DE69902153T2

DE69902153T2 - Dreidimensionales bildformungssystem

Info

Publication number: DE69902153T2
Application number: DE69902153T
Authority: DE
Inventors: Micheal Blanchard; Howard Greenaway
Original assignee: Qinetiq Ltd
Current assignee: Qinetiq Ltd
Priority date: 1998-03-10
Filing date: 1999-03-05
Publication date: 2003-01-16
Anticipated expiration: 2019-03-06
Also published as: ES2177309T3; JP2002507012A; WO1999046768A8; KR100704136B1; TW516030B; CA2322951A1; KR20010041778A; DE69902153D1; WO1999046768A1; JP4344090B2; CA2322951C; US6975457B1; EP1064651B1; EP1064651A2; AU3265699A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zum gleichzeitigen Abbilden mehrerer Schichten innerhalb eines dreidimensionalen Objektfeldes, wobei sie Anwendbarkeit in Gebieten besitzt, die die optische Informationsspeicherung, die Abbildung von kurzzeitigen Phänomenen, die Mikroskopie, die Abbildung dreidimensionaler Objektstrukturen, die passive Entfernungsmessung, die Laserstrahl- Formung, die Wellenfrontanalyse und die Millimeterwellenoptik umfassen.
Die Verwendung eines unverzerrten Amplitudengitters, um völlig gleiche Bilder einer Szene in verschiedenen Beugungsordnungen zu erzeugen, ist bekannt. Die meiste Energie ist in der nullten Ordnung konzentriert, wobei das meiste der verbleibenden Energie in den +1. und -1. Ordnungen enthalten ist. Es können Phasen- oder Phasen- und Amplitudengitter verwendet werden, um die Verteilung der Energie in den verschiedenen Beugungsordnungen zu ändern.
Es ist außerdem bekannt, daß Verzerrungen eines derartigen Gitters (d. h. Verschiebungen in einer Richtung senkrecht zu den Gitterstrichen) verwendet werden können, um Phasenänderungen im optischen System zu erzeugen und um folglich die Wellenfront in der hinteren Brennebene des Systems zu formen. Diese Wirkung ist verwendet wurden, um redundante Grundlinien in einem System mit maskierter Öffnung unter Verwendung eines verschobenen Gitters zu trennen, wobei sie seit vielen Jahren die Grundlage für computererzeugte Hologramme gebildet hat (P. M. Blanchard, A. H. Greenaway, R. N. Anderton, R. Appleby, 'Phase calibration arrays at optical and millimetre wavelengths', J. Opt. Soc. Am. A., Bd. 13, Nr. 7, S. 1593-1600, 1996; G. Tricoles, 'Computer generated holograms: an historic review', Appl. Opt., Bd. 26, Nr. 20, S. 4351-4360, 1987, und M. Li, A. Larsson, N. Eriksson, M. Hagberg, 'Continuous-level phase only computer generated holograms realised by dislocated binary gratings', Opt. Lett., Bd. 21, Nr. 18, S. 1516-1518, 1996).
Die Abbildung eines dreidimensionalen Objektes unter Verwendung einer 'Serie durch den Brennpunkt' ist ebenfalls bekannt. Bei diesem Verfahren wird eine Folge von Bildern des Objekts mit einem optischen System aufgenommen, das auf verschiedene Ebenen im Objektfeld fokussiert ist. Ein alternativer Zugang bildet gleichzeitig eine Matrix aus Bildern, die durch eine Matrix aus Linsen aufgezeichnet wurden, von denen jede eine verschiedene Brennpunktbedingung schafft.
Ein Nachteil der 'Serie durch den Brennpunkt' besteht darin, daß sie, weil die Bilder sequentiell aufgezeichnet werden, schlecht geeignet ist, um die dreidimensionale Struktur dynamischer Prozesse abzubilden. Ein Nachteil des zweiten Zugangs ist seine komplexe Konstruktion und daß die erhaltende Auflösung durch die Auflösung eingeschränkt ist, die durch die einzelnen Linsen in der Anordnung geliefert wird, wobei der Durchmesser jeder von diesen (und folglich die Bildauflösung) durch den Raum eingeschränkt ist, in den die Anordnung gepackt werden kann.
Die Speicherung von Daten im dreidimensionalen, optisch lesbaren Speichermedium ist ebenfalls bekannt (S. Jutamulia und G. M. Stori, 'Three-Dimensional Optical Digital Memory', Optoelectronics - Devices and Technologies, Bd. 10, Nr. 3, S. 343-360, 1995, und K. Kobayashi und S. S. Kano, 'Multi-Layered Optical Storage with Nonlinear Read/Write', Optical Review, Bd. 2, Nr. 1, S. 20-23, 1995). Dieser Artikel bieten einen Überblick über die Medien und die Architektur für verschiedene dreidimensionale optische Speicher.
US5526336 beschreibt eine Vorrichtung zum Lesen verschiedener Schichten einer mehrschichtigen optischen Platte, wobei es die Verwendung einer Fresnel-Linse zusammen mit einer Objektivlinse lehrt, um auf die verschiedenen Schichten zu fokussieren. Es gibt jedoch eine Notwendigkeit, zwischen der durch die Schichten reflektierten Strahlung zu unterscheiden, was Komplexität zu dem System hinzufügt.
In einem nahezu beugungsbegrenzten optischen Hochleistungssystem, wie z. B. einen CD-Spieler, müssen alle Quellen von Wellenfrontaberrationen betrachtet werden. In einer Standard-Compactdisk ist die Datenschicht mit einem Substrat bedeckt, das einige hundert Mikrometer dick ist. Die Ausbreitung des Lichts durch dieses Substrat (das im Prinzip eine parallele Platte ist) führt sphärische Aberration ein, die die Lichtfleckgröße in der Datenschicht vergrößert und die Auflösung herabsetzt. Diese Wirkung wird in herkömmlichen, einschichtigen Compactdisk-Systemen überwunden, indem eine Korrektur der sphärischen Aberration in die Objektivlinse eingebaut wird.
In einem mehrschichtigen optischen Datenspeichermedium ist der Grad der sphärische Aberration von der Tiefe der Datenschicht im Speichermedium abhängig, wobei, wenn aus jeder verschiedenen Schicht gelesen wird, ein anderes Niveau der Korrektur der sphärischen Aberration erforderlich ist. Deshalb ist eine aberrationskorrigierte Objektivlinse nicht ausreichend. Mehrere Patente über mehrschichtige optische Datenspeichersysteme, die sich auf eine bewegliche Linse stützen, um auf verschiedene Tiefen zu fokussieren, haben Wege vorgeschlagen, um eine 'aktive' Korrektur der sphärische Aberration auszuführen. US 5202875 schlägt die Verwendung eines gestuften Blocks des Substratsmaterials vor, der durch den optischen Strahl (unter Verwendung eines Schwingspulenmotors) zu einer Position bewegt wird, die von der Dicke der Schicht abhängig ist, die gelesen wird, so daß die Dicke des Materials, die der Strahl durchläuft, konstant ist. Andere Vorschläge enthalten ein Prismenpaar, von denen eines verschoben wird, eine rotierende Scheibe mit variabler Dicke und bewegliche Kompensationsplatten.
Alle diese Zugänge führen zusätzliche bewegliche Teile und Komplexität in das System ein.
Gemäß dieser Erfindung umfaßt eine Vorrichtung zum gleichzeitigen Erzeugen mehrerer räumlich getrennter Bilder eines Objektfeldes:
ein optisches System, das so beschaffen ist, daß es ein Bild erzeugt, das einer ersten Brennpunktbedingung zugeordnet ist;
ein Beugungsgitter, das so beschaffen ist, daß es in Übereinstimmung mit dem optischen System Bilder erzeugt, die jeder Beugungsordnung zugeordnet sind, und
Mittel zum Erfassen der Bilder,
wobei sich das optische System, das Beugungsgitter und die Erfassungsmittel auf einer optischen Achse befinden, wobei sich das Beugungsgitter in einer geeigneten Gitterebene befindet, dadurch gekennzeichnet, daß das Beugungsgitter im wesentlichen entsprechend einer quadratischen Funktion verzerrt ist, um zu bewirken, daß die Bilder unter verschiedenen Brennpunktbedingungen und in einer Richtung, die eine von null verschiedene Komponente senkrecht zur optischen Achse aufweist, räumlich getrennt gebildet werden.
Außerdem kann die Funktion Terme enthalten, um verschiedene Größen der sphärischen Aberration in jeder Beugungsordnung zu erzeugen. Dies könnte verwendet werden, um die sphärische Aberration im zugeordneten optischen System zu korrigieren, z. B. könnte die den Schichten in verschiedenen Tiefen in einem optischen Datenspeichermedium zugeordnete sphärische Aberration korrigiert werden.
Der Ursprung der Verzerrungsfunktion kann von der optischen Achse verschoben sein. Das Gitter könnte ein einzelnes Gitter sein oder es könnte aus einer Kombination aus zwei oder mehr Gittern konstruiert sein.
In der aktuellen Erfindung könnte eine Vielzahl von Gittertypen verwendet werden, z. B. Nur-Amplitude; Nur-Phase; eine Kombination aus Amplitude und Phase; polarisationsempfindlich; eine Kombination aus zwei für verschiedene Polarisationen empfindlichen Gittern; programmierbar; reflektiv; durchlässig; mit zwei Ebenen (binär); mit mehreren Ebenen (digitalisiert) oder mit kontinuierlichen Ebenen (analog).
Durch eine Implementierung können die Bilder der Orte mit verschiedener Tiefe innerhalb des Objektfeldes (d. h. von verschiedenen Objektebenen) in einer einzelnen Bildebene gleichzeitig erzeugt werden. Dies würde das gleichzeitige Lesen der in verschiedenen Schichten innerhalb eines geeigneten Speichermediums (z. B. einer mehrschichtigen CD-ROM) gespeicherten optischen Daten erlauben.
Durch eine alternative Implementierung können Bilder einer einzelnen Ebene im Objektfeld (d. h. von einer einzelnen Objektebene) gleichzeitig in einer Anzahl verschiedener Bildebenen erzeugt werden. Dies würde erlauben, auf eine einzelne Beleuchtungsquelle in einer Anzahl verschiedener Ebenen zu fokussieren.
Die zwei obigen Implementierungen können kombiniert werden, um ein System zu schaffen, in dem die Objektebenen des ersteren mit den Bildebenen des letzteren zusammenfallen und folglich geeignet beleuchtet sind, um die Abbildung zu unterstützen.
In einer bevorzugten Ausführungsform enthalten die Objektebenen Datenspeicherelemente, wobei sie durch die aktuelle Erfindung abgebildet werden können. Diese Ausführungsform könnte verwendet werden, um die Daten aus einem dreidimensionalen optischen Speichermedium zu lesen.
Eine weitere Ausführungsform enthält ein Dispersionssystem, um einen Versatz in einen Eingangsstrahl der Strahlung einzufügen, ohne die Richtung des Strahls zu ändern, wobei der Versatz senkrecht zur optischen Achse und proportional zur Wellenlänge der Eingangsstrahlung ist. Dies bewirkt, daß die Beugungswinkel bei allen Winkeln im wesentlichen gleich sind.
Die Erfindung verwendet eine einzelne Linse oder ein Mehrlinsensystem mit einem verzerrten Beugungsgitter, um gleichzeitig eine Menge von Bildern des Objektfeldes zu erzeugen, in der jedes Bild in der Menge einem Bild des Objektfeldes entsprechen kann, das unter verschiedenen Brennpunktbedingungen aufgezeichnet wurde, aber in dem der vollständige Durchmesser des Linsensystems in jedem Bild der Menge ausgenutzt wird. Für jedes Bild in der Menge ist die Auflösung, die Vergrößerung und die Tiefenschärfe die, die erhalten worden wäre, wenn eine Serie durch den Brennpunkt erzeugt worden wäre, indem lediglich die Brennweite des Linsensystems verändert worden wäre.
Das verwendete Gitter kann ein einzelnes verzerrtes Beugungsgitter oder eine Folge derartiger Gitter sein. Die verwendeten Gitter können computererzeugt (im Raum und/oder in der Amplitude digitalisiert) oder durch analoge Mittel (z. B. interferometrische Mittel) hergestellt sein.
In der folgenden Beschreibung hat der Detektor die Bedeutung von Detektormitteln, die ein räumlich auflösendes System umfassen, wie z. B. eine Bildpunkt-Anordnung von Detektorelementen, etwa eine ladungsgekoppelte Vorrichtung (CCD). Für Anwendungen, in denen die Erfassung der Anwesenheit oder Abwesenheit nicht aufgelöster Ziele erforderlich ist, kann der Detektor geeignet angeordnete, isolierte Detektorelemente umfassen.
Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die folgenden Figuren beschrieben, worin:
Fig. 1 lediglich zur Veranschaulichung geeignete Gitterebenen schematisch zeigt;
Fig. 2(a) ein herkömmliches, nicht verzerrtes, Nur-Amplituden-Beugungsgitter schematisch zeigt, das in einem Abbildungssystem verwendet wird, während Fig. 2(b) den normierten Intensitätsquerschnitt der Bilder der nullten, +1. und -1. Beugungsordnung einer Punktquelle zeigt, die erzeugt werden, wenn ein derartiges Gitter in eine geeignete Gitterebene eines Abbildungssystems eingesetzt wird;
Fig. 3a und 3b jeweils einen Abschnitt eines unverzerrten Gitters und die Verzerrung eines Gitters um einen festen Betrag iN veranschaulichen;
Fig. 4 ein einfaches Abbildungssystem der aktuellen Erfindung schematisch zeigt;
Fig. 5 zwei computererzeugte Amplitudengitter mit quadratischer Verzerrung zeigt;
Fig. 6 die Computer-Simulationen der Intensitätsquerschnitte der Bilder einer Punktquelle zeigt, die durch die aktuelle Erfindung in den +1., 0. und -1. Beugungsordnungen gebildet werden;
Fig. 7 experimentelle Messungen der Bilder eines Auflösungsziels zeigt, die durch die aktuelle Erindung in den +1., 0. und -1. Beugungsordnungen gebildet werden;
Fig. 8(a) gekreuzte Amplitudengitter zeigt, Fig. 8(b) die Defokussierungszustände der entsprechenden Beugungsordnungen zeigt und Fig. 8(c) eine Computer-Simulationen der Bilder einer Punktquelle durch die Gitterstruktur nach Fig. 8(a) zeigt;
Fig. 9 experimentelle Bilder eines Auflösungsziels zeigt, die an verschiedenen Detektorpositionen unter Verwendung gekreuzter Amplitudengitter erhalten wurden;
Fig. 10 schematisch ein einfaches Abbildungssystem der aktuellen Erfindung zeigt, das verwendet wird, um fokussierte Bilder verschiedener Objektebenen in einer einzelnen Detektorebene zu erzeugen;
Fig. 11 die Bilder einer Objektebene zeigt, die ein Diapositiv des Buchstabens 'B' enthält, die durch ein Experiment unter Verwendung eines quadratischen verzerrten Amplitudengitters erhalten wurden;
Fig. 12 die Vorrichtung schematisch zeigt, um die in Fig. 13 gezeigten experimentellen Daten aufzuzeichnen;
Fig. 13 gleichzeitig nebeneinander die Bilder von 3 Objekten zeigt, die sich in verschiedenen Objektebenen befinden;
Fig. 14 zeigt, wie die Erfindung für das Lesen der Daten angepaßt werden kann, die in einem dreidimensionalen optischen Speichermedium gespeichert sind;
Fig. 15 einen Vergleich der Phasenprofile und Gitterstrukturen für Gitter zeigt, in die Defokussierung, sphärische Aberration und beides eingebaut ist;
Fig. 16 die Bildquerschnitte qualitativ zeigt, die den -1., 0. und +1. Beugungsordnungen durch ein Gitter mit &sub0;C&sub4;&sub0; = 1λ zugeordnet sind;
Fig. 17 Intensitätsquerschnitte der Bilder von Punktquellen in den Schichten zeigt, die 7, 6 und 5 nach Fig. 14 mit Gittern entsprechen, bei denen lediglich die Defokussierung (linke Spalte) und die Defokussierung und die sphärische Aberration (rechte Spalte) korrigiert sind;
Fig. 18 ein quadratisch verzerrtes Beugungsgitter mit &sub0;C&sub2;&sub0; = 4λ und einen Versatz der quadratischen Funktion bezüglich der optischen Achse von x&sub0; = λR²/(2d &sub0;C&sub2;&sub0;) zeigt;
Fig. 19 ein optisches System zeigt, um die Bilder von 2 oder mehr Objektebenen mit gleichen Vergrößerungen zu erhalten;
Fig. 20 ein quadratisch verzerrtes Beugungsgitter und die Strahlspositionen bei 3 diskreten Wellenlängen zeigt, die notwendig sind, um die Beugungswinkel auszugleichen;
Fig. 21 eine schematische Darstellung eines Dispersionssystems ist, um eine wellenlängenabhängige Strahlverschiebung vor dem verzerrten Gitter einzuführen;
Fig. 22(a) die gewünschte Beleuchtung der mehreren Schichten in einem Objektfeld veranschaulicht und Fig. 22(b) die Beleuchtung der derartiger Schichten unter Verwendung der Gitter des in Fig. 2 gezeigten Typs veranschaulicht; und
Fig. 23 eine schematische Darstellung des Lesekopfs eines mehrschichtigen optischen Datenspeichers ist.
Obwohl sich die folgenden Beispiele auf die Anwendung der Erfindung im Gebiet der Optik beziehen, sollte dies nicht als einschränkend betrachtet werden, da die allgemeinen Prinzipien auf andere Wellenlängen der elektromagnetischen Strahlung anwendbar sind.

Der Ort des Gitters

In einem System, in dem konvergierende und/oder divergierende Strahlen vorhanden sind, würde irgendeine Ebene, die normal zur optischen Achse ist und sich dicht bei einer anderen Linse als einer im Bild- oder Objektfeld angeordneten Linse befindet, eine geeignete Gitterebene sein, z. B. die Ebene P1 in Fig. 1a. In einem System, in dem ein kollimierter Strahl erzeugt wird, wird irgendeine Ebene, die normal zur optischen Achse des Systems ist und sich in dem Bereich befindet, in dem der Strahl kollimiert ist, z. B. irgendwo zwischen den Ebenen P1 und P2 in Fig. 1b, oder eine Ebene, die als geeignete Gitterebene für ein System mit konvergierenden oder divergierenden Strahlen beschrieben ist, eine geeignete Gitterebene sein.

Die Konstruktion des Gitters

Die Konstruktion der verzerrten Gitter, die in der aktuellen Erfindung typischerweise verwendet werden könnten, wird zuerst beschrieben.
Ein Standardbeugungsgitter besteht aus abwechselnden regelmäßig beabstandeten Streifen mit verschiedener Durchlässigkeit, verschiedenen Reflexionsvermögen oder verschiedener optischer Dicke. Wenn das Gitter innerhalb eines Abbildungssystems verwendet wird, erscheinen außer der nicht gestreuten nullten Ordnung mehrere Beugungsordnungen in der Bildebene. Jede Beugungsordnung enthält die gleichen Informationen über das Objektfeld wie die nullte Ordnung, obgleich mit verschiedenen Intensitätspegeln, die von den Einzelheiten der Gitterkonstruktion abhängig sind. Fig. 2 zeigt als ein Beispiel ein Amplitudengitter und die Bilder eines Punktobjekts, die in den -1., 0. und +1. Beugungsordnungen gebildet sind (jede Ordnung ist auf die Einheitsintensität normiert).
Wenn die Gittergeometrie durch Verschiebung der Streifen in einer Richtung senkrecht zu ihrer langen Achse lokal verzerrt wird, wird eine Phasenverschiebung in die vom verzerrten Bereich gestreute Wellenfront eingeführt, deren Niveau von der Größe der lokalen Verzerrung des Gitters bezüglich seiner unverzerrten Form abhängig ist. Das Niveau der lokalen Phasenverschiebung steht über die Gleichung 1 mit der Verzerrung des Gitters im Zusammenhang.
φ = 2πmΔ/d, (Gl. 1)
wobei d die Gitterkonstante ist, m ist die Beugungsordnung, in die die Wellenfront gestreut wird, und Δ ist die Verzerrung der Gitterstreifen bezüglich ihrer unverzerrten Position, wie in Fig. 3 gezeigt ist. Eine derartige Verzerrung des Gitters erzeugt Phasenverschiebungen mit gleicher Größe aber mit entgegengesetztem Vorzeichen in den in die +1. und -1. Beugungsordnungen gestreuten Wellenfronten, wobei sie die nicht gestreute Wellenfront der nullten Ordnung unverändert läßt.
Es ist wichtig anzumerken, daß diese Technik erlaubt, daß kontinuierliche Phasenwerte unter Verwendung eines binären Gitters (eines Gitters mit zwei Ebenen) codiert werden, obwohl die Erfindung außerdem auf Gitter mit mehreren Ebenen oder Gitter mit kontinuierlichen Ebenen angewendet werden kann.
Für Anwendungen, die computererzeugte Hologramme verwenden, kann das verzerrte Gitter konstruiert werden, in dem die Gitterfläche in eine Anzahl von Zellen unterteilt wird, die irgendeine den Raum füllende Form aufweisen können, wobei der Grad der Verzerrung, die auf das Gitter anzuwenden ist, für jede Zelle einzeln berechnet wird. Alternativ kann die Verzerrung auf das Gitter als Ganzes angewendet werden, was zu kontinuierlich verzerrten Streifen führt. Diese beiden Zugänge können unter Verwendung der Computerkonstruktion, gefolgt von der Herstellung des Gitters, oder durch die Verwendung eines elektrisch adressierten Flüssigkristalls oder einer anderen elektrooptischen Vorrichtung implementiert sein.
Für die nichtdigitalen Produktionsverfahren besteht eine alternative Technik darin, das verzerrte Streifenmuster holographisch in einem optisch empfindlichen Medium aufzuzeichnen oder eine optisch programmierbare Flüssigkristallvorrichtung zu verwenden, damit das Gitter in Echtzeit geändert werden kann.
Die obigen Beschreibungen beziehen sich auf beliebige Verzerrungen, die verwendet werden könnten, um beliebige Phasenänderungen in der in eine ausgewählte Beugungsordnung gestreuten Wellenfront zu erzeugen.
Im folgenden werden die Gitterverzerrungen beschrieben, die erforderlich sind, um die Defokussierungswirkungen zu erzeugen, die für die Implementierung dieser Erfindung erforderlich sind.

Die Defokussierungsgitter

Ein defokussiertes optisches System besitzt eine Phasenverschiebung, die im Vergleich zu einem fokussierten Bild durch eine quadratischen Funktion des Abstands von der optischen Achse dargestellt werden kann und die bezüglich der Gaußschen Bezugskugel gemessen wird (z. B. Abschnitt 5.1, Principles of Optics, Born & Wolf, Pergammon, 6. Auflage, Oxford 1980). Diese Erfindung bezieht sich auf ein Beugungsgitter, das als eine quadratische Funktion des Abstands von der optischen Achse des Systems entsprechend
verzerrt ist, wobei Δ(x, y) der Verzerrung in einer Richtung senkrecht zu den Gitterstrichen ist (Fig. 3), x und y sind kartesische Koordinaten bezüglich eines Ursprungs auf der optischen Achse in der Ebene des Gitters, d ist die Gitterkonstante, λ ist die optische Wellenlänge, &sub0;C&sub2;&sub0; ist der in das in der +1. Beugungsordnung gebildete Bild eingeführte Grad der Defokussierung (&sub0;C&sub2;&sub0; ≥ 0) und R ist der Radius der Gitteröffnung, die um die optische Achse zentriert ist. In der Gleichung 2 ist eine kreisförmige Öffnung angenommen worden, die Erfindung kann aber auf eine Öffnung mit irgendeiner Form angewendet werden. &sub0;C&sub2;&sub0; ist der Wellenfrontkoeffizient der Defokussierung des Gitters (die herkömmliche Aberrationskonstante der Defokussierung, die zu dem an der Kante der Öffnung eingeführten Unterschied der Weglänge äquivalent ist, in diesem Fall zwischen der in die +1. Beugungsordnung gestreuten Wellenfront und der Gaußschen Bezugsoberfläche für diese Beugungsordnung {z. B. Abschnitt 15-5, Geometrical and Physical Optics, R. S. Longhurst, Longman, 3. Auflage, London, 1973}). Die den in die verschiedenen Beugungsordnungen gestreuten Wellenfronten auferlegte Phasenänderung kann durch das Kombinieren von Gleichung 1 und Gleichung 2 berechnet werden, es ergibt sich
Die quadratische Phasenfunktion (Gleichung 3) vermittelt eine Phasenverzögerung in den in die von null verschiedenen Beugungsordnungen gestreuten Wellenfronten, so daß die Krümmung der Wellenfronten geändert wird. Das Gitter besitzt deshalb fokussierende Leistung in den von null verschiedenen Ordnungen, wobei eine äquivalente Brennweite (fm) für diese Ordnungen definiert werden kann,
In der Praxis ist es nützlich, ein derartiges Gitter als Teil eines optischen Systems zu verwenden, das die Hauptfokussierleistung bereitstellt, wobei das Gitter effektiv die Brennweite der Linse in jeder Beugungsordnung modifiziert. Wenn z. B. ein quadratisch verzerrtes Gitter in Kontakt mit einer Linse der Brennweite f angeordnet wird, ist die Brennweite der Kombination in jeder Beugungsordnung durch
gegeben, was durch
angenähert werden kann, wenn R² » m² &sub0;C&sub2;&sub0; gilt. Die Größe und das Vorzeichen der Defokussierung ist von der Beugungsordnung (m) abhängig. Folglich wird eine Folge von Bildern des Objektfeldes mit sich unterscheidenden Defokussierungsbedingungen gleichzeitig und nebeneinander im Detektor in den verschiedenen Beugungsordnungen erzeugt.
Das Prinzip der Erfindung kann unter Bezugnahme auf die -1., 0. und +1. Beugungsordnungen demonstriert werden. In Fig. 4 kann die defokussierende Wirkung eines quadratisch verzerrten Gitters unter Verwendung eines optischen Systems (1) demonstriert werden, das konstruiert und beschaffen ist, um ein Objekt (2) auf der optischen Achse (3) auf die Detektorebene B in der normalen Brennebene des optischen Systems abzubilden.
Ein quadratische verzerrtes Beugungsgitter (4), das zum optischen System (1) hinzugefügt wird, erzeugt zwei zusätzliche Bilder des Objektes (2) in der Ebene B in seiner +1. und -1. Beugungsordnung. In der normalen Brennebene B bleiben die Bilder der nullten Ordnung fokussiert, während die Bilder in den +1. und -1. Beugungsordnungen eine Defokussierung mit gleicher Größe aber entgegengesetztem Vorzeichen erfahren. Wenn der Detektor entlang der optischen Achse auf beiden Seiten der Ebene B bewegt wird, kann eine Ebene erreicht werden, in der die physikalische Defokussierung die durch das Gitter in die Beugungsordnungen eingeführte Defokussierung aufhebt. Auf diese Weise können die Bilder in den +1. und -1. Beugungsordnungen fokussiert werden (die Ebenen A und C).
Der Abstand δi der Bildebenen A, B und C ist durch die Gitterverzerrung, den Radius der Gitteröffnung und das optischen System durch
bestimmt, wobei R der Radius der Gitteröffnung ist, v ist der Abstand von der normalen Bildebene (B) zur sekundären Hauptebene des optischen Systems, wobei die Näherung R » m &sub0;C&sub2;&sub0; (R ist viel größer als m &sub0;C&sub2;&sub0;) ausgeführt worden ist. Es wird angemerkt, daß, wenn ein Gitter mit einer Defokussierung konstruiert ist, die durch &sub0;C&sub2;&sub0; = nλ dargestellt ist, dann die +1. Beugungsordnung eine Defokussierung erfährt, die äquivalent zu nλ ist, die -1. Beugungsordnung wird eine Defokussierung erfahren, die zu -nλ äquivalent ist, wobei durch Gleichung 7 sich die Ebenen A und C auf beiden Seiten von und in verschiedenen Abständen von der Ebene B befinden werden.
In dem Fall, in dem 2vm &sub0;C&sub2;&sub0; « R² gilt, kann die Gleichung 7 durch
δi -2m(v/R)² &sub0;C&sub2;&sub0; (Gl. 8)
angenähert werden, wobei die Ebenen A und C symmetrisch um die Ebene B angeordnet sind.
Die Gleichung 7 kann hinsichtlich der Gitterdefokussierung (&sub0;C&sub2;&sub0;) umgestellt werden, die benötigt wird, um den erforderlichen Abstand (δi) der Bildebenen zwischen fokussierten Bildern in den nullten und +1. Beugungsordnungen zu erzeugen (m = 1).
&sub0;C&sub2;&sub0; = R²δi/2v(v + δi) (Gl. 9)
Die Fig. 5(a) und 5(b) zeigen jede Beispiele von Gittern mit sphärischen Öffnungen mit R = 12,5d, die als eine quadratische Funktion des Abstands vom Zentrum verzerrt sind, damit sich verschiedene Niveaus der Defokussierung ergeben, für Fig. 5(a) &sub0;C&sub2;&sub0; = λ und für Fig. 5(b) &sub0;C&sub2;&sub0; = 2λ. Diese Stellen zwei Beispiele von vielen möglichen Gitterstrukturen dar, wobei sie durch einen Computer als binäre Amplitudengitter unter Verwendung einer quadratischen Konstruktionszelle konstruiert wurden. Die verschiedenen Stufen in den schwarzen Kanten der Gitterstriche sind auf die Genauigkeit von λ/20 zurückzuführen, mit der diese Gitter graphisch dargestellt worden sind. Die den quadratisch verzerrten Gittern zugeordneten Gitterstriche sind Bögen von konzentrischen Kreisen mit unterschiedlicher Dicke, wobei sie als solche graphisch dargestellt werden könnten.
Die defokussierende Eigenschaft dieser Gitter ist mit Computer- Simulationen und experimentell verifiziert worden, wie später beschrieben wird.

Die Abbildung eines einzelnen Objektes durch ein quadratisch verzerrtes Gitter - Computer-Simulationen

Es wurden Computer-Simulationen unter Verwendung in Fortran geschriebener Software ausgeführt, wobei eine Routine für die schnelle Fourier-Transformation (FFT) verwendet wurde [Unterprogramm fourn aus 'Numerical recipes in Fortran', W. H. Press, S. A. Teukolsky, W. T. Vetterling, B. P. Flannery, Cambridge University Press, 1992]. Die Bilder wurden berechnet, in dem die FFT des Objektes mit der optischen Übertragungsfunktion des Gitters multipliziert wurde, gefolgt von einer inversen FFT, um das Bild zu erzeugen. Die optische Übertragungsfunktion des Gitters wurde aus der Autokorrelation des Gitters berechnet, die über eine doppelte FFT- Technik unter Verwendung des Wiener-Khintchine-Theorems erhalten wurde [Fourier Optics: An Introduction, E. G. Steward, 2. Auflage, S. 95, J. Wiley & Sons.]. Dieser Zugang stellt eine Simulation der inkohärenten Abbildung dar. Fig. 6 zeigt die Intensitätsquerschnitte der simulierten Bilder einer Punktquelle durch ein verzerrtes Amplitudengitter, das mit &sub0;C&sub2;&sub0; = λ konstruiert ist (Fig. 5a), wobei der Detektor in den Ebenen A, B und C angeordnet ist (Fig. 4). Unter Verwendung eines Amplitudengitters würden die Intensitäten der Beugungsflecken erster Ordnung in der Praxis niedriger als die der nullten Ordnung sein. In dieser Figur ist die Leistung der fokussierten Beugungsordnungen auf eins normiert worden, um die Beobachtung zu unterstützen. Wenn sich der Detektor in der Ebene B befindet, ist die nullte Ordnung fokussiert, während die +1. und -1. Beugungsordnungen Defokussierungen von +1λ bzw. -1λ aufweisen.
Durch das Bewegen des Detektors auf beiden Seiten dieser Ebene können die +1. und -1. Beugungsordnungen fokussiert werden. Dies demonstriert, daß die Maske eine echte Defokussierung erzeugt.

Die Abbildung eines einzelnen Objektes durch ein guadratisch verzerrtes Gitter - experimentelle Ergebnisse

Um die Computer-Simulationen zu verifizieren, wurde ein Gitter hergestellt, indem ein vergrößertes Schwarzweißbild des geeigneten Musters auf ein 35-mm-Diapositiv photographisch verkleinert wurde. Dies lieferte ein Gitter mit einer kreisförmigen Öffnung mit einem Durchmesser von 1 cm, &sub0;C&sub2;&sub0; = λ und einer Gitterkonstante von 400 · 10&supmin;&sup6; m (400 um). Das optische System umfaßt zwei Linsen mit Brennweiten von 50 cm und 100 cm, die um 5 cm getrennt sind. Das Objekt, ein Standardauflösungsziel, wurde eine Brennweite (50 cm) vor der ersten Linse angeordnet, während der Detektor eine Brennweite (100 cm) hinter der zweiten Linse angeordnet wurde. Es wurde eine weiße Lichtquelle verwendet, um das Objekt in Transmission zu beleuchten, wobei das Gitter zwischen den zwei Linsen in dem Bereich angeordnet wurde, in dem das Licht kollimiert war. Ein bei 650 nm zentriertes Filter mit einem Durchlaßbereich von 10 nm wurde vor dem CCD-Detektor angeordnet, der verwendet wurde, um das Bild aufzuzeichnen.
Diese Parameter führten zu einer axialen Brennpunktverschiebung von -4,9 cm und +5,5 cm in der +1. bzw. -1. Beugungsordnung (Gleichung 7). Fig. 7 zeigt die am Ort des Detektors bei Positionen erhaltenen Bilder, die den Ebenen A, B und C nach Fig. 4 entsprechen. Die Figur zeigt die durch den Detektor erfaßten unbearbeiteten Bilder und die gleichen Bilder nach der Verarbeitung, um die Intensitäten der (normierten) +1. und -1. Beugungsordnungen zu vergrößern, um die Beobachtung zu unterstützen. Es ist zu sehen, daß die -1., 0. und 1. Beugungsordnungen fokussiert werden, wenn der Detektor die optische Achse des Systems der Länge nach abtastet. An diesen Positionen hebt die physikalische Defokussierung die durch die Gitter eingeführten Deformationen der Wellenfront auf, d. h., das Gitter führt die vorhergesagte quadratische Variation der Phase (Defokussierung) ein.

Die Abbildung eines einzelnen Objektes durch zwei gekreuzte quadratisch verzerrte Gitter

Die soweit beschriebene Technik kann durch die Verwendung mehrerer gekreuzter Gitter erweitert werden. Wenn zwei Gitter in rechten Winkeln gekreuzt werden, können die zentralen neun Beugungsordnungen nützlich verwendet werden. Wenn die Defokussierungen (&sub0;C&sub2;&sub0;) der zwei gekreuzten Gitter so gewählt werden, daß sie aλ, und bλ betragen, dann entsprechen für a - b ≠ a ≠ b die neun Bilder der Szene, die parallel gebildet werden, neun verschiedenen Defokussierungsbedingungen. Fig. 8a zeigt ein Beispiel von zwei gekreuzten Gittern, die Defokussierungen von &sub0;C&sub2;&sub0; = 0,5λ und &sub0;C&sub2;&sub0; = 1,5λ aufweisen, Fig. 8b zeigt die relativen Defokussierungen der zentralen neun Beugungsordnungen, während Fig. 8c eine Computer-Simulation des Bildes einer Punktquelle durch die Gitter (normiert) zeigt. Das Bild des Objektes in jeder Beugungsordnung kann durch die Bewegung des Detektors längs der Achse getrennt fokussiert werden.
Die Technik der gekreuzten Gitter ist experimentell unter Verwendung der vorausgehend beschriebenen Anordnung und der in Fig. 8a veranschaulichten Struktur der gekreuzten Gitter experimentell geprüft worden. Die experimentellen Ergebnisse in Fig. 9 zeigen eine Auswahl von neun Bildern, die durch die Bewegung des Detektors längs der optischen Achse fokussiert wurden. Der volle Bewegungsbereich des Detektors zwischen den zwei Extremen in Fig. 9 betrug etwa 20 cm.

Die Abbildung mehrerer Objektebenen durch ein guadratisch verzerrtes Gitter

Die Funktion des Defokussierungsgitters kann in einer anderen Art betrachtet werden. Wenn der Detektor in der Bildebene B angeordnet wird, dann entsprechen in Fig. 10 die drei gebildeten Bilder den fokussierten Bildern von drei verschiedenen Objektebenen 5, 6 und 7. Die nullte Ordnung wird die Summe der defokussierten Bilder der Objekte 5 und 7 und eines fokussierten Bildes des Objektes 6 sein. Wenn der Grad der Defokussierung ausreichend ist, wird sich ein gutes Bild des Objektes 6 ergeben. Ähnlich sind die Objekte 5 und 7 in den +1. und -1. Beugungsordnungen erkennbar. Das Gitter erzeugt deshalb nebeneinander gleichzeitige Bilder von drei verschiedenen Objektebenen in einer einzelnen Detektorebene. Der Abstand (δ&sub0;) der in der Ebene B abgebildeten Objektebenen ist durch die Gitterverzerrung, den Radius der Gitteröffnung und das optische System durch
bestimmt, wobei &sub0;C&sub2;&sub0; der Wellenfrontkoeffizient der Defokussierung des Gitters für die +1. Beugungsordnung ist, R ist der Radius der Gitteröffnung, m ist die Beugungsordnung, u ist der Abstand von der zentralen Objektebene zur primären Hauptebene des optischen Systems und es ist die Näherung R » m &sub0;C&sub2;&sub0; ausgeführt worden.
Die Tiefenauflösung hinsichtlich der minimalen Trennung der Ebenen im Objektfeld, die einzeln abgebildet werden können, ist abhängig von der Tiefenschärfe des verwendeten optischen Systems. Die erhaltene Bildqualität, wenn ein verzerrtes Beugungsgitter verwendet wird, um mehrere Ebenen innerhalb des Objektfeldes abzubilden, wird die gleiche sein, als ob eine 'Serie durch den Brennpunkt' durch das Einstellen des optischen Systems erhalten würde, um seinen Brennpunkt einzustellen, um die gleichen Ebenen abzubilden.
Die Tatsache, daß verschiedene Objektebenen in verschiedene Beugungsordnungen abgebildet werden, wurde zuerst unter Verwendung eines festen Detektors und eines einzelnen beweglichen Objekts beobachtet. Fig. 11 zeigt die Bilder, die erhalten wurden, indem ein Diapositiv des Buchstabens 'B' mit einer Höhe von 1 mm (das Objekt) an Positionen angeordnet wurde, die den Objektebenen 5, 6 und 7 nach Fig. 10 entsprechen. Das optische System umfaßt eine einzelne Linse mit einer Brennweite von 12 cm, einen 32 cm von der Linse entfernten ortsfesten CCD-Detektor (Ebene B) und ein Gitter mit einem Öffnungsdurchmesser von 2 cm, &sub0;C&sub2;&sub0; = 10λ und einer Konstante von 100 · 10&supmin;&sup6; m (100 um). Die Objektebene 6 entsprach einer 19 cm von der Linse entfernten Ebene, wobei die Gitterparameter in ihren -1. und +1. Beugungsordnungen fokussierte Bilder der Objektebenen erzeugten, die um etwa ±4,8 mm bezüglich der Ebene 6 verschoben waren.
Um die gleichzeitige Abbildung der drei Objektebenen zu demonstrieren, wurde das gleiche optische System mit drei verschiedenen Objekten verwendet. Drei Diapositiv, die die Buchstaben 'A', 'B' und 'C' enthielten, wurden in den Ebenen 5, 6 bzw. 7 angeordnet, wie in Fig. 12 schematisch gezeigt ist. Die Ebene 6 entsprach einer 19 cm von der Linse L1 entfernten Ebene, während die Ebenen 5 und 7 den um +4,7 mm und -4,9 mm bezüglich der Ebene 6 verschoben Objektebenen entsprachen. Es wurde eine (nicht gezeigt) weiße Lichtquelle verwendet, um die Objekte in Transmission zu beleuchten, wobei ein bei einer Wellenlänge von 650 nm zentriertes Filter 9 mit einem Durchlaßbereich von 10 nm über der Detektoröffnung angeordnet war. Der Detektor (8) wurde außerdem längs der optischen Achse zu Positionen bewegt, in denen die Beugungsordnungen verschiedene Objekte abgebildet haben, die den Ebenen A und C in Fig. 4 entsprachen. Diese Positionen befanden sich etwa ±14 mm von der Bildebene B entfernt.
Fig. 13 zeigt die vom Detektor in den Ebenen A, B und C nach Fig. 12 aufgezeichneten Bilder. In der Position B bildet die nullte Ordnung die Objektebenen 6 (den Buchstaben 'B') ab, die +1. Beugungsordnung bildet die Objektebene 7 (den Buchstaben 'C') ab, während die -1. Beugungsordnung die Objektebene 5 (den Buchstaben 'A') nach Fig. 12 abbildet. Diese Bilder demonstrieren experimentell, das drei Objektebene gleichzeitig und nebeneinander durch einen einzelnen Detektor abgebildet werden können. Bei zwei gekreuzten Gittern ist es möglich, gleichzeitig neun Objektebenen nebeneinander in einem einzelnen Detektor abzubilden.

Die Phasengitter

Falls ein Amplitudengitter als defokussierendes Element verwendet wird, ist die nullte Ordnung immer heller als die +1., -1. und die höheren Beugungsordnungen. Die Verteilung der Energie kann durch die Verwendung eines Phasengitters mit zwei Phasenebenen eingestellt werden. Eine Phasenstufe von π Radiant kann z. B. die nullte Ordnung vollständig beseitigen, während mehr Leistung in die +1. und -1. Ordnung gegeben wird, oder die Phasenstufe kann auf 0,639 π eingestellt werden, um gleiche Leistung in die 0., +1. und -1. Ordnungen zu legen. Bei gekreuzten Gittern kann die Verwendung von mehreren Phasenstufen oder kombinierten Amplituden- und Phasengittern verwendet werden, um die Intensitäten von mehreren Beugungsordnungen einzustellen.

Die polarisationsempfindlichen Gitter

Ein verzerrtes Gitter, das so hergestellt ist, daß es lediglich auf einen Polarisationszustand der einfallenden Wellenfront wirkt, wird polarisierte, defokussierte Bilder eines Objekts in den +1. und -1. Beugungsordnungen und ein unpolarisiertes Bild in der nullten Ordnung erzeugen. Wenn ein zweites Gitter, das lediglich auf die orthogonale Polarisation wirkt, mit dem ersten Gitter gekreuzt wird, dann werden zwei weitere Beugungsordnungen erzeugt, die im orthogonalen Sinn polarisiert sind und die von der durch das erste Gitter erzeugten Menge verschoben sind. Weil die Gitter polarisationsempfindlich sind, gibt es kein Übersprechen zwischen den Gittern, wobei folglich keine anderen Beugungsordnungen als die erzeugt werden, die von jedem Gitter erzeugt würden, das allein wirkt. Wenn das System für polarimetrische Untersuchungen benötigt wird, kann die Defokussierung so gewählt werden, daß sie für jeden Polarisationszustand die gleiche ist. Weil die Bilder gleichzeitig erzeugt werden, ist das System für polarimetrische Untersuchungen von sich dynamisch ändernden Szenen geeignet.

Der dreidimensionale optische Datenspeicher

In Fig. 14 ist die Vorrichtung der Erfindung, die für das Lesen der in einem dreidimensionalen optischen Speichermedium 11 gespeicherten Daten angepaßt ist, im allgemeinen mit 10 bezeichnet. Das Speichermedium 11 umfaßt diskrete optisch lesbare Ebenen 5, 6, 7, die (nicht gezeigt) einzelne Datenspeicherelemente besitzen, die sich darauf befinden, und wird durch nicht gezeigte Mittel beleuchtet. Die Elemente könnten z. B. ein Bereich der Ebene sein, in dem ein Loch oder eine Vertiefung verwendet wird, um eine logische 1 zu bezeichnen, während das Fehlen eines Lochs oder einer Vertiefung verwendet wird, um eine logische 0 zu bezeichnen. Dieses Beispiel ist jedoch nicht einschränkend: es sind andere Ausführungsformen bekannt oder würden für Fachleute offensichtlich sein, die Mehrebenensysteme enthalten, in denen die Elemente in mehr als den zwei Zuständen eines binären Systems vorhanden sein können. Die Datenspeicherelemente werden gleichzeitig auf die Detektoren 12 abgebildet. Die Detektoren 12 können abhängig vom Zustand des Speicherelements ein Signal erzeugen, wobei sie eine Photodiode oder ein Phototransistor sein könnten.
Um die Abfrage der verschiedenen Datenelemente in jeder Ebene zu unterstützen, enthält die Vorrichtung (nicht gezeigte) Mittel, um eine Relativbewegung in einer Richtung senkrecht zur optischen Achse 3 zwischen dem Speichermedium 8 und dem Rest der Vorrichtung zu bewirken. Derartige Mittel könnten eine elektromechanische Anordnung umfassen, die einem Fachmann bekannt ist.

Die Einbeziehung der Verzerrungsfunktion der sphärischen Aberration

Das Phasenprofil eines beugenden Elements, das eine sphärische Phasenverzögerung vermittelt, kann als
geschrieben werden, wobei f die Brennweite des Elements (oder der eingeführte Krümmungsradius) ist, während r eine Radialkoordinate ist. Dieser Ausdruck kann als
entwickelt werden.
Durch die Verwendung von Beugungsgittern, die quadratisch verzerrt sind, wird lediglich der erste Term dieser Gleichung betrachtet. Das Auslassen der Terme höherer Ordnung ist zu der paraxialen Standardnäherung äquivalent, bei der die Neigung eines Strahls zur optischen Achse als klein angenommen wird (r « f). In den Situationen, in denen diese Näherung nicht gültig ist, ist es angemessen, in die Verzerrungsfunktion des Gitters Terme mit höheren Potenzen von r² einzubeziehen, die die quadratische Gitterverzerrung modifizieren. Im allgemeinen wird das Gitter im wesentlichen quadratisch verzerrt bleiben, wobei die Terme höherer Ordnung als Korrekturen für die Gitterverzerrung wirken. Die Terme höherer Ordnung in der Gleichung 12 werden hier als die Terme der sphärischen Aberration bezeichnet, wobei sie in die Wellenfrontaberrationsfunktion (WSA) einbezogen werden, die als
geschrieben wird, wobei r der Abstand von der optischen Achse ist.
Die Fähigkeit, verschiedene Niveaus der sphärischen Aberration in jeder Beugungsordnung zu erzeugen, kann nicht nur verwendet werden, um die Gitterstruktur im nichtparaxialen Fall einzustellen, sondern außerdem, um die durch das Objektfeld eingeführte sphärische Aberration zu korrigieren, z. B. in mehrschichtigen optischen Datenspeichersystemen.
Für einen Strahl, der in eine parallele Platte mit dem Berechnungsindex n mit der Neigung null eintritt, sind die primären und sekundären Koeffizienten der sphärischen Aberration durch
gegeben, wobei t die Tiefe ist, bei der der Strahl fokussiert ist, während NA die numerische Apertur des Strahls ist (J. Braat, 'Analytical expressions for the wave-front aberration coefficients of a tilted planparallel plate', Applied Optics, Bd.36, Nr. 32, 8459, 1998). Die lineare Abhängigkeit der sphärischen Aberration von der Tiefe (t) bedeutet, daß alle Terme in Gleichung 14 mit einem geeignet verzerrten Beugungsgitter korrigiert werden können. In der folgenden Erörterung wird für die Klarheit lediglich der &sub0;C&sub4;&sub0;r&sup4;-Term betrachtet.
Um die sphärische Aberration zu beseitigen, kann das optische System 1 (ohne Gitter) nach Fig. 14 konstruiert sein, um die in den auf die Schicht 6 fokussierten Strahl eingeführte sphärische Aberration zu korrigieren, wie im Lesekopf einer 1-schichtigen Standard- Compactdisk. Ein entsprechend r&sup4; verzerrtes Beugungsgitter kann dann mit einem Wellenfrontkoeffizienten der sphärischen Aberration (&sub0;C&sub4;&sub0;) konstruiert werden, so daß für die Schicht 7 für die -1. Beugungsordnung (die dem sphärischen Aberrationskoeffizienten von -&sub0;C&sub4;&sub0; zugeordnet ist) die sphärische Aberration korrigiert ist, für die Schicht 5 die +1. Beugungsordnung (die dem sphärischen Aberrationskoeffizienten von +&sub0;C&sub4;&sub0; zugeordnet ist) korrigiert ist und für die Schicht 6 für die nullte Ordnung die sphärische Aberration korrigiert bleibt.
Die Tabelle 1 zeigt die in das Gitter 4 eingeführten Terme (lediglich der ersten Ordnung) der Defokussierung und der sphärischen Aberration, die jeder Schicht 5, 6 und 7 zugeordnet sind. Tabelle 1
Das vollständige Gitter muß sowohl die Korrektur der Defokussierung als auch der sphärischen Aberration enthalten, wobei es entsprechend
verzerrt ist, wobei D(x, y) eine Verzerrung in einer Richtung senkrecht zu den Gitterstrichen ist, d ist die Gitterkonstante, R ist der Radius der Gitteröffnung und x und y sind kartesische Koordinaten bezüglich eines Ursprungs auf der optischen Achse in der Ebene des Gitters. Die Gitterverzerrung D(x, y) führt eine Phasenverschiebung in die vom Gitter in die m-te Beugungsordnung gestreute Wellenfront entsprechend der Gleichung 1 ein. x&sub0; und y&sub0; stellen einen Versatz des Ursprungs der quadratischen Verzerrungsfunktion von der optischen Achse des Systems dar. Die Ausnutzung eines derartigen Versatzes ist später beschrieben. Der Versatz der Terme der sphärischen Aberration in der Gleichung 15 (&sub0;C&sub4;&sub0;, &sub0;C&sub6;&sub0; und höhere Terme) kann nicht in der gleichen Weise ausgenutzt werden, wobei sie nicht in der Gleichung 15 enthalten sind. Derartige Verzerrungsfunktionen sollten um die optische Achse zentriert sein.
Als ein Beispiel kann das Niveau der zu korrigierenden sphärischen Aberration geschätzt werden, indem ein mehrschichtiges optisches Speichermedium mit einem Brechungsindex von 1,5806 bei einer Wellenlänge von 650 nm, eine numerische Apertur von 0,60 und Schichtabstände von 100 um angenommen werden. Diese Parameter ergeben eine zusätzliche sphärische Aberration von &sub0;C&sub4;&sub0; = 0,95λ und &sub0;C&sub6;&sub0; = 0,24λ von Schicht zu Schicht (Gleichung 15). (J. Braat, 'Analytical expressions for the wave-front aberration coefficients of a tilted planparallel plate', Applied Optics, Bd. 36, Nr. 32, 8459, 1998.) Fig. 15 vergleicht die Phasenprofile und Gitterstrukturen für die Gitter, in die lediglich Defokussierung (a), lediglich sphärische Aberration (b) und Defokussierung und sphärische Aberration (c) eingebaut ist. Die Gitterstriche in (a) sind Bögen von Kreisen, wohingegen diejenigen in (b) und (c) dies nicht sind.
Die Fähigkeit eines entsprechend r&sup4; verzerrten Gitters, sphärische Aberration mit gleicher Größe aber entgegengesetztem Vorzeichen in den +1. und -1. Beugungsordnungen zu erzeugen, ist in Computer- Simulationen demonstriert worden. Die Simulation modellierte eine Wellenfront mit spezifizierten Niveaus der sphärischen Aberration, die auf das Gitter (b) nach Fig. 15 einfällt. Fig. 16 zeigt, daß, wenn eine Wellenfrontaberration von einer Welle der sphärischen Aberration verwendet wird, das Bild in der +1. Beugungsordnung korrigiert ist (das Bild ist ein beugungsbegrenzter Fleck), wohingegen, wenn eine Wellenfront mit einer Welle der sphärischen Aberration des entgegengesetzten Vorzeichens verwendet wird, das Bild in der -1. Beugungsordnung korrigiert ist.
Die Y-Achsen (die vertikalen Achse) in Fig. 16 und 17 stellen die Intensität dar, während die X-Achsen (die horizontalen Achsen) den Abstand längs einer Linie durch das gebildete Bild darstellen.
Die Operation eines Gitters mit eingebauter Korrektur für die Defokussierung und die sphärische Aberration ist außerdem mit Computer-Simulationen demonstriert worden. Unter Bezugnahme auf Fig. 14 wird ein optisches System betrachtet, das auf die Schicht 6 fokussiert ist und dessen sphärische Aberration für die Schicht 6 korrigiert ist. Die Schichten 7 und 5 befinden sich etwa 100 · 10&supmin;&sup6; m auf beiden Seiten der Schicht 6, denen eine zusätzliche Defokussierung von angenommen plus und minus einer Welle und eine zusätzliche sphärische Aberration von angenommen plus und minus einer Welle zugeordnet ist. Die Punktquellen befinden sich in jeder der drei Ebenen. Ein Gitter mit einer rein quadratischen Verzerrungsfunktion (&sub0;C&sub2;&sub0; = 1λ, &sub0;C&sub4;&sub0; = 0), das konstruiert ist, um die Beugungsordnungen auf den Schichten 5, 6 und 7 (in den +1., 0. bzw. -1. Beugungsordnungen) zu fokussieren, erzeugt den Bildquerschnitt, der in der linken Spalte nach Fig. 17 gezeigt ist. Zurückzuführen auf die nicht korrigierte sphärische Aberration sind die Bilder der Punktquellen in den Schichten 7 und 5 vergrößert und in der Intensität verringert. Ein mit der Korrektur für die Defokussierung und die sphärische Aberration konstruiertes Gitter (&sub0;C&sub2;&sub0; = 1λ, &sub0;C&sub4;&sub0; = 1λ) erzeugt den in der rechten Spalte nach Fig. 17 gezeigten Bildquerschnitt. Die sphärische Aberration ist nun für alle Datenschichten korrigiert, wobei die Bilder der Punktquellen fokussiert sind und eine beugungsbegrenzte Größe aufweisen.

Die Verschiebung des Ursprungs der quadratischen Verzerrung

Es wird ein unverzerrtes Gitter (&sub0;C&sub2;&sub0; = &sub0;C&sub4;&sub0; = &sub0;C&sub6;&sub0; = 0) betrachtet, das aus parallelen Streifen mit verschiedener Durchlässigkeit, verschiedenem Reflexionsvermögen oder verschiedener optische Dicke besteht. Die y-Achse ist so definiert, daß sie parallel zu den Streifen des Gitters ist, während die x-Achse senkrecht zu den Streifen ist. Eine ebene Wellenfront, die normal auf das Gitter einfällt, wird in die Ordnungen bei den Winkeln Am zur optischen Achse gebeugt, wobei
sinθm = mλ/d (Gl. 16)
gilt. Die Winkelablenkung jeder Ordnung ist dazu äquivalent, auf die einfallende Wellenfront eine Phasenneigung über die Gitterebene von
φ(x,y) = 2mπx/d (Gl. 17)
einzuführen.
Wenn &sub0;C&sub2;&sub0; nicht null ist, erzeugt die Entwicklung des (ersten) Defokussierungsterms in der Gleichung 15 eine durch
gegebene Phasenverschiebung. Die quadratische Abhängigkeit nach Gleichung 18 (alles innerhalb des ersten Terms) ist mit der Gleichung 3 völlig gleich (der von einem entsprechend einer um die optische Achse zentrierten quadratischen Funktion verzerrten Gitter erhaltene Defokussierungs-Phasenterm). Die Verschiebung der Ursprungs der quadratischen Funktion besitzt deshalb keine Wirkung auf das in jede Beugungsordnung eingeführte Niveau der Defokussierung.
Der letzte Term in Gleichung 18 stellt einen Gleichlicht-Phasenversatz dar, der keine Wirkung auf die in jede Ordnung gebeugte Form der Wellenfront besitzt.
Der zweite Term in der Gleichung 18,
stellt eine lineare Zunahme in der Phase über die x-Achse der Gitterebene dar. Diese Phasenneigung besitzt die Wirkung, die Trennung der Beugungsordnungen des Gitters zu ändern, während sie die Position der nullten Ordnung (m = 0) und das Niveau der Defokussierung unverändert läßt. Wenn x&sub0; so gewählt ist, daß es einen Wert von
x&sub0; = λR²/2d &sub0;C&sub2;&sub0; (Gl. 20)
besitzt, dann wird die Gleichung 19 gleich
φ(x,y) = -2mπx/d. (Gl. 21)
Diese Phasenneigung ist zu derjenigen gleich, die in das von der Gitterstruktur gestreute Licht eingeführt wird, wobei sie das entgegengesetzte Vorzeichen besitzt. Die Aufhebung dieser zwei Terme (Gleichung 17 und Gleichung 21) für jede Ordnung bewirkt, daß der Abstand der Beugungsordnungen in einer Ebene senkrecht zu optischen Achse null wird, was dem entspricht, daß alle Ordnungen längs der optischen Achse des Systems liegen. Die Beugungsordnungen bleiben entsprechend dem Niveau der Defokussierung (&sub0;C&sub2;&sub0;) innerhalb des verzerrten Gitters längs der optischen Achse räumlich getrennt. Die Verschiebung des Ursprungs der quadratischen Funktion zu demjenigen, der in Gleichung 20 definiert ist, führt zu einer Gitterstruktur, die aus kreisförmigen Streifen besteht, wie in Fig. 18 gezeigt ist. Diese Form des Gitters wird als ein Teil des im folgenden beschriebenen Beleuchtungssystems verwendet.
Der dritte Term in Gleichung 18,
stellt eine lineare Zunahme in der Phase über die y-Achse der Gitterebene dar. Dies bewirkt, daß sich die Beugungsordnungen (außer m = 0) längs der y-Richtung in der Bildebene bewegen.
Durch die Wahl von x&sub0; und y&sub0; kann die Position einer speziellen Beugungsordnung in der Bildebene gesteuert werden, während das Niveau der Defokussierung und der sphärischen Aberration unverändert gelassen wird.

Das System mit gleichen Bildvergrößerungen

Es wird ein System des in Fig. 10 gezeigten Typs betrachtet, in dem mehrere Objektebenen auf eine einzelne Bildebene abgebildet werden. Im allgemeinen liegen entsprechend Gleichung 10 die auf die +1. und -1. Ordnung (7 bzw. 5) abgebildeten Objektebenen nicht symmetrisch um die Ebene (6), die in die nullte Ordnung abgebildet wird. Die jedem Bild zugeordnete Vergrößerung (Mm), die einfach als das Verhältnis des Bildabstandes (v) zum Objektabstand berechnet wird, ist durch
gegeben, wobei M die Vergrößerung des Bildes ist, das der nullten Ordnung zugeordnet ist, (M&sub0;). Folglich ist im allgemeinen die Vergrößerung der Bilder, die den von null verschiedenen Beugungsordnungen zugeordnet sind, nicht gleich derjenigen der nullten Ordnung (für &sub0;C&sub2;&sub0; ≠ 0).
Es wird der Spezialfall einer einzelnen Linse und eines Detektors (Ebene B) betrachtet, der eine Brennweite von der Linse entfernt angeordnet ist, um ein Bild eines Objektes im Unendlichen zu bilden (Fig. 19). Das Hinzufügen eines quadratisch verzerrten Gitters (4) zu der Linse (L1) verkleinert effektiv ihre Brennweite in der +1. Beugungsordnung, während sie ihre Brennweite in der -1. Ordnung vergrößert. Unter Verwendung der Standard-Linsenformel mit einem Bildabstand von einer Brennweite befinden sich die in jeder Beugungsordnung abgebildeten Objektebenen an durch
um = R²/2m &sub0;C&sub2;&sub0; (Gl. 24)
gegebenen Orten. Folglich sind die Bilder, die den Beugungsordnungen mit gleicher Größe aber entgegengesetztem Vorzeichen (z. B. die Ebenen 5 und 7 in Fig. 19) entsprechen, in gleichen Entfernungen auf beiden Seiten der Linse symmetrisch angeordnet, während die nullte Ordnung ein Bild einer Ebene im Unendlichen ist. Die sich auf jede Objektebene beziehende Bildvergrößerung ist
Mm = 2mf &sub0;C&sub2;&sub0;/R². (Gl. 25)
Die den Beugungsordnungen mit gleicher Größe aber entgegengesetzten Vorzeichen entsprechenden Bilder besitzen deshalb Vergrößerungen mit gleicher Größe aber entgegengesetztem Vorzeichen.

Der Breitbandbetrieb

Der Winkel (θm), in dem das Licht von einem Gitter gebeugt wird, ist proportional zur Wellenlänge des einfallenden Lichts (Gleichung 16). Falls eine Breitband-Beleuchtungsquelle verwendet wird, werden die von null verschiedenen Ordnungen spektral dispergiert (längs der x- Achse in der Bildebene), während die diesen Ordnungen zugeordneten Bilder unscharf werden. Eine wellenlängenabhängige Gitterkonstante würde ein Mittel bieten, die Bilder bei jeder Wellenlänge zu überlagern und die Unschärfe zu verhindern. Mit einem unverzerrten Standardgitter ist dies unerreichbar, aber ein entsprechend lediglich einer quadratischen Funktion verzerrtes Gitter bietet einen Weg, um dies zu erreichen.
Es wurde in Gleichung 18 gezeigt, daß eine Verschiebung des Ursprungs der quadratischen Verzerrungsfunktion längs der x-Achse bewirkt, daß sich der Abstand der Bilder in der x-Richtung ändert, während die Defokussierungsleistung des Gitters unverändert gelassen wird. Diese Eigenschaft kann als sich aus der Variation der Gitterkonstanten längs der x-Achse ergebend vorgestellt werden, die erzeugt wird, wenn das Gitter entsprechend einer quadratischen Funktion verzerrt wird. Die Gitterkonstante (d) im Abstand x vom Ursprung eines derartigen Gitters ist durch
gegeben, wobei d&sub0; die Konstante am Ursprung der quadratischen Verzerrungsfunktion ist. Sie ist die Gitterkonstante in der Mitte des einfallenden Strahls (die Mitte der Gitteröffnung, wenn die volle Öffnung verwendet wird), die die Bildpositionen längs der x-Achse in den von null verschiedenen Ordnungen definiert. Wenn das Gitter mit einem Strahl beleuchtet wird, der einen Radius besitzt, der kleiner als die Gitteröffnung ist, dann ändert sich der Abstand der Bilder proportional zum Inversen der durch Gleichung 26 beschriebenen Gitterkonstante, wenn die Strahlmitte längs der x-Achse über das Gitter zu einer Position x bewegt wird.
Es wird das Defokussierungsgitter betrachtet, das konstruiert ist, um bei einem Strahl mit Untergröße, der die Mitte des Gitters trifft, Licht der Wellenlänge λ&sub1; in einem spezifischen Winkel zu beugen, wobei die Gitterkonstante als d&sub0; = dλ1 definiert ist. Damit der Beugungswinkel bei einer zweiten Wellenlänge λ&sub2; gleich wird, wird gefordert
Unter Verwendung der Gleichungen 26 und 27 können die Beugungswinkel bei den zwei Wellenlängen gleich gemacht werden, indem die Mitte des λ&sub2;-Strahls bezüglich der Mitte des λ&sub1;-Strahls längs der x-Achse um eine Strecke xλ2 versetzt wird, wobei
gilt. Es wird angemerkt, daß der erforderliche Versatz proportional zu Δλ(Δλ = λ&sub2; - λ&sub1;) ist. Es folgt, daß, wenn der Eingangsstrahl beim korrigierten Dispersionsniveau über das Gitter dispergiert wird, die Bilder bei allen Farben überlagert werden können.
Es wird z. B. ein Gitter mit dem Radius (R) von 0,5 cm, der Gitterperiode (dλ1) von 200 um und &sub0;C&sub2;&sub0; = 10λ&sub1; bei 550 nm betrachtet. Dies ergibt einen Beugungswinkel 1. Ordnung von sinθ = 0,0055 Radiant, wenn der Strahl das Gitter zentral trifft. Aus der Gleichung 28 folgt, daß, wenn der gleiche Beugungswinkel bei einer Wellenlänge von 500 nm erhalten werden soll, eine Strahlverschiebung von 0,313 cm erforderlich ist, während bei 600 nm eine Strahlverschiebung von -0,313 cm erforderlich ist. Fig. 20 zeigt die Strahlpositionen bei 600 nm (13), 550 nm (14) und 500 nm (15) bezüglich des verzerrten Gitters (4). Die Technik kann auf irgendeine Anzahl von Wellenlängen oder eine Breitbandbeleuchtung erweitert werden, die der Gleichung 28 unterworfen sind, die für alle Wellenlängen erfüllt ist.
Um diese Technik zu implementieren, kann ein Dispersionssystem vor das verzerrte Gitter in das optische System eingeführt werden. Das Dispersionssystem muß einen Strahlversatz einführen, der proportional zur Wellenlänge ist (Gleichung 28), und die Ausbreitungsrichtung bei allen Wellenlängen gleich lassen. Fig. 21 ist ein Schema eines derartigen Systems, wobei die Breitbandstrahlung 16, die in das Dispersionssystem 17 eintritt, bei 3 diskreten Ausgangswellenlängen 18, 19 und 20 aus der gezeigten kontinuierlichen Bandbreite entsprechend der Wellenlänge linear verschoben wird. Es wird angemerkt, daß die Ausgangsstrahlung 18, 19 und 20 parallelen Wegen folgt.
Die Konstruktion eines Dispersionssystems mit den gewünschten Eigenschaften liegt innerhalb der Kenntnis eines Fachmanns, wobei sie z. B. mittels zweier Beugungsgitter mit einem bestimmten Bereich maximaler Intensität implementiert werden könnte, wobei die +1. Ordnung vom ersten Gitter auf das zweite Gitter projiziert und die -1. Ordnung vom zweiten Gitter verwendet wird. Ein weiterer möglicher Zugang besteht darin, eine Gitter/Prisma- oder eine Prisma/Prisma- Kombination zu verwenden.
Weitere Informationen können aus "MODERN OPTICAL ENGINEE- RING - The Design of Optical Systems" von Warren J. Smith, veröffentlicht durch McGraw Hill erhalten werden (siehe insbesondere das Kapitel 4.3).

Das Beleuchtungssystem

Um die maximal mögliche Auflösung und Speicherdichte zu erreichen, muß jede Schicht in einem mehrschichtigen Datenspeichermedium mit einem beugungsbegrenzten Fleck beleuchtet werden. Fig. 22a die Verteilung des Lichts, die von der Quelle 21 erreicht werden muß. In gegenwärtig vorgeschlagenen Systemen mit einer beweglichen Linse (US 5202875) verwendet die Beleuchtung die gleiche Optik wie das Lesesystem. Die Beleuchtung wird in der richtigen Tiefe fokussiert, sie benötigt aber eine zusätzliche Korrektur der sphärische Aberration.
Das soweit beschriebene und in Fig. 15 gezeigte verzerrte Gitter bildet drei Objekte auf der Achse auf drei räumlich getrennte Bildpositionen ab (Fig. 14). Wenn das gleiche Gitter in einem Beleuchtungssystem mit einer einzelnen Beleuchtungsquelle verwendet wird, sind die Flecken der Beleuchtung auf die richtigen Schichten fokussiert, aber seitlich verschoben, wie in Fig. 22b gezeigt ist. Ein derartiges Gitter kann deshalb nicht sowohl für die Beleuchtung als auch für das Lesen von einer mehrschichtigen Struktur verwendet werden.
Unter Verwendung der hierin beschriebenen Techniken erlaubt die Verschiebung des Ursprungs der quadratischen Verzerrungsfunktion längs der x-Achse durch den Parameter x&sub0; in der Gleichung 15 jedoch, daß die Beugungsordnungen längs der optischen Achse ausgerichtet sind. Ein Gitter dieses Typs (Fig. 18), das im optische System 1 nach Fig. 22b enthalten ist, würde die gewünschte Beleuchtung erzeugen, die in Fig. 22a gezeigt ist. Wenn das Gitter zusätzlich verzerrt würde, damit es die Terme der sphärischen Aberration in Gleichung 11 enthält, dann würde das System jede Datenschicht mit einer automatischen Korrektur der sphärische Aberration beleuchten, wie in Fig. 22a gezeigt ist.

Das vollständige System

Durch die Verwendung von zwei Gittern des in dieser Erfindung beschriebenen Typs kann ein vollständiges System für die Beleuchtung und das Lesen von einem mehrschichtigen optischen Datenspeichermedium ohne bewegliche Teile und mit automatischer Korrektur der sphärischen Aberration beschrieben werden. Das System ist in Fig. 23 schematisch gezeigt. Das Licht von der Quelle 13 geht durch ein Gitter 4b des im obigen Absatz (und in Fig. 18) beschriebenen Typs, das mehrere Brennpunkte auf der Achse, deren sphärische Aberration korrigiert ist, für die verschiedenen Datenschichten 5, 6 und 7 erzeugt. Das von den Datenschichten reflektierte Licht geht durch ein Gitter 4a des in Fig. 15c gezeigten Typs mit Korrektur der sphärische Aberration, das räumlich getrennte Bilder der verschiedenen Datenschichten in der Ebene B erzeugt. Es ist wohlbekannt, daß ein polarisationsempfindlicher Strahlteiler und die Polarisation drehende Platten verwendet werden können, um die Verluste in einem derartigen System zu minimieren. Das Bezugszeichen 1 wird im allgemeinen verwendet, um ein optisches System zu bezeichnen.
In einem derartigen System können die Begriffe "Objektebene" und "Bildebene" verwirrend sein: die Schichten 5, 6 und 7 sind gemäß der Erfindung in bezug auf eine "Objektebene", die die Beleuchtungsquelle 21 enthält, die "Bildebenen", während sie in bezug auf die "Bildebene" B die "Objektebenen" sind. Für die Zweckmäßigkeit wird gesagt, daß die "Bildebenen" einer Vorrichtung gemäß der Erfindung mit den "Objektebenen" der anderen zusammenfallen.
Für den Fachmann werden andere Ausführungsformen des vollständigen Systems offensichtlich sein: z. B. könnten die Beleuchtungsquelle 21, das Gitter 4b und das zugeordnete optische System 1 sich auf der gleichen Achse wie die Bildebene B und das Gitter 4a befinden, wobei sich auf der anderen Seite der 'Objekt'-Ebenen 5, 6 und 7 befinden. In einer derartigen Ausführungsform werden die Ebenen 5, 6 und 7 in Transmission beleuchtet.

Claims

1. Vorrichtung zum gleichzeitigen Erzeugen mehrerer räumlich getrennter Bilder eines Objektfeldes, umfassend:

ein optisches System (1), das so beschaffen ist, daß es ein Bild erzeugt, das einer ersten Brennpunktbedingung zugeordnet ist;

ein Beugungsgitter (4), das so beschaffen ist, daß es in Übereinstimmung mit dem optischen System (1) Bilder erzeugt, die jeder Beugungsordnung zugeordnet sind, und

Mittel zum Erfassen der Bilder (8),

wobei sich das optische System (1), das Beugungsgitter (4) und die Erfassungsmittel (8) auf einer optischen Achse (3) befinden, wobei sich das Beugungsgitter (4) in einer geeigneten Gitterebene befindet, dadurch gekennzeichnet, daß

das Beugungsgitter (4) im wesentlichen entsprechend einer quadratischen Funktion verzerrt ist, um zu bewirken, daß Bilder unter verschiedenen Brennpunktbedingungen und in einer Richtung, die eine von null verschiedenen Komponente senkrecht zur optischen Achse (3) aufweist, räumlich getrennt gebildet werden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Funktion, gemäß der das Gitter (4) verzerrt ist, weitere Terme enthält, die verschiedene Beträge der sphärischen Aberration in den Bildern erzeugen, die einzelnen Beugungsordnungen zugeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der die sphärische Aberration der Bilder, die jeder Beugungsordnung zugeordnet ist, so beschaffen ist, daß die sphärische Aberration, die den verschiedenen Tiefen der im wesentlichen parallelen Ebenen im Objekt- oder Bildraum zugeordnet ist, korrigiert wird.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei der der Ursprung der Verzerrungsfunktion des Beugungsgitters (4) von der optischen Achse (3) verschoben ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Beugungsgitter (4) eine Menge aus zwei oder mehr Beugungsgittern umfaßt, die so konstruiert sind, daß die verschiedenen Beugungsordnungen räumlich getrennt sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Beugungsgitter (4) entweder ein Nur-Amplituden-Beugungsgitter, ein Nur-Phasen- Beugungsgitter oder ein Phasen- und Amplituden-Beugungsgitter ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Beugungsgitter (4) polarisationsempfindlich ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Beugungsgitter (4) zwei Gitter umfaßt, die für verschiedene Polarisationen empfindlich und so beschaffen sind, daß die durch diese Gitter erzeugten Beugungsordnungen räumlich getrennt sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Beugungsgitter (4) ein programmierbares Gitter ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Beugungsgitter (4) ein Reflexionsgitter oder ein Transmissionsgitter ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Gitter (4) entweder eine Struktur aus zwei Ebenen (binäre Struktur), eine Struktur aus mehreren Ebenen (digitalisierte Struktur) oder eine Struktur mit kontinuierlichen Ebenen (analoge Struktur) aufweist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 1, die so beschaffen ist, daß Bilder einer einzelnen Objektebene in mehreren Bildebenen erzeugt werden.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, bei der die Objektebene eine Beleuchtungsquelle enthält, die verwendet wird, um die Bildebenen zu beleuchten.

14. Vorrichtung nach Anspruch 1, die so beschaffen ist, daß aus mehreren Objektebenen im wesentlichen fokussierte Bilder in einer gemeinsamen Bildebene erzeugt werden.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, die ferner die Vorrichtung nach Anspruch 13 umfaßt, wobei die Objektebenen nach Anspruch 14 mit Bildebenen nach Anspruch 15 zusammenfallen.

16. Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, bei der jede Objektebene eine Anordnung aus Elementen enthält, die in wenigstens zwei Zuständen vorhanden sein können, und bei der die Detektormittel zwischen diesen Zuständen unterscheiden können.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, die so beschaffen ist, daß die Daten aus einem dreidimensionalen optischen Speichermedium, in dem sich die Objektebenen innerhalb des Mediums befinden, gelesen werden, wobei die Detektormittel ein Signal erzeugen können, das vom Zustand der Elemente abhängig ist.

18. Vorrichtung nach Anspruch 1, die ferner ein Dispersionssystem enthält, um in einen Eingangstrahl der Strahlung einen Versatz einzuführen, wobei dieser Versatz senkrecht zur optischen Achse und proportional zur Wellenlänge der Eingangsstrahlung ist, während die Strahlen bei jeder Wellenlänge weiterhin parallelen Wegen folgen.

19. Wellenfrontanalysator, der eine Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche zum gleichzeitigen Erzeugen mehrerer räumlich getrennter Bilder eines Objektfeldes umfaßt.