СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДЕФЕКТОВ КВАРЦЕВОЙ КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ ЛИНЗЫ
METHOD TO REVEAL DEFECTS OF QUARTZ CRYSTALLINE LENS

Изобретение относится к области оптического приборостроения, в частности к приборам и оптическим системам, в которых кварцевая линза является одним из основных элементов: в оптической литографии, поляризационной технике.
Традиционно качество кварцевой линзы определяют либо способом определения дефектов в нелинейных средах, либо интерференционными методами. Известный способ определения дефектов в нелинейных средах позволяет определить наличие только внутренних дефектов и требует достаточно сложного оборудования. Интерференционный метод позволяет определить наличие только поверхностных дефектов кварцевой линзы и не требует сложного оборудования. Существует проблема определения как поверхностных, так и внутренних дефектов кварцевой линзы с помощью простого доступного оборудования.
Известен способ для определения дефектов любой линзы как стеклянной, так и кварцевой кристаллической, предназначенный для обнаружения отступлений от ее правильной сферической поверхности [1]. Для определения дефектов линзы используют устройство, которое содержит последовательно расположенные источник параллельного монохроматического излучения и пробное стекло в виде калибра. Калибр выполнен из стекла, имеющего малый коэффициент расширения, и имеет большую точность по сравнению с исследуемой линзой. Калибр представляет собой пластинку с плоской верхней гранью и вогнутой сферической нижней гранью, радиус кривизны которой определяется с помощью сферометра.
Для определения дефектов исследуемой сферической поверхности линзы на нее устанавливают калибр с образованием воздушной прослойки, ограниченной контактной окружностью линзы и калибра. При этом слой воздуха постепенно утолщается в радиальном направлении от контактной окружности к центру линзы.
Параллельный пучок монохроматического излучения направляют нормально к поверхности калибра. Проходя через калибр, пучки излучения, отраженные от верхней и нижней границ воздушного слоя, интерферируют. При этом в воздушном слое между калибром и линзой наблюдают интерференционную картину в виде полос равной толщины, представляющих собой концентрические светлые и черные кольца, равномерно убывающие по ширине от края к центру.
Для определения дефекта сферической поверхности линзы проводят наблюдение за интерференционной картиной.
При постоянном радиусе каждого интерференционного кольца делают вывод о сферической форме поверхности исследуемой линзы.
При локальном изменении радиуса каждого интерференционного кольца делают вывод о дефекте в сферической поверхности исследуемой линзы.
Известный способ позволяет определить дефект сферической поверхности исследуемой линзы как стеклянной, так и кварцевой кристаллической с точностью до нескольких сотых долей микронов.
Однако возможность определения дефекта сферической поверхности исследуемой линзы ограничена небольшим размером исследуемой линзы, что является недостатком известного способа, обусловленным габаритами калибров.
Наиболее близким к заявляемому решению по совокупности существенных признаков и достигаемому результату является способ определения дефектов кварцевой кристаллической линзы из двулучепреломляющего материала, в том числе из кристалла кварца [2], предназначенный для обнаружения трещин при обработке поверхности линзы и для обнаружения отступлений от ее правильной сферической поверхности.
Способ определения дефектов линзы осуществляют с помощью устройства, предназначенного для наблюдения линзы в поляризованном свете, которое содержит установленные перпендикулярно оси оптической системы и последовательно расположенные источник сходящегося монохроматического излучения, исследуемую кварцевую кристаллическую линзу, помещенную между скрещенными поляризатором и анализатором, и дополнительный источник излучения, предназначенный для получения контура линзы теневым методом.
Вначале исследуемую линзу освещают излучением от дополнительного источника излучения под углом близким к 90° к оси оптической системы и наблюдают поле внутри контурных линий линзы.
Одновременно с этим исследуемую линзу освещают источником сходящегося монохроматического излучения, в результате чего получают интерференционную картину в виде эллипсов на фоне равномерной освещенности поля внутри контура линзы.
Для определения дефекта сферической поверхности линзы проводят наблюдение за формой и ориентацией эллипсов.
При симметричном расположении эллипса внутри контура делают вывод о сферической поверхности исследуемой линзы.
При разрыве эллипса или несимметричном его расположении относительно осей контура делают вывод о нарушении сферичности исследуемой линзы.
Известный способ позволяет определить дефект сферической поверхности исследуемой линзы любых размеров с точностью до нескольких сотых долей микронов.
Однако данный способ позволяет определить только дефекты поверхности линзы, что является его недостатком.
Кроме того, осуществление способа требует дополнительного сложного оборудования.
Задача, решаемая изобретением, заключается в разработке способа для определения дефектов кварцевой кристаллической линзы, который позволяет выявлять не только поверхностные дефекты линзы, но и ее внутренние дефекты.
Для решения поставленной задачи в способе определения дефектов кварцевой кристаллической линзы, заключающемся в пропускании сходящегося монохроматического излучения через оптическую систему, содержащую перпендикулярно установленные к ее оси последовательно расположенные источник излучения, скрещенные поляризатор и анализатор, между которыми устанавливают исследуемую кварцевую кристаллическую линзу с совмещением ее оптической оси с осью оптической системы, и в получении интерференционной картины, по виду которой судят о дефекте кварцевой кристаллической линзы, при этом о наличии поверхностного дефекта кварцевой кристаллической линзы судят по локальному искажению радиусов колец-изохром, пересеченных черным «мальтийским крестом», о наличии внутреннего дефекта линзы, связанного с неоднородностью показателей преломления, судят по разрыву колец со смещением их относительно центра, пересеченных черным «мальтийским крестом».
Наличие существенных отличительных признаков в заявляемом решении свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности «новизна».
е
о
1
е
о
2
Благодаря существенным отличительным признакам способ определения дефектов позволяет выявить в кварцевой линзе не только поверхностные дефекты, но и внутренние, связанные с неоднородностью показателей преломления. Это обусловлено тем, что лучи сходящегося монохроматического пучка разделяются на два луча в кристаллической кварцевой линзе, и при наличии на пути лучей неоднородности показателей преломления происходит изменение фазового сдвига. Таким образом, при одинаковом пути, пройденном в линзе, часть лучей, проходящих в среде с показателями преломления n и n, имеет один фазовый сдвиг Δ, а другая часть лучей, проходящих в среде с показателями преломления n' и n', имеет другой фазовый сдвиг Δ. Это приводит к разрыву колец со смещением на интерференционной картине, по которому судят о наличии внутреннего дефекта кварцевой линзы.
Суждение о наличии внутреннего дефекта кварцевой линзы по разрыву колец со смещением их относительно центра интерференционной картины явным образом не следует из уровня техники, что свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности «изобретательский уровень».
На чертеже представлена схема устройства для определения дефектов кварцевой кристаллической линзы.
Для осуществления способа определения дефектов кварцевой кристаллической линзы используют оптическую систему, которая содержит последовательно расположенные источник сходящегося монохроматического излучения 1, поляризатор 2, исследуемую кварцевую кристаллической линзу 3, анализатор 4 и экран 5. Все элементы системы установлены перпендикулярно ее оптической оси. Оси пропускания поляризатора 2 и анализатора 4 расположены взаимно перпендикулярно. Исследуемая линза 3 вырезана из кристалла кварца. Оптическая ось исследуемой кварцевой кристаллической линзы 3 совпадает с осью оптической системы.
Способ определения дефектов кварцевой кристаллической линзы осуществляют следующим образом. Сходящееся монохроматическое излучение направляют вдоль оси оптической системы на поляризатор 2, который преобразует излучение в сходящееся монохроматическое линейно поляризованное излучение, состоящее из множества лучей, идущих во всех направлениях в пределах достаточно широкого конуса. Направление вектора Е для каждого луча этого конуса одинаково и совпадает с осью пропускания поляризатора 2.
о
е
o
e
е
о
е
o
е
о
После поляризатора 2 преобразованное излучение направляют на исследуемую линзу 3. Такое излучение, попадая на линзу 3 толщиной d в направлении оси оптической системы, разбивается в каждом направлении (кроме направления оси оптической системы) на два луча - обыкновенный и необыкновенный с амплитудами колебаний векторов Е и Е, с разными скоростями ν≠ν. При этом вектор Е расположен в главной плоскости в радиальном направлении относительно оси пучка, а вектор Е перпендикулярно главной плоскости в тангенциальном направлении. Обыкновенный и необыкновенный лучи, двигаясь с разными скоростями, приобретают на выходе из исследуемой линзы 3 фазовый сдвиг Δ=(n-n)d/cosα. Величина фазового сдвига Δ определяется длиной геометрического пути d/cosα, зависящей от угла падения луча α в сходящемся коническом пучке на входную грань линзы, и разностью показателей преломления (n-n). В целом излучение после кварцевой линзы 3 содержит лучи с различными фазовыми сдвигами.
При отсутствии поверхностных и внутренних дефектов кварцевой кристаллической линзы 3 преобразование лучей соответствует вышеописанному.
При наличии поверхностного дефекта кварцевой кристаллической линзы 3 изменяется величина d, пройденная пучком лучей в линзе 3. При этом фазовый сдвиг для лучей данного направления изменяется. Это приводит к тому, что для конического пучка лучей с одинаковым углом падения α наблюдается два различных фазовых сдвига.
e
o
1
2
При наличии внутреннего дефекта кварцевой кристаллической линзы 3 изменяется разность показателей преломления (n'-n') для лучей, проходящих через неоднородность. Это приводит к различному фазовому сдвигу Δ и Δ для лучей конического пучка с одинаковым углом падения α.
Далее такое излучение подают на анализатор 4, после которого все лучи с различными фазовыми сдвигами становятся линейно поляризованными, имеющими направление вектора Е, параллельное оси пропускания анализатора 4. После анализатора 4 лучи интерферируют и дают на экране 5 коноскопическую картину, являющуюся интерференционной картиной в сходящихся лучах.
В случае отсутствия поверхностного и внутреннего дефектов коноскопическая картина представляет собой систему концентрических черных и светлых колец-изохром с центром на оси системы с черным «мальтийским крестом». Каждое кольцо-изохрома, являясь линией одинакового фазового сдвига, соответствует конусу лучей с одинаковым углом падения α. Стороны «мальтийского креста» совпадают с осями пропускания поляризатора 2 и анализатора 4 и делят поле картины на четыре квадранта. При постоянном радиусе каждого кольца-изохромы коноскопической картины делают вывод о сферической поверхности исследуемой линзы 3 и отсутствии внутренних дефектов.
В случае поверхностного дефекта кварцевой кристаллической линзы 3 изменяется путь, пройденный в пределах дефекта частью лучей из сходящегося конического пучка с углом падения α, что приводит к различному фазовому сдвигу для лучей этого пучка. При изменении фазового сдвига происходит локальное искажение радиуса каждого кольца-изохромы коноскопической картины, по которому делают вывод о наличии дефекта сферической поверхности исследуемой линзы 3.
е
о
1
2
В случае локальной неоднородности показателей преломления кварцевой кристаллической линзы 3 изменяется разность показателей преломления (n-n) для лучей из сходящегося конического пучка с углом падения α, проходящих через данную неоднородность. Фазовый сдвиг для лучей данного пучка становится различным (Δ и Δ). При изменении фазового сдвига для этих лучей происходит разрыв колец-изохром со смещением их относительно центра коноскопической картины, по которому делают вывод о наличии внутреннего дефекта кварцевой кристаллической линзы 3.
Эксперимент проведен в научно-исследовательской лаборатории оптики на кафедре «Физика» ДВГУПС.
При проведении эксперимента в оптической системе использован источник монохроматического излучения - гелий-неоновый лазер с длиной волны 0,6328 мкм, в качестве поляризатора и анализатора - поляроиды ПФ36, в качестве исследуемой линзы - кварцевые кристаллические плосковыпуклые линзы. Параметры первой линзы составляют: толщина по оси 3,8 мм, радиус сферической поверхности 42,4 см, длина хорды 27 мм, фокусное расстояние 80 мм. Параметры второй и третьей одинаковых линз составляют: толщина по оси 6,2 мм, радиус сферической поверхности 78 см, длина хорды 26 мм, фокусное расстояние 61 мм. Результаты эксперимента зафиксированы цифровой фотокамерой «Practica».
В результате эксперимента получена коноскопическая картина, которая представляет собой фигуру, состоящую из колец-изохром, пересеченных черным «мальтийским крестом». По виду коноскопической картины определяют наличие дефектов кварцевой кристаллической линзы.
Для сравнения вышеуказанные линзы исследованы с помощью способа обнаружения дефектов в нелинейных средах [3].
ω
2ω
В известном способе [3] излучение лазера ЛТИ ПЧ - 4 (λ=1,064 мкм, длительность импульса 20 нс) с частотой ω направляют через объектив на исследуемую кварцевую кристаллическую линзу и сканируют перетяжку луча по всему объему линзы. Это излучение рождает в линзе вторую оптическую гармонику с частотой 2ω (λ=0,532 мкм), которую регистрируют фотоприемником и записывают на самописец. При отсутствии дефектов вторая гармоника возникает только на входной и выходной поверхностях линзы, и этот сигнал является фоновым. При наличии дефектов луч, фокусируемый и сканируемый по всему объему линзы, попадает на дефект, из области которого исходит дополнительное излучение, которое регистрируется вместе с фоновым излучением. При наличии в записи электрического сигнала дополнительного пика помимо фоновой кривой судят о наличии внутреннего дефекта кварцевой кристаллической линзы.
Результаты исследований приведены в таблице.
Таблица
Исследуемые линзы
Определение дефектов по заявляемому способу
Определение дефектов по способу обнаружения дефектов в нелинейных средах
Вывод
Линза 1
Коноскопическая картина представляет собой черные и красные кольца, пересеченные черным «мальтийским крестом».
Кривая записи электрического сигнала соответствует фону.
Отсутствие поверхностного и внутреннего дефектов кварцевой кристаллической линзы
Линза 2
Коноскопическая картина представляет собой черные и красные кольца с локальным изменением радиуса, пересеченные черным «мальтийским крестом».
Кривая записи электрического сигнала соответствует фону.
Наличие дефекта в сферической поверхности кварцевой кристаллической линзы
Линза 3
Коноскопическая картина представляет собой черные и красные кольца с их локальным разрывом со смещением относительно центра, пересеченные черным «мальтийским крестом».
На записи фонового электрического сигнала присутствует дополнительный пик.
Наличие внутреннего дефекта кварцевой кристаллической линзы
Использование заявляемого способа позволяет определить по сравнению с прототипом внутренние дефекты кварцевой кристаллической линзы коноскопическим методом.
Источники информации
1. Шишловский А.А. Прикладная физическая оптика / А.А.Шишловский. - М.: Физматгиз, 1961. - 822 с.
2. Заявка JP 2002122555 A, 26.04.2002; сайт Японского патентного ведомства http://www.ipdl.inpit.go.jp/homepg_e.ipdl.
3. Авторское свидетельство СССР №1630478, МПК 4 G01N 21/88. Способ обнаружения дефектов в нелинейных средах / Строганов В.И.; заявитель Хабаровский ин-т инж. железнодорожного транспорта - №4621035/25; заявл. 16.12.88; опубл. 20.10.99, Бюл. №27.