Поляризационный интерферометр сдвига

 

ПОЛЯРИЗАЦИОННЬЙ ИНТЕРФЕРОМЕТР СДВИГА, содержащий осветительную систему, состоящую из источника монохроматического поляризованного излучения и .коллиматора, столик, установленный с возможностью поперечного перемещения, бифокальную линзу, расположенную на столике, и анализатор , отличающийся .тем, что, с целью обеспечения возможности измерения продольного сдвига, он снабжен четв.ертьволновой пластинкой, установленной между коллиматором и бифокальной линзой так, что оси четвертьволновой пластинки составляют угол 45 с осями бифокальной линзы, анализатор расположен под углом 45 к оптическим осям бифокальной линзы, а столик выполнен с возможностью про (Л дольного перемегаения. (Put.l

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК аа (и) эС5п С 01 В 9/02

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Вжать ай" г,":., (21) 3520412/18-28 (22) 22.10.82 (46) 30.05.84,Бюл. и 20 (72) 10.В.Осипов, А.У.Умбетов и В.С.Фирсов (71) Ленинградский ордена Ленина . электротехнический институт им. В.И.Ульянова (Ленина) (53) 53 1.715. 1(088.8) (56) 1. Francon M. 0ptica К Interfегоmetry, 1966, Academic Press, Part VII, р. 137-161.

2. Tsuruta Т. — Арр Lied Optics

1963, чоР. 2,Р 4, р.371-378 (прототип). (54) (57) ПОЛЯРИЗАЦИОННЬП1 ИНТЕРФЕРОМЕТР СДВИГА, содержащий осветительную систему, состоящую иэ источника монохроматического поляризованного излучения и .коллиматора, столик, установленный с возможностью поперечного перемещения, бифокальную линзу, расположенную на столике, и анализатор, отличающийся .тем, что, с целью обеспечения возможности измерения продольного сдвига, он снабжен четвертьволновой пластинкой, установленной между коллкматором и бифокальной линзой так, что оси четвертьволновой пластинки составляют угол 45 з с осями бифокальной линзы, анализатор расположен под углом 45 к оптическим осям бнфокальной линзы, ф а столик выполнен с воэможностью продольного перемещения.

1095033

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к оптическим интерференционным приборам, служащим для измерения параметров световых пучков (перемещений, угловой 5 расходимости, пространственной icoreрентности), а также оптических передаточных функций контролируемых объектов (например, объективов), Известны поляризационные интерферометры сдвига, в которых сдвиг волновых фронтов осуществляется с цомощью устройств в виде плоскопараллельных пластинок и клиньев (как в отдельности, так и в их сочетании), изготавли- 15 ваемых из двупреломляющих кристаллов: исландского шпата (CaCO ), кварца (SiOp) Я

Недостатком известных интерферометров является то, что высокая чувствительность измерений достигается лишь при работе со световыми пучками, обладающими малыми углами сходимости

< 10î)

Наиболее близким по технической сущР ности к изобретению является поляризационный интерферометр сдвига, содержащий осветительную систему, состоящую из источника монохроматического поляризованного излучения и кол- у> лиматора, столик, установленный с возможностью поперечного перемещения, бифокальную линзу, расположенную на столике, и анализатор (2j, Измерение разности хода, вносимой контролируемым объектом, производится методом компенсации путем поперечного сдвига второй бифокальной линзы. Отсчет разности двух положений компенсатора показывает измеряе- 4О мую разность хода.

Известный интерферометр по принципу своего действия является интерферометром поперечного сдвига, т.е. он позволяет проводить измерения разнос- 45 ти хода в направлении, перпендикулярном оси прибора.

Таким образом, известный интерферометр может давать информацию об оптической передаточной функции контролируемого объекта только в поперечном измерении (х,у) .

Целью изобретения является обеспечение воэможности измерения продольного сдвига.

Поставленная цель достигается тем, что поляриэационный интерферометр сдвига, содержащий осветительную систему, состоящую из источника монохроматического поляризованного излучения и коллиматора, столик, установленный с возможностью поперечного перемещения, бифокальную линзу, расположенную на столике, и анализатор, снабжен четвертьволновой пластинкой, установленной между коллиматором и бифокальной линзой так, что, оси четвертьволновой пластинки составляют угол 45 с осями бифокальной линзы, анализатор расположен под углом 45 к оптическим осям бифокальО ной линзы, а столик выполнен с возможностью продольного перемещения.

На фиг.1 изображена принципиальная схема поляризационного интерферометра сдвига; на фиг.2 — взаимное расположение осей бифокальной линзы, осей четвертьволновой пластинки и оси анализатора, а также вид интерференционного растра при фокусировке лазер. ного пучка в геометрическом центре (точка 8 ) бйфокальной линзы.

Интерферометр (фиг. 1) содержит осветительную систему, состоящую из источника 1 излучения (лазера) и коллиматора, включающего в себя микрообъектив 2, диафрагму 3 и коллиматорный объектив 4, четвертьволновую(у) пластинку 5, ориентированную под углом 45О к вектору 1Г электрических колебаний лазерного излучения, столик 6, на котооом чкоеплен контролируемый объект 7 (например, .объектив), формирующий сходящийся лазерный пучок, бифокальную линзу (БЛ) 8 в качестве сдвигающего элемента, укрепленную на прецизионном столи. ке 9, обеспечивающем управление перемещением БЛ в продольном (вдоль оси Z ) и в поперечном (вдоль осей Х и Ц ) направлениях, анализатор l0 установленный под углом 45опо отношению к оптическим осям БЛ, и экран 11 для визуализации формируемой интерференционной картины.

БЛ 8 состоит.из двух склеенных сферическими поверхностями линз из двупреломляющего кристалла (например, CaC0q или э10 ):плоско-вогнутой линзы 12 и плоско-выпуклой линзы 13, имеющих ортогональную ориентацию

-е ЮЭ оптических осей (о, и a> ) .

Угол между осями БЛ и осями четBpptbBoJIHoBoH пластинки 5 и угол между осью анализатора и осями БЛ составляет 45 . При таком угле достигается о максимальная контрастность интерференционных полос растра. Введение в

3 1095 устройство четвертьволновой пластинки 5 создает циркулярно поляризованный световой пучок, что позволяет осуществить "привязку" оптических осей БЛ к координатным осям Х, Ч, Z прецезионного столика 9, где х — горизонтальная ось (в описываемом интерферометре ось )| параллельна оптической оси БЛ в плоско-вогнутой линзе 12) ! — вертикальная ось (в описываемом 1О интерферометре ось ) параллельна оптической оси БЛ в плоско-выпуклой линзе 13). Указанное расположение осей имеет значение для удобства анализа интерференционных растров.

Четвертьволновая(ф) пластинка 5 (где % — длина волны) служит для преобразования линейнополяризованного излучения (1 ) в циркулярнополяризованное (О ). Это происходит благодаря возникновению дополнительной разности фаз 90 между двумя волнами о равной интенсивности, поляризованными во взаимноперпендикулярных направлениях. Для создания такой разнос. ти фаэ используется кристаллическая пластинка (например, из одноосного кристалла-кварца кристаллического).

Четвертьволновая пластинка вырезается в плоскости главного сечения, содержащего оптическую ось кристалла.

Направление, совпадающее с оптической осью пластинки, и направление, перпендикулярное к этой оси, называют главными осями четвертьволновой пластинки, вдоль которых скорости распространения обыкновенной и необыкновенной волн различаются на максимальную величину.

Интерферометр работает следующим образом.

Лазерный пучок от источника 1 монохроматического поляризованного излучения после расширения его коллиматором, включающим микрообъектив 2, диафрагму 3 и коллимирующий объек- 4> тив 4, с помощью четвертьволновой пластинки 5 преобразуется из линей-. нополяризованного в циркулярнополяризованный и когерентно освещает контролируемый объект 7 (например, объек- о тив), который, перемещаясь с помощью столика 6, фокусирует лазерный пучок в точку пространства с коорди- натами.Х,), z, внутри или вне БЛ.

Лазерный пучок с углом сходимости проходя через БЛ, расщепляется на два пучка: обыкновенный (о) и необыкновенный (е), причем разность хода

033 4 между о- и е-пучком зависит от положения фокуса. Далее р» и 8 -пучки с ортогональной поляризацией попадают на анализатор 10, где происходит их фотосмешение и возникает пространственно нелокализованная интерференция в виде чередующихся светлых и темных полос определенного контура. Для получения наибольшего контраста интерференционных полос анализатор 10 ориентирован под углом 45 к оптическим осям БЛ. Ино терференционный растр визуализируется на экране 11, помещаемом на удалении порядка 20 см и более от БЛ. При малых угловых или линейных перемещениях контролируемого объекта 7, а также при изменении угла сходимос- ти вид интерференционного растра меняется. Восстановление первоначального вида растра достигается путем трехкоординатного управления плавным перемещением БЛ с помощью прецизионного столика 9. Для иллюстрации на фиг.2 представлен гиперболический интерференционный растр, который формируется при центральном (осесимметричном) перемещении фокусированного лазерного пучка внутри

БЛ, причем для положения фокуса в центре БЛ (фиг.1, точка В), гиперболы будут равнобочными по отношению к асимптотам АВ и CD (фиг.2), а при смещении фокуса в точки, и и d (фиг.1) гиперболы будут по степенно деформироваться. Для фик сированной точки в БЛ с изменением yr4 ла (будет меняться число гипербол.

При заданйом угле g сходимости лазерного пучка разность хода интерферирующих лучей БЛ удобно измерять по числу полос, наблюдаемых на экране 11 в направлении оси $, т.е. под углом 45 к асимптотам 3 Ь и СР (фиг.2). Разность хода, создаваемая настройкой интерферометра, выражается . а„:,(» где Ьо* 2(йо- в) 1 9 — Разность хода при нормальном падении на

БЛ (1 = О) в точку М, удаленную на Ч от центра о

Дая БЛ высотой 20 мм с малым эквивалентным углом при вершине 6 < 5 (фиг.1) и при " 10 расчетная величина разности хода b. - Ь оказывается порядка длины волны, что ,соответствует двум интерферениионныи полосам.

1095033

1 — ась

vtmEeytn ьй фодои прас

>ran 5 П(Л1г) Г acb tm

lepmaйлнодой

ППаСпчиИКи 5

2 — ась БЛ(8Линзе 1Jj

Составитель Л.Лобзова

Редактор С.Пекарь Техред М.Тепер Корректор А.Зимокосов

3580/23 Тираж 587 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4!5

Заказ

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4

При линейной поляризации падающей на БЛ волны, когда вектор Е ориентирован под углом 45 к оптическим

«ф осям g и а, на выходе БЛ 0- и e—

-волны имеют одинаковые интенсивнос- 5 ти. При расположении анализатора под о углом 45 к оптическим осям БЛ контрастность интерференционной картины на экране получается максимальной.

Если ориентация вектора E к оптиб ческим осям БЛ не составляет угол 45

I то на выходе БЛ О и B -волны будут иметь разные интенсивности, и при расположении анализатора даже под углом 45 к оптическим осям БЛ конт- 15 растность интерференционной картины на экране уменьшится. При совпадении направления вектора Е с направлением одной из оптических осей БЛ на выходе БЛ появится только одна поляризо- 20 ванная волна, которая не дает интерференционной картины. В случае падения на БЛ циркулярнополяризованной волны, при вращении БЛ вокруг оси 2 на произвольный угол 0 и е -вол- 25 ны сохраняют равные интенсивности.

При этом, если анализатор ориентирован под углом 45 к оптическим осям о

БЛ и вращается вместе с БЛ вокруг оси Z,,то контрастность интерферен ционной картины на экране остается максимальной.

Таким образом, изобретение расширяет функциональные возможности поляризационного интерферометра сдвига.

Это означает воэможность осуществления высокоточных (порядка одной де-. сятой длины волны) измерений продольного сдвига при сохранении высокой чувствительности к поперечному сдвигу, при этом достигается большой интервал измеряемых продопьных перемещений (порядка 40 мм), а также расширение диапазона измеряемых углов сходимости лазерных пучков до 40 о

Кроме того, изобретение упрощает конструкцию интерферометра благодаря использованию лишь одного сдвигающего элемента (вместо двух, как у прототипа).

Описываемое устройство может быть использовано для измерения полной оптической передаточной функции (продольной и поперечной) при испытаниях различных типов микро-, фото- и телеобъективов в когерентном излучении.