Способ определения положения фокальной плоскости объектива

 

Изобретение относится к оптическому приборостроению, а именно к когерентным методам фокусировки объективов, и может быть использовано для точной установки фокальной плоскости у объективов с аберрациями. Цель изобретения - повышение точности определения положения фокальной плоскости у объективов с аберрациями. Способ определения положения фокальной плоскости объектива включает формирование когерентной плоской волны, пространственную модуляцию ее амплитуды по гармоническому закону в плоскости, оптически сопряженной с задней фокальной плоскостью объектива, освещение объектива модулированной волной, регистрацию распределения интенсивности в задней фокальной плоскости объектива и фиксирование задней фокальной плоскости при контрасте распределения интенсивности на частоте первой гармоники, равном нулю, причем частота модуляции равна *98H<SB POS="POST">0</SB>=D<SB POS="POST">вх.зр.</SB> β/2λF<SB POS="POST">об</SB> √λ/4 @ φ<SB POS="POST">сф.MAX</SB> @ , где D<SB POS="POST">вх.зр.</SB> - диаметр входного зрачка объектива, F<SB POS="POST">об</SB> - фокусное расстояние объектива, β - увеличение в задней фокальной плоскости объектива, φ<SB POS="POST">сф.MAX</SB> - волновая сферическая абберация на краю входного зрачка объектива, λ - длина волны излучения. 1 с.п.ф-лы, 3 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)э G 01 М 11/02

ГОСУДАРСТВЕННЪ|Й КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЪ|ТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

° ю (21) 4602023/24-10 (22) 04.11.88 (46) 15.06.90. Бюл. N. 22 (72) О.В,Рожков, А,П,Тимашов, Л.Н,Тимашова и А П.Мальков (53) 681.45 (088.8) (56) Мосягин Г.В. Влияние аберраций на формирование выходного сигнала в устрой. ствах измерения дефокусировки объективов при когерентном освещении. Труды МВТУ

hL 419, 1984, с, 10, (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОЛОЖЕНИЯ ФОКАЛЬНОЙ ПЛОСКОСТИ ОБЬЕКТИВА (57) Изобретение относится к оптическому приборостроению, а именно к когерентным методам фокусировки объективов, и может быть использовано для точной установки фокальной плоскости у объективов с аберрациями. Цель изобретения — повышение точности определения положения фокальной плоскости у объективов с аберрациями.

Изобретение относится к оптическому приборостроению, а именно к кьгерентным методам фокусировки объективов, и может быть использовано для прецизионной установки фокальной плоскости объективов с аберрациями.

Цель изобретения — повышение точности определения положения фокальной плоскости объективов с аберрациями.

На фиг.1 представлена функциональная оптическая схема устройства, реализующего предлагаемый способ определения положения (параксиальной или гаусовой) фокальной плоскости объектива; на фиг.2— распределение интенсивности в плоскости.. Ж,, 1571459 А1

Способ определения положения фокальной плоскости объектива включает формирование когерентной плоской волны, пространственную модуляцию ее амплитуды по гармоническому закону в плоскости, оптически сопряженной с задней фокальной плоскостью объектива, освещение объектива модулированной волной, регистрацию распределения интенсивности в задней фокальной плоскости объектива и фиксирование задней фокальной плоскости при контрасте распределения интенсивности на частоте первой гармоники, равном нулю, причем частота модуляции равна („:(4.. Ю((,„,„ где Ds<.зр.— диаметр входного зрачка объектива; foe, — фокусное расстояние объектива; ф — увеличение в задней фокальной плоскости обьектива; ФЪф, — волновая сферическая аберрация на краю входного зрачка объектива; А — длина волны излучения. 1 с.п. ф-лы, 3 ил. изображения объектива при различных значениях волновых аберраций; на фиг.3 — зависимость контраста распределения интенсивности от величины дефокусировки.

Устройство, реализующее предлагаемый способ (см. фиг.1), содержит когерентный источник 1 света, осветительную систему 2, тест-объект 3 в виде гармонической амплитудной решетки, коллиматор 4, юстируемый объектив 5 и плоскость 6 регистрации, расположенную в задней фокальной плоскости объектива 5.

При реализации предлагаемого способа источник 1 света совместно с осветительной системой 2 формирует когерентную пло3

1571459

> (), при сферической аберрации объектив, равной Ф = k/4, дефокусировка объектива по (5) скую sonHy требуемого светового диаметра, который освещают тест-объект 3. Тест-объект расположен в передней фокальной плоскости (безаберрационного) коллиматора 4, с помощью которого переносится в бесконечность — предметную плоскость объектива 5 и модулирует амплитуду освещающей плоской волны по гармоническому закону

t (ф) = А+Всоз2к тф, . (1) где т7р — пространственная частота модуляции (частота решетки);

А — постоянная составляющая модуляции (решетки);. !  — амплитуда модуляции (решетки).

В задней фокальной плоскости коллиматора перед объективом 5 формируется фурье-спектр модулярованной волны (1) (фурье-спектр решетки)

) (х) = А д(х)+ > (д(х — х )+д(х+х )), (2) ! где хр =Ь7,Л . )х — фокусное расстояние коллиматора; д- дельта-функция Дирака; л,— длина волны освещающего излучения.

Поскольку в данной плоскости (х) ограничиваются световые диаметры пучков, формирующих изображение решетки, эта плоскость является плоскостью входного зрачка контролируемого объектива и диаметр входного зрачка равен расстоянию между внеосевыми составляющими фурьеспектра (2), т.е. ()-)вх.зр. = 2xp = 2AVpfj((3)

Аберрационная функция входного зрачка объектива 5 для осевой точки изображения описывается выражением

Р(х) = exp{jk6/x)}, (4) где Ф(х) — волновая аберрация объектива в точке на оптической оси;

k = 2л/(; волновое число.

В точке на оси волновая аберрация

Ф (X) складывается из сферической аберрации объектива 6>cg. = Ссф X и его дефокуси4 ровке Cate= Сде Х:

Ф(Х) = Сдех +Ссфх

С учетом аберрационной функции зрачка

Ф(х) и, принимая во внимание что Ф(о) = О и

Ф(х) = Ф(-х). распределение поля в плоскости входного зрачка (х) будет соответствовать

g х)=

В

= А д(х)+-((д(х — хр)+д(х+х)) ехр jl<4 х где

4(хо) = @де(хо)+уф.(хр) = Ц2еХр +Ссф.хр хо = 0sx.зр/2 .

С точностью до постоянного фазового множителя, учитывающего отступление плоскости входного зрачка объектива от его передней фокальной плоскости и не влияющего на распределение интенсивности, распределение поля в задней фокальной плоскости объектива 5 описывается преобразованием Фурье от распределения (5) и имеет вид

x(2 ) = a+Bmp{jk!)(xо)}соя{2иио 4 }, (6)

ГдЕ 22р = Xo/Ç06, =27р 3- ПрОСтраНСтВЕНная частота первой гармоники изображения; !

P = f()g./fj(— увеличение в задней фокальной плоскости объектива плоскости изображения решетки; ! В

feü, — фокусное расстояние объектива.

Соответствующее данному полю (6) распределение интенсивности будет

1® ) =А +2ABcos e COS 2mo ф +

+B сов {2лио 2 } . .(7)

На фиг,2 представлены распределения интенсивности в изображении решетки при

А = В (решетка с единичным контрастом), полученные по (7) для различных значений осевых волновых аберраций 1)(хо) = ОЯ/4;

it/2, Как следует из (7) и из фиг.2, зти аберрации изменяют контраст распределения интенсивности на частоте первой гармониI ки 27р, т.е, Кио " """ Ки иа cos{2xx(gxck(},(S)

MBKC МИН

ГдЕ К27рмвкс = 2АВ/(А + В ) — МаКСИМаЛЬНЫй

2 2 контраст первой гармоники при отсутствии

45 аберраций Ф(хо) = О, При волновой аберрации, равной Ф(хо) = il/4, контраст распределения на частоте первой гармоники 27„ исчезает, Фиксацию положения фокальной пло50 скости производят по исчезновению контраста в распределении интенсивности на ! частоте пеРвой гаРмоники, т.е. пРи К27р = О.

Тогда

55 сов{2аа(ФдаиаЬфф} = 0 и (9)

)2e++cQ. = !4

1571459 отношению к гауссовой плоскости будет отC1tTCTBOBBTb (Фдв = О), Обеспечивают заданную величину волновой сферической аберрации объектива за счет соответствующего выбора пространственной частоты модуляции. По известной для края входного зрачка (Хсмвкс= D».3ð./2) величина волновой сферической аберрации

Фф.макс определяется коэффициентная данной аберрации

Ссф. = Фф.макс/(Овх.3p/2) . (10)

4 с

Т8К как xp =kp fpg. ф 4(%) — Ф вЂ”." " — ()м, f06 ), (1 1) ((. вх. зр 2)

Приравнивая Фсф(хо) требуемой величине сферической аберрации Фсф(хо) =Я/4 с учетом увеличения репродукционной системы P,ïoëó÷àþò необходимую пространственную частоту модуляции (частоту решетки)

2ск б. 4 4 ксф.ма (Таким образом, .осуществляя пространственную модуляцию плоской волны в плоскости, оптически сопряженной с задней фокальной плоскостью объектива, с частотой, определяемой по (12) и фиксируя положение плоскости, в которой контраст распределения интенсивности на частоте

I первой гармоники то =v>/j3 равен нулю, получаем точное положение задней фокальной плоскости объектива.

Фиксирование положения фокальной плоскости происходит при нулевом контрасте интерференционной картины (фиг,3), где функция распределения контраста от величины дефокусировки имеет максимальный градиент.

Следовательно, для заданной контрастной чувствительности регистрирующего ус5 тройства величина дефокусировки будет минимальной.

Формула изобретения

Способ определения положения фокальной плоскости объектива. включающий

10 формирование когерентной плоской волны, пространственную модуляцию ее амплитуды по гармоническому закону в плоскости, оптически сопряженной с задней фокальной плоскостью объектива, освещение объ15 ектива модулированной волной, регистрацию распределения интенсивности в задней фокальной плоскости объектива и фиксирование положения задней фокальной плоскости по контрасту распре20 деления интенсивности на частоте первой гармоники на оптической оси, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повышения точности определения положения фокальной плоскости объективов с аберрациями, 25 осуществляют модуляцию с частотой, равной, -ь,— т— о

Б К 6. 4 |ЖфмаксТ где Овх Зр диаметр входного зрачка обьек30 тива; (fpe, — фокусное расстояние объектива; р - увеличение в задней фокальной плоскости объектива;

Ф,ф „,.„, — волновая сферическая аберрация объектива на краю зрачка;

А — длина волны освещающего излучения, э фиксацию фокальной плоскости производят при контрасте, равном нулю.

1571459

Составитель А.Тулубанский

Техред M.Moðãåíòàë Корректор Л.Патай

Редактор А.Долинич

Производственно-издательский комбинат ",Патент". r. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 1506 Тираж 440 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Рауаская наб., 4/5