Способ контроля качества изображения оптической системы
Изобретение относится к оптическo fy приборостроению и позволяет повысить качество контроля двухкомпонентной репродукционной системы. Параллельный пучок света когерентного источника 1 освещает тест-объект 3, расположенный в передней фокальной плоскости компонента 4. При трех различных значениях пространственной частоты модуляции на оптической оси и при одном из них вне ее измеряют максимальные и минимальные значения освещенности. Приведены соотношения, из которых определяют коэф. осесимметричиых волновых аберраций. 2 ил.
СОЮЗ СОВЕТСНИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСНИ Х
РЕСПУБЛИН
G 01 М 11/02
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР
ПО.ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ;",-.,К А BTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4158971/24-10 (22) 12.12 ° 86 (46) 07,10.88. Бюп. К 37 (72) О.В.Рожков, И.В.Петрушко, Л.Н.Тимашова и А.Н.Щербаков (53) 535.824 (088.8) (56) Афанасьев В.А. Оптические измерения, — М.: Высшая школа, 1981, с. 171, 187-193; 217-222.
0ptica Acta, 1981, v. 28, Р 10, р. 1313-1320. (54) СПОСОБ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ИЗОБРАЖЕНИЯ ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ (57) Изобретение относится к оптичес„„SU„„1428972 А 1 кому приборостроению и позволяет повысить качество контроля двухкомпонентной репродукционной системы. Параллельный пучок света когерентного источника I освещает тест-объект 3, расположенный в передней фокальной плоскости компонента 4. При трех раз-, личных значениях пространственной частоты модуляции на оптической оси и при одном из них вне ее измеряют максимальные и минимальные значения освещенности. Приведены соотношения, из которых определяют коэф. осесимметричных волновых аберраций. 2 ил.! 428972 щеггности измеряют при трех различных значениях частоты модуляции па оптической оси и при ОднОм нз них вне пее и определя DT коэффициенты осесим\ метричных волновых аберраций из соотношений т2 д
C>„X„„+ С„„Х„
Сух, С. Х1
2 4
С ех, + С,л.х, 2 4
С е X + СарХ аг-с соэ ш4, л = -iln = arc cos + С„,Х„г 2 . 45" где Сг р, Сс,р, Скр — коэффициенты волковых аберраций — Де фокусировки сферической аберрации и кривизны поля иэображения соответственно; ш„, m, m> — КПМ на оптической оси при трех зкаче55 ниях частоты модуляции у соответственно; Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано при контроле оптических систем, в частности двухкомпонентной репродукционной системы. Цель изобретения — повышение качества контроля двухкомпоненткой репродукционной системы эа счет увеличения объема информации о контроли- !р руемой оптической системе путем измерения коэффициентов осесимметричных волновых аберраций — дефокусировки, сферической аберрации и кривизны поля изображения. !5 Поставленная цель достигается тем, что согласно способу контроля двухкомпонентной репродукционной оптической системы, включающему освещение контролируемой оптической системы 2Q (KOC),ìîäóëëö!ïî освецаюцего излучения по гармоническому закону на различных частотах в предметной плоскости КОС, регистрацию распределения освещенности в плоскости изображения, 25 измерение максимальных и минимальных значений освещенности на оптической оси системы и вне нее„ по которым определяют коэффициенты передачи модуляции (КШ1), освещение КОС осуществ- 30 пяют когерентпым излучением, максимальные и минимальные значения освеm4 — 1!1!! На расстоянии от.оптической оси при 4, п-0, 1, 2, 3, целое положительное число; Его,! Л фокусное. расстояние первого компонента репродукционной системы; длина волны освещающего излучения, по величинам котоХг х х л рых оценивают качество КОС. Па фиг.1 представлена принципиальная оптическая схема устройства, реализующего предлагаемый способ; на фиг.2 — функции передачи модуляции (Ф!П1) когеректной ренродукциокной системы при дефокусировке и кривизне поля изображения (сплошная ликйя) и сферической аберрации (пунктир). Устройство, реализующее предлагаемый способ (фиг.!), включает когерентный источник 1 света, осветительную систему 2, тест-объект 3 в виде гармонических амплитудных решеток с тремя различными пространственными частотами ка оптической оси и одной из них вне оптической оси, I ОС— двухкомпонентную репродукционную систему (компоненты 4 и 5), плоскость 6 регистрации. Устройство работает следующим образом. Источник 1 света совместно с осветительной системой 2 формирует когерентный освещающий параллельный пучок требуемого светового .диаметра и освещает тест-объект 3, который расположен в передней фокальной плоскости первого компонента 4 КОС (в плоскости предмета КОС) и модулирует освещающее когерентное излучение, В задней фокальной плоскости компонента 4 формируется Фурье-спектр тест-объекта. Задняя фокальная плоскость первого компонента 4 совмещена с передней фокальной плоскостью второго компонента 5 КОС и являе-.ся плоскостью зрачка КОС. Аберрации КОС искажают Фурье-спектр тест-объекта я в задней фокальной плоскости — плоскости 6 регистрации второго компонен20 U ())ч» y) = В(ч») ехр()!»ч»(Х»2)} ° (4) Распределение поля в плоскости иэображения описывается преобразованием Фурье от распределения поля в частотной плоскости и имеет вид 14289 та 5 — формируется искаженное иэображение. Для пояснения сущности предлагаемого способа рассмотрим процесс фор5 мирования изображения тест-объекта в виде гармонической амплитудной решетки с постоянной составляющей А2, максимальной амплитудой В и простран- . ственной частотой о. tp(J) A «+ В сов (2% р 1). (!) Распределение поля в плоскости Фурье-спектра тест-объекта описываетсЯ пРеобРазованием ФУРье от йр ()) 15 и имеет вид 1(® "" () г (V.) + 8(V + V )) (2) 2 где „= Х//if — пространственная частота Фурье-спектра; fI — фокусное расстояние 8первого компонента; 25 — дельта;-функцйя Ди/ рака; — длина волны освещающего излучения. Аберрационная функция зрачка репродукционной системы в направМ.нии, перпендикулярном штрихам решетки,при осесимметричных аберрациях описывается (в приближении теории аберраций третьего порядка).функцией P(X; !) - exp ()МР(Х! »)}exp (jk(CgeX + CceX + С»«Х $1},(3) где(1)(Х; j ) — суммарная волновая аберрация репродукцион- 40 ной системы; С р,С,С(2- коэффициенты элементарных волновых аберраций — дефокусировки, сферической аберрации, 45 кривизны поля соответственно; 2(1 k = —.-- — волнов ое число ° С учетом волновой аберрации репро20 ! дукционной системы поле в частотной плоскости Х описывается произведением U(j; Х) = ) (A Я() + —;-" « (Я(я» — р} ) ° дч(р» «V )} } ° х ехр (jk(j(X; 4)}ехр (-j 2 «P }»()„, (5) где I/k(gg(- 1 МИН, /»(а (с + > au pj 2А cae/2»»»P(Х j j/j! ) (A() (9) контраст изображения решетки в оптической системе с аберрациями; К о = 2Ao8/(A a + В ) - контраст иэображения решетки в идеальной оптической системе. На фиг. 2 приведены типичные ФПИ когерентной репродукционной системы с осесимметричными аберрациями — дефокусировкой и кривизной поля иэображения (сплошная линия) и сферической аберрацией (пунктир). Из фиг.2 и (8) видно, что при значениях аберраций, равных /1/), изменения контраста нет (m = 1), при значениях, равных Р (- — + /)(j)) происходит обращение контраста (ш = -l),à при значениях волгде Р = Я; =-f g / f — увеличение репродукционн ой си с т емы; 4/ fg — фокусное расстояние второго компонента. С учетом свойства четных функций Р(-. Х) =(Р(Х), а также фильтрующего свойства Ñ -функции получают U() Х) Ао + Beep (jk4»(X,;Р )} сав (2 Г е/} (6) ( где Хо = l)ohfi . Соответствующее этому полю распределение интенсивности в плоскости изображения тест-объекта следующее: Х(»); Х,„) А, + 2А(В,В cos ° 12// )(1 « — — - в.в-с-} сов (2«))о J }+ ч В" сов» (2 е «j } . (7) Из этого выражения следует, что осесимметричные аберрации репродукционной системы уменьшают контраст изображения гармонической амплитудной решетки и коэффициент передачи модуляции равен т = К/Ко = сав {28 - — A -},(8) 1428972 новой аберрации, равных (-, + 3.n) контраст изображения ранен О (m = О) (где п 1, 2, 3 . ° . — целое положительное число). Полученные результаты позволяют определить коэффициенты осесимметричных волновых аберраций репродукционной,системы. Измеряя КПМ при трех. различных значениях частоты модуляции на оптической оси и при одном из них на расстояшш от оптической оси, имеют систему из четырех линейных уравнений с четырьмя неизвестными Су, С С р и n: Е Д С е Х, + СсуХ1 п = -у- arc соа m Cp,Х + СсуХ - „= <- arc cos m<, 2 Cgq X> + Ceq>X> - „= —,= arc cos ; Cge X< + С рХ + Сир Х f2 4 — — — arc cos m 3я Э (1О) решая которую определяют коэффициенты волновых аберраций. При большой апертуре репродукционная система может нносить сферические аберрации высших порядков — пятого порядка ср = С цоХ,, седьмого порядб Vlf ф я ка Р,,а — = C X и т.д. Соответствующие коэффициенты сферических аберраций могут быть найдены, измеряя КПМ при дополнительных частотах модуля ции 9q и 9 и т.д. и решая соответствующую систему уравнений. В качестве примера реализации предлагаемого способа контроля оптической системы рассмотрим двухкомпонентную репродукционную систему с волновой сферической аберрацией третьего порядка при частоте модуляции йо = 40 мм и фокусном расстоянии I первого компонента f = 50 мм, равной Коэффициент такой волновой аберрации при 3 = 0,5 мкм равен Сс = у — д- = 0,0005 мкм 3. СФ 3 f< 7о (12) В плоскости иэображения репродукционной сис темы, со впадающей с задней фокальной . плоскостью второго компонента (С аа = С qp = О) осуществлена последовательная регистрация изображешп решеток, расположенных на оптической оси с пространственны1 ми частотами М = 20 мм 1, -f = 25 мм, = 30 мм 5 По измеренным максимальным и минимальным значениям освещенности B изображениях трех решеток определены КПМ, равные ш = 0,9239; ш0 = 0,5745; my = 0,4050. Решая систему линейных ураннений (10), находят коэффициенты волновых сферической аберрации и дефокусиронки, а также числа и, как C = Dce/D Ср Рае /D n = Dn/D, (13) где Способ контроля качества изображения о птич е ской системы, з аключаюопределители системы, уравнений (10); D g, Dq, D n - определители, получающиеся из D заменой столбца, составленного иэ коэффициентов при неизве» стных Су Сgtp и п, столбцом из свободных членов. Подставляя в (13) значения. частот модуляции, g< э,,б ЗО КПИ m ш, m>, длину волны и фокусное расстояние Й,, получают Су О, С р= 0,0005 мкм, n О, что соответствует условиям измерения KIIM и значению С р, полученному в 35 (12), и подтверждает правильность алгоритма вычисления коэффициентов волновых аберраций по измеренным значениям КПИ. Таким образом, предлагаемый способ контроля оптической системы позволяет определить величины коэффициентов осесимметричных волновых аберраций и получить более полную информацию о качестве оптической системы. 5 Кроме этого, поскольку распределение освещенности регистрируется при когерентном освещении, помимо распределения, соответствующего гармоническому входному сигналу, зарегистрируются 50 шумовые интерференционные картины от дефектов оптической системы — пузырей, свилей и т.д., информация о которых также необходима при оценке качества КОС. Формула изобретения системы и вне ее, по которым определяют коэффициенты передачи модуляции, отличающийся тем, что, с целью повышения качества контроля двухкомпонентной репродукционной ,системы, освещение контролируемой оптической системы выполняют когерентным излучением, максимальные и минимальные значения освещенности из- 20 меряют при трех различных значениях пространственной частоты модуляции на оптической оси и при одном из них — вне ее, определяют коэффициенты осесимметричных волновых аберраций из соотношений C«X + С„Х", :Cge Х2 + СсюХ2 2 4 С,Х, + С,Х, 2 а С еХ, + C qХ, 2 4 3/2%агс cos 3p = 3/2farc cos m,; я = 3/2%агс = jl/2Чагс + С Р + Х1 ш4, соз т2 cos m» 3 fl где Су, Се р, Скр — коэффициенты волно- 35 вых осесимметричных 7 1428972 щийся в освещении контролируемой оптической системы источником света, модуляции освещающего излучения по гармоническому закону для различных значений пространственной 5 частоты в предметной плоскости контролируемой оптической системы, регистрации распределения освещенности в плоскости изображения, измерении максимальных и минимальных значе- о ний освещенности на оптической оси аберраций — дефокусировки, сферической аберрации, кривизны поля изображений соответственно; m,, m <, m > — коэффициент передачи модуляции на оптической оси при трех значениях пространственной частоты модуляции 1, соответственно; т4 — коэффициент передачи модуляции на расстоянии ) от оптической оси при частоте модуляции 1,; и 0,1,2... — целое положительное чис- лс; Х„- jl fl9,; Х, - f„„ 22; Х f — фокусное расстояние 1 первого компонента репродукционной системы; — длина волны освещающего излучения, по величинам которых оценивают качество контролируемой оптической системы. 1428972 Составитель Е.Лыкашева Техред Л.Сердюкова. Корректор С.Шекмар Редактор Е. Папп Тираж 847 Подписное ВПИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д, 4/5 Заказ 5115/38 Производственно-полиграфическое предприятие, r. Ужгород, ул. Проектная, 4
