Способ определения положения фокальной плоскости объектива Советский патент 1990 года по МПК G01M11/02 

Изобретение относится к оптическому приборостроению, а именно к когерентным 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

изображения объектива при различных значениях волновых аберраций; на фиг.З - 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 плоСП VI

Ј ел ю

скую волну 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(Ј) A+Bcos27r-Vo|,(1)

где VQ - пространственная частота модуляции (частота решетки);

А - постоянная составляющая модуляции (решетки);.

8 - амплитуда модуляции (решетки).

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

Э ,(х) А-(3(х)+1 5(х-Хо)-кЗ(х+Хо) , (2)

гдехо Av0fk ;

TK фокусное расстояние коллиматора;

д- дельта-функция Дирака;

А- 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 диа метр входного зрачка равен расстоянию между внеосевыми составляющими фурье- спектра (2), т.е.

Овх.зр. 2х0 2Av0fk ,(3)

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

Р(х) exp|jk4 x)J,(4)

где Ф(х)- волновая аберрация объектива в точке на оптической оси;

k 2л/А- волновое число.

В точке на оси волновая аберрация Ф (х) складывается из сферической аберрации объектива . ССф X и его дефокусировке Фде Сде X :

Ф(х) СдеХ2+СсфХ4.

С учетом аберрационной функции зрачка Ф(х) и, принимая во внимание что Ф(о) 0 и Ф(х) Ф(-х), распределение поля в плоскости входного зрачка (х) будет соответствовать

Уоо

j А-а(х)+1 5(х-х0)4ч5(х-гХо) expf Ф(х)

1

|ехр{ 1 Ф(х)

(5)

0

5

0

5

где

Ф(Хо) Фде(Хо)+Фсф.(Хо) QeXo 2+ССф.хо 4 ; Х0 Овх.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

@ )А+ВехрД1 Ф(Хо)}со8|27аъ |Ч . (6)

где VQ x0/Af06. VO/P- пространственная частота первой гармоники изображения;

/ foe./fk увеличение в задней фокальной плоскости объектива плоскости изображения решетки;

fo6. - фокусное расстояние объектива.

Соответствующее данному полю (6) распределение интенсивности будет

Ј ) A2 +2ABCOS fe jcosjW Ј }

+

+В2 cos2 /2лг,

0

5

0

5

0

(2W Ј }.

(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 Ф(хо) 0;А/4; А/2. Как следует из (7) и из фиг.2, эти аберрации изменяют контраст распределения

интенсивности на частоте первой гармониiки 10 , т.е.

I/ I

Kfo

.

I

Kv

Ьмакс

С0512М ХсУй

,(8)

1макст-1мин

где Ломаке 2АВ/(А2 + В2) - максимальный контраст первой гармоники при отсутствии аберраций Ф(хо) 0. При волновой аберрации, равной Ф(хо) А/4, контраст распределения на частоте первой гармоники VQ исчезает.

Фиксацию положения фокальной плоскости производят по исчезновению контраста в распределении интенсивности на

частоте первой гармоники, т.е. при Kv0 0. Тогда

cos /2л: (Фде +Фсф)АЧ 0 и

(9)

Фде+Фсф. А .

при сферической аберрации объектив, равной , дефокусировка объектива по

отношению к гауссовой плоскости будет отсутствовать (Фде 0).

Обеспечивают заданную величину волновой сферической аберрации объектива за счет соответствующего выбора пространственной частоты модуляции. По известной для края входного зрачка (Х0макс 0Вх-зр./2) величина волновой сферической аберрации Фсф.макс определяется коэффициентная данной аберрации

Ссф. Фсф макс/(0вх зр/2)4.(10)

Так как x0 Atvfo6. ,

Фсф.макс п,, ... Л

Фсф(Хо)

(Av,

t i о fo6

Г- 01)

(ОВХ.ЗР/2У

Приравнивая Фсф(хо) требуемой величине сферической аберрации Фсф(Хо) А/4 с учетом увеличения репродукционной системы ft .получают необходимую пространственную частоту модуляции (частоту решетки)

. %iavg.V Я ЯТоб4 I Ф7ф макс I

(12)

Таким образом, осуществляя пространственную модуляцию плоской волны в плоскости, оптически сопряженной с задней фокальной плоскостью обьектива, с частотой, определяемой по (12) и фиксируя положение плоскости, в которой контраст распределения интенсивности на частоте

первой гармоники V0 V0// равен нулю, получаем точное положение задней фокаль- ной плоскости объектива.

Фиксирование положения фокальной плоскости происходит при нулевом контрасте интерференционной картины (фиг.З), где функция распределения контраста от

0

5

0

5

0

5

0

величины дефокусировки имеет максимальный градиент.

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

Формула изобретения Способ определения положения фокальной плоскости объектива, включающий формирование когерентной плоской волны, пространственную модуляцию ее амплитуды по гармоническому закону в плоскости, оптически сопряженной с задней фокальной плоскостью объектива, освещение обьектива модулированной волной, регистрацию распределения интенсивности в задней фокальной плоскости объектива и фиксирование положения задней фокальной плоскости по контрасту распределения интенсивности на частоте первой гармоники на оптической оси, отличаю- щ и и с я тем, что, с целью повышения точности определения положения фокальной плоскости объективов с аберрациями, осуществляют модуляцию с частотой т), равной

Овх.зр / 4./Ј

VQ

2Мо6.

V

4|ФЬфмакс1

где DBX зр - диаметр входного зрачка объектива;

fo6 фокусное расстояние объектива;

/3- увеличение в задней фокальной плоскости объектива;

Фсф MdKc волновая сферическая аберрация объектива на краю зрачка;

А- длина волны освещающего излучения,

а фиксацию фокальной плоскости производят при контрасте, равном нулю.

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 *98H₀=D_вх.зр. β/2λF_об √λ/4 @ φ_сф.MAX @ , где D_вх.зр. - диаметр входного зрачка объектива, F_об - фокусное расстояние объектива, β - увеличение в задней фокальной плоскости объектива, φ_сф.MAX - волновая сферическая абберация на краю входного зрачка объектива, λ - длина волны излучения. 1 с.п.ф-лы, 3 ил.

фиг.1

JWW

Ky I