Устройство для контроля качества объектива Советский патент 1992 года по МПК G01M11/00 

тем перед контролируемым объективом последовательно расположенные лззер, осветительную систему, преобразователь плоской волны в набор расходящихся сферических волн и расположенную в задней фокальной плоскости контролируемого объектива плоскость регистрации, преобразователь выполнен в виде набора линз, оптические оси которых параллельны оптической оси контролируемого обьектива, геометрические центры лежат на одной прямой, задние фокальные плоскости совпадают с плоскостью входного зрачка контролируемого объектива и имеют отверстие для освещения его плоской волной.

Отличительными признаками устройства являются выполнение преобразователя в виде набора линз, оптические оси которых параллельны оптической оси лазера, геометрические центры лежат на одной прямой, а задние фокальные плоскости совпадают с плоскостью входного зрачка объектива контролируемого объектива и имеют отверстие для освещения его плоской волной.

Такое устройство контроля объектива не известно и дает высокий полезный эффект, что позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию существенные отличия.

На фиг. 1 представлена функциональная оптическая система устройства; на фиг. 2 - вид А на фиг. 1; на фиг. 3-распределение интенсивности в плоскости регистрации.

Для пояснения сущности изобретения рассмотрим процесс формирования распределения интенсивности в задней фокальной плоскости объектива в предлагаемом устройстве.

Устройство содержит расположенные последовательно на одной оптической осм лазер 1, осветительную систему 2, преобразователь 3 в виде набора линз, оптические оси которых параллельны оптической оси контролируемого объектива 4, геометрические центры лежат на одной прямой, а задние фокальные плоскости совпадают с плоскостью входного зрачка объектива 4, плоскость 5 регистрации в задней фокальной плоскости объектива 4.

Устройство работает следующим образом.

Лазер 1 совместно с осветительной системой 2 формирует когерентную плоскую волну, преобразователь 3 преобразует плоскую волну в набор когерентных расходящихся сферических волн, а также из-за большей площади освещающей плоской волны по сравнению с площадью апертур

линз одновременно пропускает плоскую волну.

Например, при выполнении преобразователя из трех линз распределение поля в плоскости входного зрачка объектива 4 имеет вид

U(Ј) A + (Ј) +

+ 5(Ј-Ј°) + Ј),(1)

где А И В - амплитуды плоской и сферической волн соответственно;

Јо - расстояние от оптической оси до геометрических центров расходимости сфе- рических волн, расположенных в задних фокальных плоскостях линз;

б - дельта-функция Дирака. Аберрационная функция входного зрачка объектива 4, в плоскости которого распо- ложены центры расходимости сферических волн, в общем случае имеет вид

Р(Ј,Х) (| х)}(2)

. 2Я где к -i- волновое число;

Ф(Ј, X) СДЕ Ј + ССФ $ + Ско Ј° X + + СКР Ґ X2 + Сди § X3(3)

суммарная волновая аберрация объектива;

СдЕ,СсФ,Ско.Скр,Сдм - коэффициенты элементарных волновых аберраций - дефокусировка, сферической аберрации, комы, кривизны поля и дисторсиисоответственно. С учетом аберрационной функции входного зрачка объектива поле плоскости входного зрачка примет вид

U(|X) (Ј) + + 5($-&)) ехР

(кФ(ЈХ)}.(4)

В результате преобразования Фурье, выполняемого объективом 4, в его задней фокальной плоскости - плоскости 5 регист- рации, формируется поле вида

Т(Х, Ј) A h( exp{jk ФчЕт(|о,Х)}со8{2л:(УоХ - ФНЕЧ(Ј0,Х) .

Я)п t5J

где h(x) Р{ехрОк(СдЕ Ъ. + СсФ ) } - Функция рассеяния объектива:

ФНЕТ ( X) СДЕ $ + СсФ $ + СКР $ X2 четные волновые аберрации объектива;

ФнЕч|Јо;Х/ Ско|оХ+Сди|Х3 - нечетные волновые аберрации объектива;

Vo Јo/A f - пространственная частота распределения поля; Г - фокусное расстояние объектива;

А - амплитуда сферической волны, преобразованной объективом из плоской;

А - амплитуда плоских волн, преобразованных объективом из сферических волн.

Соответствующее распределение интенсивности имеет вид

1(х,)-т{х,}-Т(л11ГН А1Н(ф4А1Н(х)В1 со5{кФчет| )} + (ef U 44coS{kcpwjccs{2ir(VoX-)f (6} + (

Поскольку функция рассеяния h(X) сосредоточена вблизи оптической оси, то выражение (6) преобразуется в вид

I(x,)AtЬ(x)4AlЬlh(xlco5{kФ4sтV 4Bft,f4cos{kcP4el|co5(v0x-%l) +

Фи

. (7}

Из этого выражения, график которого приведен на фиг. 3, видно, что распределение интенсивности в заданной фокальной плоскости объектива представляет собой набор чередующихся с основной частотой Уо максимумов и с частотой 2Vo вторичных максимумов очень большим по интенсивности центральным максимумом, расположенным на оптической оси.

Таким образом, предложенное устройство позволяет автоматически получить по- ложение оптической оси в плоскости регистрации распределения интенсивности. При этом четные волновые аберрации искажают контраст распределения интенсивности на частоте V0, по величине которого можно определить величину четных волновых аберраций (4). Нечетные волновые аберрации искажают пространственную частоту распределения по сравнению с идеальной на величину

ДУ Фнеч/ЯХ.

В результате изменяется положение внеосевых точек распределения интенсивности X по сравнению с идеальными Хо на величину

ДХ Х-Хо Х0- AVcp/Vo. где

Хо

AVCp / (&HE4/A)dx/Axо

Интенсивность центрального максимума, расположенного на оптической оси объектива

10 КА ВД2 + 4A h(X)B cos {k ФНЕЧ

}

также зависит от четных аббераций - дефокусировки и сферической аберрации. Однако из-за меньшей апертуры линз по сравнению с апертурой освещающего пучка (т.е. из-за )зта зависимость слабая и ею обычно можно пренебречь.

В прототипе распределение интенсивности имеет вид (4)

I(xЛ)(B(f Ь4co5{kФЧeтlfcos 21r() PH

4соффв -,

т.е. состоит лишь из последнего слагаемого (7). С учетом конечного диаметра отверстий пространственного фильтра это распределение домножается на fal sin С (nd-j-jj ) т-е. имеет распределение P(X,$al(X;Ј) besing nd- -),

в котором интенсивности основных максимумов изменяются по закону besin С2

X

) результате относительная интенсивность максимумов изменяется от 1 (на оптической оси) до 0 на расстоянии от опти- 1,22 Л

чеСКОЙ ОСИ ХМакс

Г. Из-за малости

диаметра отверстий, обеспечивающего достаточную для регистрации интенсивность в заданном поле зрения объектива, интенсивность максимумов вблизи оптической оси практически не изменяется, поэтому невхэзможно с достаточной точностью выделить

центральный максимум распределения (на

оптической оси), относительно которого

оценивают величины нечетных аберраций.

Например, при фокусном расстоянии

контролируемого объектива f 200 мм и его поле зрения Хмакс 10 мм требуется диаметр отверстий фильтра не более чем

0

5

,22 0,6328-10

- з

200

1 22

-Ь±±- 0,012 мм

10

При таком диаметре отверстий интенсивность центрального максимума () отличается от максимума, отстоящего от оптической оси на расстоянии, например, Р.Х 0;5 мм, на величину менее 1 %. т.е. на величину, соизмеримую с контрастной чувствительностью регистрирующего устройства. Таким образом, погрешность определения положения оптической оси составляет более 0,5 мм. Этого недостаточно для того, чтобы даже приблизительно оценить величину нечетных аберраций. Например, при f 200 мм и волновой коме Ф ко 1 Я (изменение пространственной частоты распределения

1Л0.

А АО

это ведет к изменению расстояния до вне- осевой точки распределения на величину (при Vo 10 ).

ДХ - Xo AVcp/Vo 1/Vo 0,1 мм, что в несколько раз меньше, чем погрешность определения положения оптической оси. Поэтому для точной оценки волновых (нечетных) аберраций с помощью прототипа требуется дополнительно определять точное положение оптической оси, т.е. с погрешностью, на порядок меньшей, чем ДХ т.е. равной 0,01 мм. Такую точность можно обеспечить при дополнительном формировании одного центрального максимума на оптической оси - изображения точки при засветке апертуры контролируемого объектива когерентной плоской волной, Эта

операция требует дополнительного времени, вследствие чего производительность контроля предложенным устройством, в котором центральный максимум на оптической оси, много большей интенсивности, формируется одновременно с требуемым для контроля аберраций распределением интенсивности, существенно выше, чем в прототипе,

Формула изобретения

Устройство для контроля качества объектива, содержащее перед контролируемым объективом последовательно расположенные лазер, осветительную систему, преобразователь плоской волны в набор расходящихся сферических волн и расположенную в задней фокальной плоскости кон- тролируемого объектива систему регистрации, отличающееся тем, что,

с целью повышения точности контроля, преобразователь выполнен в виде набора линз, оптические оси которых параллельны оптической оси контролируемого объектива, геометрические центры лежат на одной

прямой, а задние фокальные плоскости совпадают с плоскостью входного зрачка контролируемого объектива.

Использование: оптическое приборостроение, для контроля волновых аберраций объективов. Сущность изобретения: лазер 1 и осветительная система 2 формируют конкретную плоскую волну, набор линз 3, задние фокальные плоскости которых совпадают с плоскостью входного зрачка контролируемого объектива 4, формируют расходящиеся сферические волны с центрами расходимости, лежащими на одной прямой. В задней фокальной плоскости контролируемого объектива регистрируют распределение интенсивности, а оценку аберраций производят по изменению расстояния от центрального максимума распределения интенсивности до внеосевой точки распределения интенсивности относительно идеального. 3 ил. сл с контролируемого объектива плоскость регистрации. Недостатком известного устройства является низкая производительность контроля, так как дополнительно требуется определение положения оптической оси в плоскости регистрации. Целью изобретения является повышение точности контроля объектива за счет автоматического получения положения оптической оси в плоскости регистрации. Цель достигается тем, что в устройстве для контроля качества объектива, содержаVI О g Ю

Фиг1

8идА

Фиг. 2

ч

/

/ I

I

ЭТТ