ПОЛЯРИЗАЦИОННАЯ ПРИЗМА Российский патент 2012 года по МПК G02B5/30 G02B5/04 

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано при конструировании оптико-механических устройств для измерения углов между нормалями к зеркалам, расположенным на разных уровнях по высоте.

Зеркала могут быть установлены на различных объектах, развороты которых в заданной плоскости относительно друг друга должны быть измерены.

Для определения взаимных разворотов двух устройств могут использоваться различного вида поляриметры, основанные на том, что излучение, прошедшее через одно поляризационное устройство, гасится другим поляризационным устройством до нулевой интенсивности, когда оптические оси этих устройств расположены под углом 90°.

В качестве поляризаторов и анализаторов в этих устройствах используются различные поляризационные призмы: Николя, Франка-Риттера, Глана-Томпсона, Валластона, Рошона, Сенармона [1, 2, 3, 4, 5].

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является поляризационная призма Николя [6].

Призма изготовлена из исландского шпата. Два кристалла исландского шпата склеиваются канадским бальзамом с показателем преломления n=1,549, имеющим промежуточное значение между показателями преломления кристалла для обыкновенного n_o и необыкновенного лучей n_e.

Для обыкновенного луча канадский бальзам представляет собой оптически менее плотную среду, а для необыкновенного - более плотную. Поэтому обыкновенный луч может преодолеть слой бальзама только тогда, когда его угол падения на плоскость разреза меньше предельного угла полного внутреннего отражения. В данном случае обыкновенные лучи устраняются за счет полного отражения.

Необыкновенный луч проходит через слой канадского бальзама, т.к. для него полное отражение исключено.

Призма Николя является отличным поляризатором, но не позволяет точно привязать плоскость поляризации к нормали к зеркалу.

Основной задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение точности связывания направления плоскости поляризации с нормалью к оптической поверхности поляризатора.

Для решения поставленной задачи предлагается поляризационная призма, которая, как и прототип, изготовлена из нескольких кристаллов исландского шпата, срезанных под углом, обеспечивающим полное внутреннее отражение обыкновенного луча от линии склеивания и склеенная клеем, показатель преломления которого меньше показателя преломления для обыкновенного луча.

В отличие от прототипа призма склеена из трех кристаллов исландского шпата, оптические оси которых параллельны входной грани призмы, при этом средний кристалл в главном сечении имеет форму ромба, противоположные грани которого параллельны между собой, а угол между гранями кристалла, обеспечивающий полное внутреннее отражение обыкновенного луча, больше, чем ,

где n_k - показатель преломления клея, которым склеены кристаллы;

n_о - показатель преломления обыкновенного луча в исландском шпате и меньше ,

где n_е - показатель преломления необыкновенного луча в исландском шпате, боковые кристаллы имеют симметричную форму относительно центральной точки сечения центрального кристалла.

Для работы в двух противоположных направлениях, поляризационная призма снабжена осью для поворота призмы на 180° вокруг ее центра.

Грань среднего кристалла, перпендикулярная оптической оси, отполирована и на нее нанесено зеркальное покрытие.

Поляризационная призма дополнена клином, установленным перед гранью среднего кристалла с зеркальным покрытием.

Сущность изобретения заключается в том, что поляризационная призма изготовлена из трех кристаллов исландского шпата и имеет симметричную конструкцию, позволяющую разворачивать ее на 180° для работы с двух противоположных направлений. Кроме того, у предлагаемой призмы грань, перпендикулярная оптической оси кристалла, отполирована и на нее нанесено зеркальное покрытие.

Конструкция предлагаемой поляризационной призмы позволяет пропускать необыкновенный оптический луч и отражает обыкновенный при падении луча с двух противоположных сторон.

Призма установлена на точной оси и может поворачиваться на 180°, причем ось поворота параллельна оптической оси кристалла призмы.

Таким образом, совокупность указанных выше признаков позволяет решать поставленную задачу.

Сущность предлагаемой полезной модели иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 представлена конструкция и ход лучей призмы; на фиг.2 показана поляризационная призма, установленная на оси; на фиг.3 изображена установка, на которой производится юстировка призмы; на фиг.4 изображена установка, на которой производится юстировка призмы анализатора.

Предлагаемая поляризационная призма склеена из трех кристаллов 1, 2 и 3 исландского шпата, оптические оси 4 которых параллельны входной грани призмы, при этом средний кристалл 2 в главном сечении имеет форму ромба, противоположные грани которого параллельны между собой, угол α между гранями кристалла, обеспечивающий полное внутреннее отражение обыкновенного луча, больше, чем ,

где n_k - показатель преломления клея, которым склеены кристаллы;

n_о - показатель преломления обыкновенного луча в исландском шпате и меньше ,

где n_е - показатель преломления необыкновенного луча в исландском шпате, боковые кристаллы 1 и 3 имеют симметричную форму относительно центральной точки сечения центрального кристалла 2.

Грань среднего кристалла 2, перпендикулярная оптической оси 4 призмы, отполирована и на нее нанесено зеркальное покрытие 5.

Для компенсации неперпендикулярности зеркального покрытия 5 оптической оси кристалла перед ней установлен клин 6.

Призма установлена в оправе, которая может поворачиваться с помощью оси 7 на угол 180°. Для выставления оптической оси кристаллов параллельно оси вращения предусмотрена прокладка 8.

Так, поляризационная призма склеена из трех кристаллов 1, 2 и 3, изготовленных из исландского шпата. Оптические оси всех трех призм параллельны. Призмы склеены клеем, имеющим показатель преломления меньше показателя для обыкновенного луча n₀=1,658.

Например, клеем УФ-215 с показателем преломления n_k=1,425. Угол α выбирается из соотношения n_k/ n_е≥sinα≥n_k/ n_о, где n_е - показатель преломления необыкновенного луча n_е=1,486.

Для клея УФ-215 1,425/1,486≥sinα≥1,425/1,658

0,956≥sinα≥0,859, отсюда

73°30≥α≥59°15'.

Таким образом, при падении светового пучка разделительную грань призмы под углами от 89° 15' до 79° 30' обыкновенные лучи будут полностью отражаться разделительной гранью призмы, а необыкновенные пройдут через нее.

Для призм должно быть выполнено условие, чтобы ось вращения призмы была параллельна оси кристалла, т.е. параллельно поляризации.

Это выполняется на установке, показанной на фиг.3.

Осветитель 9 освещает призму поляризатора 10, закрепленную на оси 7 через прокладку 8. Оптическая ось анализатора 11 развернута на 90° относительно оси призмы поляризатора 10, при этом излучение осветителя 9 не проходит через систему, а сигнал с фотоприемника 12 будет равен 0.

Юстировка проводится следующим образом:

В положении, показанном на фиг.4, разворотом анализатора 11 вокруг светового луча добиваются 0 сигнала с фотоприемника 12. После этого разворачивают призму поляризатора 10 на 180° так, чтобы луч падал на призму, обозначенную буквой «П». Разворачивая призму 10, обработкой прокладки 8, и анализатор 11, добиваются снова 0 сигнала с фотоприемника 12.

Сигнал с фотоприемника 12 будет оставаться нулевым при повороте призмы 10 на 180° только тогда, когда ось вращения будет параллельна оптической оси призмы.

Далее разворотом клина 6 добиваются того, чтобы нормаль к зеркальной поверхности 5 призмы была параллельна оси вращения 7 призмы. Так как оптическая ось призмы параллельна оси ее вращения, то при этом нормаль к зеркальной поверхности 5 призмы с учетом угла отклонения луча клином 6 будет параллельна относительно оси призмы.

Юстировка призмы анализатора производится на установке, показанной на фиг.4.

Осветитель 9 освещает поляризатор 13. Световой луч проходит через поляризатор 13, попадает на призму анализатора 10 и, пройдя ее, на фотоприемник 12.

Оптические оси поляризатора и анализатора развернуты на 90°. В этом положении излучение осветителя не проходит через систему и сигнал с фотоприемника 12 будет равен нулю.

После этого разворачивают призму 10 анализатора на 180° так, что световой пучок падает на средний кристалл 2 с другой стороны. Разворачивая призму 10, обработкой прокладки 8 и поляризатор 13, добиваются снова нулевого сигнала с фотоприемника 12.

Сигнал с фотоприемника 12 будет оставаться нулевым при повороте призмы 10 на 180° только тогда, когда ось вращения будет параллельна оптической оси призмы.

У отъюстированных таким образом призм оптические оси кристаллов будут параллельны оси вращения, но зеркальные поверхности на боковых поверхностях призм могут оказаться не перпендикулярны к оси вращения. Так как эти поверхности в дальнейшем используются для привязки к базовым зеркалам объектов, то перед зеркальными поверхностями установлены клинья 6 (фиг.3 и 4), разворотом которых добиваются, чтобы продолжение нормали к зеркальной поверхности не отклонялось в горизонтальной плоскости при повороте призмы на 180°.

Поляризационные призмы предложенной конструкции могут применяться как непосредственно в устройствах, определяющих взаимный разворот объектов в качестве поляризатора и анализатора, так и для создания эталонных приборов анализатора и поляризатора, у которых плоскость поляризации согласована с геометрической поверхностью призмы.

Источники информации

1. Российская Федерация, патент №2060519, МПК: G02В 5/30, 27/28, 1996 г.

2. Российская Федерация, патент №2062494, МПК: G02В 5/30, 1996 г.

3. А.А. Шишловский. Прикладная физическая оптика. Физматгиз, Москва, 1961 г. (Поляриметр).

4. Н.П.Гвоздева, В.И. Кульянова, Т.М. Леушева. Физическая оптика. Москва, Машиностроение, 1991 г., с.226.

5. Е.И.Бутиков. Оптика. Москва, Высшая школа, 1986 г., с.192.

6. Российская Федерация, патент №2080629, МПК: G02В 5/30, 1997 г. - прототип.

Призма может быть использована в оптическом приборостроении, в том числе, в оптико-механических устройствах для измерения углов между нормалями к зеркалам, расположенным на разных уровнях по высоте. Призма склеена из трех кристаллов исландского шпата, оптические оси которых параллельны входной грани призмы и между собой. Показатель преломления клея меньше показателя преломления для обыкновенного луча. Кристаллы срезаны под углом, обеспечивающим полное внутреннее отражение обыкновенного луча от линии склеивания. Средний кристалл в главном сечении имеет форму ромба. Угол между гранями кристалла, обеспечивающий полное внутреннее отражение обыкновенного луча, больше, чем , где n_k - показатель преломления клея, которым склеены кристаллы; n_o - показатель преломления обыкновенного луча в исландском шпате; и меньше , где n_e - показатель преломления необыкновенного луча в кристалле. Боковые кристаллы имеют симметричную форму относительно центральной точки сечения среднего кристалла, а выходная грань перпендикулярна отраженному обыкновенному лучу. Технический результат - повышение точности связывания направления плоскости поляризации с нормалью к оптической поверхности поляризатора. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Поляризационная призма, изготовленная из нескольких кристаллов исландского шпата с параллельными осями и срезанных под углом, обеспечивающим полное внутреннее отражение обыкновенного луча от линии склеивания, и склеенная клеем, показатель преломления которого меньше показателя преломления для обыкновенного луча, отличающаяся тем, что призма склеена из трех кристаллов, оптические оси которых параллельны входной грани призмы, при этом средний кристалл в главном сечении имеет форму ромба, противоположные грани которого параллельны между собой, а угол между гранями кристалла, обеспечивающий полное внутреннее отражение обыкновенного луча, больше, чем ,
где n_k - показатель преломления клея, которым склеены кристаллы;
n_о - показатель преломления обыкновенного луча в исландском шпате;
и меньше ,
где n_е - показатель преломления необыкновенного луча в кристалле;
боковые кристаллы имеют симметричную форму относительно центральной точки сечения среднего кристалла, а выходная грань перпендикулярна отраженному обыкновенному лучу.

2. Поляризационная призма по п.1, отличающаяся тем, что для работы в двух противоположных направлениях она снабжена осью для поворота призмы на 180° вокруг ее центра.

3. Поляризационная призма по п.1, отличающаяся тем, что грань среднего кристалла, перпендикулярная оптической оси, отполирована, и на нее нанесено зеркальное покрытие.

4. Поляризационная призма по п.3, отличающаяся тем, что она дополнена клином, установленным перед гранью среднего кристалла с зеркальным покрытием.