МНОГОЛУЧЕВОЕ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 1997 года по МПК G01J9/02 

Изобретение относится к оптическим измерениям и может быть использовано при построении контрольно-измерительных устройств с использованием голографии.

Известно устройство, в котором многолучевые интерференционные полосы создаются плоскопараллельной пластинкой при почти нормальном освещении [1] Данный принцип используются в интерферометре Фабри-Перо. Для такого интерферометра характерным признаком является пересечение плоской волной двух параллельных плоских поверхностей. Основными частями этого интерферометра служат две стеклянные или кварцевые пластины с плоскими параллельными поверхностями и две линзы, первая из которых формирует параллельный световой поток падающий на параллельные пластины, а вторая фокусирует прошедший световой поток на экран. Для получения интерференционной картины высокого качества поверхности должны быть плоскими и параллельными с точностью до λ/100.

Источник излучения, расположенный на конечном расстоянии обладает распространяющейся сферической волной, которая несет информацию о его пространственном положении.

При пересечении сферической волны от источника излучения и плоскопараллельной пластинки потребуется дополнительная линза для фокусировки интерференционной картины на экране.

Недостатком данного интерферометра является наличие большого количества оптических элементов (две стеклянные пластинки и две линзы), а также использование плоской волны, что не позволяет определить пространственное положение источника излучения.

Наиболее близким из известных устройств того же назначения является многолучевое интерференционное устройство [2] предназначенное для исследования формы волнового фронта и состоит из источника излучения S, передающей оптической системы, которая формирует плоскую волну, падающую на две параллельные поверхности, где возникает многолучевая интерференция. Далее приемная оптическая система направляет излучение на фотоприемник лучистой энергии.

На фиг. 1 представлены элементы многолучевого интерференционного устройства, где источник излучения и передающая оптическая система не указаны. Плоскопараллельная пластина 1 из оптически однородного материала с показателем преломления n служит для создания многолучевых интерференционных полос равного наклона. Фотоприемник излучения 2 и приемная оптическая система 3 предназначены для считывания спроецированного излучения. На фиг. 1 приведена схема возникновения многолучевых интерференционных полос равного наклона в случае использования плоскопараллельной пластинки.

Однако данное устройство также не обеспечивает достаточно точного измерения формы волнового фронта излучения, а схема построения интерферометра довольно сложная.

Для упрощения конструкции многолучевого интерференционного устройства предлагается совместить выполнение нескольких функций преобразования оптического сигнала в одном приборе. В частности, выполнение функциональных особенностей, характерных для многолучевой интерференции в плоскопараллельной пластине, светоделение и фокусировка оптических лучей с помощью линзы.

Данный технический результат достигается тем, что предложено многолучевое интерференционное устройство, содержащее на одной оптической оси точечный источник когерентного линейно поляризованного излучения, установленные по ходу излучения две параллельные поверхности, выполненные сферическими из оптически прозрачного материала, с одним центром кривизны, но различными радиусами кривизны, причем выпуклости обеих поверхностей направлены в стороны источника излучения, а также фоточувствительный приемник излучения.

Для получения интерференционной картины на фоточувствительном приемнике излучения, необходимо выбирать расстояние между сферическими поверхностями из соотношения:
d = nr21

/(f(n-n_o)+nr₁),
где
r₁ радиус кривизны большей сферической поверхности;
n показатель преломления оптически однородного материала;
n₀ показатель преломления среды;
f фокусное расстояние.

Причем, фоточувствительный приемник излучения выполнен в виде матрицы фоточувствительных элементов с постоянным периодом размещения и смещен относительно перпендикуляра к оптической оси на угол α = arcsin λ/T где λ длина волны источника излучения, а Т период размещения.

На фиг. 2 представлена конструкция многолучевого интерференционного устройства, где приведены составные элементы предлагаемого многолучевого интерференционного устройства: S источник излучения, объединенный оптический элемент 1, включающий передающую оптическую систему, две параллельные поверхности, где возникает многолучевая интерференция, и приемную оптическую систему; фотоприемник излучения 2, нормаль которого смещена относительно оптической оси на угол a Две параллельные сферические поверхности, имеющие один центр кривизны поверхностей, но различные радиусы кривизны (r₁, r₂) будут выполнять роль многолучевого интерферометра, светоделителя и линзы.

Устройство работает следующим образом.

Возникновение многолучевой интерференции объясняется с помощью принципа Гюйгенса-Френеля. Каждая точка волнового фронта, пересекающая первую сферическую поверхность (r₁), будет считаться центром вторичных сферических волн. Волновой фронт в любой поздний момент времени будет огибающей этих вторичных волн. Многолучевая интерференция возникает в результате интерференции вторичных волн, центры которых находятся на первой сферической поверхности. Светоделение возникает за счет частичного отражения падающего светового потока от первой и второй сферических поверхностей многолучевого интерференционного устройства. Фокусировка оптических лучей происходит с помощью линзы с концентрическими сферическими поверхностями (2). Толщина такой линзы d выбирается на основании расчета по формуле:
d = nr21

/(f(n-n_o)+nr₁), (1)
где
r₁ радиус кривизны большей сферической поверхности;
f фокусное расстояние;
n показатель преломления оптического материала;
n₀ показатель преломления среды.

В качестве приемника излучения, на которое проецируется интерференционная картина выбрана матрица фоточувствительных элементов на приборах с зарядовой связью (ПЗС). Важной особенностью такой матрицы является размер фоточувствительного элемента и период размещения Т этих элементов на полупроводниковой пластине. В случае, если источник излучения находится в фокальной плоскости многолучевого интерференционного устройства, то необходимо сместить нормаль приемной матрицы фотоэлементов относительно оптической оси на угол α = arcsin λ/T Такое расположение приемника излучения обеспечивает проецирование интерференционной картины на матрицу фотоэлементов и при этом период размещения Т фотоэлементов совпадает с периодом интерференционной картины. Если источник излучения переместить из фокальной плоскости ближе к сферической поверхности многолучевого интерференционного устройства, то это приведет к увеличению периода интерференционной картины. При жестком периоде размещения Т фотоэлементов на приемной матрице это повлечет к изменению считывающей информации в виде интерференционной картины. При перемещении источника излучения из фокальной плоскости вдаль от сферической поверхности многолучевого интерференционного устройства происходит уменьшение периода интерференционной картины. Таким образом, с помощью многолучевого интерференционного устройства можно определить пространственное положение источника излучения за счет изменения формы волнового фронта, распространяющегося от источника излучения.

Предлагаемое многолучевое интерференционное устройство обладает следующими достоинствами: минимальное количество оптических деталей при сохранении функциональных особенностей характерных для подобных устройств, возможность определения пространственного положения источника излучения, использование в качестве приемника излучения матрицы фоточувствительных элементов на ПЗС позволяет существенно повысить, по сравнению с известными методами, точность получения информации об интерференционной картине.

Предлагаемый объединенный оптический элемент изготавливается из оптически прозрачного материала стекла марки ТК20, радиус кривизны, фокусное расстояние и расстояние между сферическими поверхностями берутся в миллиметрах или на основании формулы расчета (1).

В качестве фотоприемника выбирается матричный фоточувствительный кристалл (МФПЗС) с числом элементов (горизонталь х вертикаль) 200 х 180, размеры фотоэлемента (горизонталь х вертикаль), мкм 10,5 х 11, 4, со строчно-кадровым переносом.

Изобретение относится к оптическим измерениям и к построению контрольно-измерительных устройств с использованием голографии. Сущность изобретения: в однородной среде с показателем преломления n_o на одной оптической оси устанавливают точечный источник когерентного линейно поляризованного излучения с длиной волны λ, оптический элемент с показателем преломления n и параллельными сферическими поверхностями, имеющими один центр кривизны, но различные радиусы кривизны r₁ - r₂=d, выпуклость обеих поверхностей ориентирована в сторону источника излучения. Расстояние между сферическими поверхностями выбирается из соотношения:
d = nr21

/(f(n-n_o)+nr₁), ,
где r₁- радиус кривизны большей сферической поверхности, f - фокусное расстояние. Интерференционная картина проецируется на матрицу фоточувствительных элементов на приборах с зарядовой связью с периодом размещения фоточувствительных элементов Т. Причем, приемник излучения не перпендикулярен к оптической оси, на которой находятся источник излучения и оптический элемент, а смещен относительно перпендикуляра к оптической оси на угол α = arcsin λ/T. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Многолучевое интерференционное устройство, содержащее на одной оптической оси точечный источник когерентного линейно поляризованного излучения, установленные по ходу излучения две параллельные поверхности, ограничивающие оптически однородный материал, и фоточувствительный приемник излучения, отличающееся тем, что параллельные поверхности выполнены сферическими с одним центром кривизны, но различными радиусами кривизны и выпуклостью обеих поверхностей в сторону источника излучения. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что расстояние d между сферическими поверхностями выбирается из соотношения
d = n•r21

/(f(n-n₀)+nr₁),
где r₁ радиус кривизны большей сферической поверхности:
n показатель преломления оптически однородного материала;
n₀ показатель преломления среды;
f фокусное расстояние. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что фоточувствительный приемник излучения выполнен в виде матрицы фоточувствительных элементов и смещен относительно перпендикуляра к оптической оси на угол α = arcsinλ/T, где λ - длина волны источника излучения; Т период размещения фоточувствительных элементов.