Телецентрический в пространстве предметов объектив Российский патент 2017 года по МПК G02B13/22 G02B9/62 

Изобретение относится к области оптического приборостроения, а именно к оптическим системам контрольно-измерительных устройств, и может быть использовано в устройствах контроля объектов теневым оптическим методом.

Одной из актуальных и часто возникающих в измерительной технике задач является контроль геометрических размеров изделий. Для решения этих задач широкое распространение получили различные оптико-электронные методы контроля. Одним из часто используемых методов является теневой метод, который обладает высокой производительностью и низкой погрешностью измерений. Использование для теневой оптической системы стандартных объективов вносит существенную дополнительную погрешность из-за большого влияния позиционирования предмета на линейное увеличение системы. В связи с этим для реализации контроля изделий теневым методом необходимо применять специализированный телецентрический в пространстве предметов объектив, который должен быть практически свободен от дисторсии (менее 0,02%), кривизны поля и астигматизма (менее 0,1 мм), обладать высокой телецентричностью в пространстве предметов. При этом вследствие параллельного хода главных лучей в пространстве предметов диаметр первой линзы, а значит, и поле зрения объектива, должен превышать линейный размер измеряемого объекта. Большинство существующих объективов не вполне удовлетворяют указанным требованиям.

Известна оптическая схема телецентрического в пространстве предметов объектива [А.В. Белобородов, А.А. Гущина, П.С. Завьялов, Е.С. Сенченко, Л.В. Финогенов, Ю.В. Чугуй. Оптико-электронный контроль керамических колец // Датчики и системы, т. 4, 2012 г., с. 25-29], состоящая из последовательно расположенных на оптической оси четырех сферических линз и матричного фотоприемника.

Известный объектив используется в системе контроля геометрических параметров керамических колец и обеспечивает формирование изображений большой номенклатуры изделий. Но при этом данный объектив имеет следующие недостатки.

Во-первых, объектив обладает малым полем зрения (менее 50 мм), что ограничивает использование представленного объектива для большого круга изделий.

Во-вторых, объектив обладает существенным астигматизмом (около 0,2 мм) в сочетании с недостаточной телецентричностью лучей в пространстве предметов (максимальная нетелецентричность 0,12°), что ухудшает технические характеристики объектива и смещает центр масс в изображении краевых пучков.

Также известен объектив с телецентрическим ходом лучей в пространстве предметов [Патент RU 2305857 «Объектив с телецентрическим ходом лучей», опубликован 10.09.2007], состоящий из последовательно расположенных на оптической оси четырнадцати элементов - двенадцати одиночных и одной склеенной сферических линз.

Известный объектив может быть использован в фотолитографической микроэлектронной промышленности, и, в частности, для контроля фотолитографических объектов, кремниевых пластин и т.п.

Основными недостатками объектива являются, во-первых, большое количество используемых линз, изготавливаемых из разных оптических материалов, что существенно снижает технологичность его изготовления.

Во-вторых, низкое разрешение, большая величина дисторсии (порядка 0,3%) и малое поле зрения объектива (3,3 мм), что ухудшает технические характеристики объектива.

Указанные недостатки ограничивают функциональные возможности и область применения известных технических решений.

Наиболее близким по технической сущности, принятым за прототип, является телецентрический объектив [Патент на полезную модель №: 25798 «Телецентрический проекционный объектив», опубликован 20.10.2002], состоящий из последовательно расположенных на оптической оси пяти линз (две из них являются склеенными сферическими линзами, три - одиночными). Апертурная диафрагма расположена между третьей и четвертой линзами. Объектив обеспечивает телецентрический в пространстве предметов ход лучей, что обеспечивает некоторую ортоскопичность системы и близкое к дифракционному качество изображения осевых лучей.

К недостаткам прототипа, ограничивающим область его применения, относится, во-первых, малое разрешение по всему полю (число Штреля на оси около 0,8, на краю - 0,43).

Во-вторых, недостаточно хорошо исправленная дисторсия объектива - порядка 0,5%.

В-третьих, малое поле зрения объектива - менее 50 мм.

Кроме того, при общем малом количестве линз, в прототипе используется 6 различных марок стекол, что ухудшает технологичность его изготовления.

Технический результат, достигаемый при реализации предлагаемого изобретения, заключается в расширении области применения, улучшении технических характеристик заявляемого изобретения (увеличение разрешения по всему полю, получение телецентрического хода лучей в пространстве предметов с одновременным уменьшением дисторсии и астигматизма, увеличение линейного поля зрения) и повышении технологичности его изготовления.

Заявляемый телецентрический в пространстве предметов объектив (далее заявляемый объектив) иллюстрируется следующими графическими материалами:

Фиг. 1 - оптическая схема заявляемого объектива.

Фиг. 2 - частотно-контрастная характеристика (ЧКХ) заявляемого объектива.

Фиг. 3 - графики дисторсии и кривизны поля заявляемого объектива.

Заявляемый объектив (фиг. 1) содержит расположенные последовательно на оптической оси плосковыпуклую линзу 1, расположенную плоской стороной к апертурной диафрагме 2, положительный мениск 3 с асферической выпуклой поверхностью, обращенной к плоскости предметов, слабоотрицательный мениск 4, обращенный выпуклой стороной к апертурной диафрагме 2, склеенную линзу 5, состоящую из двояковогнутой линзы 6 и двояковыпуклой линзы 7, расположенную вогнутой стороной к апертурной диафрагме 2, двояковыпуклую линзу 8 и слабоотрицательный мениск 9, обращенный выпуклой частью к апертурной диафрагме 2. Апертурная диафрагма 2 расположена между слабоотрицательным мениском 4 и склеенной линзой 5.

Заявляемый объектив обладает следующими положительными особенностями:

- большим линейным полем зрения (следовательно, возможно использование для измерения достаточно крупных объектов);

- в конструкции объектива используются только три марки стекла и всего одна склеенная линза, что повышает технологичность изготовления;

- формирует изображение с низкой дисторсией (менее 0,02%) и высокой телецентричностью в пространстве предметов (отклонение от телецентричности в пространстве предметов - не более 5');

- обеспечивает равномерное дифракционное качество изображения по всему полю зрения (число Штреля не менее 0,9).

Указанный выше технический результат достигается за счет того, что:

- заявляемый объектив содержит пять последовательно расположенных на оптической оси линз и апертурную диафрагму - общие с прототипом признаки заявляемого изобретения.

- отличительными признаками является то, что заявляемый объектив содержит дополнительную шестую линзу, причем линзы и апертурная диафрагма расположены последовательно в следующем порядке по ходу луча: плосковыпуклая линза 1, расположенная плоскостью к апертурной диафрагме 2; положительный мениск 3 с асферической выпуклой поверхностью, обращенной к пространству предметов; слабоотрицательный мениск 4, обращенный выпуклой стороной к апертурной диафрагме 2; апертурная диафрагма 2; склеенная линза 5, состоящая из двояковогнутой линзы 6 и двояковыпуклой линзы 7, расположенная вогнутой стороной к апертурной диафрагме 2; двояковыпуклая линза 8 и слабоотрицательный мениск 9, обращенный выпуклой стороной к апертурной диафрагме 2.

Плосковыпуклая линза 1 имеет диаметр, превышающий размер предмета, обращена плоской поверхностью к апертурной диафрагме 2. Плосковыпуклая форма самой большой линзы упрощает ее изготовление, что повышает технологичность изготовления всего объектива. Плосковыпуклая линза 1 обладает лишь незначительной дисторсией, что объясняется ее высокой телецентричностью в пространстве предметов.

Положительный мениск 3 имеет выпуклую асферическую поверхность, обладает астигматизмом и комой, но освобожден от сферической и прочих аберраций. Служит для доведения телецентричности до заданной величины, а также поджимает сходящийся пучок лучей. Применение асферики также позволяет значительно уменьшить диаметр положительного мениска 3 и слабоотрицательного мениска 4, таким образом, в объективе остается только одна крупногабаритная плосковыпуклая линза 1.

Слабоотрицательный мениск 4 обращен выпуклой стороной к апертурной диафрагме 2. Он изготовлен из материала с малым числом Аббе, что необходимо для компенсации хроматических аберраций.

Далее расположена апертурная диафрагма 2. После апертурной диафрагмы 2 расположена склеенная линза 5, состоящая из двояковогнутой линзы 6 и двояковыпуклой линзы 7. Склеенная линза 5 расположена вогнутой стороной к апертурной диафрагме 2. Склеенная линза 5 практически избавлена от хроматических аберраций, но обладает отрицательными комой, кривизной поля и сферической аберрацией, вносит значительный отрицательный астигматизм.

Двояковыпуклая линза 8 компенсирует астигматизм, сферическую аберрацию, кому и кривизну поля, вносимую предыдущей склеенной линзой 5. Кроме этого, несколько уменьшает угол падения лучей на фотоприемник.

Слабоотрицательный мениск 9 обеспечивает компенсацию остаточных аберраций, в частности кривизны поля и астигматизма.

Плосковыпуклая линза 1, положительный мениск 3, двояковыпуклая линза 7 в склеенной линзе 5, и слабоотрицательный мениск 9 выполнены из стекла одной марки, двояковыпуклая линза 8 выполнена из стекла другой марки, причем показатели преломления обоих материалов меньше 1,77, число Аббе больше 45; слабоотрицательный мениск 4 и двояковогнутая линза 6 в склеенной линзе 5 выполнены из стекла третьей марки с показателем преломления больше 1,6 и числом Аббе меньше 45.

Использование асферической поверхности позволяет лучше скомпенсировать сферическую аберрацию, кому и астигматизм при увеличении относительного отверстия до 1:7. При этом применение асферики не приводит к существенному удорожанию и усложнению объектива по сравнению с прототипом, так как при общем увеличении количества линз в объективе (с пяти до шести) необходимо изготовление лишь одной склеенной линзы, а также использование только трех марок стекла вместо шести.

Излучение, параллельное оптической оси, проходит последовательно через плосковыпуклую линзу 1, положительный мениск 3, слабоотрицательный мениск 4 и фокусируется в плоскости апертурной диафрагмы 2. При этом соблюдается телецентричность в пространстве предметов, все лучи, падающие на объектив под большим углом, не проходят в оптическую систему. Далее излучение, пройдя через склеенную линзу 5, двояковыпуклую линзу 8 и слабоотрицательный мениск 9, фокусируется ими и проецирует изображение объекта на плоскость фотоприемника.

Авторам не известны оптические схемы телецентрических в пространстве предметов объективов, обладающие признаками, сходными с признаками, отличающими заявляемый объектив от прототипа, поэтому предлагаемая оптическая система телецентрического в пространстве предметов объектива обладает существенными отличиями.

В качестве конкретного примера исполнения заявляемого объектива в таблице 1 приведены конструктивные параметры оптических элементов объектива, имеющего фокусное расстояние 1500 мм; относительное отверстие 1:7; диаметр поля зрения 250 мм; спектральный диапазон 0,61-0,66 мкм. Длина объектива от первой поверхности до плоскости изображения составляет 800 мм. Относительная длина объектива вдоль оптической оси, отнесенная к линейному полю зрения - 3,2; линейное увеличение 1/12^х.

6

Таблица 1. Конструктивные параметры телецентрического в пространстве предметов объектива (относительное отверстие 1:7; диаметр поля зрения 250 мм; спектральный диапазон 0,61-0,66 мкм).

В таблице 1 позиция линз указана в соответствии с фиг. 1; № пов. - номер поверхности по ходу луча; R - радиус поверхности, d - толщина между поверхностями, D - диаметр поверхности, марка стекла -- по ГОСТ 3514-94, K - коническая постоянная.

Из графика на фиг. 3 видно, что заявляемый объектив обладает высокой ортоскопичностью (дисторсия менее 0,02%), что лучше, чем у объектива-прототипа более чем в 2 раза. Кроме того, хорошо исправлен астигматизм. Это ведет к увеличению телецентричности объектива в пространстве предметов по сравнению с аналогом в шесть раз (максимальная нетелецентричность 0,019°).

Из графика на фиг. 2 следует, что объектив обладает хорошим разрешением, так как коэффициенты передачи контраста для пространственной частоты 100 мм^-1 не хуже 0,5, а число Штреля по всему полю не меньше 0,9, что лучше, чем у объектива-прототипа (0,8 для осевого пучка и 0,43 для краевого). При этом линейное поле зрения заявляемого объектива увеличено по сравнению с прототипом в 8 раз.

Важно отметить, что в предлагаемой варианте исполнения объектива линейное поле зрения достигает 250 мм с сохранением дифракционного качества изображения по всему полю, и аналогов телецентрических в пространстве предметов объективов с заданным качеством изображения авторами обнаружено не было.

Таким образом, предлагаемый телецентрический в пространстве предметов объектив, обладающий совокупностью указанных существенных признаков, позволяет расширить область применения заявляемого изобретения и обеспечить более высокие технические характеристики (большее поле зрения и телецентричность лучей в пространстве предметов, меньшую дисторсию и астигматизм получаемого изображения, лучшее разрешение по всему полю зрения), а также увеличить технологичность его изготовления.

Предлагаемый телецентрический в пространстве предметов объектив может быть использован в теневых каналах систем технического зрения для определения геометрических параметров объектов.

Изобретение может быть использовано в устройствах контроля объектов теневым оптическим методом. Объектив содержит шесть линз и апертурную диафрагму, расположенные последовательно на оптической оси: плосковыпуклую линзу, расположенную плоскостью к апертурной диафрагме, положительный мениск с асферической выпуклой поверхностью, обращенной к пространству предметов, слабоотрицательный мениск, обращенный выпуклой стороной к апертурной диафрагме, апертурную диафрагму, склеенную линзу, состоящую из двояковогнутой и двояковыпуклой линз и расположенную вогнутой стороной к апертурной диафрагме, двояковыпуклую линзу и слабо отрицательный мениск, обращенный выпуклой стороной к апертурной диафрагме. Технический результат - расширение области применения, улучшение технических характеристик и повышение технологичности изготовления. 1 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл.

1. Телецентрический в пространстве предметов объектив, содержащий пять последовательно расположенных на оптической оси линз и апертурную диафрагму, отличающийся тем, что содержит дополнительную шестую линзу, причем линзы и апертурная диафрагма расположены последовательно в следующем порядке по ходу луча: плосковыпуклая линза расположена плоскостью к апертурной диафрагме, положительный мениск с асферической выпуклой поверхностью, обращенной к пространству предметов, слабо отрицательный мениск обращен выпуклой стороной к апертурной диафрагме, далее апертурная диафрагма, склеенная линза из двояковогнутой и двояковыпуклой линз, расположена вогнутой стороной к апертурной диафрагме; далее двояковыпуклая линза и слабоотрицательный мениск, обращенный выпуклой стороной к апертурной диафрагме.

2. Телецентрический в пространстве предметов объектив по п. 1, отличающийся тем, что плосковыпуклая линза, положительный мениск, двояковыпуклая линза в склеенной линзе, и слабоотрицательный мениск, расположенный после апертурной диафрагмы, выполнены из стекла одной марки, двояковыпуклая линза выполнена из стекла другой марки, причем показатели преломления обоих материалов меньше 1,77, число Аббе больше 45; другой слабоотрицательный мениск и двояковогнутая линза в склеенной линзе выполнены из стекла третьей марки с показателем преломления больше 1,6 и числом Аббе меньше 45.