Дифракционный интерферометр Советский патент 1993 года по МПК G01J9/02 

Изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть использовано для исследования прозрачных неоднородных сред, например, в гидродинамике, океанологии, физике атмосферы, при изучении малых деформаций в прозрачных твердых средах.

Цель изобретения - повышение точности интерференционных измерений формы волнового фронта излучения, прошедшего неоднородную среду, а также обеспечение более простой и однозначной связи между

наблюдаемой интерферограммой и формой изучаемого волнового фронта.

Маска позволяет создать в интерферометре пространственно-частотную фильтрацию излучения для одного из интерферирующих пучков. Роль фильтров Фурье играют интенсивно отражающие свет площадки малого диаметра, расположенные на поверхности маски. В процессе юстировки пространственный фильтр совмещается с изображением одного из двух выходных зрачков интерферометра. При этом происходит восстановление соответст00

со

Z

VI

вующего волнового фронта, и интерферометр сдвига преобразуется в интерферометр с невозмущенной ветвью сравнения. Наличие на маске нескольких отражающих пятен упрощает процесс юстировки, цель которой - сведение одного из выходных зрачков интерферометра с отражающим малым пятном. В данном устройстве оба интерферирующих пучка проходят объект под разными углами, поэтому попеременное восстановление каждого из пучков пространственно-частотным фильтром позволит, кроме того, получить информацию о фазовом объекте в двух ракурсах без изменения ориентации прибора в целом относительно объекта исследований, что позволит увеличить объем получаемой информации.

Оптическая схема устройства изображена на чертеже и включает в себя следующие элементы; осветитель (поз. 1, 2), диафрагму (поз. 3),- расположенную под углом к оптической оси коллиматорного объектива (п: з, 4), две фазовые дифракционные решетки. прозрачную:(поз. 5) и отражательную (поз. 6); установленные в параллельных плоскостях nq ходу лучей под углом первого спектрального порядка, проекционный объектив (поз. 7), находящийся на оси светового пучка, отраженного от наклонной грани световой диафрагмы, а также приемник изображения (поз. 8) интерференционной картины.

Сущность изобретения заключается в том, что в плоскости граней осветительной диафрагмы установлена юстируемая маска (поз. 9) с малым коэффициентом отражения (порядка 4-5%), на поверхности которой имеется ряд равноотстоящих по горизонтали и вертикали на расстоянии 7-10 мм (в зависимости от фокусного расстояния коллиматорного объектива) круглых отражающих площадок (пятен) малого диаметра (порядка кружка рассеяния коллиматорного объектива) с коэффициентом отражения в пределах 0,90-0,99. .Узел диафрагмы с маской схематично представлен видом А на. чертеже схемы.

Схема работает следующим образом: источник света (поз. 1) изображается конденсором (поз. 2) на щель диафрагмы (поз. 3). Объектив (поз. 4), в фокальной плоскости которого находится щелевая диафрагма, формирует параллельный пучок света, который падает на прозрачную фазовую решетку (поз 5) под углом первого порядка дифракции для длины волны, соответствующей центральной части используемого интервала излучения источника света. С . учетом того, что для образования полос в системе двух метрологических решеток с

энергетической точки зрения выгодно использовать пучки наименьших .порядков дифракции, в интерферометре использованы фазовые решетки, концентрирующие излучение соответственно для прозрачной решетки в 0, +1, а для отражательной в ±2. порядки спектра. При кратности постоянных решеток, равной двум, например, 600 и 300 штрих./мм соответственно для прозрачной и отражательной решеток дифрагированные на прозрачной решетке в 0, +1 порядки два плоских волновых фронта, пройдя исследуемую среду и продифрагиро- вав затем на отражательной решетке в ±2

порядки, возвращаются при отсутствии нео- днородности по тому же пути. На поверхности прозрачной решетки оба пучка вторично дифрагируют в 0, +1 порядки и интерферируют между собой. Решетки в интерферометре располагаются в параллельных плоскостях с некоторым взаимным разворотом штрихов относительно оси X на угол 0. Диафрагма (поз. 3) располагается в фокальной плоскости объектива (поз. 4) и вылолне

на на пластинке, ориентированной под

углом, который может составлять величину от 30 до45°. Оба выходных зрачка интерферометра при малом отклонении от автокол- лимации фокусируются раздельно в плоскости диафрагмы. В прототипе далее оба пучка после отражения от однородной зеркальной п верхности диафрагмы падают на проекционный объектив. В предлагаемом устройстве один из выходных зрачков интерферометра совмещается в плоскости маски с помощью ее котировочного механизма с одним отражающим пятном малого диаметра, выполняющего функцию пространственно-частотного фильтра. В ре- зультате пучок, прошедший- через фильтр, трансформируется в невозмущенный фазо- вым объектом пучок. Для выравнивания ин- тенсивностей интерферирующих пучков фоновая поверхность маски имеет прибли- зительно на порядок меньший коэффициент отражения, чем коэффициент отражения малого пятна. Расстояние между соседними отражающими пятнами маски составляют в зависимости от фокусного расстояния кол- лИматормого объектива 7-12 мм, что обеспечивает возможность получения изображения двух выходных зрачков интерферометра в плоскости диафрагмы раздельно соответственно на отражающем пятне и на слабо отражающей поверхности маски. Низкий фоновый коэффициент отражения маски может быть осуществлен различными . способами, Например, нанесением отражающего покрытия на внутреннюю поверхность маски, выполненную из стекла с большим коэффициентом поглощения, или нанесением непосредственно на внешнюю поверхность маски отражающего покрытия с заданным коэффициентом отражения.

Вследствие пространственно-частот- ,ной фильтрации излучения и восстановления одного из интерферирующих фронтов возникает возможность интерпретировать полученную интерферограмму, как обычную двухлучевую с невозмущенной опорной ветвью. Таким образом, использование данного дифракционного интерферометра обеспечивает по сравнению с прототипом, с одной стороны, повышение точности измерений формы волнового фронта на величину от единиц до 20-30 процентов в зависимости от степени сложности исследу-. емого фазового объекта за счет достижения более простой и однозначной связи между наблюдаемой интерференционной картиной с формой исследуемого волнового фронта, а также позволяет получить интерференционную картину для двух ракурсов наблюдений, соответствующих двум дифракционным направлениям излучения без изменения ориентации прибора в целом относите, но объекта исследований, что позволяет увеличить объем получаемой .информации.

Формула изобретения Дифракционный интерферометр, содержащий последовательно установленные на оптической оси и оптически связанные осветитель, щелевую диафрагму, плоскость которой расположена под углом к оптической оси, коллиматор, две фазовые дифракционные решетки, прозрачную и отражательную, установленные под углом первого спектрального порядка для центральной длины волны используемого спектрального интервала излучения к оптической оси, обращенные рабочими поверхностями друг к другу, между которыми расположен объем с исследуемой средой, проекционный объектив, и приемник изображения интерференционной картины, отличающий- с я тем, что, с целью повышения точности интерференционных измерений, одна из граней щелевой диафрагмы снабжена пространственно-частотным фильтром, выполненным в виде маски с коэффициентом отражения в пределах от 0,04 до 0,09, установленной с возможностью перемещения в плоскости щелевой диафрагмы и снабженной рядом равноотстоящих по горизонтали и вертикали круглых пятен с коэффициентом отрахсения 0,90-0,99, причем диаметр пятен не превышает диаметра пятна рассеяния коллиматорного объектива.

Использование: для проведения исследований прозрачных неоднородных сред, например, в гидродинамике, физике атмосферы, а также для обеспечения более простой и однозначной связи между наблюдаемой интерферограммой и формой изучаемого волнового фронта. Сущность: интерферометр включает в себя источник света, конденсор, щелевую диафрагму, кол- лиматорный объектив, систему двух фазовых дифракционных решеток, установленных в параллельных плоскостях, между которыми помещен исследуемый объем, проекционный объектив и приемник изображения. Новым в интерферометре является наличие на одной из граней щелевой диафрагмы юстируемой маски с зеркальным покрытием с коэффициентом отражения в пределах 0,04-0,09, на которой располагается ряд равноотстоящих по горизонтали и вертикали круглых пятен диаметром порядка кружка рассеяния 4коллиматорного объектива с коэффициентом отражения в пределах 0,90-0,99. 1 ил. ел с