Сигналы ошибки фокусировки

Большинство методов получения сигналов ошибки фокусировки основаны на том факте, что лазерный луч отражается диском точно в обратном направлении только в случае, когда фокус луча находится точно на поверхности диска. Если ввести некоторую асимметрию в оптический путь отраженного пучка, то появляется возможность выделять сигнал отклонения фокуса от поверхности диска. Диск не должен нести никакой информации специально для фокусировки.

Метод ножа Фуко. На рис(а). представлена схема метода, использованного Фуко для контроля сферичности астрономических зеркал.

Рис. Схематическое изображение устройства для исследования зеркал по методу Фуко при смещении края ножа относительно фокуса на небольшое расстояние Δ z (а) и зависимость разностного сигнала двух детекторов от Δ z (б); более стабильный вариант метода Фуко, в котором нож заменен бипризмой (в):

Предполагается, что зеркало З на рис., а точное; нож Н, т. е. край непрозрачной плоскости, находится не в фокусе. Это приводит к появлению неравномерности в освещенности экрана Э. Непосредственно вблизи оптимального фокуса распределение света сложное, однако на небольшом расстоянии Δ Z от фокуса становится допустимым геометрическое приближение и расфокусировка приводит к увеличению освещенности одной половины экрана относительно другой. Если в плоскости экрана расположить два детектора Д₁, Д₂, то сигнал ошибки фокусировки будет равен разности двух сигналов детекторов. Сигнал ошибки фокусировки изменяется от максимального положительного до максимального отрицательного значения при перемещении ножа относительно фокуса на расстояние около четырех глубин фокуса (рис. б) и не очень быстро спадает до нуля. Это расстояние, измеренное на детекторе, соответствует перемещению поверхности диска на две глубины фокуса вследствие отражательного характера системы. Крутая зависимость разностного сигнала вблизи фокуса (от смещения ножа вдоль оси) обеспечивает высокую чувствительность метода к ошибкам фокусировки.

Значительная область расфокусировки, в которой сигнал отличен от нуля, обеспечивает большой диапазон захвата сервосистемы. Слишком малый диапазон захвата может привести к паразитным точкам пересечения сигналом нулевого уровня в момент включения сервосистемы. Положение ножа определяет баланс световых потоков на детекторах при точной фокусировке на диск, а небольшие отклонения фокуса от ножа воспринимаются как сигнал расфокусировки и соответствующим образом «корректируются» сервосистемой. Для уменьшения чувствительности метода к расстройке элементов вместо ножа применяют бипризму (рис., в). С помощью четырех детекторов Д₁ – Д₄ сигнал ошибки выделяют путем соединения их по схеме

Д₁–Д₂–Д₃+Д₄. Смещение грани призмы увеличит световой поток, например, на детекторах Д₁ и Д₂, однако это не приведет к смещению плоскости настройки фокуса, а лишь немного уменьшит крутизну сигнала. Сигнал детекторов Д₁+Д₂–Д₃–Д₄ может быть использован в качестве сигнала ошибки положения призмы.

Метод частичного перекрытия зрачка. На рис. изображена схема метода, который очень похож на метод ножа Фуко.

Рис. Методы частичного перекрытия зрачка с помощью ножа Н, расположенного далеко от фокуса (а), и при замене ножа бипризмой (б)

В данном методе край непрозрачного экрана расположен вдали от точки фокуса отраженного пучка, а двухплощадочный детектор расположен точно в фокусе. Из построения хода лучей в приближении геометрической оптики видно, что разностный сигнал двухплощадочного детектора может служить достаточно хорошим сигналом ошибки фокусировки. Для определения крутизны сигнала ошибки фокусировки вблизи фокуса необходимо учесть дифракционные эффекты. Вместо непрозрачного экрана обычно применяют бипризму и два двухплощадочных детектора вместо одного (рис. б). Параметром, наиболее чувствительным к смещению элементов, является положение двухплощадочного детектора; применение сдвоенной конструкции с призмой существенно снижает эту чувствительность.

На рис. показано распределение интенсивности в плоскости детектора.

Рис. Рассчитанные распределения интенсивности света по поверхности детектора в случае полуперекрытого фокусируемого пучка (а) и при смещении сканирующего пятна относительно поверхности диска на 2 мкм (6). Предполагается, что луч, отраженный от диска, аберраций не имеет. Единицей масштаба по осям является величина λ /NА (NA=0, 10 со стороны детектора), равная в данном случае 8 мкм

Линия, разделяющая фотоприемные площадки, соответствует координате х=0. Луч точно фокусируется на детекторе, и распределение интенсивности симметрично. На рис., б сканирующее пятно смещено на 2 мкм от положения оптимального фокуса на диске (одна глубина фокуса) и большая часть света падает уже на одну площадку детектора. На рис. 2.54 показан сигнал ошибки фокусировки, полученный по этому методу.

Рис. Сигнал ошибки фокусировки, полученный по методу перекрытия пучка. Вдоль горизонтальной оси отложены значения величины расфокусировки сканируюшего пятна относительно оптического диска. Поскольку метод считывания отражательный, смещение фокуса в плоскости детектора в 2 раза больше

Астигматический метод. Этот метод предложен Брико с соавторами. Асимметрия в осевом направлении возле области фокусировки астигматического пучка проявляется в том, что по обе стороны плоскости «наилучшей» фокусировки имеются взаимно перпендикулярные астигматические линии. На рис. астигматические линии обусловлены наличием цилиндрической линзы, расположенной в отраженном пучке.

Рис. Иллюстрация фокусирования астигматического пучка с двумя астигматическими линиями в фокальной области. Схематически изображено распределение света на детекторе для случая, когда положение детектора близко к положению вертикальной фокальной линии

Сигнал ошибки фокусировки получается с помощью 4-квадрантного детектора, линии раздела фотоприемных площадок которого расположены под углом 45 градусов к фокальным линиям, причем отдельные квадранты соединены по схеме

Д₁–Д₂+Д₃–Д₄.

Оптическая сила цилиндрической линзы определяет расстояние по оси между астигматическими линиями и крутизну сигнала ошибки вблизи фокуса. В данном случае необходимо соблюдать компромисс между диапазоном захвата и чувствительностью. Практически значение астигматической аберрации фронта W₂₂, равное 3 или 4, является хорошим компромиссом. В режиме точного расположения фокуса на поверхности диска распределение света на 4-квадрантном детекторе соответствует плоскости «наилучшей фокусировки» или «пятна с наименьшими искажениями». Вариации интенсивности света в поперечном сечении пучка в этой астигматической фокальной точке сглаживаются, и поэтому дублирование конструкции нецелесообразно для надежной работы этого устройства.