Устройство для контроля оптической фокусировки Советский патент 1984 года по МПК G01J1/20 G02B27/40 

Изобретение относится к прикладно оптике и может быть использовано для контроля Фокусировки оптических систем, сферичности оптических деталей как датчикВ устройствах автоматичес кой фокусировки и как анализатор волнового фронта оптического излучения в системах коррекции волнового фронта. Известны устройства для контроля фокусировки оптических систем, работающие на сравнении интенсивностей излучения в поперечном сечении двух плоскостей, включающие модулятор, у которого две торцовые полукруглые поверхности, расположенные на одинаковых расстояниях от плоскости фокусировки, имеют световоды, по которым свет проходит к фотоприемнику. При вращении модулятора сравнивают сигналы фотоприемника, соответствующие интенсивностями в этих плоскостях для зоны изображения, определяемой диаметром световода. Одинаковые по амплитуде сигналы с той и другой , плоскости соответствуют состоянию фокусировки, а разине - дефокусировке Г13. Недостатком этого устройства является низкая точность фокусировки из-за ошибки, появляющийся при нали чик произвольных неосесимметричных аберраций. Наиболее близким к изобретению по технической сущности является датчик сферичности волнового фронта лазерного излучения, содержащий последовательно установленные фокуси рующую систему, модулятор с располо женными по обе стороны от плоскости фокусировки и повернутыми на 180 относительно друг друга масками в виде полудисков с радиальными щелями фотоприемник, соединенный с блоком обработки сигналов 2. Недостатком этого устройства является ошибка фокусировки, обусловленная произвольными неосесимметрич ными аберрациями. В частности, при астигматизме световые пятна в плоскостях масок имеют не круглую, а эллиптическую форму, причем оси эллипсов ориентированы взаимно перпен дикулярно. При сканировании таких пятен щелями, расположенными на мас ках так, что углы, образованные про дольными осями симметрии щелей и касательными к окружности полудиска в точке пересечения ее осями симмет рии этих щелей, равны для всех щ.еле (в частном случае - радиальными щелями/ световые .пятна, проходящие через щели одной и другой маски, не будут одинаковыми. С фотоприемника будут- сниматься импульсы разной, амплитуды, на выходе датчика будет ложный сигнал, хотя система сфокуси рована (плоскость кружка наименьiireio рассеяния совпадает с плоскостью фокусировки. Целью изобретения является повьштение точности контроля оптической фокусировки излучения наличии произвольных нерсесимметричиых аберраций. Поставленная цель достигается тем, что в устройстве, включающем последовательно установленные фокусирующую систему, модулятор с расположенными по обе стороны от плоскости фокусировки и повернутыми на относительно друг друга масками в виде полудисков со щелями, фотоприемник, соединенный с блоком обработки сигналов, щели в каждой маске расположены так, что углы образованные их продольными осями симметрии и касательными к окружности полудиска в точке пересечения ее с этими осями не равны друг другу, не менее, чем для двух щелей. В частности, щели могут быть расположены так, что разность величин углов, образованных осями симметрии мелей и касательными к окружности полудиска в точке пересечения ее с этими осями для любых двух соседних щелей одинакова. При этом степень точности контроля фокусировки повышается. На чертеже схематически изображено, предлагаемое устройство. Устройство включает оптический узел 1,, модулятор с расположенными по обе стороны от плоскости Фокусировки F масками 2 и 3 со щелями 4, фотоприемник 5 и блок 6 обработки сигналов, вырабатывающий электрический сигнал, соответствукяций степени фокусировки. Для наглядности работы устройства на фигуре показаны формы световых пятен П и П2 в плоскостях, масок 2 и 3 для частного случная произвольных аберраций - астигматизма. Устройство работает следующим образом. В исходном состоянии плоскость фокусировки F оптического узла 1 совпадает с плоскостью, равноудаленной от плоскостей масок 2 и 3. При вращении модулятора световые пятна в плоскосях масок 2 и 3 будут сканироваться щелями 4 в разных направлениях вследствие того,что углы образованные продольными ос.ями симметрии щелей и касательными к окружности полудиска (с центром на оси вращения Модулятора ) в точке пересечения окружности полудиска осями симметрии этих щелей, не равны друг другу и изменяются по величине в интервале 180°, причем величина угла отсчитывается от оси симметрии щели к касательной по часовой стрелке. Это соответствует тому, что в системе координат, связанной со световым пятном, каждая последующая щель поворачивается на произвольный угол и полный интервал углов поворота щелей относительно друг друга близок к 180°, При отсутствии произвольных неосесимметричных аберраций, вызванных деформацией волнового фронта исходного пучка, световые пятна имеют форму круга, поэтому направление сканирования не имеет значения и устройство для контроля оптической фокусировки сравнивает усреднённые амплитуды импульсов, измеряя дефокусировку. При наличии астигматизма (частный случай произвольных неосесимметричных аберраций | световые пятна П; и TTj в плоскостях масок 2 и 3 будут иметь форму эллипсов с взаимно перпендикулярной ориентацией осей. В этом случае огибающая амплитуда серии импульсов снимаемы с фотоприемника 5 соответствующая первому полудиску, будет в противофазе огибающей серии импульсов, соответствующей другому полудиску, а их средние уровни близки или одинаковы. Блок 6 усредняет импульсы в сериях по амплитуде и вычитает усредненные сигналы.

В результате величина ложного сигнала, возникающего на выходе блока 6 значительно меньше, чем в случае прототипа при этих же условиях, что и позволяет повысить точность контроля фокусировки.

Степень точности контроля фокуси-. ровки повышается, если разность : углов, образованных продольными осями симметрии щелей и касательными к окружности полудиска в точке пересечения ее продольными осями симметрии щелей, равна одному и тому же значению и зависит от числа щелей п на маске как б/п--1, где О- угол

0 поворота щелей. Это означает, что весь интервал углов поворота щелей относительно сканируемых светового пятна разбивается на равные части.

с Как известно из численных методов при усреднении (интегрировании) непрерывной неизвестной функции по формулам трапеции или Симпсона, за счет разбивания интервала вычисления на равные части, точность вычислений

0 повышается.

Использование предлагаемого устройства позволяет повысить точность контроля фокусировки при наличии произвольных неосесимметричных абер5раций , что особенно важно в случае применения устройства в качестве датчика оптической фокусировки в системах автоматического контроля за формой поверхности оптических

0 элементов и в качестве анализатора волнового фронта в системах коррекции искажений волнового фронта.

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ ОПТИЧЕСКОЙ ФОКУСИРОВКИ, включающее последовательно установленные фокусирукздую систему, модулятор с расположенньтми по обе стороны от плоскости фокусировки и повернутыми на 180 относительно друг друга масками в виде полудисков со щелями, фотоприемник, соединенный блоком обработки сигналов,о тличающееся тем, что,.с целью повышения точности контроля при наличии произвольных неосесимметричных аберраций, щели в каждой маске расположены так, что .углы, образованные их продольными осями симметрии и касательными к окружности полудиска в точке пересечения ее этими осями не равны друг другу, не менее, чем для двух щелей. 2. Устройство поп. l,oтлич а ю щ е е с я тем, что разность величин углов, образованных осями симметрии щелей и касательными к окружности полудиска в точке пересечения ее этими осями для любых (Л двух соседних щелей одинакова. со оо С5 Ч