裝置（Charge Coupled Device)。對於需要檢測未解析 目標之存在與否的應用，檢測器可包括適當擺置或獨立之 檢測元件。 爲讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明 顯易懂，下文特舉一較佳實施例’並配合所附圖式’作詳 細說明如下： 圖式之簡單說明： 第1圖是係顯示出合適光柵平面之示意圖； 第2(a)圖是係顯示出使用在一影像系統中之一傳統非 畸變唯振幅繞射光柵之示意圖； 第2(b)係顯示出當上述光概插入一影像系統中之適合 的光柵平面中時，對一點光源所產生之〇、+1、-1繞射階 影像的正常化強度剖面圖； 第3(a)、3(b)圖係分別顯示出一未畸變光柵及畸變光 柵之剖面圖，其中光柵之畸變是以一固定量△表示； 第4圖係顯示出本發明之一簡單影像系統的示意圖； 第5圖係顯示出具有2次方畸變之2個電腦產生之振 幅光柵； 第6圖係分別顯示出依據本發明所形成之相對於+ 1、 〇、-1繞射階之一點光源影像的電腦模擬強度剖面圖； 第7圖係顯示出依據本發明之形成於+ 1、〇、-1繞射 階中之解析目標之影像的試驗測量； 9 $^尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） " " (請先閲讀背面之注意事項本頁) -裝- 、?! 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 516030 4sllpif.doc/006 A7 _____B7___ 五、發明説明（1 ) 第8( a)圖係顯示出一振幅光柵之剖面圖； 第8(b)係顯示出對應之繞射階之散焦狀態的示意圖； 第8(c)圖係顯示出經由第8(a)圖之光柵結構之一點光 源影像之電腦模擬； 第9圖係顯不出使用剖面振幅光柵在不同檢測器位置 所獲得之一解析目標的試驗影像； 第10圖係顯示出本發明之一簡.單影像系統，其中上述 影像系統是使用來在一簡單檢測器平面上產生不同物件平 面之聚焦（In Focus)影像； 第11圖係顯示出一包含有一幻燈片之物件平面之影 像，其乃藉由使用一 2次方畸變振幅光柵之試驗所獲得； 第12圖係顯示出用來記錄在第13圖中之實驗資料之 裝置的示意圖； 第13圖係顯示出位於不同物件平面之3個相鄰物件之 示意圖； 第14圖係顯示出本發明如何適合於讀取在一三度空間 光學儲存媒體中之資料的示意圖； 第15圖係顯示出對具有散焦、球形像差、以及同時具 有上述2種情況之光柵間之光柵結構及相位輪廓比較的不 意圖； 第16圖係以定量式地顯示出經由一具有qC4(pU之光 柵所產生之對應於-1、0、+1繞射階之2次影像剖面圖； 第17圖係顯示出針對只有散焦之光柵以及同時具有散 焦、球形像差校正之光柵之在複數層上之點光源影像之強 10 本紙張尺度適用中國國家標準（CNs ) A4規格（210X297公釐） I---------^II (請先聞讀背面之注意事項本頁) 訂 線_ 經濟部中央標準局員工消費合作衽印製 516030 五、發明説明（公） 度剖面圖，其中上述複數層是對應於第14圖之7、6、5; 第18圖係顯示出一具有QC2()=a及相關於光軸之2次 方函數Xa=XR2/2dQC2())之抵補的2次方畸變繞射光柵； 第19圖係顯示出用以獲得具有相同放大倍率之2個以 上物件平面之一光學系統； 第20圖係顯示出一 2次方畸變繞射光柵以及用來使繞 射角度相等之3個不連續波長之光束位置； 第21圖係顯示出在畸變光柵前用以引進與波長無關之 光束位移之一散色系統的示意圖； 第22(a)圖係顯示出一物件區域中之複數層之所期望 的照度； 第22(b)圖係顯示出使用如第2圖所示之光柵型態之 複數層的照度；以及 第23圖係顯示出一複數層光學資料儲存讀取頭之示意 圖。 雖然下面範例是有關於在光學領域中本發明之應用， 但並非用以限定本發明之一般性原理，其是可應用在其它 電磁輻射之波長。 符號之簡單說明： 1-光學系統； 4-光柵； 5、6、7 -物件平面； 11 本紙張尺度適用中國國家檩準（CNS ) M規格（210χ 297公釐） ----------^ II (請先聞讀背面之注意事項^^^本頁)
、1T 線 516030 A7 B7 4511pif-doc/006 五、發明説明（?） 心爲光柵週期； △-爲相對於未畸變位置之光柵長條片之畸變； 〇C2()-引入到形成於+ 1繞射階（QC2Q^〇)中之影像的散射 程度； 〇C4(}-球形像差之波前係數； L1-透鏡： A、B、C-影像平面； . -聚焦影像間所需之平面間隔；以及 δ〇-投影至平面Β之物件平面間隔。 實施例_ 光柵位置 在一具有收歛及/或發散光束系統中，一合適光柵平面 可以是任何與光軸垂直並且靠近透鏡之平面，但並非靠近 位於影像中或物件區域中之透鏡，例如：在第la圖中之平 面P1。在一產生平行光束之系統中，一合適之光柵平面可 以是任何與系統之光軸垂直之平面，且位於光束爲平行之 區域，例如：在第平面P1與P2間之任何地方，或是任何 適合用於具有收歛或發散光束之系統的平面。 光柵設計 12 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） ----------裝-- (請先閲讀背面之注意事項^^^本頁) 訂 經濟部中央標準局員工消費合作杜印製 516030 A7 B7 4511pif . doc/006 五、發明説明（；0 ) 將事先描述一般可使用在本發明之畸變光栅的設計。 一標準繞射光柵是由具有不同穿透率、反射率或光學 厚度之交互規律地隔開之長條片所組成。當使用光||5令_ 影像系統中時，除了無散射之零階之外，複數個繞射階會 呈現在影像平面上。雖然每一繞射階具有不同強度準位（強 度準位是依光柵結構而定），但是如同上述零階〜樣，_ 一繞射階包含有關物件區域之相同資訊。以第2圖爲例， 其係顯示出一振幅光柵（Amplitude Grating)，以及开；^成 於-1、0、+1繞射階之點物件影像（每一階被正常化 (Normalized)爲單位1之強度）。 如果藉由將上述長條片沿著垂直於其本身長軸方向移 動來局部性改變光柵之幾何圖形，則會引進—相位移二^ 崎變區域所散射之波前中，而上述相位移準位是對於 未畸變形狀之區域畸變的量來決定。由方程式丨可知，區 域相位移之準位是相關於光柵之畸變。 °° ----------^-- _ 儀 (請先聞讀背面之注意事項^^^€本頁) 訂
2細A 方程式1 線· 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 其中d爲光柵週期（Gratmg peri0d)、m爲波前所被 散射之~繞射階、A爲相對於未畸變位置之光柵長條片之畸 變（如第3圖所示）。此光柵畸變會產生具有相同大小之相 位移，但是散射至+ 1、-丨繞射階之波前中具有相反之符號， 而在零階中之散射波前則不變。 値得注意的是雖然本發明亦可使用在複數個或連續準 本紙張尺度適用中國國家檩準（CNS) M規格（21〇χ297公瘦） 516030 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 五、發明説明（/1) 位光柵中，但是本技術可使用一二位元（二個準位）光柵來 編碼連續相位値。 對於使用電腦產生之全息圖之應用，可藉由將光柵面 積分成數個單元來設計畸變光柵，而上述數個單元可以是 空間所塡滿之形狀，個別針對每一單元來計算應用到此光 柵之畸變程度。 替代地，可將畸變應用於整個光柵，以導致連接畸變 之長條片。在製造光柵或者使用一電性定址液晶或其它光 電裝置前，可使用電腦設計來實施上述兩種方法。 對於非數位製造方法，一替代技術以整個圖像攝取方 式將畸變干涉條紋圖案記錄到一光學敏感媒體中，或是使 用一光學可程式化液晶裝置，以允許光柵可即時改變。 上述描述是有關於任意畸變（Arbitrary Distortions)，其可在散射到一所選擇之繞射階中之波前 上產生任意相位之改變。 以下是描述用來產生可實施本發明之散焦效應的光柵 崎變。 散焦光柵 一散焦光學系統具有一相位移。與聚焦影像（In-Focus) 比較，上述相位移則可以離光軸之距離之2次函數來表示， 並且可相對於高斯參考球（Gaussian Reference Sphere) 來測量（例如：s e c 11 on 5 · 1 , Pr i nc i p1e s o f Op t i c s， 1 4 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） ----------辦衣— (請先閱讀背面之注意事項^^€本1) 訂 線- 516030 4511pif . doc/006 . _ A7 ___B7___ 五、發明説明（/Z)
Born&Wolf， Pergammon， Edition 6， Oxford， 1980)。本 發明有關於一繞射光柵，從方程式2可知上述光柵被畸變 成爲離系統之光軸之距離的2次函數。 方程式 2 Λκ 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 其中Δ(Χ，Υ)代表在垂直於光柵線之方向上的畸變（如 第3圖所示），X，y爲相對於在光柵平面中光軸上之原點 的卡迪兒座標。d代表光柵週期。λ代表光波長。/2()代表 引入到形成於+ 1繞射階（QC2e〇)中之影像的散射程度。R 代表以光軸爲中心之光栅孔徑的半徑。雖然在方程式2中 假設使用的爲一圓形孔徑，但是本發明可使用任何形狀之 孔徑。〇C2()爲光柵散射之波前係數（傳統散焦像差常數是相 等於引入到孔徑之邊緣間的路徑長度差，在上述狀況中是 指散射到+ 1繞射階之波前與相對此繞階之高斯參考表面間 的路徑長度差（例如：sec t ion 15-5，Geomet r i cal and Physical Optics, R S Longhurs t , Longman, Edition 3, London, 1973 ))。附加在散射到不同繞射階之波前的相位 改變可藉由將方程式1及2結合成方程式3來計算。 Φ(χ,y)-mψψ(x\y2) 方程式 3 15 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 516030 4511pif . doc/006 A7 B7 五、發明説明（丨多） 上述2次相位函數（方程式3)揭露散射到非零繞射階 之波前之相位延遲，如此以改變波前曲率。因此，光柵在 非零階中具有聚焦能力，對於上述非零階之等效焦距可定 義爲： R2 ~(mQC20y 2m0C2〇 方程式4 事實上，使用一光柵來做爲光學系統之一部分是彳目胃 有用的，而此光學系統提供光柵主要之聚焦能力，其:可^有* 效地修飾在每一繞射階中透鏡之焦距。例如：當一 2次_ 變光柵放置在一具有焦距f之透鏡上時，則在每一繞射階 中之結合焦距爲： fn, f{R2-m\C]Q) H2 +2fm0C20 -m20Cl〇 方程式 上述方程式5可以近似爲： β2 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 R~ +2.//770C20 方程式6 當R2»m2QC2Q時，散焦之大小及符號是依繞射階（旬而 定的。因此具有不同散射狀態之物件區域之一連串影像會 以不同繞射階同時並邊對邊地產生在檢測器上。 本發明之原理可以-1、〇、+1繞射階來表示。參考第4 16 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） 516030 451lpi] .d 〇 c / Ο Ο 6 A7 B7 五 、發明說明（％) 圖 2次畸變光柵之散射效應可使用一光學系統1來表 不’其中上述所設計及擺置之光學系統1是用來在一般焦 距不面上之檢測器平面B上製作位於一光軸3上之一物件 2之影像。 加入一光學系統1中之一 2次畸變繞射光柵4會在平 面B上產生+ 1、_丨繞射階之2個額外影像。在正常焦距平 胃^上，零階影像維持在聚焦中，然而相對於+ 1、-丨繞射 影像會遭遇具有相同大小之散焦，但具有相反之符 號°如果檢測器沿著光軸向平面B之任一側移動時，可到 胃面，而在此平面上物理散焦可去除光柵在繞射階中 所弓丨入之散焦現象。以此方法會使+ 1、-1繞射階中之影像 處於聚焦中（在平面A及C)。 影像平面A 、B、C之間隔δΐ是由光柵畸變、光柵孔 半徑、光學系統來決定，其可表示成爲： 請 kj 閱 % 背 面 之 注 意 事 再i 填雩- 聚裝 頁 訂 _^2y Jfi〇C2Q 2vm0C20 + R~ 方程式7 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 20 其中R代表光柵孔徑之半徑，v代表從正常影像平面B 到次要平面間之距離，並且具有一近似R>>mQC2Q(R比m〇C 大很多）。要注意的是如果以散焦QC2()：zra來設計光柵，則+1 繞射階會遭遇一相等於ηλ之散焦，而-1繞射階將遭遇一 相等於-ηλ之散焦。從方程式7可知，平面A、C將位於兩 側’並且離平面B具有不同之距離。 在2vmQC2()<<R2之情況時，方程式7可近似爲： 17 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210 X 297公釐） 516030 4511pif . doc/00( A7 B7 五、發明説明（/X) 方程式8 平面A、C是對稱地擺置在平面B之附近。 以光柵散焦UC2(})來重新整理方程式7,而上述光柵散 焦（〇C2J是用來產生零、+1繞射階（m=：1)之聚焦影像間所需 之平面間隔δ i。
、C 20 R25, 2v(v + 5j) 方程式9 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 第5(a)、5(b)圖係顯示出具有球形孔徑、R=i2.5d之 光柵的範例，其中上述光柵被畸變成爲一離中心之距離的 2次函數，且具有不同散焦之準位，其中第5(a)圖中之 ο〔2〇=λ;而第5(b)圖中之〇(：2()：=2λ。此僅代表眾多可能光柵 結構之2個範例，且可藉由電腦使用一方形設計單元來設 計成爲二位元振幅光柵。在黑色光柵線邊緣中之個別距離 應該有λ/20之準確。而上述光柵乃以此來描繪。有關於2 次畸變光柵之光柵線爲具有不同厚度之同心圓的弧，且可 以此來描繪。 上述光柵之散焦特性可以電腦模擬來証明，並將描述 於後。 經由一 2次畸變光柵來製作影像-電腦模擬 使用由Fortran所寫成程式及快速傅立葉轉換（Fast 18 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） 516030 4511pif.doc/〇〇6 A7 B7 五、發明説明（A ) 經濟部中央標準局員工消費合作社印製
Fourier Transform, FFT)例行程式（Routine)來實施電腦 模擬（Subrout ine fourn from "Numerical recipes in fourtran", w h Press, S A teukolsky, W T Vetterlmg, B P Flannery， Cambridge University Press， 1992)。 藉由將物件之FFT乘以光柵之光學轉移函數，然後再反轉 FFT以產生影像。從光柵之自生關係（Autocorrelation)來 計算光柵之光學轉移函數，其並使用Wiener-Khintchine 理論經由一雙FFT技術來獲得（Fourier Optics:An Introduction, E G Steward, 2nd edition, p95， J Wiley&Sons.)。此方法呈現非同調（Incoherent)影像之模 擬。第6圖係顯示出經由一具有/2()=λ之畸變振幅光柵（如 第5a圖所示）所產生之一點光源之模擬影像的強度剖面 圖，並且在平面A、B、C上放置有檢測器（第4圖所7f〇。 使用一振幅光柵，在第一階繞射點之強度事實上比在零階 之強度低。在此圖中，將聚焦中之繞射階之功率正常化成 爲單位1，以便有助於觀察。對於平面B中之檢測器，零 階是處於聚焦中，而+1、-1繞射階則分別處於+ U及-1λ 之散焦狀況中。藉由將檢測器移向此平面之兩側，可使上 述+ 1、-1繞射階變成處於聚焦中。此表示出上述面罩產生 一真實散焦。 經由一 2次畸變光柵來製作一單一物件之影像-實驗結 果 爲了要証實電腦模擬，藉由將適合之圖案之一放大黑、 白圖形縮小至一 35mm之幻燈片上，來製造一光柵。此可 1 9 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） 516030 4511pif .doc/006 五、發明説明（Λ7) 提供一具有直徑爲lcm之圓形孔徑、、光柵週期爲 4〇0χ1(Τ6ηι(400μιιι)之光柵。上述光學系統包括2個具有焦 距爲50cm、100cm之透鏡，並且以5cm之距離彼此分離。 物件爲一標準解析目標，是放置在第一透鏡前之焦距（50cm) 上，而檢測器是放置在第二透鏡後之焦距（1〇〇cm)上。使 用一白光源來照亮物件，以及將光柵放置在上述2個透鏡 間之光線爲平行之區域中。一具有帶通爲1〇nm、中心位置 爲650nm之過濾器是放置在用來記錄影像之CCD檢測器的 前面。 上述參數導致+1、_丨繞射階中分別具有_4.9cm、+5.5cm 之軸焦點位移（方程式7)。第7圖係顯示出在檢測器之位 置上所獲彳守之影像，而上述檢測器是處於相對應於第4圖 之平面A、B、C之位置。此圖顯示出由檢測器所捕捉之原 始彭像，以及增加+ 1、-1 k射階（正常化）之強度後之相同 影像，以便於觀察。從圖可了解到當沿著系統光軸掃描檢 測器時，會使-1、〇、+1繞射階處於聚焦中。在這些位置 上，物理散焦會去除由光所引進之波前變形（亦即光柵所 引入2次相位之變化（散焦））。 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 經由2個交叉之2次畸變光柵來製作一單一物件之影 像 可藉由使用複數交叉之光柵來延伸目前所描述之技 術。如果2個光柵是以直角方式來交叉，則可使用中間之 9個繞射階。如果選擇al、1?λ來做爲2個交叉光柵之散焦 (oho) ’則對於在|a-bl#a#b時’相對應於9個繞射焦狀 20 -- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（2K)X297公釐） 經濟部中夬標準局員工消費合作衽印製 516030 4511pif .doc/006 B7 ______ 五、發明説明（/?) 態之9個情景影像會以平行方式來形成。第8a圖係顯示 出具有散焦。(：2()=0.51及γ2()=1·5λ之2個交叉光柵的範例。 第8b圖係顯示出中間之9個繞射階之相對散焦，而第8c 圖係顯示出經由上述光柵之點光源影像的電腦模擬（已正 常化）。藉由沿著光軸移動檢測器，以使每一繞射階之物 件的影像成爲聚焦。 已使用先前所描述之擺設及在第8a圖中所描述之交叉 光柵結構，來測試交叉光柵技術。在第9圖中之實驗結果 顯示出9個影像之選擇，藉由將檢測器沿著光軸移動以使 影像處於聚焦中。在第9圖中，檢測器在2個端點間之 移動全距離大約爲20cm。 經由一 2次畸變光柵來製作複數物件平面之影像 可以不同之方式來考慮散焦光柵之函數。參考第1〇 圖，如果檢測器是放置在影像平面B上，則會形成相對應 於3個不同物件平面5、6、7之聚焦影像之影像。零階爲 物件5、7之散焦影像以及物件6之聚焦影像之總合，如 果有足夠之散焦程度時，則將導致有好的物件6之影像。 相同的，物件5、7在+ 1、-1繞射階是可以看到的。因此， 光柵可在一單一檢測器平面上同時地、且邊對邊地產生3 個不同物件之影像◦投影至平面B之物件平面間隔δ。是由 光柵畸變、光柵孔徑之半徑、光學系統所決定，其可表示 爲： 方程式 ίο 2_0C2()+i?2 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210'〆297公釐） ----------裝-- - . (請先閱讀背面之注意事項本頁) 訂 線 516030 A7 B7 451ipif . doc/006 五、發明説明（θ) 其中〇c2Q代表在繞射階中光柵之散焦之波前係數， R代表光柵孔徑之半徑，m代表繞射階，U代表從中間之物 件平面到光學系統主要平面之距離，並且取之近 似。 對於深度之解析度（其可表示爲在促成個別投影條件下 物件區域中平面間之最小間隔）是依所使用之光學系統的 聚距深度而定。如果藉由使光學系統調整其焦距以製作相 同平面之影像來獲得直通焦點組，則當使用一畸變繞射光 柵來製作物件區域中複數平面之影像時，所獲得之影像品 質是一樣的。 事實上，使用一固定檢測器及一單一移動物件來觀察 不同物件平面在不同繞射階之投影。第11圖係顯示出將 一高1mm之字母B的幻燈片放置相應於第10圖中物件平 面5、6、7位置上時之影像。此光學系統包括一具有焦距 爲12cm之單一透鏡、一固疋在離上述透鏡32cm處之CCD 檢測器、一具有孔徑直徑爲2cm、〇(：20=ζ1〇λ、週期爲 100χ1(Τ6ηι(100μηι)之光柵。物件平面6爲距離透鏡19(：111處 之一平面，而光柵參數產生從平面6位移約±4.8誦之物件 平面在-1、+1繞射階中之聚焦影像。 爲了呈現出3個物件平面之同時影像，針對3個不同 物件使用相同之光學系統。3片包含有字母”A"、”B”、"C" 之幻燈片是分別放置在平面5、6、7(如第π圖所示）。平 面6爲離透鏡LI 19cm處之一平面，而平面5、7爲移離 22 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4规格（2l〇x297公釐） 桊 I (請先閲讀背面之注意事項^^^本頁)
、T 經濟部中央檩準局員工消費合作衽印製 516030 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 五、發明説明（h) 平面6 +4.7mm及-4 · 9誦之物件平面。使用一白光源（未晷頁 示）以傳導方式來照明上述物件。一以波長650nm爲中心， 且具有10nm帶通之過濾器9是放置在檢測器孔徑上。檢 測器8是沿著光軸移動至一些位置上，而在這些位置上繞 射階會投影對應於第4圖中平面A、C之不同物件。這些 位置是離影像平面B約±14mm。 第13圖係顯示出記錄在第12圖中平面A、B、C之檢 測器上之影像。在位置B上，以零階製作物件平面6之影 像（字母"B")、以+ 1繞射階製作物件平面7之影像（字母 ’’C”）、以-1繞射階製作物件平面5之影像（字母’’A”）（如第 12圖中所示這些影像可表示出可在一單一檢測器上同 時且邊對邊地製作3個物件平面之影像。以2個交叉光柵 可同時地且邊對邊地製作9個物件平面之影像在一單一檢 測器上。 相位光柵 如果使用一振幅光柵來做爲一散焦元件時，則零階之 影像會比+ 1、-1或更高繞階之影像要亮。可使用具有2個 相位準位之相位光柵來調整能量之分佈。例如：狐度π之相 位步階可完全地去除零階，然而可增加更多功率到+ 1、-1 繞射階。或者將相位調整到〇·639π，以使〇、-1、+1繞射 階具有相同之功率◦以此交叉光柵，可使用更多相位步階 或振幅相位結合之光柵來調整複數個繞射階之強度。 23 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4规格（210X297公釐） ----------^— - - (請先閲讀背面之注意事項本頁) 訂 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 516030 五、發明说明（>丨） |^^敏_感之光柵 製造成只可在入射波前之一偏極化狀態下操作之畸變 光柵’將可針對一物件製造在+ 1、-1繞射階中之極化及散 焦之影像，以及在零階中之非極化影像。如果一只在正交 偏極化操作之第二光柵與上述第一光柵交叉時，則可在正 交感應中產生及極化另2個繞射階，並且與由第一光柵所 產生的繞射階是分離的。因爲光柵爲偏極化敏感的，所以 在光柵間不會有串苜（Crosstalk)，因此除了由每一光柵 獨自動作所產生之繞射階之外，不會有其它繞射階產生。 如果系統需要做偏極計硏究時，可對每一偏極化狀態選擇 相同之散焦。因爲同時產生影像，所以此系統適合於動態 變化之情景之偏極計硏究。 三度变胤光學資料儲存 參考第14圖，本發明之適用於讀取儲存在一三度空間 光學儲存媒體11之裝置。儲存媒體11包括具有個別資料 儲存元件（未顯示）之不連續光學可讀平面5、6、7，並且 藉由一裝置（未顯示）來照明◦例如：上述資料儲存元件可 以是由具有洞及不具有洞所組成之面積，其中上述有洞的 表示爲數位邏輯1，而沒有洞的代表數位邏輯〇。但是， 此範例並非用以限定熟知本技術者所了解或顯而易知之其 24 本紙張尺度適用中國國家榡準（CNS ) A4規格（210X297公釐） I (請先閱讀背面之注意事項本頁) 裝·
、1T 516030 4 5 111 .d o c / 0 0 6 A7 B7 可以是 五、發明説明（W) 它實施例，其包括具有比2個準位多之複數個準位系統。 可在檢測器12上同時製作資料儲存元件之影像。而檢測 器12可依據儲存元件之狀態來產生一信號，上述檢測器12 極體或一光電晶 爲了便於在每一平面中之不同資料元件的查詢，此裝 置包括在垂直於光軸3之方向上引起一儲存媒體8與其它 裝置間之相對動作的裝置（未顯示）.°上述裝置更可包括一 眾人所知之機電布置（Electromechanical a r rangement) ° 球形像差畸變函數之內容 揭露一球形相位延遲之一繞射元件的相位輪廓可寫成 如下： ----------裝— 華 4 I (請先閲讀背面之注意事項^^^本頁) 訂 Φ τ' 方程式11 線 其中f代表元件焦距（或是曲率半徑），r代表徑座標 (Radial Coordinate).此方程式可擴展爲： 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 Φ:
2n T + - L 2/ 8厂 16./.: 方程式12 藉由使用2次畸變之繞射光柵，只考慮此方程式之第 一項，較高次方項之省略是相等於標準近軸近似，其中假 設到光軸之射線的傾斜是小的（r«f)。在上述近似無效之 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 516030 五、發明説明（衫） 情況下，則需包含將較高次方之I*2項，此可修飾2次光柵 畸變。一般，光柵將以做爲光柵畸變之校正的較高次方項 來保持2次畸變。方程式12中之較高次方項在此稱之爲 球形像差項，其將包括在波前像差函數（WSA)中，可寫成： %々)=。〔4(/4+。〔6。，6+。〔8()，8 +". = J。〇2/'。，2/ 方程式 13 ./-2 其中r代表離光軸之距離。 在每一繞射階中產生不同準位之球形像差的能力不僅 可使用來調整在非近軸狀況中之光柵結構，而且例如：在 一複數層光學資料儲存系統中可用來校正由物件區域所引 入之球形像差。 對於進入一具有折射率爲η之無傾斜平行板的光束， 球形像差之主要及次要係數可以爲： 方程式 14 8n \6n 其中t代表光束聚焦之深度，ΝΑ代表光束之數値孔徑 (J Braat，"Analytical expressions for the wave-f ront aberration coefficients of a tilted plan-parallel plate"， applied Optics. Vol. 36，No. 32，8459, 1998.)。球形像差對深度（t)是線性相關的，其意指可以 一適合畸變繞射光柵來校正方程式14中所有項。爲了便 26 (請先聞讀背面之注意事項 本頁) .澤· 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 516030 A7 B7 4511pif.d〇c/006 五、發明説明（ 於說明，下面之討論只考慮方程式14中之QC4Qr4項。 可設計第14圖之光學系統1來校正球形像差，進而刪 除球形像差，而上述球形像差是被引進到聚焦在例如：一 標準1層光碟讀取頭中之平面層6上的光束中。然後，依 r4畸變之繞射光柵可以一球形像差之波前係數來設 計，如此可對平面層7校正（相關於球形像差校正-繞射階、，針對平面層5校正（相關於球形像差校正+()C4()) + 1 繞射階、零階則保留對平面層6所校正之球形像差。 表1顯示出每一平面層5、6、7之散射及球形像差項（只 針對第一階）。 (請先閲讀背面之注意事項本頁) .裝· 表1 平面層 繞射階 光柵校正（散焦） 光柵校正（球形像差） 5 -1 '0^20 '0^40 6 0 0 〇 7 + 1 + 0^20 + 0。40 訂 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 完整之光柵必須配合散焦及球形像差校正，並且依據 方程式15來畸變： + 較高次方項 方程式15 27 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 516030 4511pif .doc/006 A7 B7 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 五、發明説明（Μ ) 其中DU，y)代表在垂直於光柵線方向上之畸變、d代 表光柵週期、R代表光柵孔徑之半徑、x，y代表相對於在 光柵平面中之光軸上之原點的卡迪兒座標。依據方程式15 光柵畸變DU，y)會引進使自光柵散射之波前上相位移至第 mth繞射階。xO、yO代表離系統光軸之2次畸變函數之原 點的補償。而此一補償將描述於後。在方程式15中之球 形像差之補償UC4()、/6()、較高項）不能使用在相同之方法 上’且沒有包括在方程式15。此崎變之函數是以光軸爲中 心。 藉由假設以一具有波長650nm時折射率爲1.5806、數 値孔徑爲0.60、層間隔爲ΙΟΟμηι之複數層光學儲存媒體爲 範例，來評估需所要校正之球形像差的準位。這些參數給 與各層β4()=0.95λ及/6[)=0.24λ之額外球形像差（方程式 15)(J Braar， Analytical expressions for the wave-f ron t aberration coefficients of a tilted plan-parallei plate Applied Optics. Vol . 36， No. 32, 845971998) ◦ 第15圖係顯示出相位輪廓及光柵結構之比較，而所要 比較之光柵包括僅有散焦之光柵（a)、僅有球形像差之光 柵（b)、同時具有散焦、球形像差之光柵（c)。在光柵（a) 中之光柵線爲圓形之弧，而在（b)、（c)中則否。 依據r4所畸變之光柵可產生具有相同大小之球形像 差，但是在+ 1繞射階、-1繞射階中具有相反之符號之能 力已表示在電腦模擬中。此模擬模仿具有特定準位之球形 28 ----------裝——· - * (請先閱讀背面之注意事項本頁) 、1T. 線- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210Χ297公釐） 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 516030 五、發明説明（W) 像差之波前，其入射到第15圖之光柵（b)中。第16圖顯 示出當使用一波球形像差之波前像差時，校正+ 1繞射階中 之影像（此影像爲一繞射限制點）。然而，當使用一具有反 向符號之一波球形像差的波前時，則校正-1繞射階中之影 像。 在第16、17圖中之Y(垂直）軸代表強度、而χ(水平） 軸代表沿著經由所形成影像之一條線的距離。 具有內建之散焦及球形像差校正之光柵的操作也以電 腦模擬來表示。參考第14圖，考慮針對平面層6之一已 聚焦且已球形像差校正之光學系統。平面層5、7是分別 位於離平面層6兩側約100xl0_6m的地方，其乃有關於加 減一個波之額外散焦以及加減一個波之額外球形像差。點 光源是位於上述3個平面之每一個平面上。一設計用來將 繞射階聚焦在平面層5、6、7(分別在+ 1、〇、-1繞射階中） 上之具有純2次畸變函數（QC2Q=U，qC4()=0)的光柵產生如 第17圖之左側所顯示之剖面影像。由於未校正之球形像 差，所以在平面層7、5之點光源影像會被放大且會降低 其強度。設計成具有散焦及球形像差校正（〇C2()=；U、/uzU) 之光柵可產生如第17圖之右側所示之剖面影像。已針對 所有資料層校正球形像差，並且點光源之影像是處於聚焦 中，以及具有繞射限制之大小。 2次畸變原點之位移 2 9 I.--------裝-- . * (請先閲讀背面之注意事項本頁) 訂 線 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） 516030 4511pif . doc/006 A7 B7 五、發明説明（D 考慮一由不同穿透率、反射率或光學厚度之平行長條 片所組成之未畸變光柵^^^…川:^/⑼^^”定我丫軸與在 光柵中之長條片平行，而X軸定義成與長條片_直°垂直 入射光柵之平面波前在與光軸成em角度上形成_射階’其 中： sin6^ πιλ Ύ 方程式16 每一繞射階之角度偏移是等效於以橫跨光柵力式 引進一如下相位傾斜（Phase Tilt)至入射波前： ΙπΐΉχ d 方程式17 * (請先閲讀背面之注意事項 本頁) 、τ 當〇C2()並非零時，則在方程式15中之散焦（第一）項之 展開式可產生一如下之相位移： φ(χ,γ)={)α 20 2 厕(χ2”2) —，χ_—0,2_〇2”〇2) r2a r2x Κ2λ r2x 方程式18 經濟部中央標準局員工消費合作衽印製 方程式18之2次項（第一項）是與方程式3完全相同（自 依據以光軸爲中心之2次函數畸變之光柵所獲得之散焦相 位項）。因此，位移2次函數之原點並不會對引進每一繞 射階之散焦準位有所影響。 方程式18中之最後一項代表一 dc相位補償，此補償 30 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（21〇><297公釐） 516030 4 51lp i: lo c / 0 0 6 A7 B7 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 五、發明説明（4) 並不會對每一繞射階之波前形狀有所影響。 在方程式18之第二項： 、 ^(x^)--^i〇c20x0x 方程式 19 代表橫跨光柵平面之X軸之同相線性增加。當維持零 階（m=0)之位置及散焦準位不變時.，此相位傾斜對改變光 柵繞射階之間隔具有影響。如果所選擇之xO具有下列値： x〇=-^~ 方程式2〇 ZuqU 2〇 時，則方程式19變成相等於： 火X，少)二^^ 方程式21 a 此相位傾斜與引入來自光栅結構散射之光線中之相位 傾斜一樣，但具有不同符號。刪除每一繞射階之上述2項 (方程式17、方程式21)會造成在垂直於光軸之平面中之 此繞射階成爲零，上述平面對應於沿著系統光軸放置之所 有繞射階。依據在畸變光柵中之散焦UC2C))準位，上述繞 射階沿著光軸彼此在空間上分離。2次函數位移至方程式 20中所定義之値會導致由圓干涉條紋所組成之光柵結構 (如第18圖所示）。使用此形式之光柵做爲下面所述之 (請先閱讀背面之注意事項 本頁) 裝· 訂 線 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210 X 297公釐） 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 516030 4511pif.doc/006 五、發明説明（4 ) 照明系統之一部分。 方程式18之第三項： Φ(χ,γ) = ^0€^〇γ 方程式 22 XR-" 代表橫跨光柵平面之y軸之同相位線性增加。此會造 成繞射階（除了 m=0之外）沿著在影像平面中之y軸移動。 當散焦準位及球形像差維持不變時，則可經由x〇及y〇 之選擇來控制在影像平面中之一特別繞射階之位置。
具有相等影像放大率之差A 考慮顯示在第1〇圖中之系統’其中複數個物件平面之 影像是產生於一單一影像平面上。一般，依據方程式10 分別成像在+ 1、-1繞射階之物件平面7、5並非對稱於成 像於零階之平面6。有關於每一影像之放大率（)疋以％ 像距離（v)對物件距離之比率來計算，其可表示爲： + 方程式23
R 其中Μ代表有關於零階（M0)影像之放大率。因此’在 一般有關於非零繞射階之影像放大率不等於零階之放大率 (針對（Αγο) ° 32 本紙張尺度適用中國國家標ircNS)M規格（210x297公釐） " "" ----------^ II * , (請先閲讀背面之注意事項本頁)
、1T 線 516030 4511pif.doc/006 A7 B7 五、發明説明（3d ) 考慮一單一透鏡及一放置在離上述透鏡之一焦距上的 一檢測器的特別情況，以便在無限遠的地方形成一物件影 像（如第19圖所示）。將一 2次畸變光柵4附加在透鏡L1 之上面以有效減少其對+ 1繞射階之焦距，以及增加其對-1 繞射階之焦距。使用具有一焦距之影像距離的標準透鏡， 投影在每一繞射階之物件平面是處於下面式子所表示之位 置上： 方程式24 2m0C10 因此，當零階爲處於無限遠之一平面影像時，則對應 於大小相同但符號相反之繞射階影像（例如在19圖中之平 面5、7)是以對稱方式來擺置，且分別在透鏡兩側之栢等 距離上。有關於每一物件平面之影像大小爲： 方程式25 2mfQC. R2 (請先閱讀背面之注意事項 本I) .裝· 訂 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 因此，對應於大小相同但符號相反之繞射階的影像具 有相同大小之放大率，但相反之符號。 寬帶操作 光線以角度θηι之方向自一光柵繞射’而此角度θιη是 正比於入射光之波長（方程式）。如果使用一寬帶照明源， 則非零階沿著在影像平面中之X軸光譜散色，且有關於這 些繞射階之影像會變成模糊。一與波長相依之光柵週期可 提供一可將在每一波長之影像重疊起來的裝置，以防止模 33 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 516030 A7 B7 4511pif.doc/ΟΟβ 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 五、發明説明（3>/ ) 糊。以此一標準畸變光柵是無法完成上述目的’但是依據 一 2次函數畸變之光柵可以僅提供一路徑來完成上述目 的。 如方程式18所示，當光柵之散焦功率保持不變時’ 2 次畸變函數之原點沿著X軸移動會造成在X方向上之影像 間隔改變。此特性可以被認爲是起源自光柵週期沿著x軸 之改變所造成，而此特性乃在光柵在依一 2次函數畸變時 所產生的。在離此光柵原點之距離X處上之光柵週期（d) 可表示爲： d AR2 -2d{ 0 0^20^ (請先閲讀背面之注意事項f 裝-- k本頁) 方程式26 其中dQ爲在2次畸變函數之原點上的週期。其爲在入 射光束之中心上的光珊週期（當使用全孔徑日寸之光柵孔徑 的中心），其定義在非零階中沿著X軸之影像位置。如果 以一具有比光柵孔徑小之半徑的光束來照明上述光柵時， 如光束橫跨上述光柵並沿著X軸移動至位置x’則影像間 隔會以與方程式26所述之光柵週期之倒數成比例來改變。 考慮設計用來以一特定特定角度來繞射波長爲λ1之光 線之散焦光柵，並具有一射入光柵中心之不受期望之光 線，其中將光概週期定義爲4()=11。 長入2之繞射角度相等，則需使： Λ1 方程式27 訂 線 34 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（21〇><297公釐） 516030 i、發明説明（h) 使用方程式26、27，可藉由以一沿著相對應於λ1光 束中心之X軸之距離χλ2來補償λ2光束中心，以使上述2 個波長之繞射角度相等，其中 R2 2〇 C2〇d λ] -{λ2 -/1,) 方程式28 (請先閲讀背面之注意事項 値得注意的是所需之補償是正比於Δλ(Δλ=λ2-λ!)。其 乃依照：如果輸入光束在散色之正確準位上橫跨光柵而散 色，則影像可在所有顏色上重疊。 例如：考慮一半徑R0 · 5cm、在550cm時之光柵週期 (άλ1)=200μπι、之光柵。當光束撞擊光柵中心時， 則第一階繞射角度Slne=〇· 0055弧度。從方程式28可知， 要在波長500nm獲得相同繞射角度，具需要使光束位移 〇.313cm，而對於波長600cm，則需使光束位移-0.313cm 第20圖係顯示出相對於畸變光柵之在600nm 13、550nm 14、500nm 15之光束位置。此技術可延伸至任何數目之波 長’或者寬帶照明是遵從滿足所有波長之方程式28。 爲了完成此技術，可在光學系統中之畸變光柵前引進 一散色系統。此散色系統必須引進正比於波長之一光束補 償（方程式），促使所有波長之傳播方向（Propagation Direction)皆相等。第21圖係顯示出此一系統之示意圖， 其中進入到散色系統17之寬帶輻射光線16是依據波長以 線性方式從連續帶寬中改變成爲具有3個不連續輸出波長 3 5 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） r本頁) -裝·
、1T 經濟部中央標準局員工消費合作杜印製 516030 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 4511pif.doc/006 _B7 五、發明説明（3$ ) 18、19、20。値得注意的是輸出輻射線18 19、20是以平 行方式行進。 一具有所期望特性之色散系統結構是屬於習知此項技 術者所熟悉之範圍所能完成的，例如：藉由使用2個繞射 光柵，自第一光柵投影+1繞射階到第二光柵中，並且使用 來自第二光柵之-1繞射階。另一可能方法是使用一光柵/ 三稜鏡或三稜鏡/三稜鏡組合。 更進一步資訊可從”MODERN OPTICAL ENGINEERING-The Design of Optical Systems" by Warren J， Smith， published by McGrawHill(See especially chapter 4.3)M 獲得。 照明系統 爲了完成最大可能解析度以及儲存密度，在一複數層 資料儲存媒體中之每一層必須以一繞射限制聚光燈 (Diffraction Limited Spot)來照明。第 22a 圖係顯示出 必須以光源21來完成之光線分佈。在目前所建議之具有 可移動透鏡之系統（US5202875)中，照明使用相同之光學 做爲讀取系統。照明是聚焦在右深度，但是需要額外球形 像差校正。 描述並顯示於第15圖中之畸變光柵製作3個軸上物件 (3 on-axis objects)於3個空間分離之影像位置上（第14 圖）。如果使用相同光柵在一照明系統中，以一單一照明 36 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） ' ' - (請先閲讀背面之注意事項 ▼本頁) -裝·
、1T 線 516030 五、發明説明（抖） 源使照明之聚光聚焦在校正層上，但是具有橫向位移（如 第22b圖所示）。因此，不能同時針對照明及讀取一複數 層結構使用此一光柵。 但是，使用在此所描述之技術，沿著X軸並通過方程 式15中之參數xQ來位移2次畸變函數之原點，如此可允 許繞射階沿著X軸對齊。將第18圖所示之光柵倂入第22b 圖之光學系統1，其可產生所期望之照度（如第22a圖所 示）。如再額外畸變此光柵以便包含方程式11中之球形像 差，則系統將以自動球形像差校正方式照明如第22a圖所 示之每一資料層。 完整系統 使用描述於本發明之2個光柵，可描述一用來照明及 讀取一複數層光學資料存媒體，並且不具有移動零件，但 具有自動球形像差校正之完整系統。此系統以示意方式描 述於第23圖。光線從光源21穿過以上所述之光柵4b，其 產生對應於不同資料層5、6、7之複數個軸上球形像差校 正的焦距。自資料層所反射之光線以具有球形像差校正方 式穿過如第15c圖中之一光柵4a，其會產生在空間上分離 之不同資料之影像於平面B上。眾所皆知可使用偏極化敏 感射束分離器以及偏極化旋轉板以使在此一系統中之損失 爲最小化。符號1 一般是用來代表一光學系統。 在此一系統中，物件平面及影像平面會造成混淆：依據 本發明層5、6、7相對於包含照明源21之"物件平面”， 37 (請先閱讀背面之注意事項 本頁) $ 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 516030 A7 4511pif·doc/006 B7 五、發明説明（％) 則視爲π影像平面”，而相對於”影像平面B"則視爲π物件平 面"。爲方便起則，我們可說依據本發明一裝置之"影像平 面"是與其它”物件平面"相似的。 本完整系統之其它實施例對於熟知此技術者是明顯可 知的。例如：照明源21、光柵4b、相關之光學系統1可位 於與影像平面B及光柵4a之相同軸上，且位於物件平面5、 6、7之另一邊。在此一實施例中，以傳導方式照明平面5、 6、Ί 〇 雖然本發明已以一較佳實施例揭露如上，然其並非用 以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精 神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保 護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者爲準。 ----------批衣-- * 曹 (請先閱讀背面之注意事項^一^本頁) 訂 線 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 準 ί檩 f家 國 國 中 用 |適，尺 一張 i紙 本
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  1. 516030
    、申請專利範圍 |(|月>百(^/更正/補充 I /知 □甘 B Q 修正曰期89/1 1/30 蛵濟部智慧財產局員工消費合作社印製 L〜種用來自一物件區域同時產生複數個空間分離之 影像的裝置，其包括： 〜光學系統，其設置用來產生一與一第一聚焦狀態相 關連之影像； 〜繞射光柵，其設置配合該光學系統用來產生與每一 繞射階相關連之影像；以及 〜裝置，其用來檢測該影像； 其中，該光學系統、繞射光柵、檢測裝置是位於一光 軸上，且該繞射光柵位於一合適光柵平面上，並依據一 2 次函數畸變，以便在垂直於該光軸的方向上，以不同的聚 焦狀態形成影像。 2·如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中據以畸變 §亥光柵之函數更包括在相對於每一繞射階之影像中產生不 同毚之球形像差之項。 3·如申請專利範圍第2項所述之裝置，其中相對於每 ^繞射階之影像的球形像差是用來校正相關於在物件或影 像空間中之大致平行平面之不同深度的球形像差。 4. 如申請專利範圍第1、2或3項所述之裝置，其中該 _射光栅之畸變函數之原點被移離該光軸。 5. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中該繞射光 梅包栝2個或2個以上之繞射光柵，如此可使不同繞射階 #_間上彼此分離。 6·如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中該光柵可 以是一唯振幅繞射光柵、一唯相位繞射光柵或一相位振幅 ---- π T國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 0 訂-------！,座 户 # 60 451Ipifl .d oc/002 8888 ABCD \ -JL.N 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 申請專利範圍 繞射光栅。 7.如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中該繞射光 柵是偏極化敏感的。 8·如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中該繞射光 柵包括2個對偏極化敏感之光柵，並且以可使該光柵所產 生之繞射階能在空間上彼此分離之方式來擺置。 9·如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中該繞射光 柵爲一可程式化之光柵。 10·如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中該繞射光 栅爲一反射光柵或一透射光柵。 11. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中該光柵可 以是一二準位（二位元）結構、一複數準位（數位化）結構或 一連續準位(類比）結構。 12. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中該裝置適 合用來製造一單一物件平面之影像於複數影像平面上。 13·如申請專利範圍第12項所述之裝置，其中該物件 平面包括一照明源，其可使用來照明影像平面。 H.如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中該裝置適 合自複數物件平面產生一聚焦影像於一共同影像平面上。 I5·如申請專利範圍第14項所述之裝置，其中該物件 平面與該影像平面相似。 16·如申請專利範圍第14或15項所述之裝置，其中每 一物件平面包括一元件陣列，其可存在於至少2個狀態中， 而該檢測器可分辨該2個狀態。 40 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱） ——·---------#--------訂---------線_ (請先閱讀背面之注咅？事項再填寫本頁) 516030 A8 B8 451lpifl.doc/002 C8 D8 六、申請專利範圍 17. 如申請專利範圍第16項所述之裝置，其中該裝置 適合用來讀取一三度空間光學儲存媒體之資料，其中該物 件平面是位於該媒體中，而該檢測裝置可依該元件狀態產 生一信號。 18. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，更包括一用來 引進一補償至一輸入輜射光束之散色系統，其中該補償是 垂直於該光軸，並且與該輸入輻射波長成比例，然而該光 束中之每一波長是以平行方式行進。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) •f 訂---------線· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）
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