CN1244657A - 测定与光学装置一起使用的光学元件象差的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种测定与诸如DVD的光学系统一起使用的光学元件如光学头象差的方法。在此方法中,光束透过光学元件并衍射成如0,±1,±2级衍射光。其中,第一和第二光束(如0和+1,0和－1,+1和－1,或0或±1级衍射光)叠加形成第一和第二光束共有的一个图象。然后测得在共有图象中第一和第二点处的光强度。此时,使第一和第二点处的光强变化。之后测得第一和第二点之间光强的相位差。利用相位差判定光学元件的象差。

Description

测定与光学装置一起使用的光学元件象差的方法和装置
本发明涉及一种测定光学元件象差的方法和装置，这种光学元件比如是与光学播放/记录系统一起使用的光学头。
一般地说，传统方法测定光学元件的象差需要两步：第一步从两个分开的图象的共有图案中重现原始波前，第二步从重现的波前中单独确定几种象差。
具体地说，图19表示一个通常用于确定光学元件302象差的传统的系统，该系统用标号300表示。确定光学元件象差时，从光学元件302发出的光传播到第一分束器304，并在那儿被分成第一和第二光束306和308。穿过第一分束器304的第一光束306在第一反射镜310处被反射，然后再通过第二分束器312进入图象接收器314。被第一分束器304反射的第二光束308被第二反射镜316和第二分束器312反射，进入图象接收器314。将第二反射镜316的放置得使第一和第二光束306和308从图象接收器314上的其它地方移动，在上面形成一个共有图象或图案。然后在图象处理器316处分析该共有图象或图案，以确定光学元件的象差。
利用这种装置从共有图象或图案中确定原始波前，这对用于测定象差需要很多步骤，因而费时。另外还需要对二阶矩阵进行分析，这需要大量的计算。同样地，从共有图象中确定原始波前的计算需要大量步骤，因而费时。另外，光束被分成两部分，然后又必需以高精确度将分成的两束光重叠在图象接收器314上，这需要每个光束保持稳定，因而使装置体积庞大。
图20表示另一个通常用于测定待调节的光学元件320象差的传统光学系统，该系统用标号318表示。对于系统318，光束322通过光学元件320的物镜324到达透明板326。然后由会聚透镜328使光束322聚焦成图象接收器330上的一个点，形成与接收到的图象对应的一系列信号。然后该信号被传递到信号处理器332，接收到的图象上的光强分布在此得以确定。光强的分布用于判定光学元件320的象差，所判定的象差反过来又用于调节光学元件320。
然而在本例中，聚焦的光点应该非常明显，因而图象接收器328的视野很窄。这意味着即使图象点的很小移动也会导致光点移出图象接收器的视野，检测不出象差。另外，光点不包括相位信息，使得很难获得精确的象差。
因此，本发明的目的在于提供一种能够很容易地确定光学元件象差的改进方法和装置。
为此目的，按照一种测定光学元件象差的方法，光束通过光学元件并衍射成例如0，±1，±2级衍射光。其中，第一和第二光束(如0和+1，0和-1，+1和-1，或0和±1级衍射光)叠加形成一个第一和第二光束共有的图象。然后测得共有图象中第一和第二点的光强度。此时，第一和第二点的光强有变化。之后测得第一和第二点之间光强中的相位差。利用相位差判定光学元件的象差。
按照本发明的另一方面，在一个共有图象中确定多个点。具体地说，确定第一至第七个。第一点是第一和第二衍射光连结轴的第一条线之中点。第二点位于在第一点处与第一条线相交的第二条线上。第三点位于第二条线上，使得第二和第三点的位置关于第一条线对称。第四和第五点位于第二条线上并对称地处于第一条线的相反侧，使得第四和第五各点与第一条线相隔一段距离。第六和第七点位于第一条线的相反侧，使得第六和第七每个点与第一条线相隔一个距离。
在本发明的又一方面，所述方法包括确定光学元件慧差的步骤。为此目的，确定第一和第二点之间光强中的第一位相差Ph(1)。同样地，确定第二和第三点之间光强中的第二相位差Ph(2)，第四和第五点之间光强中的第二相位差Ph(3)，第六和第七点之间光强中的第二相位差Ph(4)。利用这些相位差确定慧差的大小，通过下列方程而获得一个相位差：相位差＝|Ph(1)|-|Ph(2)|/2
另外，利用由下列方程获得的相位差确定慧差的方向：相位差＝|Ph(4)|-|Ph(3)|
按照本发明的再一方面，确定光学元件的象散。在这种确定当中，衍射光栅指向三个方向。对于每一方向，光透过光学元件后导入衍射光栅，得到第一和第二衍射光。第一和第二衍射光彼此叠加形成一个共有图象。然后确定共有图象中第一和第二点处的光强。第一和第二点位于穿过连结第一和第二衍射光束中点的另一条线中点的线上，并关于另一条线对称。此时光强发生改变。另外，确定第一和第二点之间光强中的相位差，将此用于测定光学元件的象散。
一种测定光学元件象差的装置有反射型衍射光栅和透射型衍射光栅之分。光栅由多个平行槽形成，使得从光学元件出来的光被衍射成衍射光。衍射光包括部分叠加形成共有图象的第一和第二光。设置一个机构用于沿基本垂直于光轴的方向移动衍射光栅。然后由图象接收器接收共有图象。确定共有图象中多个点中每一点光强的相位，然后用于测定象差。
另一种测定光学元件中象差的装置包括一对第一和第二透射型衍射光栅。第一和第二光栅中的每一个由平行栅槽形成，把光束衍射成非零级衍射光的衍射光。使第一和第二衍射光栅定位成彼此与指向一个方向的栅槽平行，从而形成一个共有图象，在该图象中的两衍射图象是部分重叠的。设置一个机构沿另一方向移动第一衍射光栅，使第一衍射光栅与一个方向成一特定的角。另外，设置一个接收共有图象的图象接收器和一个确定共有图象的多个点中每一点处光强相位的处理器。
另外，一种校正光学元件象差的装置包括一个校正光学元件象差的机构。
图1表示根据本发明第一实施例的测定光学元件象差的系统；
图2表示两衍射光束的一个共有图象和位于在共有图象中用于确定光学元件慧差的各点；
图3A至3C表示两衍射光束的一个共有图象和位于共有图象中用于确定光学元件象散的各点；
图4A至4C表示散焦导致的波前；
图5A至5C表示球差导致的波前；
图6A至6C表示慧差导致的波前；
图7A至7C表示象散导致的波前；
图8表示根据本发明另一实施例的测定光学元件象差的系统；
图9表示根据本发明测定光学元件象差的另一系统；
图10表示包括三个不同光栅的光栅板；
图11表示根据本发明测定光学元件象差的另一系统；
图12表示根据本发明测定光学元件象差的又一系统；
图13表示根据本发明测定光学元件象差的再一系统；
图14表示根据本发明测定光学元件象差的又一系统；
图15表示根据本发明测定并校正光学元件象差的一个系统；
图16表示根据本发明测定并校正光学元件象差的另一系统；
图17表示根据本发明测定并校正光学元件象差的又一系统；
图18表示根据本发明测定并校正光学元件象差的再一系统；
图19表示测定光学元件象差的常规系统；和
图20表示测定光学元件象差的另一常规系统。
以下参考附图对本发明的优选实施例进行描述。
(I)第一实施例
图1表示根据本发明第一实施例的光学系统，用于测定光学元件的各种象差，用标号1表示。为了测定各种象差这一目的，系统1包括通用标号10标示的光学装置。装置10可以是一个组合到光学记录和/或播放系统如数字视盘播放系统中的光学组件或光学头，配置一个由适当支撑物(未示出)支撑的光学元件或透镜12。装置10还包括一个发射光束16的光源14。光源14最好是一个产生并发射激光束的激光系统。设置一个例如由一系列光学元件组成的调制器18，用于把光束16调制成准直光20，然后准直光20沿透镜12的光轴22传播。在光轴22上以及调制器18和透镜12之间设置一个分束器24。
分束器24可使穿过其的准直光入射到透镜12，同时它使另一束光26从透镜12以相反的方向进入分束器24，指向垂直于准直光束20的另一个方向。
为了接收由分数器24反射的光束26，系统1包括一个图象接收器28，它最好由在电荷耦合器件(CCD)中的大量光接收元件制成，每个光接收元件把接收到的图象转换成一系列图象信号。图象接收器28与信号处理器30以电学方式联系，信号处理器30又与配备有显示器如CRT和LCD的图象显示单元联系，使得图象接收器28接收到的图象再现于显示器34上。显示单元32最好与诸如键盘和鼠标的输入装置36联系，用于在显示的图象上画线并识别显示图象中的点。
另外，系统1包括一个具有平面表面42的反射型衍射光栅40，平面表面上有大量的以平行的式样形成的小刻槽44。光栅40可以是拟由装置10播放的光盘的一部分。为了使表面42能反射光线，在表面上涂敷一种由适当的金属制成的反射薄膜。
光栅40由一个适当的支撑物46支撑，使得表面42与透镜12相对，留有一定的小间隙。应当将间隙确定成它能够使透镜12把准直光20精确地聚焦到光栅40的表面。
光栅支撑物46和光栅40以驱动方式与适当的驱动机构48驱动连结，使得能够沿箭头50所指的垂直于透镜轴22的方向前后游移，并沿箭头52所指的方向相对于透镜12绕透镜轴22旋转。
应指出的是如果装置10仅测定透镜12的象差，则可将其设计成透镜12是可以替换的。另一方面，如果装置10与光学系统如DVD结合在一起，则将其可拆卸地安装在测定光学装置10象差的系统1中。
操作这种结构的系统1时，将光栅40放置并固定在光栅支撑物46上。之后，激励驱动机构48，使光栅40沿方向50传输，这期间光源14发射光束16，光束16在调制器18处被调制成准直光20。然后准直光20透过分束器24到达透镜12，在那儿聚焦到移到透镜12焦点之前的槽36上。会聚光束在槽38处被衍射并被反射回透镜12。
反射的光束包括0，±1，±2级衍射光。在本实施例中，光栅40的衍射角被设计成使其中只有0和+1级衍射光可以传输到透镜12并共有透镜12的光孔或光瞳的一部分。正如本领域普通技术人员公知的那样，可由入射光的波长和各槽44的间距或间隙确定衍射角。
0和+1级衍射光彼此相干，形成反射包含在透镜12中的各种象差的干涉条纹或共有图案，这将在下面详细描述。然后0和+1级衍射光在透镜12处被准直，再被分束器24反射到光接收器28中。光接收器28产生相应于接收到的图象的信号。信号被传递到信号处理器30，在那儿被处理成将被显示到显示器34上的图象的信号。
图2表示显示器34上显示的典型图象。显示的图象包括由0和+1级衍射光环图象62和64形成的共有图案60，0和+1级衍射光环图象62和64彼此部分叠加以限定共有区域66。在此共有图案60中，字母(o)和(o’)分别代表光环图象62和64的中心。另外，标号68指示的直线表示共有轴或共有方向，标号70指示的另一条直线表示一条垂直于共有轴并与圆环中心(o)和(o’)相交的直线或方向。注意到通过光栅40相对于参考方向50旋转，共有图案60和共有轴66绕显示器34旋转，如图3B和3C所示。图中θ2和θ3分别表示共有轴68相对于参考方向50的各个旋转角。
共有区域66中所有点的光强随着光栅40的移动而改变。另外，共有区域66中一点的光强变化有一个不同于其它点处的特殊相位。之后，最好把各被选点之间光强的相位差用于测定透镜12的象差，这将在下面进行描述。
接下来对装置10象差的测定进行讨论。如上面所述简述的那样，通过检测共有区域66中不同选取点处光强的相位差测定象差。为了确定光强的相位，采用相移法，在该方法中检测预定点的光强，同时沿参考方向移动衍射光栅。在“光学机构测试，D.Malacara等人(John Wiley and sons，NewYork，1978)，p.414”中详细描述相移法，未申请中将其引为参考文献。
为了更好地理解本发明的象差测定，下面将对本发明处理的每种象差作一简短的描述。具体地说，图4A至7C分别表示由两个衍射图象的共有干涉造成的包含散焦的共有图案、球差、慧差和象散的波前。注意到在这些图中，λ表示图象接收器28接收到的光束的相位。另外，θ表示共有轴和参考方向之间的角度。
首先，在图4A至4C中，包含散焦引起并由实线表示之干涉条纹的散焦的波前以对称方式相对于共有轴对称表示。由于散焦而致的波前可以由ξ坐标和η坐标表示成下列方程(1)：Φ散焦＝K(ξ2+η2)  (1)此处：
Φ(散焦)   ：散焦所致波前的函数
K          ：常数
此方程示意由共有的衍射图象导致的干涉条纹沿垂直于共有轴延伸。即关于共有轴一侧上一点处的光强变化与位于共有轴相反侧对称位置另一点处的光强变化相同。
继而，如图5A至5C所示，相对于共有轴以对称方式表示包括由球差引起并由实线表示的干涉条纹的波前。由于球差而致的波前可以由ξ坐标和η坐标表示成下列方程(2)：Φ(球差)＝Q(ξ2+η2)2    (2)此处：
Φ(球差)    ：球差所致波前的函数
Q           ：常数
此方程示意由球差导致的干涉条纹关于共有轴和垂直线对称地存在，而与参考方向无关。另外，球差并不引致垂直线70上两点之间光强的相位差。同样地，在关于共有轴68对称位置的两点的光强变化间也不因球差而产生相位差。
如图6A至6C所示，由慧差而致的波前可以由ξ坐标和η坐标表示成下列方程(3)：Φ(慧差)＝R(ξ2+η2)η  (3)此处：
Φ(慧差)    ：慧差所致波前的函数
R           ：常数
方程(3)意味着慧差依赖于方向η，根据需要此方向以下称作“慧差方向”。通常，慧差方向不同于共有方向68。为了确定慧差方向，应把慧差分成两部分；沿共有轴68方向的第一慧差部分，沿垂直方向70的第二慧差部分。然后确定第一和第二慧差部分的大小，再通过矢量分析确定该慧差的方向。
可以理解，在慧差方向与共有轴68一致的地方，如图6A所示，由慧差所致的干涉条纹显示出关于共有轴68对称。这意味着在位于共有轴68上与关于对称干涉条纹的中心对称的两点之间光强的相位差只与第二慧差部分有关。另一方面，在慧差方向垂直于共有轴68的地方，如图6C所示，由慧差所致的干涉条纹显示出关于共有轴68和垂直方向70对称。这意味着位于垂直线70上的两点之间光强的相位差只与慧差的第一部分有关。作为参考，图6B表示在共有轴68绕参考方向70转动45度的情况下，因慧差所致的干涉条纹。
图7A至图7C表示由象散所致的干涉条纹。象散可以由η坐标表示成下列方程(4)：Φ(象散)＝Sη2     (4)此处：
Φ(慧差)   ：象散所致波前的函数
S          ：常数
方程(4)意味着象散只与方向η有关。因此，沿一个方向ξ当共有两个衍射图象时，在共有区域将不出现干涉条纹，如图7C所示。与此相反，当沿另一个方向而非ξ方向共有衍射图象时，干涉条纹表现在与方向ξ平行延伸，如图7B所示。另外，当沿η方向共有时，相邻干涉条纹的距离最小，如图7A所示。
以下再参见图2，下面将详细描述慧差和象散的确定。为此目的，在共有图案60的共有区域中设定几个点。应注意到点的设定可以利用适当的输入装置36，如显示器上的键盘或鼠标。具体地说选择垂直线70上的两点(B1)和(B2)，这两点处于中点(A)的相反侧并处于共有轴69上，与中点(A)相隔一定的距离(L1)。同样地，还确定垂直线70上的两点(C1)和(C2)，这两点处于中点(A)的相反侧并处于共有轴69上，与中点(A)相隔一定的距离(L2)。应注意到在本实施例中的(L1)不同于(L2)；但(L1)可以同于(L2)。另外，确定另两个点(D1)和(D2)，这两点对称地处于共有轴68的相反侧，与共有轴68相距距离(L2)，也处于垂直轴70的一侧，与垂直轴70相距(L3)。
然后检测每个设定点(A)、(B1)、(B2)、(C1)、(C2)、(D1)、(D2)处光强的变化。这通过检测从图象接收器28的对应CCD元件传递来的信号强度实现。另外，利用检测到的强度变化确定每个设定点的信号相位或光强。
注意到(B1)和(B2)之间光强的相位差与位于关于共有轴68对称的垂直线70上两点之间光强的相位差对应，该相位差只与象散有关，与散焦、球差或慧差无关。
点(A)和(B1)之间光强的另一相位差不具备散焦效应，因为点(A)和(B1)位于垂直于共有方向的直线上。另外，因为点(A)和(B1)位于垂直线70上，所以它们之间光强的相位差与第二慧差部分无关。这意味着点(A)和(B1)之间光强中的相位差对应于慧差方向中的第一慧差部分与球差的总和。注意到点(A)和(B1)之间的距离是点(B1)和(B2)之间距离的一半。这反过来意味着由象散所致的(A)和(B1)之间光强的相位差是点(B1)和(B2)之间的一半。因此，点(A)和(B1)之间光强的相位差与点(B1)和(B2)之间光强的一半相位差之差代表慧差方向中的第一慧差部分的大小。
点(C1)和(C2)之间光强的相位差也从象散中推出。注意到因为点(D1)和(D2)的位置关于共有轴68对称，所以它们之间光强的相位差与沿散焦、球差或慧差方向的第一慧差部分无关，但与沿垂直于慧差方向上的第二慧差部分以及象散有关。应注意到点(D1)和(D2)之间的距离等于点(C1)和(C2)之间的距离，并因此由象散所致的(D1)和(D2)之间光强中相位差与点(C1)和(C2)之间的相位差相等。由此，(D1)和(D2)之间光强的相位差与点(C1)和(C2)之间光强的相位差之差代表沿垂直于慧差方向的第二慧差部分。
因此，第一和第二慧差部分的大小由下列方程(5)和(6)表示：PD1＝|ph(A)-ph(B1)|-|ph(B1)-(ph(B2))|/2    (5)PD2＝|ph(D1)-ph(D2)|-|ph(C1)-(ph(C2))|     (6)此处：
PD1：第一慧差部分
PD2：第二慧差部分
ph(A)：在A点处光强的相位
ph(B1)：在B1点处光强的相位
ph(B2)：在B2点处光强的相位
ph(C1)：在C1点处光强的相位
ph(C2)：在C2点处光强的相位
ph(D1)：在D1在点处光强的相位
ph(D2)：在D2点处光强的相位
另外，可以通过利用PD1和PD2相位差的矢量分析确定慧差方向。
有鉴于上述，可以从两个衍射图象的共有区域中选取点的相位测定慧差而绝无任何需要再现共有图象的原始波前。
应该注意，虽然点(C1)和(C2)分别是从点(B1)和(B2)移动而来，但点(C1)和(C2)分别可以处于点(B1)和(B2)上。
以下参见图3A至3C，详细描述象差的确定。注意到图3A标示共有图象，其中共有轴与光栅移动所沿的参考方向对应。图3B表示共有轴68转动一特定角度θ2时的共有图象(即0＜θ2＜90°)，而图2C表示当共有轴68相对于参考方向转动一直角θ2(即90°)时的另一共有图象。在这些附图中，(E1)和(E2)表示垂直线70上的点，这些点关于共有轴68对称并离共有轴70有一特定的距离(L7)。
在本例中，点(E1)和(E2)之间光强的相位差由下列方程(7)表示：PDE1-E2＝|ph(E1)-ph(E2)|    (7)此处：
PDE1-E2：点(E1)和(E2)之间光强的相位差
phE1 ：点E1处光强的相位
phE2：点E2处光强的相位
利用此方程可以从两个共有图象中确定象散的大小，而两个共有图象处于两个不同的、分别与参考方向形成不为90°、180°、或270°角度的共有方向X，X2上，如下列方程(8)、(9)、(10)所示：PDX1(E1-E2)＝|phX1(E1)-phX2(E2)|    (8)PDX2(E1-E2)＝|phX2(E1)-phX2(E2)|    (9)此处：PDX1(E1-E2)：点E1/E2间沿X1方向的相位差PDX2(E1-E2)：点E1/E2间沿X2方向的相位差M象散＝PDX1(E1-E2)+PDX2(E1-E2)     (10)此处：
         M象散 ：象散的大小
另一方面，可以通过利用从上述方程(8)、(9)和(10)获得的相位差进行矢量分析确定象散的方向。PDX3(E1-E2)＝|phX3(E1)-phX3(E2)|    (11)此处：
PDX3(E1-E2) ：点E1/E2间沿X3方向的相位差
注意到应确定三个方向X1、X2和X3，使得方向X1和X2，X2和X3，以及X3和X1之间的三个角度中至少有一个不应是90°、180°或270°。
下面将解释原因。具体地说，相位差PDX1(E1-E2)、PDX2(E1-E2)只包括象散而不包括散焦、球差或慧差。另外，象散随着共有方向变化，例如沿某一方向的共有轴不产生象散而沿另一个垂直于这个方向的共有轴产生极密的干涉条纹，每个条纹垂直于共有方向延伸。这导致在点(E1)和(E2)之间的光强不出现相位差。
这样确保通过选择两个方向来确定由象散所致的点(E1)和(E2)之间光强的相位差，其中，所选择的两个方向限定了与参考方向的夹角不为90°、180°或270°，并与两个方向的每一个共有衍射图象。用于消除检测结果的方向依赖性的角度最好是45°。
如果从方程(8)和(9)关于两个方向确定的PDX1(E1-E2)和PDX2(E1-E2)相同，则在两个方向X1和X2之间的中心延伸的第三方向X3被认定为象散存在或象散不存在的方向。因此，为了识辨象散存在的方向，应确定第三共有方向，使它与两个方向中的每一个不夹90°、180°或270°的角。
因此，在确定三个方向时，应注意三个方向中的至少一个与其余两个方向的夹角不为90°、180°或270°。这是因为如果确定的三个方向中的每一个与其余方向中的任意一个的夹角为90°、180°或270°，则三个共有方向中的两个将有共同的方向，这使得最终只提供两个共有方向。
采取如此确定的三个共有方向，由三个共有方向中两个的方程所得到的两个M象散的和将导出透镜象散的大小。另外，在利用三个相位差的同时，矢量分析将确定象散的方向。出于上述原因，可以不确定原始波前而测定光学装置的象散。
在上述实施例中，虽然用0、+1级衍射光测定透镜的象差，但也可以用+1、-1级衍射光和0、-1级衍射光进行测定(见图8)。另外可使三种衍射光，如0，+1和-1级衍射光可以穿过透镜12，使得0和+1级衍射图象与0和-1级衍射图象在透镜12中的不同区域内相互叠加(见图9)。在这些例子中，可以按上述的方法同样地确定球差和象散。
另外，为了相对于参考方向改变共有轴，给驱动机构48配备绕透镜12之光轴22旋转光栅的功能；然而也可以用图10所示的反射型光栅盘相对于参考方向改变共有方向。光栅平板80包括三个光栅82，84和86，其中每个的大量栅槽沿不同的方向形成平行的试样。例如光栅84和86中的栅槽与光栅82中的栅槽分别成+45°和-45°的夹角。另外，使光栅平板80被支撑为，使得其垂直于参考方向移动，在透镜12的焦点选择放置三个光栅82至86中的任意一个。(II)第二实施例
图11表示测定透镜象差的另一个系统1A。代替反射型衍射光栅，本实施例的系统1A包括一个透射型衍射光栅，将来自透镜12的光在此衍射成0级、±1级、±2级...衍射光。邻近光栅90组离开透镜12设置另一个透镜92，使得0和+1级，0和-1级，+1和-1级或0和±1级衍射光可以传入透镜92并共有透镜92的部分光孔或光瞳。这可由光栅90的衍射角得以控制，通过入射光的波长和光栅90中各栅槽的栅距或间隙确定。将图象接收器28放置成使得它接收来自透镜92的光。因为用透射光栅代替反射光栅，所以不需要设置分束器。
在操作时，由适当的驱动机构使光栅90沿反射方向移动，来自光源14的光束或激光束透过调制器18和透镜12后聚焦到光栅90上，在那儿被衍射成0级、±1级、±2级...衍射光。其中0和+1级，0和-1级，±1和-1级或0和±1级衍射光穿过透镜92进入光接收器28。光接收器28产生相应于接收到的图象的信号并将其传递到信号处理器30，在那儿转换成图象信号，以此使接收到的图象被显示到显示单元32中的显示器34上。然后利用显示的图象按上述方法测定透镜的各种象差。在本例中，可以由驱动机构48或利用透射型光栅平板改变共有方向。
如图12所示，可以使用类似于图10所示反射型光栅平板的透射型光栅平板93。透射型光栅平板93包括三个光栅，其中每一个的大量栅槽在不同方向形成平行的试样。例如第二和第三光栅的栅槽与第一光栅的栅槽分别成+45°和-45°的夹角，类似于图10所示反射型光栅平板。(III)第三实施例
图13表示包括光栅单元94的系统1B局部的另一实施例。光栅单元94包括一对第一和第二透射型衍射光栅941和942。第一和第二透射型衍射光栅941和942中的每一个方法制成有一定间距的刻槽，因此能把入射光衍射成除0级衍射光以外的±1、±2、...级衍射光。第一和第二光栅941、942被放置成与透镜12相邻的平行试样，指向一个方向的刻槽垂直于透镜12的光轴22。另外，第二光栅942由支撑物96支撑，能沿垂直于光轴22的参考方向50上移动。第一和第二光栅941和942由驱动机构98支撑，因而能绕光轴22一起转动。
在如此构成的系统1B工作时，第二光栅942沿垂直于光轴22的参考方向50移动，同时光束入射到透镜12，在那儿被准直。然后，准直光入射到第一光栅941，在那儿衍射成±1、±2、...级衍射光。接下来，+1级和-1级衍射光在第二光栅中再衍射成±1、±2、...级衍射光。
注意到由第一光栅941衍射的+1级衍射光再从第二光栅942得到的-1级衍射光平行于光轴22伸展。同样地，由第一光栅941衍射的-1级衍射光再从第二光栅942得到的+1级衍射光也平行于光轴22伸展。但是，分别由第一光栅941衍射的-1和+1级衍射光再从第二光栅942得到的+1和-1级衍射光沿垂直于光轴22的方向上略有移动，形成一个共有图象。然后，共有图象被图象接收器28接收，随之用于如上所述地透镜12的象差测定。另外，光栅941和942同时绕光轴22旋转以测定象散。
此装置对该系统非常有益，因为系统可以由此大大地简化。
光栅941和942绕光轴22旋转以改变共有轴的方向；但如图14所示，光栅941和942可以用透射型光栅平板941’和942’代替，后者中的每一个都由三个光栅制成。在本例中，需要一个用来改变光栅的移动光栅单元机构。(IV)第四实施例
图15表示一个能够测定并校正与光学装置如DVD一起使用的光学头101光的慧差和象散的系统100。光学头101包括一个诸如激光发生装置的光源102，用于发射诸如激光束的光104。然后由准直透镜106准直所发射的光束104。准直后的光束104被分束器108和反射镜110反射到物镜112中，在那儿穿过透明的遮盖板114聚焦到反射型衍射光栅114上。光栅116由驱动机构120沿118所示的方向移动。另外，为了测定象散，光栅116由驱动机构120沿122所示的方向绕物镜112的光轴旋转。衍射并且又被反射的光，特别是0和+1级，0和-1级，或+1和-1级衍射光透过物镜112、反射镜110及分束器108进入光接收器124，光接收器124具有在电荷耦合器件(CCD)中的小的光接收元件，每个耦合器件把接收到的图象转换成一系列图象信号。然后将图象信号传递到信号处理器126，在那儿被处理成一个共有图象的图象信号，显示在显示器128上。对于显示的共有图象，按上述过程测定系统的慧差和象散。
另外，通过控制物镜112的轴与来自光源的光束光轴之间的夹角和/或光源102在垂直于光轴延伸的X-Y平面上的光源的位置校正慧差。为此目的，物镜112由一个能够调节物镜112角度或倾斜度的机构130支撑。另外，光源102由机构132支撑，以移动它在X-Y平面上的位置。
另一方面，通过沿准直透镜106的轴向(即Z向)移动透镜106以调节准直光的准直度来校正象散。为此目的，准直透镜106由一个能够沿Z方向移动准直透镜106的机构134支撑。
或者也可以通过移动X-Y平面中的透镜106和/或光学元件，如分束器108和反射镜110的反射角来控制慧差。另外，还可以通过沿物镜的光轴方向，即Z方向移动光源102和/或物镜112，或分束器108的位置来控制象散。
此外，可以用图10所示的反射型光栅平板代替光栅116。在此例中，光栅平板垂直于方向116移动，以改变共有方向。
再有，可以用部分的光盘代替光栅和遮盖玻璃。
另外，虽然遮盖玻璃设置在光栅116，但也可以省去它。在本例中，把平板系统设计成物镜112能把光束适当地聚焦到光束16上。
此外，所述系统可以用于调节任意的光学装置，如激光束记录器(LBR)、激光机械装置和光束在物体上形成光点的激光显微镜。(V)第五实施例
图16表示与能够测定并校正光学装置，如DVD一起使用的光学头152慧差和象散的另一系统，通用标号150表示。由支撑机构153牢固支撑的光学头152包括一个诸如激光发生装置的光源154，用于发射诸如激光束的光156。还设置一个用于准直发射光156的准直透镜158和一个把准直光156聚焦到透射型光束162上的物镜160，光栅162由大量平行槽形成，它也可以用透射型光栅平板代替。另外，虽然透明遮盖玻璃164设置在光栅162的一个表面，但也可以省去它不用。
注意，调节光栅162相对于光学头152的位置，使得满足光学头和光盘在制造中的位置需要。
由驱动机构168使光栅162沿166所指的方向上移动。另外，为了测定象散，还由机构168使光栅162沿170所指的方向绕物镜160的光轴旋转。
聚焦到光栅162上的光束156被衍射成±1、±2、...级衍射光。然后使衍射的光束入射到另一个透镜172中。在本实施例中，0和+1级或0和-1级衍射光入射到透镜172上，当在其上局部叠合时形成一个共有图案。之后，共有图案被图象接收器174捕获，接收器具有在电荷耦合器件(CCD)中的小的光接收元件，它们的每一个把接收到的图象转换成一系列图象信号。然后图象信号被传递到信号处理器176，在那儿被处理成拟显示在显示器178上的共有图象的图象信号。之后，利用显示的共有图象通过上述的相移法测定光学头152的慧差和象散。
可以通过控制物镜160与光轴之间的夹角和/或移动光源154在垂直于光轴的平面(即X-Y平面)上的位置使慧差得到校正。为此目的，支撑光学头152的支撑机构153被设计成它可以移动，用以改变物镜160的角度，并且光源154被另一个能够沿X和Y方向移动光源位置的机构152支撑。
另一方面，通过沿光轴移动准直透镜158并因此控制拟入射到物镜160上的光束的准直来校正象散。(VI)第六实施例
图17表示与能够测定并校正光学装置，如DVD一起使用的光学头152慧差和象散的另一系统，通用标号200表示。由支撑机构202牢固支撑的光学头201包括一个诸如激光发射装置的光源203，用于发射诸如激光束的光204。光学头201中还设置一个准直器透镜205和一个物镜208，使从光源203发出的光束204透过准直器透镜205和物镜208，然后聚焦到反射镜210上。注意，调节反射镜210相对于光学头201的位置，使得满足光学头201和光盘在实际制造中的位置需要。另外反射镜210可用部分光盘代替，并可将其设置成其表面对着带遮盖玻璃的物镜208。
然后，由反射镜210反射的光束204透过物镜208和分束器206进入由标号212表示的光栅单元。注意入射到光栅单元212中的光束204被准直。
光栅单元212包括两个相对的透射型衍射光栅214和216，两光栅如图13中平行的样式放置。因此，准直光束204被第一光栅衍射成±1、±2、...级衍射光。每一束衍射光又被第二光栅衍射成±1、±2、...级衍射光。
另外，第一光栅214被机构220支撑，沿218指示的垂直于进入光栅中的光束的方向上移动。另外，第一和第二光栅214和216被机构220支撑，使得它们能够绕光轴转动。
可以用上述带有三个光栅的透射型光栅平板代替衍射光栅124和216中的每一个。在本例中，光栅平板垂直于光轴移动以改变光栅。
采用光栅214和216，由第一光栅214衍射的-1级衍射光再从第二光栅216衍射得到的+1级衍射光，以及由第一光栅214衍射的+1级衍射光再从第二光栅216衍射得到的-1级衍射光，它们部分叠合，形成一个共有图案。最好将光栅及其它们的位置确定成从第二光栅216发出的叠合的+1和-1级衍射光彼此平行穿过。
之后，共有图案被图象接收器222捕获，该接收器具有在电荷耦合器件(CCD)中的小的光接收元件，它们中的每一个把接收到的图象转换成一系列图象信号。然后图象信号被传递到信号处理器224，在那儿被处理成拟显示在显示器226上的共有图象的图象信号。之后，利用显示的共有图象，通过上述的相移法测定光学头201的慧差和象散。
可以通过控制物镜160与光轴之间的夹角和/或移动光源154在垂直于光轴的平面(即X-Y平面)上的位置使慧差得以校正。为此目的，支撑光学头201的支撑机构202被设计成它可移动改变物镜208的角度，并且光源203被另一个能够沿X和Y方向移动光源203位置的机构228支撑。
另一方面，通过沿光轴移动准直透镜205，并因此控制入射到物镜208上的光束的准直使象散得以被校正。为此目的，准直透镜205由能够沿光轴移动准直透镜205的机构230支撑。(VII)第七实施例
图18表示能够测定并校正与光学装置，如DVD一起使用的光学头252慧差和象散的另一系统，通用标号250表示。由支撑机构252牢固支撑的光学头252包括一个诸如激光发射装置的光源256，用于发射诸如激光束的光258。还在光学头252中还设置一个准直透镜260和一个物镜262，使得从光源256发出的光束258透过准直器透镜260和物镜262。
该系统包括另一个透镜264，通过该透镜，使从物镜262透过束的光束被调制成准直光。准直光然后又入射到光栅单元中，其中光栅单元用标号266表示。
光栅单元266包括两个相对的透射型衍射光栅268和270，两光栅如图13中以平行的样式放置。因此，准直光束258被第一光栅衍射成±1、±2、...级衍射光。每一束衍射光又被第二光束衍射成±1、±2、...级衍射光。
另外，第一光栅268被机构270支撑，沿274指示的垂直于进入光栅之光束的方向上移动。另外，第一和第二光栅268和270被机构272支撑，使得它们能够绕光轴转动，如276所示那样。
可以用上述带有三个光栅的透射型光栅平板代替衍射光栅268和270中的每一个。在本例中，光栅平板垂直于光轴移动，以改变光栅。
采用光栅268和270，由第一光栅268衍射的-1级衍射光再从第二光栅270衍射得到的+1级衍射光和由第一光栅268衍射的+1级衍射光再的从第二光栅270衍射得到的-1级衍射光部分叠合，形成一个共有图案。最好将光栅及其它们的位置确定成从第二光栅270发出的叠合的+1和-1级衍射光彼此平行穿过。
之后，共有图案被图象接收器278捕获，该接收器具有在如电荷耦合器件(CCD)中的小的光接收元件，它们中的每一个把接收到的图象转换成一系列图象信号。然后图象信号被传递到信号处理器280，在那儿被处理成拟显示在显示器282上的共有图象的图象信号。之后，利用显示的共有图象，通过上述的相移法测定光学头252的慧差和象散。
可以通过控制物镜262与光轴的夹角和/或移动光源256在垂直于光轴的平面(即X-Y平面)上的位置使慧差得以校正。为此目的，光学头252由能够改变物镜262角度的支撑机构282支撑，并且光源256被另一个能够沿X和Y方向移动光源256位置的机构284支撑。
另一方面，通过沿光轴移动准直透镜262，并因此控制入射到物镜262上的光束的准直使象散得以校正。为此目的，准直透镜260由能够沿光轴移动准直透镜260的机构286支撑。
鉴于上述情形，根据本发明的方法和装置，可以简单的结构形成共有图案。另外，可以通过确定共有区域中各点之间光强的相位差来测定慧差和象散，而不用确定原始波前。此外，不需要以较高的放大倍数放大共有图案，因此目标图象或共有图案可以很容易地定位于图象接收器的范围之内，这使得系统以很高的精确度确定象差。

Claims (14)

1.一种测定光学元件象差的方法，包括步骤：
使光束透过光学元件；
使上述光束衍射，以形成第一和第二衍射光；
使上述第一和第二衍射光束重叠，形成第一和第二光束共有的一个图象；
检测上述共有图象中第一和第二点处的光强度；
改变上述共有图象中第一和第二点处的光强度；
确定第一和第二点之间光强的相位差；
利用确定的相位差测定光学元件的象差。
2.一种测定光学元件象差的方法，包括步骤：
(a)使光束透过光学元件；
(b)使上述光束衍射，形成第一和第二衍射光；
(c)使上述第一和第二衍射光束重叠，形成第一和第二光束共有的一个图象；
(d)在上述共有图象中确定多个点，这些点包括
第一点，是第一和第二衍射光连结轴的第一条线之中点，
第二点，位于在第一点处与第一条线相交的第二条线上，
第三点，位于第二条线上，第二和第三点的位置关于第一条线
对称，
第四和第五点，位于第二条线上并对称地处于第一条线的相反
侧，使第四和第五各点与第一条线相隔一个距离，
第六和第七点，位于第一条线的相反侧，使得第六和第七各点
与第一条线相隔一个距离，
(e)检测上述第一至第五点处的光强；
(f)改变上述第一至第五点处的光强；
(g)确定上述第一至第七各点处的相位；
(h)利用上述第一至第七点处的相位测定光学元件的象差。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于上述步骤(h)还包括以下步骤：
确定第一与第二点之间光强的第一相位差Ph(1)，第二与第三点之间光强的第二象差Ph(2)，第四和第五点之间光强的第三象差Ph(3)，第六和第七点之间光强的第四象差Ph(4)，
步骤(h)还包括以下步骤：
根据这些由下列方程而获得的相位差确定慧差的大小，
相位差＝|Ph(1)|-|Ph(2)|/2
根据由下列方程获得的象差确定慧差的方向：
相位差＝|Ph(4)|-|Ph(3)|。
4.一种测定光学元件象差的方法，包括步骤：
使衍射光栅指向三个方向；
对于三个方向中的每一个方向实行下列步骤：
(a)使光透过光学元件，
(b)把上述光束导入衍射光栅，取得第一和第二衍射光，
(c)使第一和第二衍射光彼此叠加形成第一和第二光束共有图象，
(d)确定共有图象中第一和第二点处的光强，所述第一和第二点位于穿过连结第一和第二衍射光束中点的另一条线中点的线上，并关于所述另一条线对称，
(e)改变共有图象中第一和第二点处的光强，
(f)确定第一和第二点之间光强的相位差，
利用沿所述三个方向获得的相位差测定光学元件的象散。
5.根据权利要求4所述的方法，还包括沿所述三个方向的两个方向确定象散的大小。
6.一种测定光学元件中象差的装置，包括：
一个反射型衍射光栅，该光栅由多个平行槽形成，使得从光学元件出来的光被衍射成衍射光，衍射光包括部分地叠加的第一和第二光，形成共有图象，
一个用于沿基本上垂直于光轴方向移动衍射光栅的机构，
一个接收共有图象的图象接收器，和
一个确定共有图象中多个点中每一点处光强的相位的处理器。
7.一种测定光学元件中象差的装置，包括：
一个透射型衍射光栅，该光栅由多个平行槽形成，使得从光学元件出来的光被衍射成衍射光，衍射光包括部分地叠加的第一和第二光，形成共有图象，
一个用于沿基本上垂直于光轴方向移动衍射光栅的机构，
一个接收共有图象的图象接收器，和
一个确定共有图象中多个点中每一点处光强的相位的处理器。
8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于还包括一个使所述衍射光栅绕上述光的轴转动的机构。
9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于还包括一个使所述衍射光栅绕上述光的轴转动的机构。
10.根据权利要求6所述的装置，其特征在于上述衍射光栅中的刻槽包括多组狭长栅槽，每组栅槽指向不同于另一组栅槽方向的特定方向。
11.根据权利要求7所述的装置，其特征在于上述衍射光栅中的刻槽包括多组狭长栅槽，每组栅槽指向不同于另一组栅槽方向的特定方向。
12.一种测定光学元件中象差的装置，包括：
一对第一和第二透射型衍射光栅，所述第一和第二光栅中的每一个由平行栅槽形成，光栅把光束衍射成非零级衍射光的衍射光，使所述第一和第二衍射光栅定位成彼此与指向一个方向的栅槽平行，形成一个共有图象，在该图象中两衍射图象部分重叠；
一个沿另一方向移动所述第一衍射光栅的机构，所述另一方向与所述一个方向成一特定的角；
一个接收共有图象的图象接收器；和
一个确定共有图象中多个点中的每一点处光强的相位的处理器。
13.一种测定光学元件中象差的装置，包括：
一个反射型衍射光栅，该光栅由多个平行槽形成，使得从光学元件出来的光被衍射成衍射光，衍射光包括部分地叠加的第一和第二光，形成共有图象，
一个用于沿基本垂直于所述光的轴线方向移动衍射光栅的机构，
一个接收共有图象的图象接收器，
一个确定所述共有图象中多个点中每一点处光强的相位，然后再测定光学元件象差的处理器；
一个校正所述光学元件象差的机构。
14.一种测定光学元件中象差的装置，包括：
一个透射型衍射光栅，该光栅由多个平行栅槽形成，使得从光学元件出来的光被衍射成衍射光，衍射光包括部分地叠加的第一和第二光束，形成共有图象，
一个用于沿基本垂直于所述光的轴的方向移动衍射光栅的机构，
一个接收所述共有图象的图象接收器，和
一个确定共有图象中多个点中每一点处光强的相位，然后再测定光学元件象差的处理器。
一个校正所述光学元件象差的机构。
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