在光学傅里叶变换、光学信息处理系统中，经常需要精确确定光学系统(傅里叶变换物镜)的物方焦平面，从而使待处理的物体准确地定位于输入平面上;在用傅里叶频谱法测量光学系统单色光焦距时，也需要将标准尺寸的狭缝类物体置于被测光学系统的前焦平面上[1 2]。通常利用宽光束的准直性，由剪切干涉来定位物方焦点[3] 。但在实际工作中，一般要先用细激光束来调共轴。本文在调整共轴时，利用全息光栅的衍射直接定位光学系统物方焦平面位置，其实质是光学系统可将位于其物方焦平面上的全息光栅的三束细衍射光束变换成相互平行的细光束。
1.全息光栅的衍射
全息光栅是由两束平面光波相干涉而成的全息图，近年来，我们研究了它在光学测量中的应用闭。全息光栅看作是一个多光束发生器，当一束光照射它时，光的衍射方向遵守光栅方程
其中，拌为照明光波长与记录光波长之比为记录光束间的角度;为照明光束的入射角;氏为衍射光束的衍射角;k为衍射级次，当为线性记录的全息光栅时，k=0，士1。由(l)式可知，若入射照明光束不垂直于全息光栅，则正负一级光的衍射角不相等;当照明光垂直入射时=0，则正负级的衍射是对称的。而零级衍射光沿入射光方向不变，这束光可用来调整后继光学系统的共轴。
2.物方焦面位置的确定
光的衍射发生在全息光栅的乳胶层内，一般来说，乳胶层的厚度仅为微米级，因此，可以认为衍射发生在一个平面内。在图1中，若用细激光束直接照射，那么，三束衍射光可认为是三条“光线”，这三条光线相当于从衍射点发出的球面波的抽样光线，或者说，这三条光线的“始点’，相当于一个“点光源”。如果该点光源正好位于光学系统L的物方焦点F上，则从此光学系统出射后，这三条“光线”互相平行。假定入射的细激光束与光学系统的光轴共轴，且垂直于全息光栅，则三束光不仅相互平行，且正负一级光对称于零级光(即光轴)。
当全息光栅不在焦点上时，只要在透镜后两个不同位置上分别测量正负一级光束间的距离，即可判断光束的会聚发散情况。若为会聚，说明全息光栅位于焦外，应向透镜方向移动全息光栅;若为发散，说明在焦内，应将全息光栅向远离透镜的方向移动，直至三束光平行为止。这时全息光栅的衍射平面即为光学系统的物方焦面。
为了保证全息光栅平面与焦平面重合，实验时应先调整细激光束，使其成为整个系统的基准轴，以后不再调整;然后再放入光学系统，使其光轴与基准轴重合，最后再放入全息光栅进行调整，使零级衍射光与基准轴重合。
3.讨论
由傅里叶光学理论可知，当用平行光照明时，若物体准确位于光学系统物方焦面，在像方焦面上才能得到其准确的傅里叶变换;若物体有离焦，则其傅里叶变换有一个附加的位相弯曲。一般情况下，照明光束不可能是绝对的平行光，这时若物体有离焦，则不仅产生位相弯曲，而且傅里叶变换的尺度也有变化，谱面上的分布为[5〕
其中C为常数;为照明光波长，f为焦距，z 1为物体距物镜的距离，z 2是谱面离物镜的距离;q为位相弯曲因子，p为傅里叶变换尺度因子。可见，精确定位物方焦面具有重要意义，如果物体的确位于物方焦平面上，z 1=f，则既无位相弯曲，比例尺度也无变化，谱面位于照明光束点光源的共扼平面上。
本文介绍的方法，其精度取决于光束的定位精度。根据需要，可采用目视定位或光电探测器(如PSD)定位，而间距的测量可利用实验室的测长装置，如测微工作台等。所需的全息光栅一般实验室均可自制，而且对平行光束的准直性要求不高(由于“点光源”位于全息光栅上，物距为零，全息光栅的光焦度几乎不影响球面波的曲率)。这种方法的优点是所用光学元件少，可同时完成光学系统的共轴与定焦工作，操作简便，不仅可用于光学信息处理系统中，也可用于普通光学实验中确定物方焦点位置。此方法还可以测量焦距和球差，我们将另文报道。
