CC BY
62
УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА МИКРООБЪЕКТИВОВ НА ОСНОВЕ ФУНКЦИИ РАССЕЯНИЯ ТОЧКИ
В.А. Тимофеев Научный руководитель - д.т.н., профессор С.М. Латыев
В работе описана схема установки контроля качества микрообъективов по дифракционному изображению точки с приемником ПЗС, обосновано применение в приборе функции рассеяния точки, представлены полученные фотографии и распределение интенсивности.
Введение
Микроскоп - это оптический прибор, предназначенный для наблюдения мельчайших предметов (препаратов или объектов). Объектив, являясь основной и наиболее ответственной частью микроскопа, представляет собой сложную оптическую систему, дающую увеличенное изображение предмета. В силу этого при производстве микрообъектива предъявляются жесткие требования к качеству изображения, создаваемого им. На практике процесс выявления и устранения технологических ошибок изготовления микрообъективов достаточно трудоемок [2]. Для уменьшения только сферической аберрации сборщику необходимо 3-4 раза полностью разобрать объектив, подрезать кольцо и снова собрать его. Уровень развития современной вычислительной техники и приемников излучения позволяет создать установку, которая значительно ускорит и дешевит процесс сборки микрообъективов. Одним из таких приборов является лазерный телевизионно-компьютерный изофотометр ФРТ [1], созданный в СПбГУ ИТМО. Использование ПЗС-матрицы вместо видикона и более совершенной электроники, посредством которой изображение точки в виде графического файла передается в вычислительную машину, рассчитывающую необходимую толщину прокладного кольца, сокращает количество циклов сборки-разборки объектива до одного раза.
Таким образом, применение подобной системы в производстве микрообъективов позволяет ускорить их конечную сборку и, как следствие, снизить их себестоимость. Создание такой системы контроля требует следующего:
1. создание установки,
2. проведение исследований,
3. написание программы (soft).
Физическая основа работы
Приступая к разработке прибора, необходимо определиться с терминами, понятиями, а также способами реализации поставленной задачи.
Под качеством продукции понимают совокупность свойств, относящихся к ее способности удовлетворять потребности в соответствии с ее назначением. Основной задачей микрообъектива как дифракционно-ограниченной системы является получение увеличенного изображения исследуемого объекта. Структура и форма светового поля в пространстве изображений подобна структуре и форме предмета, однако оптическая система вносит в эту структуру свои изменения, оценка которых есть оценка качества изображения. При этом присутствие искажений (аберраций), заметных глазу, недопустимо. Таким образом, оценка качества объектива напрямую связана с анализом изображения, построенного им. Теоретически существует несколько критериев качества оптической системы. К ним относятся:
• разрешающая способность,
• функция рассеяния точки,
• частотно-контрастная характеристика.
На практике, особенно в условиях крупносерийного производства, характеризовать качество системы функциональной зависимостью неудобно и трудоемко. Здесь для оценки системы часто пользуются одним числом. Это число получают путем анализа выбранной характеристики качества изображения или непосредственно из изображения выбранного тест-объекта.
Среди прочих первичной характеристикой качества оптической системы служит функция рассеяния точки. Она является однозначной интегральной характеристикой, учитывающей не только все особенности общей волновой поверхности, сформированной системой, но также и микрорельеф оптических поверхностей, блики, возникающие в оптической системе, изменение пропускания на зрачке, сдвиги изображения, появляющиеся при колебании прибора. Функция рассеяния точки позволяет в осредненной и мгновенной форме учитывать флюктуации воздушного тракта, непрерывно изменяющиеся во времени по сложному случайному закону. ФРТ дает возможность надежно аттестовать качество изображения системы с несколькими зрачками и систем, работающих в частично когерентном свете при изменяющейся степени когерентности. Будучи первичной характеристикой качества изображения, ФРТ позволяет перейти к другим характеристикам качества изображения таким, как ЧКХ, критерий Штреля, функция концентрации энергии и др. Таким образом, первой и основной задачей при исследовании качества изображения оптической системы является получение функции рассеяния точки [1].
Применительно к микрообъективам ФРТ позволяет выявить остаточные аберрации и, как следствие, недоработанные компоненты. В безаберрационной системе ФРТ состоит из центрального максимума, в котором содержится 83% всей энергии и побочных максимумов, имеющих форму кольца (см. рис. 1).
Рис. 1. Функция рассеяния точки
Центральный максимум называют кружком Эри. Его диаметр в реальных координатах на изображении составляет:
Л = ^ , (1)
А'
где А' - апертура осевого пучка в пространстве изображений.
Влияние малых аберраций на ФРТ проявляется в перераспределении энергии, т.е. увеличивается интенсивность побочных максимумов при сокращении интенсивности кружка Эри. При этом дифракционная картина сохраняется (см. рис. 2).
Рис. 2. ФРТ в условиях аберраций
Аберрации разных типов по-разному влияют на вид пятна рассеяния (картину Эри). В случае симметричных аберраций (расфокусировка, сферическая) сохраняется радиальная симметрия пятна (рис. 3, а). В случае несимметричных аберраций (кома, астигматизм) симметрия пятна нарушается (рис. 3, б, в) [3].
Рис. 3. Виды аберраций а) расфокусировка; б) кома; в) астигматизм
Дальнейшее увеличение аберраций ведет к трансформации дифракционного изображения в пятно рассеяния.
Оптическая схема установки
Оптическая схема установки для исследования представлена на рис. 4. Исследуемый объектив 2 строит изображение светящийся точки 1 в плоскости полевой диафрагмы 6, которое затем проецируется оптической системой 3 на ПЗС-матрицу 4. Далее изображение выводится на монитор 5. Использование вспомогательной оптической системы с необходимым увеличением позволяет исследовать любой микрообъектив с увеличением Уобиссл от 3 х и более. Общее увеличение системы ¥общ при электронном
увеличении ¥эл 50х составляет 9000х и более:
^общ
об.иссл х Увспм х Гэл = 3 х 60 х 50 = 9000*
(2)
где Увс
увеличение вспомогательной оптической системы.
Рис. 4. Оптическая схема установки
Конструктивно в качестве вспомогательного увеличения возможно использование следующей оптики.
1. Связка окуляра микроскопа и объектива. Общее увеличение системы:
V = -!об_ (3)
' вспом Г! ' V-V 1 ок
где /Об - фокусное расстояние используемого объектива, /0к - фокусное расстояние используемого окуляра [4].
2. Окуляр микроскопа, выдвинутый на расстояние ъ из тубуса. Общее увеличение системы:
V =1ок ( 4)
' вспом ' V V
2
где /ок - фокусное расстояние используемого окуляра, 2 - величина выдвижения окуляра из тубуса [4].
3. Фотообъектив. Общее увеличение системы:
V =±оо- (5) ' вспом ' \ /
2
где /об - фокусное расстояние используемого объектива, 2 - расстояние от переднего
фокуса объектива до рассматриваемого изображения [4]. 4. Микрообъектив. Общее увеличение системы:
V = воб, (6)
где воб - увеличение вспомогательного объектива.
Рис. 5. Оптическая схема установки на основе микрообъектива
Проведенный анализ оптики позволяет строить прибор на основе измерительного биологического микроскопа, в котором окуляр заменяется микрофотонасадкой. При этом объектив, подлежащий аттестации, работает в расчетном ходе лучей, что благоприятно сказывается на достоверности полученных данных. Кроме того, использование
механизмов наводки на изображение, примененных в микроскопе, облегчает расчет прибора. Схема представлена на рис. 5. Исследуемый объектив 2 строит изображение светящийся точки 1 в плоскость полевой диафрагмы 6, которое затем проецируется вспомогательным микрообъективом 3 на ПЗС-матрицу 4. Далее изображение выводится на монитор 5.
Результаты исследований
В ходе работы предполагается исследование микрообъективов различных увеличений и апертур, а также их компонентов. Основной задачей является выявление зависимостей величины аберраций от геометрических и оптических характеристик отдельных оправ, колец и линз соответственно. При положительном результате будет разработана конструкция устройства и методика, ускоряющие сборку объективов.
Примеры фотографий дифракционной картины для бракованного и исправленного микрообъективов представлены на рис. 6, 7 соответственно.
Объектив 40х обладает комой, в котором преднамеренно децентрирована вторая линза. Полученные фотографии и пространственное распределение интенсивности, построенное в среде МаШСаё, указаны на рис. 6.
а б
Рис. 6. а - фотография точки объектива с комой; б - пространственное распределение интенсивности
а б
Рис. 7. а - фотография точки исправленного объектива; б - пространственное распределение интенсивности
В качестве исправленного объектива применяется микрообъектив 20х. Полученное дифракционное изображение и распределение интенсивности представлены на рис. 7.
Заключение
Результатом проведенной работы явилась разработанная конструкция устройства для контроля качества микрообъектива. Практические исследования показали возможность контроля данным способом производимых объективов. Основной проблемой является большой уровень шумов, что резко снижает точность. В этом направлении необходима дальнейшая работа.
Литература
1. Кирилловский В.К. Контроль качества объективов: Учеб. пособие. - Л.: ЛИТМО, 1984. - 70 с.
2. Латыев С.М., Егоров Г.В., Каракулев Ю.А., Тимощук И.Н. Конструирование деталей и сборочных единиц оптико-электронных приборов: Учеб. пособие. - Ч. 2. -СПб: СПбГИТМО (ТУ), 2003. - 125 с.
3. Родионов С.А., Вознесенский Н.Б., Иванова Т.В. Конспект лекций по курсу «Основы оптики»: Учеб. пособие. - СПб: СПб ГИТМО (ТУ), 2001. - 130с.
4. Скворцов Г.Е., Панов В.А., Поляков Н.И., Федин Л.А. Микроскопы. - Л.: Машиностроение, 1969. - 512 с.
