Устройство для контроля качества объектива

 

Использование: оптическое приборостроение , для контроля волновых аберраций объективов. Сущность изобретения: лазер 1 и осветительная система 2 формируют конкретную плоскую волну, набор линз 3, задние фокальные плоскости которых совпадают с плоскостью входного зрачка контролируемого объектива 4, формируют расходящиеся сферические волны с центрами расходимости, лежащими на одной прямой . В задней фокальной плоскости контролируемого объектива регистрируют распределение интенсивности, а оценку аберраций производят по изменению расстояния от центрального максимума распределения интенсивности до внеосевой точки распределения интенсивности относительно идеального. 3 ил. сл с контролируемого объектива плоскость регистрации . Недостатком известного устройства является низкая производительность контроля , так как дополнительно требуется определение положения оптической оси в плоскости регистрации. Целью изобретения является повышение точности контроля объектива за счет автоматического получения положения оптической оси в плоскости регистрации. Цель достигается тем, что в устройстве для контроля качества объектива, содержаVI О g Ю

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (н)5 6 01 М 11/00

ГОСУДАРСТВ Е ННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4813995/10 (22) 16.04.90 (46) 07.09.92. Бюл. f4 33 (71) Научно-исследовательский институт приборостроения и Научно-исследовательский институт радиоэлектроники и лазерной техники МГТУ им. Баумана (72) О.В.Рожков, А.П.Тимашов и Л.Н.Тимашова (56) 1. Мосягин Г.M.Âëèÿíèe аберраций на формирование выходного сигнала в устройствах измерения дефокусировки объективов при некогерентном освещении. Труды

МВТУ М 419, 1984, с.10 — 18.

2. Тяжелов С.С, Оптические измерения. — M.: Оборонгиз, 1939, с.226-227.

3, Авторское свидетельство СССР

1 к 1000818, кл. G 01 M 11/00, 1981.

4. Авторское свидетельство СССР

М 1506317, кл. G 01 M 11/00, 1987.

5. Рожков О.В., Тимашова Л.Н. Влияние аберраций когерентной оптической системы на изображение гармонической амплитудной решетки. — Изв.Вузов.

Приборостроение, 1983, т.21, hh 3, с.78 — 83.

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано для контроля волновых аберраций объективов.

Известно устройство контроля объектива, которое содержит перед контролируемым объективом последовательно расположенные лазер, осветительную систему, преобразователь плоской волны в набор расходящихся сферических волн в виде непрозрачного диска с набором отверстий, расположенных на одной прямой, и расположенную в задней фокальной плоскости

„„ Ы„„ I 760424 А1 (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ОБЪЕКТИВА (57) Использование: оптическое приборостроение, для контроля волновых аберраций объективов. Сущность изобретения: лазер 1 и осветительная система 2 формируют конкретную плоскую волну, набор линз 3, задние фокальные плоскости которых совпадают с плоскостью входного зрачка контролируемого объектива 4, формируют расходящиеся сферические волны с центрами расходимости, лежащими на одной прямой, В задней фокальной плоскости контролируемого обьектива регистрируют распределение интенсивности, а оценку аберраций произвадят по изменению расстояния от центрального максимума распределения интенсивности до внеосевой точки распределения интенсивности относительно идеального. 3 ил. контролируемого объектива плоскость регистрации.

Недостатком известного устройства я вляется низкая производительность контроля, так как дополнительно требуется определение положения оптической оси в плоскости регистрации.

Целью изобретения является повышение точности контроля объектива за счет автоматического получения положения оптической оси в плоскости регистрации.

Цель достигается тем, что в устройстве для контроля качества объектива, содержащем перед контролируемым объективом последовательно расположенные лазер, осветительную систему, преобразователь плоской волны в набор расходящихся сферических волн и расположенную в задней фокальной плоскости контролируемого объективаа плоскость регистрации, и реобразователь выполнен в виде набора линз, оптические оси которых параллельны оптической оси контролируемого обьектива, геометрические центры лежат на одной прямой, задние фокальные плоскости совпадают с плоскостью входного зрачка контролируемого объектива и имеют отверстие для освещения его плоской волной.

Отличительными признаками устройства являются выполнение преобразователя в виде набора линз, оптические оси которых параллельны оптической оси лазера, геометрические центры лежат на одной прямой, э задние фокальные плоскости совпадают с плоскостью входного зрачка объектива контролируемого объектива и имеют отверстие для освещения его плоской волной.

Такое устройство контроля объектива не известно и дает высокий полезный эффект, что позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию

"существенные отличия".

На фиг. 1 представлена функциональная оптическая система устройства; нэ фиг.

2 — вид А нэ фиг. 1; на фиг. 3 — распределение интенсивности в плоскости регистрации.

Для пояснения сущности изобретения рассмотрим процесс формирования распределения интенсивности в задней фокальной плоскости объектива в предлагаемом устройстве.

Устройство содержит расположенные последовательно на одной оптической оси лазер 1, осветительную систему 2, преобразователь 3 в виде набора линз, оптические оси которых параллельны оптической оси контролируемого объектива 4, геометрические центры лежат на одной прямой, а задние фокальные плоскости совпадают с плоскостью входного зрачка объектива 4, плоскость 5 регистрации в задней фокальной плоскости объектива 4.

Устройство работает следующим образом.

Лазер 1 совместно с осветительной системой 2 формирует когерентную плоскую волну, преобразователь 3 преобразует плоскую волну в набор когерентных расходящихся сферических волн, а также из-за большей площади освещающей плоской волны по сравнению с площадью апертур линз одновременно пропускает плоскую волну.

Например. при выполнении преобразователя из трех линз распределение поля в

5 плоскости входного зрачка объектива 4 имеет вид и{()=А+В(д{()+

10 +д {ь — 4) +д {ф+(), (1) где А И В вЂ” амплитуды плоской и сферической волн соответственно;

go — расстояние от оптической оси до геометрических центров расходимости сферических волн, расположенных в задних фокальных плоскостях линз; д — дельта-функция Дирака.

Аберрационная функция входного зрачка объектива 4, в плоскости которого распо20 ложены центры расходимости сферических волн, в общем случае имеет вид

Р ((,Х) = ехр (jk Ф { ф„, X ) } (2)

2к где k = — — — волновое число;

Ф { g, Х ) = Сде (+ Сс© (4 + Ско р Х +

+СкР(Х +Сди(Х (3) — суммарная волновая аберрация объектива;

Сде, Ссв, С ко. С кр. Сди — коэффициенты элементарных волновых аберраций — дефокусировка, сферической аберрации, комы, кривизны поля и дисторсии соответственно.

С учетом аберрэционной функции входного зрачка объектива поле плоскости входного зрачка примет вид

U {(X) =(A+ В (д(ф) +

40 + д(4-4o)+ {4+4)) } ехр

{ jk9 { g Х ) ). (4)

В результате преобразования Фурье, выполняемого объективом 4, в его задней фокальной плоскости — плоскости 5 регист45 рации, формируется поле вида

T(X, Q = А"п(Х)+В (1+2 exp(jk

ФЧет ((o, Х ) } cos (2 л { Чо Х—

Ф"" 5éoë2))), (5) где h(x) = F(exp(jk(CpE фл + Cce ф4 ) ) } — функция рассеяния объектива;

ФЧЕт ((о X ) = СДЕ @ + ССФ о + CKP ьо X — четные волновые аберрации объектива;

ФнечЦо, Ху = Ско g Х + Сди (Х вЂ” н ечетные волновые аберрации объектива;

Vo = g !1 f — пространственная частота распределения поля;

à — фокусное расстояние объектива;

1760424

А — амплитуда сферической волны, преобразованной объективом из плоской;

А — амплитуда плоских волн, преобразованных объективом из сферических волн. .Соответствующее распределение ин- 5 тенсивности имеет вид

l(x(i=7(x,gl т (х,Г(=EAh(x() .4 h(xl>

"cos(K2««x}со5(2«(Чсх- )}t(5! ((«15 5 со«(«2с««„ сс5(22 (U х )) x (5/

+4саь 2 махПоскольку функция рассеяния h(X) сосредоточена вблизи оптической оси, то выражение (6) преобразуется в вид (l(7)=) "(>)) + ч((Ь )1(xl (-OSjk@чoò + 20

+(5 (lxocosj«6<„)cos 25(«,x- «с")} +

""=("Ь *" И

Из этого выражения, график которого приведен на фиг. 3, видно, чта распределение интенсивности в заданной факальной плоскости объектива представляет собой ЗО набор чередующихся с основной частотой

Чо максимумов и с частотой 2Ча вторичных максимумов очень большим па интенсивности центральным максимумом, расположенным на оптической оси. 35

Таким образом, предложенное устройство позволяет автоматически получить по ложение оптической оси 8 плоскости регистрации распределения интенсивности. При этом четные волновые аберрации 40 искажают контраст распределения интенсивности на частоте \/о, по величине которого можно определить величину четных волновых аберраций (4). Нечетные волновые аберрации искажают пространствен- 45 ную частоту распределения по сравнению с идеальной на величину

ЛЧ =Фнеч/ЛX

В результате изменяется положение внеосевых точек распределения интенсив- 50 ности X no сравнению с идеальными Хо на величину

Хо = Xo + cp/ ((o, где хо 55

Л ЧСр =,/ («55НЕЧ/ Л ) d X/Ë X . о

Интенсивность центрального максимума, расположенного на оптической оси объектива

1о =(АЪ(Х))г + 4А h(X)B cos (k Фи еч ) также зависит от че ных аббераций — дефакусировки и сферической аберрации. Однако из-за меньшей апертуры линз по сравнению с апертурой освещающего пучка (т.е. из-за В <А) эта зависимость слабая и ею обычно можно пренебречь, В прототипе распределение интенсивности имеет вид (4) с(х, х(=(5(((««сс5(«(5«с,}сс5(2,(«,х- « )}

45 cQ5 (х«(хсх- " )}), т.е. состоит лишь из последнего слагаемого

{7). С учетом конечного диаметра отверстий пространственного фильтра это распределение домножается на Ы stn С (nd «) т.е. г Х имеет распределение

Г(Х, Q а I (Х; ф ) Ьея пцг { nd -Л-- ), в котором интенсивности основных максимумов изменяются по закону besin С г (nd } В результате относительная интенХ сивнасть максимумов изменяется от 1 (на оптической оси) до О на расстоянии от опти1,22 Л

ЧЕСКОй ОСИ Х55акс Г. ИЗ-За МаЛОСтИ диаметра отверстий, обеспечивающего достаточную для регистрации интенсивность в заданном поле зрения объектива, интенсивность максимумов вблизи оптической оси практически не изменяется, поэтому невозможно с достаточной точностью выделить центральный максимум распределения (на оптической оси), относительно которого оценивают величины нечетных аберраций, Например, при фокусном расстоянии контролируемого объектива Г = 200 мм и его

ПОЛЕ ЗрЕНИя Х(,(асс = 10 ММ трЕбуЕтСя дИаметр отверстий фильтра не более чем

d =1,22- —

Л

Хчакс

200 1,22 — 0012

При таком диаметре- отверстий интенсивность центрального максимума (Х=О) отличается от максимума, отстоящего от оптической оси на расстоянии, например, P,X = 0 5 мм, на величину менее 1, т.е. на величину, соизмеримую с контрастной чувствительностью регистрирующего устрой1760424 ства. Таким образом, погрешность определения положения оптической оси составляет более 0,5 мм. Этого недостаточно для того, чтобы даже приблизительно оценить величину нечетных аберраций, Например, при f =— 200мми волновой коме Фко = 1 1 (изменение пространственной частоты распределения

« Фко это ведет к изменению расстояния до внеосевой точки распределения на величину (при Vo = 10 мм ). = Xî A VсрIVo = 1!Чо = 0,1 мм, что в несколько раз меньше, чем погрешность определения положения оптической оси. Поэтому для точной оценки волновых (нечетных) аберраций с помощью прототипа требуется дополнительно определять точное положение оптической оси, т.е, с погрешностью, на порядок меньшей, чем

hX т.е. равной 0,01 мм. Такую точность можно обеспечить при дополнительном формировании одного центрального максимума на оптической оси — изображения точки при засветке апертуры контролируемого объектива когерентной плоской волной, Эта операция требует дополнительного времени, вследствие чего производительность контроля предложенным устройством, в котором центральный максимум на оптиче5 ской оси, много большей интенсивности, формируется одновременно с требуемым для контроля аберраций распределением интенсивности, существенно выше, чем в прототипе, 10 Ф о рмул а изоб рете н ия

Устройство для контроля качества обьектива, содержащее пеоед контролируемым объективом последовательно расположенные лазер, осветительную систему, преоб15 разователь плоской волны в набор расходящихся сферических волн и расположенную в задней фокальной плоскости контролируемого объектива систему регистрации, о т л и ч а ю щ е е с я тем., что, 20 с целью повышения точности контроля, преобразователь выполнен в виде набора линз, оптические оси которых параллельны оптической оси контролируемого объектива, геометрические центры лежат на одной

25 прямой, а задние фокальные плоскости совпадают с плоскостью входного зрачка контролируемого объектива, 1760424

Фиг.5

Составитель Л.Тимашова

Техред М.Моргентал Корректор Н,Гунько

Редактор

Заказ 3182 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская нэб., 4/5

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

/

I

I

Г

+/

/S

/

/ г 1 !

/ ! !

/ ! 1

Ех

ЧГ 27 3%i