ИНТЕРФЕРОМЕТР ДЛЯ МНОГОЦЕЛЕВЫХ ОПТИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ
INTERFEROMETER FOR MULTIPLE OPTICAL MEASUREMENTS

Изобретение относится к технике измерений оптических характеристик оптическими средствами и может быть использовано при конструировании интерферометров типа Тваймана-Грина, неравноплечих микроинтерферометров для контроля формы и шероховатости поверхностей оптических деталей, в том числе зеркал телескопов, а также других измерений.
Для оптических измерений применяется несколько типов интерферометров, в частности интерферометры Физо, Майкельсона, Тваймана-Грина и другие (Ю.В. Коломийцов «Интерферометры», Л-д, «Машиностроение», 1976 г., стр. 52-57, 210-212). В общем случае все они содержат осветительную ветвь, разделительный элемент, например плоскопараллельную пластину с одной полупрозрачной поверхностью, эталонную и регистрирующую ветвь. Исходный пучок света разделяется в них на два пучка, которые, отражаясь от эталонной и исследуемой поверхностей, интерферируют между собой и интерференционная картина наблюдается или регистрируется и исследуется. Указанные схемы довольно громоздки, часто дают не очень четкую интерференционную картину. Для устранения этих и прочих недостатков используют разделительный кубик (куб-призму), склеенную из двух прямоугольных призм с полупрозрачным отражающим слоем на гипотенузной грани одной из них. Так, известен интерферометр для контроля формы астрономических зеркал (Д.Т. Пуряев и С.К. Мамонов, авт. свид. SU 662795, опубл. 15.05.1979 г.), выполненный по аналогичной схеме, в которой в качестве светоделителя использована куб-призма, а в качестве осветителя - монохроматический источник света в виде лазера. Однако схема отягощена необходимостью использования вспомогательных оптических деталей, в частности сферо-гиперболической линзы, что усложняет интерферометр и увеличивает его габариты.
Ближайшим к конструктивному исполнению и назначению может служить неравноплечий лазерный интерферометр типа ИТ-172 (патент RU 1404810, опубл. 23.06.1988 г.; Ю.В. Коломийцов «Интерферометры», Л-д, «Машиностроение», 1976 г., стр. 211). Он включает в себя осветительную ветвь с лазерным осветителем и микрообъективом, эталонную, иначе опорную ветвь, светоделительной элемент в виде куб-призмы с полупрозрачной гипотенузной гранью и регистрирующую интерференционную картину ветвь с приемником излучения и объективом сопряжения. Работает интерферометр обычным образом, как это указано выше. Однако осветительная ветвь его довольно велика, числовая апертура выходящего пучка невелика, что не решает поставленную задачу. Применение интерферометра ограничено измерениями параметров и формы оптических поверхностей оптически анизотропных сред, где имеет место автоколлимационный ход лучей.
Задача изобретения заключается в расширении диапазона применения интерферометра, повышении апертуры и качества выходящего волнового фронта и уменьшении габаритных размеров интерферометра.
Технический результат, обусловленный поставленной задачей, достигается тем, что в интерферометре для многоцелевых оптических измерений, содержащем осветительную с лазерным осветителем, эталонную, регистрирующую ветви и светоделительный элемент в виде куб-призмы с полупрозрачной гипотенузной гранью, в отличие от известного в осветительной ветви установлено вогнутое сферическое зеркало с центральным соосно осветителю отверстием, зеркало обращено вогнутой отражающей поверхностью к плоской грани куб-призмы, на которой выполнено микросферическое зеркало, при этом центр его располагается на оси интерферометра.
Применение микросферического зеркала позволяет существенно уменьшить габаритные размеры прибора, т.к. исключает необходимость применения афокальной системы для расширения пучка и многолинзового фокусирующего объектива сложной конструкции, аберрации которого должны быть исключены или учтены совместно с аберрациями куб-призмы. Такое решение позволяет существенно увеличить числовую апертуру выходных пучков и полностью исключить сферическую аберрацию и аберрацию кома пучка.
Предложенное техническое решение осветительной ветви интерферометра может быть полезным и использоваться в качестве базового решения для других типов интерферометров.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где:
Фиг. 1 - принципиальная схема интерферометра;
Фиг. 2 - вариант исполнения выпуклого микросферического зеркала;
Фиг. 3 - вариант исполнения вогнутого микросферического зеркала.
Интерферометр (Фиг. 1) содержит последовательно установленные лазерный источник излучения 1, микросферическое зеркало 2, вогнутое сферическое зеркало 3 с центральным отверстием, светоделительную куб-призму 4 с полупрозрачной гипотенузной гранью. Зеркало 3 обращено вогнутой отражающей поверхностью к плоской грани куб-призмы 4, на которой выполнено сферическое микросферическое зеркало 2, причем центр его располагается на оптической оси интерферометра. Интерферометр содержит по другую грань куб-призмы 4 в эталонной ветви эталонный объект 5, а со стороны третьей грани в регистрирующей ветви - объектив сопряжения 6 и приемник излучения 7. Четвертой гранью интерферометр направлен в сторону объекта исследования 8 (измерительная ветвь).
2
Для работы в видимой области спектра в качестве источника 1 может быть применен He-Ne лазер с длиной волны λ=0,6328 мкм и диаметром пучка 1 мм, а для ИК-области спектра - СО-лазер с длиной волны λ=10,6 мкм. Микросферическое зеркало 2 может быть как выпуклым (наклеенным на входную грань), так и вогнутым - в виде углубления в центральной части входной грани светоделительного кубика. Были рассчитаны конструктивные параметры базовой оптической схемы интерферометра для работы в видимой (Таблица 1) и ИК-области спектра (Таблица 2).
Интерферометр работает следующим образом. Монохроматический световой пучок, выходящий из лазера 1, пройдя отверстие в зеркале 3, падает на микросферическое зеркало 2, и после отражения от него образуется расходящийся высокоапертурный пучок, который направляется на вогнутое сферическое зеркало 3 большего диаметра. После отражения от зеркала 3 световой пучок проходит через куб-призму 4, образуя выходящий пучок лучей с относительным отверстием 1:1,6 (для видимой области спектра, λ=0,6328 мкм) и 1:1,2 (для ИК-области, λ=10,6 мкм), который практически не имеет сферической аберрации (остаточная волновая аберрация не превышает значения W=λ/10).
Микросферическое зеркало 2 может быть выполнено, например, в виде выпуклого сферического зеркала малого диаметра 0,5-1 мм (Фиг. 2) либо в виде сферического углубления в куб-призме такого же диаметра (Фиг. 3) - вогнутое зеркало.
Измерительная ветвь интерферометра может представлять множество различных типовых схем для измерения разнообразных оптических элементов (например, гиперболических, эллиптических, параболических зеркал), организованных по единому принципу: лучи выходящего сферического волнового фронта испытывают автоколлимационное отражение и возвращаются вновь на светоделительный кубик, где интерферируют с эталонным сферическим волновым фронтом. Объектив сопряжения 6 является сменным элементом в зависимости от конструкции измерительной ветви и должен обеспечить изображение контролируемой поверхности или автоколлимационного элемента на приемнике излучения 7, например, в виде матрицы ПЗС или фотопластинки.
Интерферометр промышленно применим, т.к. составляющие его узлы и оптические детали промышленностью освоены и выпускаются.
Расчетным путем и графически показано, что применение микросферического и отражающего сферического зеркал увеличивает апертуру и качество волнового фронта, укорачивает всю осветительную ветвь и уменьшает габариты интерферометра, расширяет диапазон его применения для различных типов измерений.