Интерференционно-поляризационный фильтр Советский патент 1983 года по МПК G02B5/30 

(54) ИНТЕРФЕРЕНЦИОННО-ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЙ ФИЛЬТР

1

Изобретение относится к оптическому приборостроению, в частности к технике спектроскопии Солнца, и может быть использовано для комплексного исследования и прогнозирования солнечной активности в интересах радиосвязи, метеорологии и др.

Известенинтерференционно-поляризационный фильтр, содержащий предварительный спектральный фильтр, выполненный из стекол КС, и десять простых ступеней Лио. Оптическая стопа этого фильтра находится в иммерсии. Полуширина полосы его пропускания составляет 0,05 нм при центрировке на длину волны 656,28 нм. Угловое поле фильтра - 1,5° при условий, что допустимое смещение полосы не превышает 0,1 от пол.ущирины, а его пропускание - порядка 5% 1 .

Недостатком этого фильтра является то, что он не управляемый и не широкоугольный.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является интерференционно-поляризационный фильтр, содержащий теплозащитный и интерференционный фильтры, ступень Эванса, включающую

два поляризатора и размещенные между ними три кристаллические пластины, широкоугольные ступени Эванса, каждая из которых включает два поляризатора и размещенные между ними четыре кристалличес5 кие пластины и фазовую пластину полволны, а также управляемые широкоугольные ступени Лио, каждая из которых включает два поляризатора и размещенные между ними две основные кристаллические

)0 пластины, одну фазовую пластину четвертьволны и одну полволны. Кроме того, этот фильтр включает еще одну ступень Эванса и одну широкоугольную ступень Лио, содержащую два поляризатора и размещенные между ними две кристаллические пластины

15 и фазовую пластину полволны. Оптическая стопа склеена. Полоса пропускания такого фильтра, также как и вышеуказанного, составляет 0,05 нм при центрировке на длину волны 656,28 нм. При этом в фильтре реали2Q зована возможность смещения полосы пропускания в пределах ±0,1 нм, которое осуществляется вращением внещних поляризаторов и втулки, содержащей две ступени фильтра с Наибольшей волновой разностью хода 2К

Недостатком такого фильтра является необходимость вращения его внешних поляризаторов при перестройке полосы пропускания, что не позволяет использовать фильтр для измерения поляризационных эффектов на Солнце. Кроме того, положение полосы пропускания фильтра может смещаться в условиях высокогорья. Причиной смещений полосы пропускания является нарушение оптической стопы фильтра от окружающей среды и дополнительный нагрев фильтра солнечным излучением при большой сходимости пучка.

Цель изобретения - расширение эксплуатационных возможностей фильтра путем обеспечения неподвижности его внешних поляризаторов при перестройке полосы пропускания и уменьшения температурной нестабильности ее положения.

Поставленная цель Достигается тем; что в интерференционно-поляризационном фильтре, содержащем теплозащитный и интерференционный фильтры, ступень Эванса, включающую два поляризатора и размейхенные между ними три кристаллические пластины, две широкоугольные ступени Эванса, каждая из которых включает два поляризатора и размещенные между ними четыре кристаллические пластины и фазовую пластину полволны, а также управляемые щирокоугольные ступени Лио, каждая из которых включает два поляризатора и размещенные между ними две основные кристаллические пластины, одну фазовую пластину четвертьволны и одну полволны, в управляемые широкоугольные ступени Лио дополнительно введено еще по одной фазовой пластине полволны, каждая из которых установлена между входным поляризатором ступени и ее фазовой пластиной четвертьволны с возможностью поворота вокруг оси фильтра, а также по две кристаллические пластины, одна из которых установлена между фазовой пластиной четвертьволны и одной из основных кристаллических пластин ступени, а другая - между второй основной кристаллической пластиной и выходным поляризатором ступени, причем оптические оси дополнительных кристаллических пластин составляют угол 90° с оптическими осями основных, толщина дополнительных пластин определяется из соотношения

а„

QT

е д и fp - толщины дополнительных и основных кристаллических пластин соответственно;

-термооптические коэффициенты материалов дополнительных и основных кристаллических пластин, определяющие изменение волновой разности хода на 1 мм толщины при изменении температуры на 1°С,

а углы поворота введенных фазовых пластин полволны связаны соотношением

oi:0,66ot:0,5ot:0,25ot,

- угол поворота фазовой пластины , полволны в ступени с наибольшей волновой разностью хода.

На чертеже представлена оптико-механическая схема предлагаемого фильтра (черточками показана ориентация оптических Q осей элементов).

Фильтр состоит из теплозащитного фильтра 1, интерференционного фильтра 2, после чего идут интерференционно-поляризационные ступени. При этом последовательность

ступеней в фильтре может быть произвольной. (В связи с этим очередность описания ступеней соответствует очередности, указанной в формуле изобретения). Первая ступень - ступень Эванса состоит из поляризатора 3, трех кристаллических пластин

4-6 и второго поляризатора 7. Вторая ступень, щирокоугольная ступень Эванса состоит из поляризатора 7, кристаллических пластин 8 и 9, фазовой пластины 10 полволны, кристаллических пластин 11, 12 и второго поляризатора 13. Третья ступень, щирокоугольная ступень Эванса, состоит из поляризатора 13, кристаллических пластин 14 и 15, фазовой пластины 16 полволлы, кристаллических пластин 17 и 18 и второго поляризатора 19. Четвертая ступень,

0 управляемая широкоугольная ступень Лио, состоит из поляризатора 19, поворотной фазовой пластины 20 полволны, фазовой пластины 21 четвертьволны, кристаллической пластины 22, фазовой пластины 23 полволны, кристаллической пластины 24 и второ го поляризатора 25. Пятая ступень, управляемая щирокоугольная ступень Лио, состоит из поляризатора 25, поворотной фазовой пластины 26 полволны, фазовой пластины 27 четвертьволны, двух кристаллических плас0 тин 28 и 29, фазовой пластины 30 полвОлны, двух кристаллических пластин 31 и 32 и второго поляризатора 33. Шестая ступень, управляемая широкоугольная ступень Лио, состоит из поляризатора 33, поворотной фазовой пластины 34 полволны, фазовой пластины 35 четвертьволны, двух кристаллических пластин 36 и 37, фазовой пластины 38 полволны, двух кристаллических пластин 39, 40 и второго поляризатора 41. Седьмая ступень (корригирующая), управляемая широко0 угольная ступень Лио, состоит из поляризатора 42, поворотной фазовой пластины 43 полволны, фазовой пластины 44 четвертьволны, двух кристаллических пластин 45 и 46, фазовой пластины 47 полволны, двух кристаллических пластин 48, 49 и второго по5 ляризатора 3.

Привод поворотных пластин 20, 26, 34 и 43 состоит из цилиндрических колес 50, рукоятки 51, шкалы 52, оси 53, цилиндрических колес 54-57, паразитных ци.линдрических колес 58-61, осяовйой оси 62, двухвенцовах цилийдрических колес 63-66. Теплозащитный светофильтр 1 представляет собой пластину из дигидрофосфата аммония (АДР), вырезанного перпендикулярно оптической оси к сталла, толщиной 10 мм и пластины из КС-13 толщиной 2 мм. Интерференционный фильтр 2 используется в качестве фильтра предварительной мойохроматизации и имеет следующие характеристики: длина волны максимума пропускания 656,28 нм, полуп1ирина полосы пропускания 2 нм, пропускание 60-70%, пропускание Х 0,1% в нерабочей зоне ± 10 нм. . Каждая из фазовых пластин четвертьволны и полволны состоит из двух пластин кристаллического кварца толщиной около 2 мм, ориентированных между собой так, что вносимые ими разности хода вычитаются. Разность толщин пары, образующей пластину в четвертьволны, равна 18,2 мкм, а образующей пластину полволны 36,4 мкм. В качестве поляризаторов используются пленочные поляроиды. Внутренние поверхности оптических деталей находятся на иммерсионном контакте. Оптическая стопа герметизируется. Рабочая температура фильтра, 38± ± 0,1°С. Материал, толщина и ориентация оптической оси кристаллических и фазовых пластин представлены в табл. 1. Ориентация поляроидов в фильтре представлена в табл. 2. Поворотные фазовые пластины полволны 20, 26, 34 и 43 вклеены в оправы цилиндрических колес 50. Их вращение осу-, ществляется с помощью насыпных подшипников через редуктор рукояткой 51, соединенной со щкалой 52. Шкала 52 служит для отсчета перемещения полосы пропускания фильтра по спектральному диапазону. Ноль шкалы 52 соответствует центрировке полосы пропускания на длину волны 656,28 нм. Передаточные отнощения i,, i, i, i между осью 53 редуктора и цилиндрическими колесами 50 с поворотными фазовыми пластинами полволны 43, 20, 26 и 34 равны соответственно 2:3, 1:4, 1:2 и 1:1. Перестройка полосы пропускания предлагаемого фильтра осуществляется следующим образом.

k 5 6

Кварц То

+А5 О

+k5 2 Вращение от рукоятки - щкалы 5 и 52 передается на ось 53, на которой закреплены четыре цилиндрических колеса 54-57. Далее через паразитные цилиндрические колеса 58-61 вращение передается на основную ось 62, на которой свободно вращаются четыре двухвенцовых цилиндрических колеса 63-66, сопрягающихся с цилиндрическими колесами - оправами 50 фазовых пластин. При этом последние будут одновременно разворачиваться на разные углы в соответствии с вышеуказанными передаточными соотношениями. Крайние положения шкалы 52 соответствуют развороту пластин 43, 20, 26 и 34 на углы оС, равные ± 60°, ± 22°,30, 45° и 90° соответственно. В результате такого разворота полоса пропускания фильтра будет перемещаться на ± 0,1 нм от нулевого положения. Введение в предлагаемый фильтр дополнительных поворотных фазовых пластин 20, 26, 34 и 43 полволны обеспечивает возможность измерений поляризационных эффектов на Солнце, так как входной 42 и выходной- 41 поляризаторы фильтра в этом случае остаются неподвижными при перестройке полосы пропускания. В то же время введение дополнительных кристаллических пластин 28, 32, 45 и 49 из дигидрофосфата калия и кристаллических пластин 36 и 40 из дигидрофосфата aм roния в управляемые широкоугольные ступени Лио на порядок уменьшает температурную нестабильность положения полосы пропускания фильтра, так как температурные изменения волновой разности хода в основных кальцитовых пластинах компенсируются температурными изменениями волновой разности хода в дополнительных пластинах из дигидрофосфата калия и дигидрофосфата аммония. Это позволяет строго центрировать полосу пропускания фильтра на заданную длину волны. В случае необходимости решения только одной из двух указанных задач, она может быть решена путе.м введения в фильтр только одной соответствующей группы дополнительных элементов. Таким образом, использование изобретения позволяет расширить эксплуатационные возможности интерфере нционно-поляризационного фильтра. Таблица 1

Продолжение табл.1

щенйые между ними три кристаллические пластины, широкоугольные ступени Эвайса,

Продолжение табл.1

где д ,0 толщины дополнительных и основных кристаллических пластин;

Q Q - термооптические коэффициенты ° материалов дополнительных и основных кристаллических пластин, определяющие изменение волновой разности хода йа i мм толщины при изменении температуры на 1°С,

а углы поворота введенных фазовых пластин полволны связаны соотношением

ci:0,66ot:0,5oi:0,25c, --угол поворота фазовой пластины ЖIЛf-J, ff f j ff -riA I / - / 1 / I /1 /полволны в ступени с наибольшей волновой разностью хода.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе . 1. Скоморрвский В. И. и Иоффе С. Б. Монйхроматические фильтры для наблюдений Солнца. -- «Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. Вып. 52, 1980, с. 134-135.

2. Там же, с. 135 (прототип). /- // г0 г jff je J Jff /-/-/ I /, j / I 1Д i / I / I A, I / I / ЖЛ-YЖ ,JI1