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 точной установки фокальной плоскости У объективов с малыми аберрациями.

Цель изобретения - повышение точности определения положения фокальной плоскости для объективов с малыми аберрациями.

На фиг. 1 изображена функциональная оптическая схема устройства дпя осуществления предлагаемого способа; на фиг. 2 - распределение интенсивности в плоскости изображения объектива при различных значениях волновых дефокусировок объектива; на фиг. 3 - зависимость контраста распределения . интенсивности от волновой дефокусировки.

Устройство содержит когерентный источник 1 света и последовательно установленные и оптически сопряженные на его оптической оси расширитель 2, тест-объект 3 в виде гармонической амплитудной решетки, коллиматор 4, четвертьволновую фазовую пластинку 5, установленную на опти-.

СП

00

ел |

ческой, оси в задней фокальной плосг кости коллиматора 4, юстируемый объектив 6 и плоскость 7 регистрации расположенную в задней фокальной плоскости объектива 6.

Способ осуществляют следующим образом.

При осуществлении способа источни 1 света совместно с расширителем 2 формирует когерентную плоскую волну, которой освещают тест-объект 3. Тест-объект 3 расположен в передней фокальной плоскости безаберрационного коллиматора 4, с помощью которого переносится в бесконечность - предметную плоскость контролируемого объектива 6 и модулирует амплитуду освещающей плоской волны по гармоническому закону

t (р А + В cos 21Гл), , (1)

где ) - пространственная частота

модуляции (частота решетки)

А - постоянная составляющая модуляции (решетки);

В - амплитуда модуляции (решет .«

В задней фокальной плоскости коллиматора перед контролируемым объективом формируется Фурье-спектр модулированной волны (1) (Фурье-спектр решетки):

%)(Х) A-cf(X) -f I J(X - X,) +

+ (Х + X, )1 ,

(2)

где Хр А )6 f к;

f - фокусное расстояние коллиматора ;

-сГ - дельта-функция Дирака; Л - длина, волны освещающего

излучения.

В данной плоскости (Х) ограничиваются световые диаметры пучков, формирующих изображение решетки, и, следовательно, эта плоскость является плоскостью входного зрачка контро лируемого объектива 6, а его диаметр равен

вх. эр 2 о

2 f к.

(3)

У объективов с малыми аберра1у я- ми (Ф CS 0) аберрационная функция входного зрачка Р(Х) зависит лишь от одной дефокусировки Ф j«(X) Х,

(где С де - коэффициент волновой дефокусировки) , т.е.

Р (X) ехр S К. (X)} , (4)

где К 2 /г// - волновое число.

В соответствии с предлагаемым способом в плоскости Фурье-спектра вносят четвертьволновый фазовый сдвиг на оптической оси, реализуемьй с помощью четвертьволновой фазовой пластинки 5, установленной на оптической оси в задней фокальной плоскости кол- , ранной Ф 1/4. С учетом фазовых сдвигов, вносимых фазовой пластинкой и дефокусировкой, распределение поля в плоскости X определяет- ся формулой

л) -(Х) А- сС (X) .ехр лКФп) +

25

30

35

40

45

50

55

+ |(Г(х - х) 4 (Г(х + х);.

к.ехр-уКФ ,е (Х,), (5) т.к. Ф g (0) О и (Х)Ф де(-Х),

С точностью до постоянного фазового множителя, учитывающего отступление плоскости входного зрачка от передней фокальной плоскости объектива и не влияющего на распределение интенсивности распределение поля в задней фокальной плоскости контролируемого объектива 6 описывается преобразованием Фурье от распределения (5) и имеет вид

Т () 0(Х) ехр J - j р- X dX А ех.р В ехр «

OK Фде (Х)- cos .,,,

(65

где Х /А . ,//ь ;

/Ь 06 /f к увеличение в задней фокальной плоскости объектива репродукционной системой коллиматор - объектив; .

f r- фокусное расстояние объекти-- ва.

Соответствующее данному полю (6) распределение интенсивности, регистрируемое вблизи оптической.оси, описывается выражением

I () A2 + 2AB со8{ К Ф„

+ фдеСх,)) cos ,

+ В cos

и содержит первую с частотой с частотой 2 -О

i и вторую - с частотой 2 -Ol, гармоники,

так как cos 2 JT J | (1 + cos2 IT

).

На фиг. 2 представлены распределения интенсивности в плоскости изображения решетки при А В (решетка с единичным констрастом), полученные по (7) для. различных значений волновых дефокусировок ое 0; Я /4; 3 Д/4 при фазовом сдвиг е от фазовой пластины, равном Ф-у, /1/4.

Контраст распределения интенсивности на частоте первой гармоники -0 равен

I I м и н

-L ял nIrV -1 - V

-- . N

ллйцс ,COS (Фп

о м«кс

25 I Д

V )) ,

К

0

2АВ А В

(8)

зависит от величины дефокусировки и при дефокусировке, равной нулю

Ф

е

О, контраст на частоте первой

гармоники исчезает, т.е. достигается равномерная освещенность.

1585703

-Функция распределения контраста от величины дефокусировки (фиг. 3) имеет при нулевом контрасте максимальный градиент и для заданной контрастной чувствительности регистрирующего устройства (гЗК) величина дефокусировки (Фо) будет минимальной.

id

Формула

изобретения

Способ определения положения фокальной плоскости объектива,. вклю5 чающий формирование когерентной

плоской волны, пространственную мо- дуляцию ее амплитуды по гармоническому, закону в плоскости, оптически сопряженной с задней фокальной плосС костью объектива, освещение объектива, модулированной волной, регистрацию распределения интенсивности в задней фокальной плоскости объекти- .. ва и фиксирование положения задней

5 фокальной плоскости по контрасту распределения интенсивности на частоте . первой гармоники на оптической оси, отл и. чающийся тем, что, с целью повыщения точности определе0 ния положения фокальной плоскости дпя объективов с малыми, аберрациями, вносят четвертьволновый фазовый сдвиг на оптической оси в плоскости Фурье- спектра модулированной волны, а фик- сацию положения фокальной плоскости производят при равномерной освещенности плоскости.

Изобретение относится к оптическому приборостроению, а именно когерентным методам фокусировки объективов, и может быть использовано для точной установки фокальной плоскости у объективов с малыми аберрациями. Цель изобретения - повышение точности определения положения фокальной плоскости у объективов с малыми 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, внесение четверть волнового фазового сдвига на оптической оси в плоскости Фурье-спектра модулированной волны, регистрацию распределения интенсивности в задней фокальной плоскости объектива и фиксацию положения задней фокальной плоскости при контрасте распределения интенсивности, равном нулю на частоте первой гармоники. 3 ил.

/

vy%w/rc

о &

-/

21ГФдеи(

Фиг.З