Устройство для фокусировки проекционного объектива Советский патент 1992 года по МПК G01M11/00 

Изобретение относится к устройствам для проекционной печати, микроскопам, установки ретуши фотошаблонов, в частности к фотоэлектрическим устройствам для стабилизации качества изображения.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство контроля фокусировки. Это устройство содержит сканирующий и анализирующий растры, объектив, полупрозрачное зеркало, два фотоприемника, расположенные в плоскости, сопряженной

со зрачком объектива децентрировано по разные стороны от оптической оси, и измеритель разности фаз, входы которого соединены с фотоприемником.

Недостатком устройства является малая точность за счет того, что оно не позволяет стабилизировать качество изображений при работе с предметом, отделенным от объектива прозрачным стеклом переменной толщины из-за появления значительной сферической аберрации при изменении толщины стекла.

х|

го XI

О

Цель изобретения - повышение точности путем стабилизации качества изображения за счет компенсации сферической аберрации.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство, содержащее последовательно установленные осветитель, сканирующий растр, светоделитель, автоколлимационный объектив с приводом перемещения объектива вдоль оси, анализирующий растр, два фотоприемника, расположенные в плоскости, сопряженной со зрачком объектива, де- центрировано по разные стороны от оптической оси, и измеритель разности фаз, входы которого соединены с фотоприемниками, дополнительно введены третий и четвертый фотоприемники, расположенные на линии, проходящей через первый и второй фотоприемники симметрично относительно оси объектива, второй измеритель разности фаз, суммирующее и вычитающее устройства, а объектив выполнен с подвижным компенсатором сферической аберрации, снабженным приводом его перемещения, причем выходы третьего и четвертого фотоприемников соединены с входами второго измерителя разности фаз, выход первого измерителя разности фаз соединен с первым, а второго - с вторым входом суммирующего и вычитающего устройств, выходы которых подключены соответственно к приводам перемещения объектива и компенсатора сферической аберрации.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что предлагаемое техническое решение отличается наличием новых элементов, их расположением и их связями.

На фиг. 1 показана структурная схема устройства с предметом, нанесенным на удаленную от объектива сторону прозрачной подложки; на фиг. 2 - расположение фотоприемников в зрачке объектива; на фиг. За - ход лучей вблизи анализирующего растра при точной фокусировке и отсутствии сферической аберрации; на фиг. 36 - ход лучей вблизи анализирующего растра при расфокусировке; на фиг. Зв - ход лучей вблизи анализирующего растра при наличии сферической аберрации.

Устройство содержит осветитель 1 (см. фиг. 1), сканирующий растр 2, полупрозрачное зеркало 3, объектив 4, в который встроен подвижной компенсатор сферической аберрации 5, привод перемещения объекти- ва вдоль оси 6, анализирующий растр 7, четыре фотоприемника 8-11, два измерителя разности фаз 12 и 13, суммирующее устройство 14, вычитающее устройство 15 и

привод 16 компенсатора сферической аберрации 5.

Растры 2 и 7 расположены в плоскостях, сопряженных с предметом 17 в прямом и

обратном ходу лучей соответственно,

Фотоприемники 8-11 расположены в плоскости, сопряженной с зрачком объектива 4, причем сопряжение плоскости зрачка и плоскости фотоприемника 8-11 осуще0 ствляется коллективом 18. Фотоприемники 8 -11 лежат на.одной линии симметрично относительно оси (см. фиг. 2).

Выходы фотоприемников 8 и 9, расположенных децентрировано по разные стороны

5 от оси, соединены с входами первого измерителя разности фаз 12, а выходы фотоприемников 10 и 11, расположенных дальше от оси, соединены с входами второго измерителя разности фаз 13.

0 Выход измерителя разности фаз 12 соединен с первыми входами суммирующего устройства 14 и вычитающего устройства 15, а выход измерителя разности фаз 13 - с вторыми входами этих устройств. Выход

5 суммирующего устройства 14 соединен с приводом объектива 6, а выход вычитающего устройства 15-с приводом компенсатора сферической аберрации 16.

Устройство работает следующим обра0 зом.

Изображение сканирующего растра 2 строится через полупрозрачное зеркало 3 объективом 4 через прозрачную подложку на поверхность предмета 17. Отраженное от

5 поверхности предмета изображение перестраивается объективом 4 на поверхность анализирующего растра 7. При сканировании растра 2 его изображение на анализирующем растре 7 также будет

0 перемещаться. Анализирующий растр 7 имееттакой же шаг и направление штрихов, что и растр 2. В результате при сканировании в направлении, перпендикулярном направлении штрихов, штрихи изображения

5 растра 2 будут перекрыватьсмя штрихами анализирующего растра 7, что приведет к синусоидальной модуляции светового потока, проходящего через растр 7 и соответствующего изменению напряжения на выходе

0 фотоприемников 8 - 11.

Свет, прошедший через анализирующий растр 7, собирается коллективной линзой 18, которая в плоскости фотоприемников 8-11 строит изображение зрачка

5 объектива 4. При этом фотоприемники 8-11 выделяют из освещающего света пучки 18 - 21, падающие на анализирующий растр 7 под разными углами.

При точной фокусировке и отсутствии сферической аберрации плоскость 22, в которой построено изображение растра 2 (см. фиг. 1), совпадает с .анализирующим растром 7. При этом пучки 18 - 21 совпадают друг с другом в этой плоскости, поэтому фазы сигналов фотоприемников 8-11 (см. фиг. 1) также совпадают. Отсутствие разности фаз между сигналами, подаваемыми на измерители разности фаз 12 и 13, приводит к тому, что сигналы на выходах измерителей фаз 12 и 13 будут нулевыми. Соответственно будут нулевыми и сигналы на выходах суммирующего и вычитающего устройств 14 и 15. Приводы 6 и 16, подключенные к этим выходам, не будут перемещать объектив 4 и компенсатор 5.

При расфокусировке, т.е. смещении предмета 17с плоскости резкого изображения объектива 4, изображение растра 2 также сместится по отношению к анализирующему растру 7 (плоскость 22, фиг. 36). Это приведет к тому, что в плоскости анализирующего растра пучки 18 -21 уже не будут совпадать друг с другом. Это приведет к тому, что между сигналами фотоприемников 8 и 9, а также 10 и 11 (см. фиг. 1) появится фазовый сдвиг. Знак разности фаз будет указывать направление расфокусировки, а величина будет пропорциональна величине расфокусировке. На выходе измерителей разности фаз 12 и 13 появится ненулевой сигнал, который после суммирования суммирующим устройством 14 будет подан на привод 6 перемещения объектива 4 вдоль оси. Этот привод 6 будет перемещать объектив 4 до тех пор, пока поверх- ность предмета 17 не окажется в плоскости резкого изображения объектива 4 и, соответственно, плоскость 22 автоколлимационного изображения растра 2 не совпадет с анализирующим растром 7.

При изменении толщина прозрачной подложки, отделяющей предмет 17 от объектива 4, у объектива 4 появляется сферическая аберрации. Это означает, что плоскости резкого изображения для лучей идущих под малыми апертурными углами (пучки 18 и 19 на фиг. За - плоскость 23) и для лучей, идущих под большими апертурными углами пучки 20 и 21 - плоскости 24) будут отличаться. Это приведет к тому, что сигналы, формируемые на фотоприемниках 8 и 9 (см. фиг. 1) из света, распространяющегося по направлению лучей 18 и 19 будут иметь фазовый сдвиг со знаком, противоположным знаку фазового сдвига между сиг- налами фотоприемников 10 и 11 формируемых светом, распространяющимся по направлению пучков 7 света 20 и 21.

В результате на выходах измерителей разности фаз 12 и 13 будут сигналы, имеющие разный знак. Эти сигналы подаются на вычитающее устройство 15, на выходе устройства 15 сигнал, подаваемый на привод 16 компенсатора сферической аберрации. Этот привод 16 обеспечит такое перемещение компенсатора 5, чтобы сферическая аберрация объектива 4, т.е. разность между плоскостями 23 и 24 приближалась к нулю,

Таким образом, ухудшение качества как за счет расфокусировки, так и за счет увели- чения сферической аберрации в предлагаемом устройстве будет, автоматически компенсироваться подвижной объектив 4 и компенсатор сферической аберрации 5 вдоль оси.

Следует отметить, чти при расфокусировке фазовые сдвиги сигналов фотоприемников 8 и 9 и фотоприемников 10 и 11 не будут одинаковыми, что приведет к появлению сигнала на приводе 16 компенсатора 5 даже при отсутствии сферической аберрации. Однако, если скорость оебспечивае- мую приводом 6 объектива 4 сделать существенно больше скорости привода 16 компенсатора 5, привод 16 обеспечит автофокусировку, т.е. снижение сдвига фаз между сигналами фотоприемников 8 - 11 до незначительного уровня быстрее, чем привод 16 успеет сдвинуть компенсатор 5,

Предлагаемое устройство позволяет поддерживать высокое качество изображения проекционных объективов, имеющих высокую апертуру в условиях изменения отрезка между предметом и оптической системой дающего расфокусировку, а также при изменении толщины прозрачной подложки или кюветы, расположенной между объективом и предметом, что дает существенный эффект в автоматических микроскопах, установках ретуши фотошаблонов, лазерных установках локального осаждения и т.д.

Формула изобретения Устройство для фокусировки проекционного объектива, содержащее последовательно установленные осветитель, установленный с возможностью сканирования, растр, светоделитель, объектив с приводом перемещения вдоль оси, второй растр, два фотоприемника, расположенные в плоскости, сопряженной с входным зрачком объектива по разные стороны от оптической оси, и измеритель разности фаз, входы которого соединены с фотоприемниками, отличающееся тем, что, с целью повышения точности путем стабилизации качества изображения за счет компенсации сферической аберрации, в него дополнительно введены третий и четвертый фотоприемники, расположенные в той же

плоскости на одной с первыми двумя линиями симметрично относительно оси объектива, второй измеритель разности фаз, суммирующее и вычитающее устройства, а объектив выполнен с подвижным компенсатором сферической аберрации, снабженным приводом его перемещения, причем выходы третьего и четвертого фотоприемников соединены с входами второго измерителя разности фаз, выход первого измерителя разности фаз соединен с первыми, а второго - с вторыми входами суммирующего и вычитающего устройств, выходы которых подключены соответственно к приводам перемещения объектива и компенсатора сферической аберрации.

Изобретение относится к устройствам проекционной печати, в частности к фотоэлектрическим устройствам для стабилизации качества изображения. Цель изобретения - повышение точности путем стабилизации качества изображения за счет компенсации сферической аберрации. Изображение сканирующего растра 2 через полупрозрачное зеркало 3 объективом 4 создается на поверхности предмета 17. Отраженное от поверхности предмета изображение объективом 4 перестраивается на поверхность анализирующего растра 7. В результате сканирования в направлении, перпендикулярном направлению штрихов, штрихи сканирующего растра 2 перекрываются штрихами анализирующего растра 7, что приводит к синусоидальной модуляции светового потока, на фотоприемниках 8, 9, 10 и 11. При отсутствии сферической аберрации изображение сканирующего растра 2 совпадает с анализирующим растром 7. Разность фаз между сигналами, подаваемыми на измерители фаз 12 и 13, отсутствует, приводы 6 и 16 не перемещают объектив 4 и компенсатор 5. При расфокусировке между сигналами фотоприемников 8, 9, 10 и 11 появляется фазовый сдвиг, знак которого указывает направление расфокусировки, а величина его пропорциональна величине расфокусировки. На выходе ИФ 12 и 13 появляется сигнал, который после суммирования устройством 14 подается на привод б, который перемещает объектив 4 до тех пор, пока поверхность предмета 17 не окажется в плоскости резкого изображения объектива 4. 3 ил. (Л С

Фиг. 2.