Способ контроля качества изображения оптической системы Советский патент 1988 года по МПК G01M11/02 

4 N)

ОО СО

ND

9иг.1

Изобретение отпосится к оптическому приборостроению и может быть использовано при контроле оптических систем, в частности двухкомпонентной репродукционной системы.

ЦЕЛЬ изобретения - попышетш качества контроля двухкомпонептной репродукционной системь за счет увеличения объема И1к1)ормации о контроли- руемой оптической системе путем измерения коэффициентов осесимметричных волновых: аберраций - дефокусировки, сферической аберрации и кривизны поля изобрахсения.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу ко ггроля двухкомпонентной репродукционной оптической системы, включающему освещение контролируемой оптической системы (КОС),модуляцию освещающего излучения по гармоническому закону на раз- Л11ЧНЫХ частотах в предметной плоскости КОС, регистрацию распределения освещенности в плоскости изображения измерение максимальных и М1шимальных значений освещенности на оптической оси системы и вне нее, по которым определяют козф(1шциенты передачи модуляции (КПМ), освещение КОС о существ- когерент1шм излучением, максимальные и минимальные значения осве- |ценност 1 измеряют при трех различпых значениях частоты модуляции на оптической оси и при одном из них вне нее и определяют коэф(1)ициеиты осесим- метричньк волновых аберрацг-ш из соотношений

Сде Х + СсфХ - /in arc cos Cga X + CttpXj arc cos ..

v5

СдрХз + CcfrXj -/In arc cos

CgeX + Cc(pX( + СцрХ - Л П arc cos ra,

, Cog,Cc(p,Cnp - козффициепты волновых аберраций - де- фокусировки, сферической аберрации и кривизны поля изображения соответственно:

т,, тп - КПМ на оптической

оси при трех значениях частоты модуляции , т),, )j соответственно:

.

о 15

2025 305 49

4550

55

- К ПМ на расстоянии от.оптической оси

о ,

при п-0, 1, 2, 3, ... целое положительное

число;

X, А f;-,; Х 7 ;

ъ Л ,

f, - фокусное, расстояние первого компонента репродукционной системы;

Л - дтн-1на волны освещающего излучения, но величинам которых оценивают качество КОС.

На фиг.1 представлена принципиальная оптическая схема устройства, реализующего предлагаемый способ; на фиг,2 - функции передачи модуляции (Ф1Ш) когерентной репродукционной системы при дефокусировке и кривизне ноля изображения (сплошная линия) и сферической аберрации (пунктир).

Устройство, реализующее предлагаемый способ (фиг.), включает когерентный источник 1 света, осветительную систему 2, тест-объект 3 в виде гармонических амплитудных рещеток с тремя различными пространственными частотами на оптической оси и одной из них вне оптической оси, КОС - двухкомпонентную репродукционную систему (компоненты 4 и 5), плоскость 6 регистрации.

Устройство работает следу1сщим 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 является плоскостью зрачка КОС. Аберрации КОС искажают Фурье-спектр тест-объекта я в задней фокальной плоскости --плоскости 6 регистрации второго компонен31428972

та 5 - формируется искаженное изображение.

Для пояснения сущности предлагаемого способа рассмотрим процесс формирования изображения тест-объекта в ввде гармонической амплитудной решетки с постоянной составляющей Ад, максимальной амплитудой В и пространственной частотой S)o:

10

X

А в + В cos

.

(1)

F)

Распределение поля в плоскости Фурье-спектра тест-объекта описывается преобразованием Фурье от tp(4)

и имеет вид

ис),) АО.((-,) + -|-(5()к-Ъ (х- о) . (2)

где УХ Х/Д. - пространственная

частота Фурье-спектра;

фокусное расстояние первого компонента; дельта Функция Дирака;

дпина волны освещаю щего излучения,

Аберрационная функция зрачка ре- продукционной системы в направлении, перпендикулярном штрихам решетки,при осесимметричных аберрациях описывается (в приближении теории аберраций третьего порядка) функцией

; P(X;-J) ехр jk(X; j))

fl - С ;i

ехр + СорХ

Скр Х f

1.

(3

,I/WflKC + I WU«

гдеф(Х; }) суммарная волновая, - -.

аберрация репродукцион- 2Ac cos 2f i X iJi/2J ной системы; й )

Сор , коэффициенты элементарных волновых аберраций - дефокусировки, сферической аберрации, кривизны поля соответственно;

2f k -J-- - волновое число.

С учетом волновой аберрации репро- ...j дукционной системы поле в частотной плоскости X описывается произведением

и (S); ) U(9,).(X;p}.(4)

контраст изображения реш ческой системе с аберрац Кй 2Ac,B/(A i + В) - ко ражения решетки в идеаль кой системе.

На фиг. 2 приведены т когерентной репродукцион с осесимметричными аберр фокусировкой и кривизной жения (сплошная линия) и аберрацией (пунктир). Из (8) видно, что при значе ций, равных Jifj, изменени нет (т 1), при значени

Распределение поля в плоскости изображения описывается преобразованием Фурье от распределения поля в частотной плоскости и имеет вид

-Т

..|,.

(5)

10

15

20

ису; X) ((«) (Л)у-4) cJ(S),)o)|« X ехр jkФ(X; J)jexp -J 25Г)4 jd), ,

;

b -f2/f( увеличение репродукционной системы;

fj - фокусное расстояние второго компонента.

С учетом свойства четных функций Р(-г-Х) Ф(Х), а также фильтрующего свойства а -функции получают

и(5 ; X) « АО (x;;J )} ,cosl2flL; i , (6)

где Хо ( .

Cooтвeтcтвyкя ee этомуполю распределение интенсивно.стив плоскости изображения тест-объектаследующее:

.(2f

(7)

I( ; Ха) А е, + 2АоВ cos ..f(X.iJ.L)eos |25Г)).

;3-2cos (2;fDofj.

Из этого вьфажения следует, что осесимметричные аберрации репродукционной системы уменьшают контраст изображения гармонической амплитудной решетки и коэффициент передачи модуляции равен

(2f-fiX.in-,(8)

m

К/К.

cos

где

у i4/3i.

,I/WflKC + I WU«

, - -.

2Ac cos 2f i X iJi/2J й )

(9)

5

...j

5

контраст изображения решетки в оптической системе с аберрациями; Кй 2Ac,B/(A i + В) - контраст изображения решетки в идеальной оптической системе.

На фиг. 2 приведены типичные ФПМ когерентной репродукционной системы с осесимметричными аберрациями - дефокусировкой и кривизной поля изображения (сплошная линия) и сферической аберрацией (пунктир). Из фиг.2 и (8) видно, что при значениях аберраций, равных Jifj, изменения контраста нет (т 1), при значениях, равгшх

Я

(J /(i) происходит обращение контраста (га -1),а при значениях волповой аберрации, равных ( л )

контраст изображения равен О (т 0) (где п 1, 2, 3 ... - целое положительное число).

Полученные результаты позволяют определить коэффициенты осесимметрич- пых волновых аберраций репродукционной.системы. Измеряя КШ при трех различных значениях частоты модуляции на оптической оси и при одном из них на расстоянии J от оптической оси, имеют системзА из четырех линейных уравнений с четырьмя неизвестными , СОР, С,р и п:

CeipX Лп

Cge X (

r Z

т

- arc cos m,;

СjuXj + -/In

2

arc cos m

г

+ Сс-рХз - |-- arc cos m

, + СорХ + Яп

7)

-г-у-- arc cos

m, (10)

решая которую определяют коэффициен- ты волновых аберраций.

При большой апертуре репродукционная система может вносить сферически аберрации высших порядков - пятого v v

порядка CcipX, седьмого поряд- ) CSpX и т.д. Соответствующие коэффициенты сферических аберра- 1ЩЙ могут быть найдены, измеряя КИМ при дополнительных частотах модуляции V и s т.д. и решая соответст вуюшую систему уравнений.

Б качестве примера реализации предлагаемого способа контроля оптической системы рассмотрим двухкомпо- нентную репродукциопную систему с волновой сферической аберрацией третьего порядка при частоте модуляции о 40 мм и фокусном расстоянии первого компонента f 50. мм, рав- ной

Фсф Cc( Dp) h

(П)

Коэффициент такой волновой аберрации, при /I 0,5 мкм равен

. 0,0005 Гмкм .

. ( l2)

В плоскости изображения репро- ДУКЦИ01ПЮЙ системы, совпадающей с заддей фокальной . плоскостью второго компонента (Сое 0) осуществлена последовательная регистрация

изобрал енш 1 решеток, расположенных на оптической оси с пространственными частотами V, 20 мм , 25 , S)3 30 мм .

По измеренным максимальным и минимальным значениям освещенности в изображениях трех решеток определены КПМ, равные т 0,9239; mg 0,5745; mj 0,4050..

Решая систему линейных уравнений (10), находят коэффициенты волновых сферической аберрации и дефокусировки, а также числа п, как

Сог -

Cqe Dge/D n Dn/D,

(13)

г

где

определители системы .уравнений (10); Dije ОсФ, Dn - определители, получающиеся из D заменой столбца, составленного из коэффициентов при неизвестных Cag , Ceip и п, столбцом из свободных членов. Подставляя в (13) значения частот модуляции 5 / КПМ. гп, гп, mj; дпину волны Ли фокусное расстояние , получают Cat О, Ccf 0,0005 мкм , п О, что соответствует условиям измерен я КПМ и значению полученному в

(12) и подтверждает правильность алгоритма вычисления коэффициентов волновых аберраций по измеренным значениям КПМ.

Таким образом, предлагаемый способ контроля оптической системы позволяет определить величины козффици- ентов осесимметричных волновьпс аберраций и получить более полную инфор.- мацию о качестве оптической системы.

Кроме этого, поскольку распределение освещенности регистрируется при когерентном освещении, помимо распределения, соответствующего гармоническому входному сигналу, зарегистрируются

шумовые интерференционные картины от дефектов оптической системы - пузырей, свилей и т.д., информация о которых также необходима при оценке качества КОС.

Формула изобретения

Способ контроля качества изображения оптической системы, заключаю7U

щийся в освещении контролируемой оптической системы источником света, модуляции освещающего излучения по гармоническому закону для различных значений пространственной частоты в предметной плоскости контролируемой оптической системы, регистрации распределения освещенности в плоскости изображения, измерении максимальных и минимальных значеНИИ освеЕценности на оптической оси системы и вне ее, по которым определяют коэффициенты передачи модуляции отличающийся тем, что, с целью повышения качества контроля двухкомпонентной репродукционной Iсистемы, освещение контролируемой оптической системы выполняют когерентным излучением, максимальные и минимальные значения освещенности измеряют при трех различных значениях пространственной частоты модуляции на оптической оси и при одном из них - вне ее, определяют козффициен- ты осесимметричных волновых аберраций из соотношений

,

СдеХ + CcxpX J - ft A/2farc cos m, ;

CgeX| + СсфХ з - Лп cos

+ СсфХ - /i/2 / arc cos mj ;

CjeX + + СЛР-+ X , Я/2 J arc cos m,

где Cqe (p - коэффициенты волно- вых осесимметричных

5 О, 5 2025

30

- 35 х

m

i

m

1

m аберраций - дефокусировки, сферической аберрации, кривизны поля изображений соответственно;

коэффициент передачи модуляции на оптической оси при трех значениях пространственной частоты модуляции S , jj соответственно;

га 4 - коэффициент передачи модуляции на расстоянии от оптической оси при частоте модуляции

о

о, 1 ,2,. , - целое

положительное чис- до;

Д f;S). ;

фокусное расстояние первого компонента репродукционной системы;

- длина волны освещающего излучения, по величинам .которых оценивают каче- ст йо контролируемой оптической системы.

п

Xi

Ха Хз Ц

отн. ед

Изобретение относится к оптическo fy приборостроению и позволяет повысить качество контроля двухкомпо- нентной 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. осесим- метричиых волновых аберраций. 2 ил.