測定與光學裝置一起使用的光學元件象差的方法和裝置的製作方法
2023-09-12 16:35:25
專利名稱：測定與光學裝置一起使用的光學元件象差的方法和裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種測定光學元件象差的方法和裝置，這種光學元件比如是與光學播放/記錄系統一起使用的光學頭。
一般地說，傳統方法測定光學元件的象差需要兩步第一步從兩個分開的圖象的共有圖案中重現原始波前，第二步從重現的波前中單獨確定幾種象差。
具體地說，
圖19表示一個通常用於確定光學元件302象差的傳統的系統，該系統用標號300表示。確定光學元件象差時，從光學元件302發出的光傳播到第一分束器304，並在那兒被分成第一和第二光束306和308。穿過第一分束器304的第一光束306在第一反射鏡310處被反射，然後再通過第二分束器312進入圖象接收器314。被第一分束器304反射的第二光束308被第二反射鏡316和第二分束器312反射，進入圖象接收器314。將第二反射鏡316的放置得使第一和第二光束306和308從圖象接收器314上的其它地方移動，在上面形成一個共有圖象或圖案。然後在圖象處理器316處分析該共有圖象或圖案，以確定光學元件的象差。
利用這種裝置從共有圖象或圖案中確定原始波前，這對用於測定象差需要很多步驟，因而費時。另外還需要對二階矩陣進行分析，這需要大量的計算。同樣地，從共有圖象中確定原始波前的計算需要大量步驟，因而費時。另外，光束被分成兩部分，然後又必需以高精確度將分成的兩束光重疊在圖象接收器314上，這需要每個光束保持穩定，因而使裝置體積龐大。
圖20表示另一個通常用於測定待調節的光學元件320象差的傳統光學系統，該系統用標號318表示。對於系統318，光束322通過光學元件320的物鏡324到達透明板326。然後由會聚透鏡328使光束322聚焦成圖象接收器330上的一個點，形成與接收到的圖象對應的一系列信號。然後該信號被傳遞到信號處理器332，接收到的圖象上的光強分布在此得以確定。光強的分布用於判定光學元件320的象差，所判定的象差反過來又用於調節光學元件320。
然而在本例中，聚焦的光點應該非常明顯，因而圖象接收器328的視野很窄。這意味著即使圖象點的很小移動也會導致光點移出圖象接收器的視野，檢測不出象差。另外，光點不包括相位信息，使得很難獲得精確的象差。
因此，本發明的目的在於提供一種能夠很容易地確定光學元件象差的改進方法和裝置。
為此目的，按照一種測定光學元件象差的方法，光束通過光學元件並衍射成例如0，±1，±2級衍射光。其中，第一和第二光束(如0和+1，0和-1，+1和-1，或0和±1級衍射光)疊加形成一個第一和第二光束共有的圖象。然後測得共有圖象中第一和第二點的光強度。此時，第一和第二點的光強有變化。之後測得第一和第二點之間光強中的相位差。利用相位差判定光學元件的象差。
按照本發明的另一方面，在一個共有圖象中確定多個點。具體地說，確定第一至第七個。第一點是第一和第二衍射光連結軸的第一條線之中點。第二點位於在第一點處與第一條線相交的第二條線上。第三點位於第二條線上，使得第二和第三點的位置關於第一條線對稱。第四和第五點位於第二條線上並對稱地處於第一條線的相反側，使得第四和第五各點與第一條線相隔一段距離。第六和第七點位於第一條線的相反側，使得第六和第七每個點與第一條線相隔一個距離。
在本發明的又一方面，所述方法包括確定光學元件慧差的步驟。為此目的，確定第一和第二點之間光強中的第一位相差Ph(1)。同樣地，確定第二和第三點之間光強中的第二相位差Ph(2)，第四和第五點之間光強中的第二相位差Ph(3)，第六和第七點之間光強中的第二相位差Ph(4)。利用這些相位差確定慧差的大小，通過下列方程而獲得一個相位差相位差＝|Ph(1)|-|Ph(2)|/2另外，利用由下列方程獲得的相位差確定慧差的方向相位差＝|Ph(4)|-|Ph(3)|
按照本發明的再一方面，確定光學元件的象散。在這種確定當中，衍射光柵指向三個方向。對於每一方向，光透過光學元件後導入衍射光柵，得到第一和第二衍射光。第一和第二衍射光彼此疊加形成一個共有圖象。然後確定共有圖象中第一和第二點處的光強。第一和第二點位於穿過連結第一和第二衍射光束中點的另一條線中點的線上，並關於另一條線對稱。此時光強發生改變。另外，確定第一和第二點之間光強中的相位差，將此用於測定光學元件的象散。
一種測定光學元件象差的裝置有反射型衍射光柵和透射型衍射光柵之分。光柵由多個平行槽形成，使得從光學元件出來的光被衍射成衍射光。衍射光包括部分疊加形成共有圖象的第一和第二光。設置一個機構用於沿基本垂直於光軸的方向移動衍射光柵。然後由圖象接收器接收共有圖象。確定共有圖象中多個點中每一點光強的相位，然後用於測定象差。
另一種測定光學元件中象差的裝置包括一對第一和第二透射型衍射光柵。第一和第二光柵中的每一個由平行柵槽形成，把光束衍射成非零級衍射光的衍射光。使第一和第二衍射光柵定位成彼此與指向一個方向的柵槽平行，從而形成一個共有圖象，在該圖象中的兩衍射圖象是部分重疊的。設置一個機構沿另一方向移動第一衍射光柵，使第一衍射光柵與一個方向成一特定的角。另外，設置一個接收共有圖象的圖象接收器和一個確定共有圖象的多個點中每一點處光強相位的處理器。
另外，一種校正光學元件象差的裝置包括一個校正光學元件象差的機構。
圖1表示根據本發明第一實施例的測定光學元件象差的系統；圖2表示兩衍射光束的一個共有圖象和位於在共有圖象中用於確定光學元件慧差的各點；圖3A至3C表示兩衍射光束的一個共有圖象和位於共有圖象中用於確定光學元件象散的各點；圖4A至4C表示散焦導致的波前；圖5A至5C表示球差導致的波前；圖6A至6C表示慧差導致的波前；圖7A至7C表示象散導致的波前；
圖8表示根據本發明另一實施例的測定光學元件象差的系統；圖9表示根據本發明測定光學元件象差的另一系統；圖10表示包括三個不同光柵的光柵板；圖11表示根據本發明測定光學元件象差的另一系統；圖12表示根據本發明測定光學元件象差的又一系統；圖13表示根據本發明測定光學元件象差的再一系統；圖14表示根據本發明測定光學元件象差的又一系統；圖15表示根據本發明測定並校正光學元件象差的一個系統；圖16表示根據本發明測定並校正光學元件象差的另一系統；圖17表示根據本發明測定並校正光學元件象差的又一系統；圖18表示根據本發明測定並校正光學元件象差的再一系統；圖19表示測定光學元件象差的常規系統；和圖20表示測定光學元件象差的另一常規系統。
以下參考附圖對本發明的優選實施例進行描述。
(I)第一實施例圖1表示根據本發明第一實施例的光學系統，用於測定光學元件的各種象差，用標號1表示。為了測定各種象差這一目的，系統1包括通用標號10標示的光學裝置。裝置10可以是一個組合到光學記錄和/或播放系統如數字視盤播放系統中的光學組件或光學頭，配置一個由適當支撐物(未示出)支撐的光學元件或透鏡12。裝置10還包括一個發射光束16的光源14。光源14最好是一個產生並發射雷射束的雷射系統。設置一個例如由一系列光學元件組成的調製器18，用於把光束16調製成準直光20，然後準直光20沿透鏡12的光軸22傳播。在光軸22上以及調製器18和透鏡12之間設置一個分束器24。
分束器24可使穿過其的準直光入射到透鏡12，同時它使另一束光26從透鏡12以相反的方向進入分束器24，指向垂直於準直光束20的另一個方向。
為了接收由分數器24反射的光束26，系統1包括一個圖象接收器28，它最好由在電荷耦合器件(CCD)中的大量光接收元件製成，每個光接收元件把接收到的圖象轉換成一系列圖象信號。圖象接收器28與信號處理器30以電學方式聯繫，信號處理器30又與配備有顯示器如CRT和LCD的圖象顯示單元聯繫，使得圖象接收器28接收到的圖象再現於顯示器34上。顯示單元32最好與諸如鍵盤和滑鼠的輸入裝置36聯繫，用於在顯示的圖象上畫線並識別顯示圖象中的點。
另外，系統1包括一個具有平面表面42的反射型衍射光柵40，平面表面上有大量的以平行的式樣形成的小刻槽44。光柵40可以是擬由裝置10播放的光碟的一部分。為了使表面42能反射光線，在表面上塗敷一種由適當的金屬製成的反射薄膜。
光柵40由一個適當的支撐物46支撐，使得表面42與透鏡12相對，留有一定的小間隙。應當將間隙確定成它能夠使透鏡12把準直光20精確地聚焦到光柵40的表面。
光柵支撐物46和光柵40以驅動方式與適當的驅動機構48驅動連結，使得能夠沿箭頭50所指的垂直於透鏡軸22的方向前後遊移，並沿箭頭52所指的方向相對於透鏡12繞透鏡軸22旋轉。
應指出的是如果裝置10僅測定透鏡12的象差，則可將其設計成透鏡12是可以替換的。另一方面，如果裝置10與光學系統如DVD結合在一起，則將其可拆卸地安裝在測定光學裝置10象差的系統1中。
操作這種結構的系統1時，將光柵40放置並固定在光柵支撐物46上。之後，激勵驅動機構48，使光柵40沿方向50傳輸，這期間光源14發射光束16，光束16在調製器18處被調製成準直光20。然後準直光20透過分束器24到達透鏡12，在那兒聚焦到移到透鏡12焦點之前的槽36上。會聚光束在槽38處被衍射並被反射回透鏡12。
反射的光束包括0，±1，±2級衍射光。在本實施例中，光柵40的衍射角被設計成使其中只有0和+1級衍射光可以傳輸到透鏡12並共有透鏡12的光孔或光瞳的一部分。正如本領域普通技術人員公知的那樣，可由入射光的波長和各槽44的間距或間隙確定衍射角。
0和+1級衍射光彼此相干，形成反射包含在透鏡12中的各種象差的幹涉條紋或共有圖案，這將在下面詳細描述。然後0和+1級衍射光在透鏡12處被準直，再被分束器24反射到光接收器28中。光接收器28產生相應於接收到的圖象的信號。信號被傳遞到信號處理器30，在那兒被處理成將被顯示到顯示器34上的圖象的信號。
圖2表示顯示器34上顯示的典型圖象。顯示的圖象包括由0和+1級衍射光環圖象62和64形成的共有圖案60，0和+1級衍射光環圖象62和64彼此部分疊加以限定共有區域66。在此共有圖案60中，字母(o)和(o』)分別代表光環圖象62和64的中心。另外，標號68指示的直線表示共有軸或共有方向，標號70指示的另一條直線表示一條垂直於共有軸並與圓環中心(o)和(o』)相交的直線或方向。注意到通過光柵40相對於參考方向50旋轉，共有圖案60和共有軸66繞顯示器34旋轉，如圖3B和3C所示。圖中θ2和θ3分別表示共有軸68相對於參考方向50的各個旋轉角。
共有區域66中所有點的光強隨著光柵40的移動而改變。另外，共有區域66中一點的光強變化有一個不同於其它點處的特殊相位。之後，最好把各被選點之間光強的相位差用於測定透鏡12的象差，這將在下面進行描述。
接下來對裝置10象差的測定進行討論。如上面所述簡述的那樣，通過檢測共有區域66中不同選取點處光強的相位差測定象差。為了確定光強的相位，採用相移法，在該方法中檢測預定點的光強，同時沿參考方向移動衍射光柵。在「光學機構測試，D.Malacara等人(John Wiley and sons，NewYork，1978)，p.414」中詳細描述相移法，未申請中將其引為參考文獻。
為了更好地理解本發明的象差測定，下面將對本發明處理的每種象差作一簡短的描述。具體地說，圖4A至7C分別表示由兩個衍射圖象的共有幹涉造成的包含散焦的共有圖案、球差、慧差和象散的波前。注意到在這些圖中，λ表示圖象接收器28接收到的光束的相位。另外，θ表示共有軸和參考方向之間的角度。
首先，在圖4A至4C中，包含散焦引起並由實線表示之幹涉條紋的散焦的波前以對稱方式相對於共有軸對稱表示。由於散焦而致的波前可以由ξ坐標和η坐標表示成下列方程(1)Φ散焦＝K(ξ2+η2)(1)此處Φ(散焦) 散焦所致波前的函數K 常數此方程示意由共有的衍射圖象導致的幹涉條紋沿垂直於共有軸延伸。即關於共有軸一側上一點處的光強變化與位於共有軸相反側對稱位置另一點處的光強變化相同。
繼而，如圖5A至5C所示，相對於共有軸以對稱方式表示包括由球差引起並由實線表示的幹涉條紋的波前。由於球差而致的波前可以由ξ坐標和η坐標表示成下列方程(2)Φ(球差)＝Q(ξ2+η2)2(2)此處Φ(球差)球差所致波前的函數Q 常數此方程示意由球差導致的幹涉條紋關於共有軸和垂直線對稱地存在，而與參考方向無關。另外，球差並不引致垂直線70上兩點之間光強的相位差。同樣地，在關於共有軸68對稱位置的兩點的光強變化間也不因球差而產生相位差。
如圖6A至6C所示，由慧差而致的波前可以由ξ坐標和η坐標表示成下列方程(3)Φ(慧差)＝R(ξ2+η2)η (3)此處Φ(慧差)慧差所致波前的函數R 常數方程(3)意味著慧差依賴於方向η，根據需要此方向以下稱作「慧差方向」。通常，慧差方向不同於共有方向68。為了確定慧差方向，應把慧差分成兩部分；沿共有軸68方向的第一慧差部分，沿垂直方向70的第二慧差部分。然後確定第一和第二慧差部分的大小，再通過矢量分析確定該慧差的方向。
可以理解，在慧差方向與共有軸68一致的地方，如圖6A所示，由慧差所致的幹涉條紋顯示出關於共有軸68對稱。這意味著在位於共有軸68上與關於對稱幹涉條紋的中心對稱的兩點之間光強的相位差只與第二慧差部分有關。另一方面，在慧差方向垂直於共有軸68的地方，如圖6C所示，由慧差所致的幹涉條紋顯示出關於共有軸68和垂直方向70對稱。這意味著位於垂直線70上的兩點之間光強的相位差只與慧差的第一部分有關。作為參考，圖6B表示在共有軸68繞參考方向70轉動45度的情況下，因慧差所致的幹涉條紋。
圖7A至圖7C表示由象散所致的幹涉條紋。象散可以由η坐標表示成下列方程(4)Φ(象散)＝Sη2(4)此處Φ(慧差) 象散所致波前的函數S 常數方程(4)意味著象散只與方向η有關。因此，沿一個方向ξ當共有兩個衍射圖象時，在共有區域將不出現幹涉條紋，如圖7C所示。與此相反，當沿另一個方向而非ξ方向共有衍射圖象時，幹涉條紋表現在與方向ξ平行延伸，如圖7B所示。另外，當沿η方向共有時，相鄰幹涉條紋的距離最小，如圖7A所示。
以下再參見圖2，下面將詳細描述慧差和象散的確定。為此目的，在共有圖案60的共有區域中設定幾個點。應注意到點的設定可以利用適當的輸入裝置36，如顯示器上的鍵盤或滑鼠。具體地說選擇垂直線70上的兩點(B1)和(B2)，這兩點處於中點(A)的相反側並處於共有軸69上，與中點(A)相隔一定的距離(L1)。同樣地，還確定垂直線70上的兩點(C1)和(C2)，這兩點處於中點(A)的相反側並處於共有軸69上，與中點(A)相隔一定的距離(L2)。應注意到在本實施例中的(L1)不同於(L2)；但(L1)可以同於(L2)。另外，確定另兩個點(D1)和(D2)，這兩點對稱地處於共有軸68的相反側，與共有軸68相距距離(L2)，也處於垂直軸70的一側，與垂直軸70相距(L3)。
然後檢測每個設定點(A)、(B1)、(B2)、(C1)、(C2)、(D1)、(D2)處光強的變化。這通過檢測從圖象接收器28的對應CCD元件傳遞來的信號強度實現。另外，利用檢測到的強度變化確定每個設定點的信號相位或光強。
注意到(B1)和(B2)之間光強的相位差與位於關於共有軸68對稱的垂直線70上兩點之間光強的相位差對應，該相位差只與象散有關，與散焦、球差或慧差無關。
點(A)和(B1)之間光強的另一相位差不具備散焦效應，因為點(A)和(B1)位於垂直於共有方向的直線上。另外，因為點(A)和(B1)位於垂直線70上，所以它們之間光強的相位差與第二慧差部分無關。這意味著點(A)和(B1)之間光強中的相位差對應于慧差方向中的第一慧差部分與球差的總和。注意到點(A)和(B1)之間的距離是點(B1)和(B2)之間距離的一半。這反過來意味著由象散所致的(A)和(B1)之間光強的相位差是點(B1)和(B2)之間的一半。因此，點(A)和(B1)之間光強的相位差與點(B1)和(B2)之間光強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。
點(C1)和(C2)之間光強的相位差也從象散中推出。注意到因為點(D1)和(D2)的位置關於共有軸68對稱，所以它們之間光強的相位差與沿散焦、球差或慧差方向的第一慧差部分無關，但與沿垂直于慧差方向上的第二慧差部分以及象散有關。應注意到點(D1)和(D2)之間的距離等於點(C1)和(C2)之間的距離，並因此由象散所致的(D1)和(D2)之間光強中相位差與點(C1)和(C2)之間的相位差相等。由此，(D1)和(D2)之間光強的相位差與點(C1)和(C2)之間光強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)此處PD1第一慧差部分PD2第二慧差部分ph(A)在A點處光強的相位ph(B1)在B1點處光強的相位ph(B2)在B2點處光強的相位ph(C1)在C1點處光強的相位ph(C2)在C2點處光強的相位ph(D1)在D1在點處光強的相位
ph(D2)在D2點處光強的相位另外，可以通過利用PD1和PD2相位差的矢量分析確定慧差方向。
有鑑於上述，可以從兩個衍射圖象的共有區域中選取點的相位測定慧差而絕無任何需要再現共有圖象的原始波前。
應該注意，雖然點(C1)和(C2)分別是從點(B1)和(B2)移動而來，但點(C1)和(C2)分別可以處於點(B1)和(B2)上。
以下參見圖3A至3C，詳細描述象差的確定。注意到圖3A標示共有圖象，其中共有軸與光柵移動所沿的參考方向對應。圖3B表示共有軸68轉動一特定角度θ2時的共有圖象(即0＜θ2＜90°)，而圖2C表示當共有軸68相對於參考方向轉動一直角θ2(即90°)時的另一共有圖象。在這些附圖中，(E1)和(E2)表示垂直線70上的點，這些點關於共有軸68對稱並離共有軸70有一特定的距離(L7)。
在本例中，點(E1)和(E2)之間光強的相位差由下列方程(7)表示PDE1-E2＝|ph(E1)-ph(E2)|(7)此處PDE1-E2點(E1)和(E2)之間光強的相位差phE1點E1處光強的相位phE2點E2處光強的相位利用此方程可以從兩個共有圖象中確定象散的大小，而兩個共有圖象處於兩個不同的、分別與參考方向形成不為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)此處PDX1(E1-E2)點E1/E2間沿X1方向的相位差PDX2(E1-E2)點E1/E2間沿X2方向的相位差M象散＝PDX1(E1-E2)+PDX2(E1-E2)(10)此處M象散象散的大小另一方面，可以通過利用從上述方程(8)、(9)和(10)獲得的相位差進行矢量分析確定象散的方向。PDX3(E1-E2)＝|phX3(E1)-phX3(E2)|(11)此處PDX3(E1-E2)點E1/E2間沿X3方向的相位差注意到應確定三個方向X1、X2和X3，使得方向X1和X2，X2和X3，以及X3和X1之間的三個角度中至少有一個不應是90°、180°或270°。
下面將解釋原因。具體地說，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，象散隨著共有方向變化，例如沿某一方向的共有軸不產生象散而沿另一個垂直於這個方向的共有軸產生極密的幹涉條紋，每個條紋垂直於共有方向延伸。這導致在點(E1)和(E2)之間的光強不出現相位差。
這樣確保通過選擇兩個方向來確定由象散所致的點(E1)和(E2)之間光強的相位差，其中，所選擇的兩個方向限定了與參考方向的夾角不為90°、180°或270°，並與兩個方向的每一個共有衍射圖象。用於消除檢測結果的方向依賴性的角度最好是45°。
如果從方程(8)和(9)關於兩個方向確定的PDX1(E1-E2)和PDX2(E1-E2)相同，則在兩個方向X1和X2之間的中心延伸的第三方向X3被認定為象散存在或象散不存在的方向。因此，為了識辨象散存在的方向，應確定第三共有方向，使它與兩個方向中的每一個不夾90°、180°或270°的角。
因此，在確定三個方向時，應注意三個方向中的至少一個與其餘兩個方向的夾角不為90°、180°或270°。這是因為如果確定的三個方向中的每一個與其餘方向中的任意一個的夾角為90°、180°或270°，則三個共有方向中的兩個將有共同的方向，這使得最終只提供兩個共有方向。
採取如此確定的三個共有方向，由三個共有方向中兩個的方程所得到的兩個M象散的和將導出透鏡象散的大小。另外，在利用三個相位差的同時，矢量分析將確定象散的方向。出於上述原因，可以不確定原始波前而測定光學裝置的象散。
在上述實施例中，雖然用0、+1級衍射光測定透鏡的象差，但也可以用+1、-1級衍射光和0、-1級衍射光進行測定(見圖8)。另外可使三種衍射光，如0，+1和-1級衍射光可以穿過透鏡12，使得0和+1級衍射圖象與0和-1級衍射圖象在透鏡12中的不同區域內相互疊加(見圖9)。在這些例子中，可以按上述的方法同樣地確定球差和象散。
另外，為了相對於參考方向改變共有軸，給驅動機構48配備繞透鏡12之光軸22旋轉光柵的功能；然而也可以用圖10所示的反射型光柵盤相對於參考方向改變共有方向。光柵平板80包括三個光柵82，84和86，其中每個的大量柵槽沿不同的方向形成平行的試樣。例如光柵84和86中的柵槽與光柵82中的柵槽分別成+45°和-45°的夾角。另外，使光柵平板80被支撐為，使得其垂直於參考方向移動，在透鏡12的焦點選擇放置三個光柵82至86中的任意一個。(II)第二實施例圖11表示測定透鏡象差的另一個系統1A。代替反射型衍射光柵，本實施例的系統1A包括一個透射型衍射光柵，將來自透鏡12的光在此衍射成0級、±1級、±2級...衍射光。鄰近光柵90組離開透鏡12設置另一個透鏡92，使得0和+1級，0和-1級，+1和-1級或0和±1級衍射光可以傳入透鏡92並共有透鏡92的部分光孔或光瞳。這可由光柵90的衍射角得以控制，通過入射光的波長和光柵90中各柵槽的柵距或間隙確定。將圖象接收器28放置成使得它接收來自透鏡92的光。因為用透射光柵代替反射光柵，所以不需要設置分束器。
在操作時，由適當的驅動機構使光柵90沿反射方向移動，來自光源14的光束或雷射束透過調製器18和透鏡12後聚焦到光柵90上，在那兒被衍射成0級、±1級、±2級...衍射光。其中0和+1級，0和-1級，±1和-1級或0和±1級衍射光穿過透鏡92進入光接收器28。光接收器28產生相應於接收到的圖象的信號並將其傳遞到信號處理器30，在那兒轉換成圖象信號，以此使接收到的圖象被顯示到顯示單元32中的顯示器34上。然後利用顯示的圖象按上述方法測定透鏡的各種象差。在本例中，可以由驅動機構48或利用透射型光柵平板改變共有方向。
如圖12所示，可以使用類似於圖10所示反射型光柵平板的透射型光柵平板93。透射型光柵平板93包括三個光柵，其中每一個的大量柵槽在不同方向形成平行的試樣。例如第二和第三光柵的柵槽與第一光柵的柵槽分別成+45°和-45°的夾角，類似於圖10所示反射型光柵平板。(III)第三實施例圖13表示包括光柵單元94的系統1B局部的另一實施例。光柵單元94包括一對第一和第二透射型衍射光柵941和942。第一和第二透射型衍射光柵941和942中的每一個方法製成有一定間距的刻槽，因此能把入射光衍射成除0級衍射光以外的±1、±2、...級衍射光。第一和第二光柵941、942被放置成與透鏡12相鄰的平行試樣，指向一個方向的刻槽垂直於透鏡12的光軸22。另外，第二光柵942由支撐物96支撐，能沿垂直於光軸22的參考方向50上移動。第一和第二光柵941和942由驅動機構98支撐，因而能繞光軸22一起轉動。
在如此構成的系統1B工作時，第二光柵942沿垂直於光軸22的參考方向50移動，同時光束入射到透鏡12，在那兒被準直。然後，準直光入射到第一光柵941，在那兒衍射成±1、±2、...級衍射光。接下來，+1級和-1級衍射光在第二光柵中再衍射成±1、±2、...級衍射光。
注意到由第一光柵941衍射的+1級衍射光再從第二光柵942得到的-1級衍射光平行於光軸22伸展。同樣地，由第一光柵941衍射的-1級衍射光再從第二光柵942得到的+1級衍射光也平行於光軸22伸展。但是，分別由第一光柵941衍射的-1和+1級衍射光再從第二光柵942得到的+1和-1級衍射光沿垂直於光軸22的方向上略有移動，形成一個共有圖象。然後，共有圖象被圖象接收器28接收，隨之用於如上所述地透鏡12的象差測定。另外，光柵941和942同時繞光軸22旋轉以測定象散。
此裝置對該系統非常有益，因為系統可以由此大大地簡化。
光柵941和942繞光軸22旋轉以改變共有軸的方向；但如圖14所示，光柵941和942可以用透射型光柵平板941』和942』代替，後者中的每一個都由三個光柵製成。在本例中，需要一個用來改變光柵的移動光柵單元機構。(IV)第四實施例圖15表示一個能夠測定並校正與光學裝置如DVD一起使用的光學頭101光的慧差和象散的系統100。光學頭101包括一個諸如雷射發生裝置的光源102，用於發射諸如雷射束的光104。然後由準直透鏡106準直所發射的光束104。準直後的光束104被分束器108和反射鏡110反射到物鏡112中，在那兒穿過透明的遮蓋板114聚焦到反射型衍射光柵114上。光柵116由驅動機構120沿118所示的方向移動。另外，為了測定象散，光柵116由驅動機構120沿122所示的方向繞物鏡112的光軸旋轉。衍射並且又被反射的光，特別是0和+1級，0和-1級，或+1和-1級衍射光透過物鏡112、反射鏡110及分束器108進入光接收器124，光接收器124具有在電荷耦合器件(CCD)中的小的光接收元件，每個耦合器件把接收到的圖象轉換成一系列圖象信號。然後將圖象信號傳遞到信號處理器126，在那兒被處理成一個共有圖象的圖象信號，顯示在顯示器128上。對於顯示的共有圖象，按上述過程測定系統的慧差和象散。
另外，通過控制物鏡112的軸與來自光源的光束光軸之間的夾角和/或光源102在垂直於光軸延伸的X-Y平面上的光源的位置校正慧差。為此目的，物鏡112由一個能夠調節物鏡112角度或傾斜度的機構130支撐。另外，光源102由機構132支撐，以移動它在X-Y平面上的位置。
另一方面，通過沿準直透鏡106的軸向(即Z向)移動透鏡106以調節準直光的準直度來校正象散。為此目的，準直透鏡106由一個能夠沿Z方向移動準直透鏡106的機構134支撐。
或者也可以通過移動X-Y平面中的透鏡106和/或光學元件，如分束器108和反射鏡110的反射角來控制慧差。另外，還可以通過沿物鏡的光軸方向，即Z方向移動光源102和/或物鏡112，或分束器108的位置來控制象散。
此外，可以用圖10所示的反射型光柵平板代替光柵116。在此例中，光柵平板垂直於方向116移動，以改變共有方向。
再有，可以用部分的光碟代替光柵和遮蓋玻璃。
另外，雖然遮蓋玻璃設置在光柵116，但也可以省去它。在本例中，把平板系統設計成物鏡112能把光束適當地聚焦到光束16上。
此外，所述系統可以用於調節任意的光學裝置，如雷射束記錄器(LBR)、雷射機械裝置和光束在物體上形成光點的雷射顯微鏡。(V)第五實施例圖16表示與能夠測定並校正光學裝置，如DVD一起使用的光學頭152慧差和象散的另一系統，通用標號150表示。由支撐機構153牢固支撐的光學頭152包括一個諸如雷射發生裝置的光源154，用於發射諸如雷射束的光156。還設置一個用於準直發射光156的準直透鏡158和一個把準直光156聚焦到透射型光束162上的物鏡160，光柵162由大量平行槽形成，它也可以用透射型光柵平板代替。另外，雖然透明遮蓋玻璃164設置在光柵162的一個表面，但也可以省去它不用。
注意，調節光柵162相對於光學頭152的位置，使得滿足光學頭和光碟在製造中的位置需要。
由驅動機構168使光柵162沿166所指的方向上移動。另外，為了測定象散，還由機構168使光柵162沿170所指的方向繞物鏡160的光軸旋轉。
聚焦到光柵162上的光束156被衍射成±1、±2、...級衍射光。然後使衍射的光束入射到另一個透鏡172中。在本實施例中，0和+1級或0和-1級衍射光入射到透鏡172上，當在其上局部疊合時形成一個共有圖案。之後，共有圖案被圖象接收器174捕獲，接收器具有在電荷耦合器件(CCD)中的小的光接收元件，它們的每一個把接收到的圖象轉換成一系列圖象信號。然後圖象信號被傳遞到信號處理器176，在那兒被處理成擬顯示在顯示器178上的共有圖象的圖象信號。之後，利用顯示的共有圖象通過上述的相移法測定光學頭152的慧差和象散。
可以通過控制物鏡160與光軸之間的夾角和/或移動光源154在垂直於光軸的平面(即X-Y平面)上的位置使慧差得到校正。為此目的，支撐光學頭152的支撐機構153被設計成它可以移動，用以改變物鏡160的角度，並且光源154被另一個能夠沿X和Y方向移動光源位置的機構152支撐。
另一方面，通過沿光軸移動準直透鏡158並因此控制擬入射到物鏡160上的光束的準直來校正象散。(VI)第六實施例圖17表示與能夠測定並校正光學裝置，如DVD一起使用的光學頭152慧差和象散的另一系統，通用標號200表示。由支撐機構202牢固支撐的光學頭201包括一個諸如雷射發射裝置的光源203，用於發射諸如雷射束的光204。光學頭201中還設置一個準直器透鏡205和一個物鏡208，使從光源203發出的光束204透過準直器透鏡205和物鏡208，然後聚焦到反射鏡210上。注意，調節反射鏡210相對於光學頭201的位置，使得滿足光學頭201和光碟在實際製造中的位置需要。另外反射鏡210可用部分光碟代替，並可將其設置成其表面對著帶遮蓋玻璃的物鏡208。
然後，由反射鏡210反射的光束204透過物鏡208和分束器206進入由標號212表示的光柵單元。注意入射到光柵單元212中的光束204被準直。
光柵單元212包括兩個相對的透射型衍射光柵214和216，兩光柵如圖13中平行的樣式放置。因此，準直光束204被第一光柵衍射成±1、±2、...級衍射光。每一束衍射光又被第二光柵衍射成±1、±2、...級衍射光。
另外，第一光柵214被機構220支撐，沿218指示的垂直於進入光柵中的光束的方向上移動。另外，第一和第二光柵214和216被機構220支撐，使得它們能夠繞光軸轉動。
可以用上述帶有三個光柵的透射型光柵平板代替衍射光柵124和216中的每一個。在本例中，光柵平板垂直於光軸移動以改變光柵。
採用光柵214和216，由第一光柵214衍射的-1級衍射光再從第二光柵216衍射得到的+1級衍射光，以及由第一光柵214衍射的+1級衍射光再從第二光柵216衍射得到的-1級衍射光，它們部分疊合，形成一個共有圖案。最好將光柵及其它們的位置確定成從第二光柵216發出的疊合的+1和-1級衍射光彼此平行穿過。
之後，共有圖案被圖象接收器222捕獲，該接收器具有在電荷耦合器件(CCD)中的小的光接收元件，它們中的每一個把接收到的圖象轉換成一系列圖象信號。然後圖象信號被傳遞到信號處理器224，在那兒被處理成擬顯示在顯示器226上的共有圖象的圖象信號。之後，利用顯示的共有圖象，通過上述的相移法測定光學頭201的慧差和象散。
可以通過控制物鏡160與光軸之間的夾角和/或移動光源154在垂直於光軸的平面(即X-Y平面)上的位置使慧差得以校正。為此目的，支撐光學頭201的支撐機構202被設計成它可移動改變物鏡208的角度，並且光源203被另一個能夠沿X和Y方向移動光源203位置的機構228支撐。
另一方面，通過沿光軸移動準直透鏡205，並因此控制入射到物鏡208上的光束的準直使象散得以被校正。為此目的，準直透鏡205由能夠沿光軸移動準直透鏡205的機構230支撐。(VII)第七實施例圖18表示能夠測定並校正與光學裝置，如DVD一起使用的光學頭252慧差和象散的另一系統，通用標號250表示。由支撐機構252牢固支撐的光學頭252包括一個諸如雷射發射裝置的光源256，用於發射諸如雷射束的光258。還在光學頭252中還設置一個準直透鏡260和一個物鏡262，使得從光源256發出的光束258透過準直器透鏡260和物鏡262。
該系統包括另一個透鏡264，通過該透鏡，使從物鏡262透過束的光束被調製成準直光。準直光然後又入射到光柵單元中，其中光柵單元用標號266表示。
光柵單元266包括兩個相對的透射型衍射光柵268和270，兩光柵如圖13中以平行的樣式放置。因此，準直光束258被第一光柵衍射成±1、±2、...級衍射光。每一束衍射光又被第二光束衍射成±1、±2、...級衍射光。
另外，第一光柵268被機構270支撐，沿274指示的垂直於進入光柵之光束的方向上移動。另外，第一和第二光柵268和270被機構272支撐，使得它們能夠繞光軸轉動，如276所示那樣。
可以用上述帶有三個光柵的透射型光柵平板代替衍射光柵268和270中的每一個。在本例中，光柵平板垂直於光軸移動，以改變光柵。
採用光柵268和270，由第一光柵268衍射的-1級衍射光再從第二光柵270衍射得到的+1級衍射光和由第一光柵268衍射的+1級衍射光再的從第二光柵270衍射得到的-1級衍射光部分疊合，形成一個共有圖案。最好將光柵及其它們的位置確定成從第二光柵270發出的疊合的+1和-1級衍射光彼此平行穿過。
之後，共有圖案被圖象接收器278捕獲，該接收器具有在如電荷耦合器件(CCD)中的小的光接收元件，它們中的每一個把接收到的圖象轉換成一系列圖象信號。然後圖象信號被傳遞到信號處理器280，在那兒被處理成擬顯示在顯示器282上的共有圖象的圖象信號。之後，利用顯示的共有圖象，通過上述的相移法測定光學頭252的慧差和象散。
可以通過控制物鏡262與光軸的夾角和/或移動光源256在垂直於光軸的平面(即X-Y平面)上的位置使慧差得以校正。為此目的，光學頭252由能夠改變物鏡262角度的支撐機構282支撐，並且光源256被另一個能夠沿X和Y方向移動光源256位置的機構284支撐。
另一方面，通過沿光軸移動準直透鏡262，並因此控制入射到物鏡262上的光束的準直使象散得以校正。為此目的，準直透鏡260由能夠沿光軸移動準直透鏡260的機構286支撐。
鑑於上述情形，根據本發明的方法和裝置，可以簡單的結構形成共有圖案。另外，可以通過確定共有區域中各點之間光強的相位差來測定慧差和象散，而不用確定原始波前。此外，不需要以較高的放大倍數放大共有圖案，因此目標圖象或共有圖案可以很容易地定位於圖象接收器的範圍之內，這使得系統以很高的精確度確定象差。
權利要求
1.一種測定光學元件象差的方法，包括步驟使光束透過光學元件；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疊，形成第一和第二光束共有的一個圖象；檢測上述共有圖象中第一和第二點處的光強度；改變上述共有圖象中第一和第二點處的光強度；確定第一和第二點之間光強的相位差；利用確定的相位差測定光學元件的象差。
2.一種測定光學元件象差的方法，包括步驟(a)使光束透過光學元件；(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疊，形成第一和第二光束共有的一個圖象；(d)在上述共有圖象中確定多個點，這些點包括第一點，是第一和第二衍射光連結軸的第一條線之中點，第二點，位於在第一點處與第一條線相交的第二條線上，第三點，位於第二條線上，第二和第三點的位置關於第一條線對稱，第四和第五點，位於第二條線上並對稱地處於第一條線的相反側，使第四和第五各點與第一條線相隔一個距離，第六和第七點，位於第一條線的相反側，使得第六和第七各點與第一條線相隔一個距離，(e)檢測上述第一至第五點處的光強；(f)改變上述第一至第五點處的光強；(g)確定上述第一至第七各點處的相位；(h)利用上述第一至第七點處的相位測定光學元件的象差。
3.根據權利要求2所述的方法，其特徵在於上述步驟(h)還包括以下步驟確定第一與第二點之間光強的第一相位差Ph(1)，第二與第三點之間光強的第二象差Ph(2)，第四和第五點之間光強的第三象差Ph(3)，第六和第七點之間光強的第四象差Ph(4)，步驟(h)還包括以下步驟根據這些由下列方程而獲得的相位差確定慧差的大小，相位差＝|Ph(1)|-|Ph(2)|/2根據由下列方程獲得的象差確定慧差的方向相位差＝|Ph(4)|-|Ph(3)|。
4.一種測定光學元件象差的方法，包括步驟使衍射光柵指向三個方向；對於三個方向中的每一個方向實行下列步驟(a)使光透過光學元件，(b)把上述光束導入衍射光柵，取得第一和第二衍射光，(c)使第一和第二衍射光彼此疊加形成第一和第二光束共有圖象，(d)確定共有圖象中第一和第二點處的光強，所述第一和第二點位於穿過連結第一和第二衍射光束中點的另一條線中點的線上，並關於所述另一條線對稱，(e)改變共有圖象中第一和第二點處的光強，(f)確定第一和第二點之間光強的相位差，利用沿所述三個方向獲得的相位差測定光學元件的象散。
5.根據權利要求4所述的方法，還包括沿所述三個方向的兩個方向確定象散的大小。
6.一種測定光學元件中象差的裝置，包括一個反射型衍射光柵，該光柵由多個平行槽形成，使得從光學元件出來的光被衍射成衍射光，衍射光包括部分地疊加的第一和第二光，形成共有圖象，一個用於沿基本上垂直於光軸方向移動衍射光柵的機構，一個接收共有圖象的圖象接收器，和一個確定共有圖象中多個點中每一點處光強的相位的處理器。
7.一種測定光學元件中象差的裝置，包括一個透射型衍射光柵，該光柵由多個平行槽形成，使得從光學元件出來的光被衍射成衍射光，衍射光包括部分地疊加的第一和第二光，形成共有圖象，一個用於沿基本上垂直於光軸方向移動衍射光柵的機構，一個接收共有圖象的圖象接收器，和一個確定共有圖象中多個點中每一點處光強的相位的處理器。
8.根據權利要求6所述的裝置，其特徵在於還包括一個使所述衍射光柵繞上述光的軸轉動的機構。
9.根據權利要求7所述的裝置，其特徵在於還包括一個使所述衍射光柵繞上述光的軸轉動的機構。
10.根據權利要求6所述的裝置，其特徵在於上述衍射光柵中的刻槽包括多組狹長柵槽，每組柵槽指向不同於另一組柵槽方向的特定方向。
11.根據權利要求7所述的裝置，其特徵在於上述衍射光柵中的刻槽包括多組狹長柵槽，每組柵槽指向不同於另一組柵槽方向的特定方向。
12.一種測定光學元件中象差的裝置，包括一對第一和第二透射型衍射光柵，所述第一和第二光柵中的每一個由平行柵槽形成，光柵把光束衍射成非零級衍射光的衍射光，使所述第一和第二衍射光柵定位成彼此與指向一個方向的柵槽平行，形成一個共有圖象，在該圖象中兩衍射圖象部分重疊；一個沿另一方向移動所述第一衍射光柵的機構，所述另一方向與所述一個方向成一特定的角；一個接收共有圖象的圖象接收器；和一個確定共有圖象中多個點中的每一點處光強的相位的處理器。
13.一種測定光學元件中象差的裝置，包括一個反射型衍射光柵，該光柵由多個平行槽形成，使得從光學元件出來的光被衍射成衍射光，衍射光包括部分地疊加的第一和第二光，形成共有圖象，一個用於沿基本垂直於所述光的軸線方向移動衍射光柵的機構，一個接收共有圖象的圖象接收器，一個確定所述共有圖象中多個點中每一點處光強的相位，然後再測定光學元件象差的處理器；一個校正所述光學元件象差的機構。
14.一種測定光學元件中象差的裝置，包括一個透射型衍射光柵，該光柵由多個平行柵槽形成，使得從光學元件出來的光被衍射成衍射光，衍射光包括部分地疊加的第一和第二光束，形成共有圖象，一個用於沿基本垂直於所述光的軸的方向移動衍射光柵的機構，一個接收所述共有圖象的圖象接收器，和一個確定共有圖象中多個點中每一點處光強的相位，然後再測定光學元件象差的處理器。一個校正所述光學元件象差的機構。
全文摘要
一種測定與諸如DVD的光學系統一起使用的光學元件如光學頭象差的方法。在此方法中,光束透過光學元件並衍射成如0,±1,±2級衍射光。其中,第一和第二光束(如0和+1,0和－1,+1和－1,或0或±1級衍射光)疊加形成第一和第二光束共有的一個圖象。然後測得在共有圖象中第一和第二點處的光強度。此時,使第一和第二點處的光強變化。之後測得第一和第二點之間光強的相位差。利用相位差判定光學元件的象差。
文檔編號G01M11/02GK1244657SQ99111149
公開日2000年2月16日 申請日期1999年7月27日 優先權日1998年7月27日
發明者高田和政, 中城正裕, 西井完治 申請人:松下電器產業株式會社