专利名称：采用全息图调准光学系统的方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光学系统调准方法及其装置，更为具体地说，涉及一种采用计算机制作全息图(CGH)的简易的光学系统调准方法，以及各种调准元件。
背景技术：
一般，光学系统的调准是通过调准构成光学系统的各光学元件和以机械方式调节各光学元件的位置以致光学系统具有在规定允差之内的成像质量而实现的。换句话说，通常的光学系统调准技术不直接测定光学系统的误差，而是测定显示成像质量的光强度，以便当成像质量偏离一允差限度时重新调准各光学元件。
在通常的光学系统调准方法中，需要一另外的单元以测定成像质量，而光学系统通过测定成像质量并间接地计算光学系统的调准误差而予以重新调准。因而，难以精确地计算调准误差，而且当重新调准光学系统时可能出现误差。
一直未曾提出过在一种用于调准光学系统的一般装置和方法中采用CGH的技术。这里，CGH是计算机制作全息图，是通过根据物方的波幅分布来计算全息图的复杂波幅分布而获得的。
在通常的技术中，各光学元件是通过机械操作来调准的，这导致各光学元件的不充分调准，并因而必须配备一另外的调准单元。因而，装置的结构变复杂了，而制作成本增大。
发明内容
为了解决上述各项难题，本发明的目的是提供一种通过消除以机械方式操作构成光学系统的各光学元件而出现的误差以实时方式和以精确方式精细调准光学系统的方法，以及各种调准元件。
因此，为了达到上述目的，提供一种光学系统调准方法。一光学元件和一全息元件安装在一镜筒之中。光学元件的调准误差根据由参考光束和测试光束形成在一成像表面上的干涉图样予以测定。光学元件被调准以消除调准误差。
这里，全息元件是一计算机制作全息元件。全息元件是按照光学系统的允差制作的，以致测试光束行进在与一入射光程相同的光程上。
可优选的是，镜筒还包括用于安装计算机制作全息元件的一单元。
这里，可优选的是，光学元件安装在计算机制作全息元件的前面，而经由光学元件传送的测试光束在计算机制作全息元件上反射，并行进在相同的光程上。
可优选的是，光学元件安装在计算机制作全息元件的后面，而经由计算机制作全息元件传送的测试光束在光学元件的一入射表面上垂直地反射，并行进在相同的光程上。
光学元件的调准误差根据相对于衡消干涉花样的干涉图样误差予以测定。
为了达到上述目的，提供一种光学系统，包括至少一个或多个光学元件，带有一全息图用于在相同光程上衍射测试光束。
这里，可优选的是，全息图是一计算机制作全息图。
为了达到上述目的，提供了一种调准光学系统的方法。带有全息图的光学元件在镜筒中调准，以使测试光束行进在与入射光程相同的光程上。光学元件的调准误差根据由参考光束和测试光束形成的干涉图样予以测定。调准光学元件以消除调准误差。
这里，全息图是一计算机制作全息图。
光学元件的调准误差根据相对于衡消干涉花样的干涉图样误差予以测定。
为了达到上述目的，提供一种镜筒测试方法，一全息元件安置在镜筒的一预定位置上，而一预定透镜安装在一光学元件的一指定位置上。镜筒的制作状况由参考光束和测试光束形成的干涉图样予以测定。
全息元件是按照一光学元件的允差制作的，以致测试光束行进在与一入射光程相同的光程上。
这里，全息元件是一计算机制作全息元件。
可优选的是，镜筒还包括一用于安装全息元件的单元。
可优选的是，预定透镜是一用于测定镜筒制作状况的球面透镜。
这里，可优选的是，在预定透镜安装在计算机制作全息元件的前面以后，经由预定透镜传送的测试光束沿着相同的光程反射。
可优选的是，在预定透镜安装在计算机制作全息元件的后面以后，经由计算机全息元件传送的测试光束，在预定透镜的一入射表面上垂直地反射，并行进在相同的光程上。
镜筒的制作状况根据相对于衡消干涉花样的干涉图样误差予以测定。
一种光学系统包括至少一个或多个光学元件，带有安置在一镜筒的一预定位置上的全息元件，以致测试光束行进在与一入射光程相同的光程上。
这里，全息元件是一计算机制作全息元件。
为了达到上述目的，提供一种光学系统，包括至少一个光学元件，带有一用于安置一全息元件在一镜筒的一预定位置上的单元。
这里，全息元件可测定镜筒的制作状况，或可调准光学元件。
可优选的是，全息元件是一计算机制作全息元件。
这里，衡消干涉花样指的是一种其中不产生干涉图样的状态。
本发明提供一种采用计算机制作全息图以实时方式和以精确方式调准光学系统的方法和一种测定镜筒制作状况的方法。另外，本发明提供一种光学元件，通过直接记录一全息图在光学元件上而被直接调准和被同时使用，以及一种光学系统调准方法。
光学系统的调准误差包括散焦误差、偏心误差、倾斜误差，以及俯仰误差。这里，在作为聚焦或散焦该系统时，光线被弯向光轴的量多于或少于正确数量的时候，出现散焦误差。在光学元件的中心未调准于系统光轴的时候，出现偏心误差。在光学元件在X轴上倾斜的时候，出现倾斜误差。在光学元件在Y轴上倾斜时，出现俯仰误差。
光学系统的调准表示了构成光学系统的各种光学元件的配置不带有这些误差。
附图的简要说明本发明的上述目的和一些优点，通过参照各附图详细地说明其各优选实施例，将变得更加明显，各附图中
图1是采用符合本发明第一实施例的光学系统调准方法的一种光学投射系统的示意图；图2是采用符合本发明第二实施例的光学系统调准方法的一种光学投射系统的另一示意图；图3是用在符合本发明实施例的光学系统调准方法中的一种干涉仪的示意图；图4和图5是图示符合本发明实施例的一种镜筒测试方法的示意图；图6是图示符合本发明第一实施例的光学系统和光学系统调准方法的示意图；图7是图示符合本发明第二实施例的光学系统和光学系统调准方法的另一示意图；以及图8至图10是图示在符合本发明实施例的光学系统调准方法中测得的误差的视图。
此后，将参照各附图详细说明符合本发明的一种光学系统调准方法、一些接受调准的元件和一种镜筒测试方法的各项实施例。在各图中，同样的参照编号指明同样的构件。
具体实施例方式
图1是采用符合本发明一项实施例的光学系统调准方法的一种光学投射系统的示意图，此系统具有一全息元件，亦即一计算机制作全息图(CGH)元件。图3表明一菲佐干涉仪(Fizeau interferometer)。
参看图1和3，在符合本发明的一种光学系统调准方法和一种镜筒测试方法的光学系统的实施例中，一菲佐干涉仪31形成出自一光源41的参考光束1和测试光束3。一光学投射系统35具有一些光学元件，经由菲佐干涉仪31传送的测试光束3射在它们上面。
另一类型的干涉仪可以用作干涉仪31。另外，在本发明的实施例中，说明了光学投射系统的一种调准方法，但这一方法也可用于另外类型光学系统的调准。
菲佐干涉仪31，位于光学投射系统前面，可生成为调准光学系统和测试镜筒所必需的测试光束3和参考光束1。
自菲佐干涉仪31发出的测试光束3射在位于菲佐干涉仪31后面的光学投射系统35上。在此，作为光学系统各部件的各光学元件是一些透镜或镜面，而不是CGH。
参照图3，菲佐干涉仪31包括一光源41、一聚光透镜42、一滤光镜43、一光束分光镜和一准直透镜47。聚光透镜42聚焦自光源41生成的光束。滤光镜43只传送各特定波长的一些入射光束。光束分光镜把入射光束的一条光程分解为两条光程，以致参考光束1朝向一成像表面49行进，而测试光束3朝和光学投射系统35行进。准直透镜47可使测试光束3准直。
光源41生成激光光束，一些是测试光束3和一些是参考光束。
聚光透镜42可聚焦生成在光源41中的激光光束并传送它们到光束分光镜45。滤光镜43配备在聚光透镜42与光束分光镜45之间的光程上，只传送一些具有在一预定频率范围之内的最佳光强度的入射光束。
光束分光镜45把入射光束的参考光束1的光程改变90°角，以致参考光束1朝向成像表面49行进；并使测试光束3朝向光学投射系统35传送。
准直透镜47使经由光束分光镜45传送的测试光线3准直。另外，一发散透镜(未表示出)还配备在准直透镜47的前面以使经由准直透镜47传送的测试光束3成为会聚光束。
测试光束3经由菲佐干涉仪31传送到光学投射系统35，在光学投射系统35的一光学元件32或一CGH元件33上被反射，以及再次射到菲佐干涉仪31上。光束分光镜45把再次射到菲佐干涉仪31上的测试光束3的光程改变90°角，以致测试光束3朝向成像表面49行进与成像表面49上的参考光束1一起形成干涉图样。
参看图2，在采用符合本发明的光学系统、光学系统调准方法和镜筒测试方法的光学投射系统中，会聚光束和非准直光束可以用作经由菲佐干涉仪31传送的测试光束。会聚光束可以通过在菲佐干涉仪31准直透镜47的前面配备一光学透镜予以形成，如上述。光学系统的结构和功能与实施例中参照图1所述是一样的。
图4和图5是表明一种镜筒测试方法的示意图，此方法用以测定在其中安装光学元件的镜筒的制作状况。参看图4和图5，在符合本发明实施例的镜筒测试方法中，一全息元件，亦即一CGH元件33，制作得可反射同一光程上的测试光束。CGH元件33安置在一镜筒35的一预定位置上，预定的透镜32和34安装在一光学元件的指定位置上，而镜筒34的制作状况根据由参考光束1和发自CGH元件33或预定透镜32和34的测试光束3所形成的干涉图样予以测定。这里，CGH元件33是考虑成像质量的允差限度而制作的。
如图6和图7之中所示，预定透镜32制作成与将要安装在镜筒35之中的一光学元件边缘的直径和厚度具有一样的大小，并设计得具有一最佳曲率半径，以致光束经过计算机模拟而射到CGH元件33的一个精确的预定位置上。预定透镜32是考虑每一光学元件而制作的，并安装在各光学元件安置所在的指定的位置上以测定镜筒35的制作状况。
CGH元件33制作得以便反射从预定透镜32传送的测试光束3，以致如果预定透镜32位于CGH元件的前面，测试光束3相对于该光程反向行进。
如果预定透镜34位于CGH元件33的后面，CGH元件33制作得以致测试光束3被传送到CGH33，在一镜面36上反射，垂直地射到预定透镜34的一入射表面上并在上面反射，相对于该光程反向行进；以及经由CGH元件33被传送到干涉仪31。
CGH元件33，取决于经由预定透镜32传送的测试光束3的光程，可以是环形的或扇形的。
可优选的是，镜筒35还包括一另外的单元，以便安装CGH元件33。
参看图4，预定透镜32专门制作得可测定镜筒35的制作状况。另外，预定透镜32安置在将要位于一全息元件亦即CGH元件33的前面的每一光学元件的指定位置上，以便把在CGH元件33上反射的测试光束3重新传送到菲佐干涉仪31。
参看图5，预定透镜34安置在CGH元件33之后每一光学元件的指定位置上。经由CGH元件传送的测试光束3垂直地射在预定透镜34的一入射表面上并在上面反射，按照反射规律，改变其光程为反向，并因而传送到菲佐干涉仪31。
一如上述，经由光学投射系统35已经射到菲佐干涉仪31上的测试光束3与成像表面49上的参考光束1再次形成干涉图样。如果这些干涉图样是衡消干涉花样，这就意味着，镜筒35被模制到设计参数。如果不是，这就意味着，镜筒34未模制到设计参数。
镜筒35的制作误差可以根据干涉图样的形成予以校正。
图6是图示符合本发明一项实施例的，其中另外安装一全息元件(即一CGH元件)的一种光学系统和一种光学系统调准方法的示意图。参看图6，符合本发明实施例的光学系统包括至少一个光学元件32a，测试光束3从一干涉仪31射到它上面；以及一镜筒35，具有一全息元件。这里，全息元件是一CGH元件33。为安装CGH元件，可优选的是在镜筒35内配备一另外的单元。
参看图6，在光学系统调准方法中，一全息元件，亦即一CGH元件33，制作得以便沿着同一光程反射测试光束。光学元件32a和34a安装在镜筒35之中，而光学元件32a和34a的调准误差根据由参考光束1和经由CGH元件33或光学元件32a和34a传送的测试光束3所形成的干涉图样予以测定。最后，光学元件32a和34a被调准以消除调准误差。CGH元件33是考虑成像质量的允差限度而制作的。
用在符合本发明实施例的光学系统调准方法之中的CGH元件33是用与镜筒测试方法之中的CGH元件相同的方法制作而成的。换句话说，CGH元件33制作得以致它被录在一位置上，在那里，经由光学元件32a和34a传送的测试光束到达该位置，经由位于CGH元件33前面的光学元件32a传送的光束沿着同一光程被反射，以及经由位于CGH元件33后面的光学元件34a沿着同一光程被反射。
光学系统的调准误差可以在元件32a和34a二者都配置在镜筒35以后或在元件32a和34a分别安装以后予以测定。
如同在镜筒测试方法之中那样，在其中另外安装CGH元件33的光学系统调准方法之中，光学系统的调准误差可以根据相对于由以干涉仪31生成的参考光束1和从光学系统返回的测试光束3形成的衡消干涉花样这一基准图样的误差来予以测定。
图7是一示意图，表明符合本发明实施例的采用CGH记录在各光学元件的一种光学系统，以及一种光学系统调准方法。参看图7，光学元件32b和34b，其上记录有一全息图，用作CGH元件。这里，可优选的是，全息图是一CGH。
通过计算机模拟设计成的CGH记录在光学元件32b和34b上，以致测试光束3射在光学元件32b和34b上面并在与入射光程相同的光程上被反射。可优选的是，CGH记录在各光学元件的边缘周围，以便不降低经由各光学元件传送光束形成的图像质量。
图7是符合本发明实施例的光学系统和调准光学系统方法的示意图，该光学系统利用光学元件并在该光学元件上记录CGH。参看图7，一全息图记录在作为CGH元件的光学元件32b和34b上，这里，可优选的是全息摄影是CGH。
通过计算机模拟设计的CGH记录在光学元件32b和34b上，以致测试光束3入射在光学元件32b和34b上，并且作为入射光程在相同光程上反射。可优选的是CGH被记录在光学元件的周围边缘上，以便不降低经由光学元件传递光束所形成的图像质量。
参看图7，在符合本发明实施例的调准光学系统的方法中，一全息图形成在光学元件32b和34b上以致测试光束3行进在与入射光程相同的光程上。光学元件32b和34b配置在镜筒35之中，而光学元件32b和34b的调准误差根据由参考光束1和经由光学元件32b和34b传递的测试光束3形成在成像表面49上的干涉图样予以测定。最后，光学元件32b和34b被调准以消除调准误差。这里，可优选的是，全息图是CGH。
测试光束3在光学元件32b和34b形成的CGH上反射，改变其光程，即与入射光程是相同的光程，成为反向的，并与示于图3之中的干涉仪31的参考光束1相干涉而在成像表面49上形成干涉图样。
如上述，如果测试光束3和参考光束1在其中另外安装一CGH的光学系统调准方法中或在镜筒测试方法中形成一衡消干涉花样，则意味着，光学系统是正确调准的，不过，如果形成另一类型的干涉图样，则意味着，在光学系统内出现调准误差。
镜筒的制作误差和光学系统的调准误差显示光学系统的散焦、倾斜、俯仰或偏心误差。图8至10表明由于这些误差而形成在成像表面上的干涉图样。这里，误差可以用方程1计算出来，此方程可用于所有上述的误差。
ΔE＝λ/2×(干涉图样的条数)…(1)参看图8，可以看出，干涉图样的条数随误差增大而增加。-型误差表示各光学元件接近干涉仪的X轴方向，而+型误差表示相反。
如果不出现光学系统调准误差或镜筒测试误差，则形成示于图8(c)之中的一种衡消干涉花样(null interference pattern)g0。衡消干涉花样g0的圆圈形状显示成像表面的形状，这意味着不形成干涉图样。
如果光学系统调准误差或镜筒测试误差在+误差方向上，则产生图8(d)和(e)中的干涉图样g+1和g+2。无论何时误差出现，干涉图样增加一条或两条，干涉图样的圆圈愈变愈大并以波方式外向扩散。
如果产生如同图8(d)中g+1那样的两条干涉图样，误差ΔE如方程1之中那样予以确定，其中λ是光束的波长。同样，如果干涉图样产生在-误差方向上，则如图8(a)之中所示，干涉图样的条数g-2是3。因而，干涉图样的条数代入方程1时，误差ΔE是1.5λ。在-误差方向上产生的干涉图样的形状是通过互换在+误差方向上产生的干涉图样的黑白两色而完成的。
图9和10表明在光学系统调准方法或镜筒测试方法中出现偏心误差时产生的干涉图样。参看图9，如果光学元件的光轴在Z轴上向上移动，如图9(c)之中所示，则在+误差方向上产生一干涉图样g+1。如果光学元件的光轴在Z轴上向下移动，如图9(a)之中所示，则在-误差方向上产生一干涉图样g-2。
参看图10，如果光学元件光轴中心在正方向上沿着Y轴移动，如图10(c)之中所示，则在+误差方向上产生一干涉图样g+1。如果光学元件光轴中心在-方向上移动，如图10(a)之中所示，则在-误差方向上产生一干涉图样g-2。
如果翻转(或随动，panning)或倾斜误差在光学系统调准方法或镜筒测试方法中出现，则产生示于图9之中的干涉图样。
如上述误差可以按照干涉图样的条数根据方程1计算出来。
在符合本发明实施例的光学系统调准方法或镜筒测试方法中，镜筒的制作状况或光学系统的调准误差可以采用一CGH以实时方式和以精确方式予以测定。
具体地说，在符合本发明的光学系统和光学系统调准方法之中，CGH元件不是另外安装的，而是CGH直接记录在光学元件上以简化光学系统的结构。另外，由于这样调准的光学系统可以出售，所以只能通过安装CGH来防止出现误差。
虽然本发明已经参照一优选实施例作了具体说明，但是本技术领域中的熟练人员将会理解，可以作出形式和细节方面的多种变更而不偏离一如所附各项权利要求所确定的本发明的精神和范围。
一如上述，光学系统调准方法或镜筒测试方法可以以实时方式容易和精确地测定一切种类光学系统之中光学系统的调准误差和镜筒的制作误差。
另外，经过调准的光学元件和光学系统的调准方法使得可能以实时方式和以精确方式测定一切种类光学系统之中的调准误差。另外，由于CGH并不必需一另外的单元，光学系统的结构简单而误差可以显著降低。
权利要求
1.一种光学系统调准方法，包括在一镜筒中安装一光学元件和一全息元件；根据由参考光束和测试光束在一成像表面上形成的干涉图样测定光学元件的调准误差；以及调准光学元件以消除调准误差。
2.按照权利要求1所述的方法，其中全息元件是一计算机制作全息元件。
3.按照权利要求1所述的方法，其中全息元件是按照光学系统的允差制作的，以致测试光束行进在与一入射光程相同的光程上。
4.按照权利要求1所述的方法，其中镜筒还包括一用于安装计算机制作全息元件的单元。
5.按照权利要求1所述的方法，其中光学元件安装在计算机制作全息元件的前面，而经由光学元件传送的测试光束在计算机制作全息元件上被反射并行进在相同的光程上。
6.按照权利要求1所述的方法，其中光学元件安装在计算机制作全息元件以后，而经由计算机制作全息元件传送的测试光束在光学元件的一入射表面上被垂直地反射并行进在相同的光程上。
7.按照权利要求1所述的方法，其中光学元件的调准误差根据相对于衡消干涉花样的干涉图样误差予以测定。
8.一种光学系统，包括带有一全息图的至少一个或多个光学元件，用于在相同光程上衍射测试光束。
9.按照权利要求8所述的光学系统，其中全息图是一计算机制作全息图。
10.一种光学系统调准方法，包括调准在镜筒中的带有一全息图的一光学元件，以致测试光束行进在与一入射光程相同的光程上；根据由参考光束和测试光束形成的干涉图样测定光学元件的调准误差；以及调准光学元件以消除调准误差。
11.按照权利要求10所述的方法，其中全息图是一计算机制作全息图。
12.按照权利要求10所述的方法，其中光学元件的调准误差是根据相对于衡消干涉花样的干涉图样误差予以测定的。
13.一种镜筒测试方法，包括安置一全息元件在镜筒的一预定位置上并安装一预定透镜在一光学元件的一指定位置上；以及根据由参考光束和测试光束形成的干涉图样测定镜筒的制作状况。
14.按照权利要求13所述的方法，其中全息元件是按照一光学元件的允差制作的，以致测试光束行进在与一入射光程相同的光程上。
15.按照权利要求13所述的方法，其中全息元件是一计算机制作全息元件。
16.按照权利要求15所述的方法，其中镜筒还包括一用于安装计算机制作全息元件的单元。
17.按照权利要求15所述的方法，其中预定透镜是一用于测定镜筒制作状况的球面透镜。
18.按照权利要求15所述的方法，其中在预定透镜安装在计算机制作全息元件的前面以后，经由预定透镜传送的测试光束沿着相同的光程反射。
19.按照权利要求15所述的方法，其中在预定透镜安装在计算机制作全息元件的后面以后，经由计算机制作全息元件传送的测试光束在预定透镜的一入射表面上被垂直地反射并行进在相同的光程上。
20.按照权利要求15所述的方法，其中镜筒制作状况是根据相对于衡消干涉花样的干涉图样误差测定的。
21.一种光学系统，包括带有一全息元件的至少一个或多个光学元件，安置在一镜筒的一预定位置上，以致测试光束行进在与一入射光程相同的光程上。
22.按照权利要求21所述的光学系统，其中全息元件是一计算机制作全息元件。
23.一种光学系统，包括至少一个光学元件，带有一用于安置一全息元件在一镜筒预定位置上的单元。
24.按照权利要求23所述的光学系统，其中全息元件可测定镜筒的制作状况。
25.按照权利要求23所述的光学系统，其中全息元件可调准光学元件。
26.按照权利要求23所述的光学系统，其中全息元件是一计算机制作全息元件。
全文摘要
提供一种光学系统调准方法和各种调准元件。在此方法中，一全息元件制作得以致测试光束行进在与一入射光程相同的光程上。一光学元件和一全息元件安装在一镜筒之中。光学元件的调准误差是根据由参考光束和测试光束在一成像表面上形成的干涉图样测定的。光学元件被调准以消除调准误差。因而，光学系统的调准误差可以以实时方式和以精确方式予以测定。
文档编号G02B21/00GK1410799SQ0214319
公开日2003年4月16日 申请日期2002年9月16日 优先权日2001年10月6日
发明者金兑熙 申请人:三星电子株式会社