DE3007514A1 - Testing optical image forming system - using plane mirror to form auto-collimator producing image free of aberration - Google Patents
Testing optical image forming system - using plane mirror to form auto-collimator producing image free of aberrationInfo
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Abstract
Description
Vorrichtung zur Prüfung abbildender Device for testing imaging
Systeme Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Prüfung abbildender Systeme, bei der mittels des zu prüfenden abbildenden Systems von einer in der bildseitigen Brennebene des abbildenden Systems befindlichen Prüfstruktur ein Bild in der bildseitigen Brennebene entworfen und der Lichtfluß aus dem Prüfstrukturbild durch fotoelektrische Mittel in elektrische Signale gewandelt wird, aus denen die gewünschten Prüfungsgrößen ableitbar sind. Systems The invention relates to an apparatus for testing imaging Systems in which by means of the imaging system to be checked from one in the image-side Focal plane of the imaging system located test structure an image in the image side Focal plane designed and the light flux from the test structure image by photoelectric Means is converted into electrical signals from which the desired test parameters are derivable.
Derartige Vorrichtungen sind zum Abgleichen der Bildebene eines abbildenden Systems mit der Auffangebene für das von diesem System entworfene Bild erforderlich. Sie sollen aber auch zur Brennweitenmessung sowie zur Kontrolle der Kontrastübertragung des abbildenden Systems verwendbar sein.Such devices are for aligning the image plane of an imaging System with the capture plane required for the image designed by this system. But they should also be used to measure the focal length and to control the transfer of contrast of the imaging system.
Bei den klassischen Prüfgeräten dieser Art wird ein Strichbild durch einen Kollimator ins Unendliche abgebildet. Der Prüfling bildet das Strichbild entsprechend dem Brennweitenverhältnis Kollimator/Prüfling verkleinert in die Brennebene des Prüflings ab. Mit Hilfe einer Lupe oder eines Mikroskops wird durch Abstimmung auf beste Schärfe die Lage der Brennebene des Prüflings und damit die Ablage von einem vorgegebenen Sollmaß ermittelt. Durch Abwandlungen, wie Autokollimation, Symmetrieabgleich, bewegte Pupillen wurde die Empfindlichkeit dieser Art Messung verbessert.With the classic test devices of this type, a line image is displayed a collimator mapped to infinity. The test item forms the line image accordingly the collimator / specimen focal length ratio reduced to the focal plane of the Test object. With the help of a magnifying glass or a microscope, voting on best sharpness the position of the focal plane of the test object and thus the storage of one specified target size determined. Through modifications such as autocollimation, symmetry adjustment, Moving pupils improved the sensitivity of this type of measurement.
Gemeinsamer Nachteil dieser Geräte ist die Meßunsicherheit durch die subjektive Beurteilung und die Belastung des Prüfenden.The common disadvantage of these devices is the measurement uncertainty due to the subjective assessment and the burden on the examiner.
Es sind auch Abstimmgeräte bekannt, die diesen Nachteil nicht haben. Doch auch diese Geräte können die weiteren Nachteile der subjektiven Abstimmgeräte - wie Aberrationen und deren unterschiedliche Wirkung bei Verwendung an unterschiedlichen Objektivtypen sowie umfangreicher Geräteaufbau - nicht vermeiden.Voting devices are also known which do not have this disadvantage. But even these devices can have the other disadvantages of subjective voting devices - such as aberrations and their different effects when used on different Lens types as well as extensive device construction - do not avoid.
In der DE-OS 26 48 419 wird eine Prüfvorrichtung beschrieben, mit der die axiale Lage der Bildebene eines Objektivs objektiv meßbar ist. Diese Prüfvorrichtung umfaßt eine Lichtquelle, eine Testplatte, ein weiteres optisches System, einen aus einem optischen System und einem Hohlspiegel bestehenden Reflexionskollimator und eine Aufnahme für das zu prüfende Objektiv. Die Anordnung von Prüfling und Reflexionskollimator iet so getroffen, daß beide optische Achsen miteinander fluchten.In DE-OS 26 48 419 a test device is described with which the axial position of the image plane of an objective can be measured objectively. This tester comprises a light source, a test plate, another optical system, one off an optical system and a reflective collimator existing in a concave mirror and a receptacle for the objective to be tested. The arrangement of the test item and reflection collimator iet made so that both optical axes are aligned with one another.
Das zusätzliche optische System liegt ebenfalls in der gemeinsamen optischen Achse. Ferner enthält die vorbekannte Prüfvorrichtung einen elektronischen Schwinger, mit dessen Hilfe das zusätzliche optische System längs der optischen Achse schwingen kann. Auch ist eine elektronische Schaltung mit einem Synchrondetektor angeschlossenen Fotodetektor vorgesehen. Das die Testplatte durchdringende Licht durchsetzt den Prüfling sowie den Reflexionskollimator und erzeugt ein Bild der Testplatte. Dieses Bild entsteht genau auf der Testplatte, wenn die Scharfeinstellung des Prüflings korrekt ist. Das die Testplatte in entgegengesetzter Richtung durchdringende, die Abbildung erzeugende Licht beleuchtet nach diesem zweiten Durchgang durch die Testplatte den Fotodetektor mit maximaler Intensität.The additional optical system is also in the common optical axis. The previously known test device also contains an electronic one Oscillator, with the help of which the additional optical system along the optical Axis can swing. There is also an electronic circuit with a synchronous detector connected photodetector provided. The light penetrating the test plate penetrates the test specimen and the reflection collimator and generates an image of the Test plate. This image is created exactly on the test plate when the focus is adjusted of the test item is correct. The one that penetrates the test plate in the opposite direction, the image producing light illuminates after this second pass through the Test plate the photodetector at maximum intensity.
Liegen die Testplattenbilder vor oder hinter der Testplatte, so sinkt die Intensität des Lichtes, mit welchem der Fotodetektor beaufschlagt wird, weil ein Teil des bilderzeugenden Lichtes beim zweiten Durchgang durch die Testplatte ausgeblendet wird. Das schwingende optische System läßt das Bild der Testplatte in axialer Richtung schwingen und ermöglicht eine Aussage über die für eine exakte Fokussierung erforderliche Verlagerungsrichtung des Testplattenbildes.If the test plate images are in front of or behind the test plate, then decreases the intensity of the light with which the photodetector is applied, because a portion of the imaging light on the second pass through the test plate is hidden. The vibrating optical system leaves the image of the test plate vibrate in the axial direction and allows a statement about the for an exact Focusing required direction of displacement of the test plate image.
Der Nachteil auch bei dieser Vorrichtung liegt darin, daß der Reflexionskollimator ein Objektiv enthält, dessen sich von abbildendem System zu abbildendem System unterschiedlich bemerkbar machende Aberration bei der Auswertung der mit dieser Vorrichtung ermittelten Werte berücksichtigt werden muss . Dies erfordert bei dem ohnehin nicht geringen optischen Aufwand auch eine komplexe elektronische Schaltungsanordnung.The disadvantage of this device as well is that the reflection collimator contains a lens whose system differs from the imaging system to the imaging system noticeable aberration when evaluating the values determined with this device Values must be taken into account. This requires in any case no small amount optical complexity also requires a complex electronic circuit arrangement.
Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung anzugeben, die für alle Brennweiten der zu prüfenden abbildenden Systeme aberrationsfrei und außerdem mit der richtigen Farbtemperatur arbeitet. Mit ihr lassen sich durch Absolutmessung kleine Abstimmtoleranzen erreichen. Außerdem soll sich die neue Vorrichtung wegen geringen Aufwandes kostengünstigst darstellen lassen.The invention was based on the object of specifying a device which are aberration-free for all focal lengths of the imaging systems to be tested and also works with the correct color temperature. With it, through absolute measurement achieve small tuning tolerances. In addition, the new device should be because of can be represented inexpensively with little effort.
Die Lösung dieser Aufgabe für eine Einrichtung der eingangs genannten Art gelingt dadurch, daß das zu prüfende abbildende System zusammen mit einem Planspiegel ein Autokollimationssystem ist, welches die Prüfstruktur in die bildseitige Brennebene des Prüflings abbildet und daß eine elektronische Schaltungsanordnung zur Auswertung der von den fotoelektrischen Mitteln aus dem Lichtfluß des Prüfstruturbildes erzeugten Signalen vorgesehen ist.The solution to this problem for a facility of the type mentioned at the beginning Art succeeds in that the imaging system to be tested together with a plane mirror is an autocollimation system, which the test structure in the image-side focal plane of the test object and that an electronic circuit arrangement for evaluation generated by the photoelectric means from the light flux of the test structure image Signals is provided.
Es kann vorgesehen sein, daß als fotoelektrisches Mittel eine Diodenmatrix verwendet ist, die in der bildseitigen Brennebene des Prüflings räumlich neben der Prüf struktur angeordnet ist und vom Prüfstrukturbild überlagert wird.It can be provided that a diode matrix is used as the photoelectric means is used that is spatially next to the in the image-side focal plane of the test object Test structure is arranged and is overlaid by the test structure image.
Bei dieser Anordnung des fotoelektrischen Mittels enthält die elektronische Schaltungsanordnung ein Schieberegister, welches durch Abfragen der einzelnen mit dem Prüfstrukturbild beaufschlagten Diodenmatrixelemente eine Rechteckspannung aus-liest und umfaßt eine Vergleichsstufe, in welcher die Rechteckspannung mit einer vom Schieberegister ableitbaren Referenzspannung zur Ermittlung der Prüfungsgrößen verglichen wird.With this arrangement of the photoelectric means contains the electronic Circuit arrangement a shift register, which by querying the individual with the test structure image applied to the diode matrix elements reads a square-wave voltage and comprises a comparison stage in which the square wave voltage with one of the shift register derivable reference voltage is compared to determine the test parameters.
Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann die Prüfstruktur in der bildseitigen Brennebene des Prüflings derart angeordnet sein, daß über das Autokollimationssystem eine Abbildung auf sich selbst erfolgt, wobei Schwingmittel vorgesehen sind, die senkrecht zur optischen Achse des Autokollimationssystems eine Relativbewegung zwischen Prüfstruktur und Prüfstrukturbild erzeugen. Dabei können zur Umwandlung des aus dem Zusammenwirken von Prüfstruktur und Prüfstrukturbild resultierenden Lichtflusses in elektrische Signale wenigstens zwei fotoelektrische Empfängersysteme verwendet sein.In another embodiment of the invention, the test structure be arranged in the image-side focal plane of the test specimen in such a way that over the Autocollimation system takes a picture on itself, with vibration means are provided that are perpendicular to the optical axis of the autocollimation system Generate relative movement between test structure and test structure image. Here you can for converting the result of the interaction between the test structure and the test structure image resulting light flux in electrical signals at least two photoelectric Receiver systems must be used.
Es kann der Prdfstruktur ein optisches system nachgeordnet sein, welches ein Bild der Pupille entwirft, dessen jeder Hälfte wenigstens je ein fotoelektrisches Empfängersystem zur Umwandlung der aus den Pupillenhälften hervorgehenden Lichtflüsse in elektrische Signale zugeordnet ist.An optical system can be arranged downstream of the prdf structure, which creates an image of the pupil, each half of which is at least one photoelectric Receiver system for converting the light fluxes emanating from the halves of the pupil associated with electrical signals.
Zur Auswertung der Signale, insbesondere in Bezug auf die Abgleichung der Bildebene des abbildenden Systems auf die Auffangebene für das von diesem System entworfene Bild kann die elektronische Schaltungsanordnung Mittel aufweisen, welche die von den fotoelektrischen Empfängersystemen erzeugten Signale in Bezug auf ihre Phasenlage untersuchen.For evaluating the signals, especially with regard to the adjustment the image plane of the imaging system to the capture plane for that of this system designed image, the electronic circuit arrangement may have means, which the signals generated by the photoelectric receiver systems in relation to their Investigate the phase position.
Soll beispielsweise die Kontrastübertragung des abbildenden Systems kontrolliert werden, kann die elektronische bchaltungsanordnung Mittel zur Amplitudenmessung und zum Amplitudenvergleich umfassen.Should, for example, the contrast transmission of the imaging system can be controlled, the electronic circuit arrangement means for amplitude measurement and for amplitude comparison.
In der Zeichnung ist die Erfindung in Ausführungsbeispielen schematisch dargestellt und im folgenden näher beschrieben: Es zeigen: Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel mit feststehender Prüfstruktur, Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel mit bewegter Prüfstruktur, Fig. 2a der zur fotoelektrischen Auswertung genutzte Prüfstrukturbereich nach Fig. 2 in Einze-lheit Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel mit bewegter Prüfstruktur und Abbildung der Prüflingspupille und Fig. 3a den gerne Fig. 3 fotoelektrisch auszuwertenden Prüfstrukturbereich in Einzelheit.In the drawing, the invention is shown schematically in exemplary embodiments and described in more detail below: They show: FIG. 1 an exemplary embodiment with a fixed test structure, FIG. 2 shows an exemplary embodiment with a moving test structure, 2a shows the test structure area used for photoelectric evaluation according to FIG. 2 in detail 3 shows an exemplary embodiment with a moving test structure and image of the test object pupil and FIG. 3a the image of FIG. 3 which is to be evaluated photoelectrically Test structure area in detail.
Ein abbildendes System als Prüfling 1, dessen Bildebene mit der Auffangebene eines von ihm entworfenen Bildes abgeglichen werden soll, ist in Fig. 1 mittels einer nicht mit dargestellten Aufnahme im Beleuchtungsstrahlengang einer Lichtquelle 2 gelagert. Der Prüfling 1 bildet zusammen mit einem Planspiegel 3 ein Autokollimationssystem.An imaging system as test item 1, its image plane with the collecting plane an image designed by him is to be adjusted is shown in FIG. 1 by means of a recording, not shown, in the illuminating beam path of a light source 2 stored. The test item 1, together with a plane mirror 3, forms an autocollimation system.
In der bildseitigen Brennebene 4 des Prüflings 1 befindet sich eine Prüfstruktur 5, die - über einen Umlenkspiegel 6 durch die Lichtquelle 2 beleuchtet - vom Prüfling 1 nach Unendlich abgebildet wird. Gemäß dem Autokollimationsprinzip wird das von der Prüfstruktur 5 im UnendLichen entworfene Bild vom Planpiegel 3 reflektiert und vom Prüfling 1 auf eine Diodenmatrix 7 abgebildet, die ebenfalls in der bildseitigen Brennebene X des Prüflings 1 angeordnet ist.In the image-side focal plane 4 of the test piece 1 there is one Test structure 5 which - illuminated by the light source 2 via a deflecting mirror 6 - is mapped from the test item 1 to infinity. According to the autocollimation principle the image designed by the test structure 5 in infinity is of the plane mirror 3 reflected and imaged by the test item 1 on a diode matrix 7, which also is arranged in the image-side focal plane X of the test specimen 1.
Mittels eines dieser Matrix 7 nachgeordneten Schieberegisters S werden in einem bestimmten Zeittakt die einzelnen Elemente 7a-7n der mit dem Bild der Prüfstruktur 5 beaufschlagten Diodenmatrix 7 auf die Stärke ihrer Beaufschlagung abgefragt. Aus der Größe der bei der Abfrage anfallenden Signale wird eine Rechteckspannung erzeugt, die einer Vergleichsstufe 9 zugeführt wird, in der sie mit einer vom Schieberegister 3 abgeleiteten Referenzspannunz Uref verglichen wird. Die sich aus dem Vergleich ergebende Differenz wird mittels einer Anzeigevorrichtung 10 angezeigt.By means of a shift register S arranged downstream of this matrix 7 the individual elements 7a-7n with the image of the test structure in a certain time cycle 5 applied diode matrix 7 is queried for the strength of their application. the end A square wave voltage is generated according to the size of the signals occurring during the query, which is fed to a comparison stage 9 in which it is compared with one of the shift registers 3 derived reference voltage Uref is compared. Which emerges from the comparison resulting The difference is displayed by means of a display device 10.
In Fig. 2 ist eine alternative Ausführungsform für die neue Vorrichtung dargestellt. Wie in Fig. 1 bildet der Prüfling 1 mit dem Planspiegel 3 ein Autokollimationssystem. Wiederum befindet sich in der bildseitigen Brennebene 4 des Prüflings 1 eine Prüfstruktur 5, die über einen Umlenkspiegel 6 von der Lichtquelle 2 beleuchtet und über das aus Prüfling 1 und Planspiegel 3 bestehende Autokollimationssystem - im Gegensatz zu dem in Fig. 1 beschriebenen - auf sich selbst abgebildet wird. Da die Prüfstruktur 5 durch einen Antrieb 11 in der bildseitigen Brennebene 4 in Richtung des Doppelpfeiles 12 senkrecht zur optischen Achse bewegt wird, entsteht as der Überlagerung von Prüfstruktur 5 und deren Bild hinter der Prüfstruktur 5 ein moduLierter Lichtfluß. Der Prüfstruktur 5 nachgeordnete fotoelektrische Empfängersysteme 13 und 14 wandeln diesen den Bereich der Prüfstruktur 5 (Fig. 2a) verlassenden, modulierten Lichtfluß in elektrische Signal - um,die in einem den fotoelektrischen Empfängersystemen 13,1 ,nach geschalteten Phasendetektor 15 auf ihre Phasenlage verglichen werden. Bei exaktem Abgleich zwischen Bildebene und Auffangebene sind die von den fotoelektrischen Empfängersystemen 13,14 erzeugten elektrischen Signale in Phase.In Fig. 2 is an alternative embodiment for the new device shown. As in FIG. 1, the test specimen 1 forms an autocollimation system with the plane mirror 3. A test structure is again located in the image-side focal plane 4 of the test object 1 5, which is illuminated by the light source 2 via a deflection mirror 6 and via the Autocollimation system consisting of test item 1 and plane mirror 3 - in contrast to that described in Fig. 1 - is mapped onto itself. As the test structure 5 by a drive 11 in the image-side focal plane 4 in the direction of the double arrow 12 is moved perpendicular to the optical axis, arises as the superposition of the test structure 5 and its image behind the test structure 5, a modulated light flux. The test structure 5 downstream photoelectric receiver systems 13 and 14 convert this area the test structure 5 (Fig. 2a) leaving, modulated light flux into electrical Signal - to, which in one of the photoelectric receiver systems 13.1, switched after Phase detector 15 are compared to their phase position. With an exact comparison between The image plane and the collecting plane are those of the photoelectric receiver systems 13, 14 generated electrical signals in phase.
Bei nicht abgestimmtem Prüfling sind die Phasen der Signale gegeneinander verschoben. Die Größe der Phasenschiebung ist dem Abgleichmaß und der Brennweite des Prüflings 1 proportional. Sie wird durch eine dem Phasendetektor 15 nachgeschaltete Anzeigevorrichtung 10, sichtbar gemacht.If the DUT is not matched, the phases of the signals are against each other postponed. The size of the phase shift is the adjustment dimension and the focal length of the test item 1 proportionally. It is connected downstream of the phase detector 15 Display device 10, made visible.
Als Anzeigevorrichtung eignet sich beispiebveise ein Oszillograf mit Lissajou-Darstellung, ein Spannungsmesser, ein Nullabgleichsinstrument, eine Intra-/Extrafokal-Anzeige oder eine Digitalanzeigevorrichtung.An oscillograph is, for example, also suitable as a display device Lissajou display, a voltmeter, a zero balancing instrument, an intra / extra focal display or a digital display device.
Eine weitere Ausführungsform ist in Fig. 3 gezeigt.Another embodiment is shown in FIG.
Sie arbeitet im Prinzip wie die in Fig. 2 beschriebene.In principle, it works like that described in FIG.
Zur Verbesserung der Signalausbeute ist hier jedoch hinter der Prüfstruktur 5 ein optisches System 16 angeordnet, mit dem die Pupille des Prüflings 1 in eine Ebene 17 abgebildet wird, in der die fotoelektrischen Empfängersysteme 13 und 14 gelagert und jeweils einer Pupillenhälfte 18 bzw. 20 des Prüflings 1 zugeordnet sind (Fig. 3a).To improve the signal yield, however, there is behind the test structure 5, an optical system 16 is arranged, with which the pupil of the test object 1 in a Level 17 is mapped in which the photoelectric receiver systems 13 and 14 stored and each assigned to a pupil half 18 or 20 of the test object 1 are (Fig. 3a).
Die aus diesen Pupillenhälften über die fotoelektrischen Empfängersysteme gewonnenen elektrischen Signale werden - wie in Fig. 2 beschrieben - in Bezug auf ihre Phasen untersucht und ausgewertet. Die ermittelten Werte werden ebenfalls wie zu Fig. 2 beschrieben angezeigt. Treten bei den in den Fig. 1-3 beschriebenen Ausführungsformen der neuen Vorrichtung anstelle der Phasenmess- bzw. -vergleichsschaltungen Schaltungsanordnungen (19), mit welchen die Signalamplituden gemessen und verglichen werden können, dann kann mit den Vorrichtungen die Qualität der Kontrastübertragung überprüft werden.From these halves of the pupil via the photoelectric receiver systems Electrical signals obtained are - as described in FIG. 2 - with reference to their phases are examined and evaluated. The determined values are also like to Fig. 2 described displayed. Occur in the embodiments described in Figs. 1-3 of the new device instead of the phase measurement or comparison circuits circuit arrangements (19), with which the signal amplitudes can be measured and compared, then the quality of the contrast transfer can be checked with the devices.
Wie sich gezeigt hat, eignen sich die beschriebenen Abgleichvorrichtungen sehr gut zur Blendendifferenzmessung, da bei der Ermittlung des Abstimmaßes keine Verstellung der Vor- richtung, sondern nur die Ablesung eines Meßwertes erfolgt.As has been shown, the balancing devices described are suitable very good for measuring the f-stop difference, as there are none when determining the tuning dimension Adjustment of the direction, but only the reading of a measured value he follows.
Von besonderem Vorteil ist bei der neuen Vorrichtung der einfache , den Prüfling ins Meßsystem einbeziehende Aufbau sowie die mit ihr erzielbare hohe Meßgenauigkeit.The simple one is of particular advantage with the new device , the test specimen in the measurement system and the achievable high Measurement accuracy.
Das Abstimmkriterium ist nicht die einer subjektiven Beurteilung unterliegende Bildschärfe, für die es ohnehin keine geeignete Definition gibt, sondern die exakt meßbare Vergrößerungsdifferenz zwischen Prüfstruktur und deren Bild infolge einer Defokussierung. Die Empfindlichkeit der Vorrichtung ist außerdem mitbestimmt durch Benutzung des Prüflings in Autokollimation.The voting criterion is not subject to a subjective assessment Image sharpness for which there is no suitable definition anyway, but the exact one measurable difference in magnification between the test structure and its image as a result of a Defocus. The sensitivity of the device is also determined by Use of the test item in autocollimation.
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- 1980-02-28 DE DE19803007514 patent/DE3007514A1/en not_active Ceased
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