RU2482447C2

RU2482447C2 - Interferometer

Info

Publication number: RU2482447C2
Application number: RU2011136134/28A
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Сергеевич Гаврилов; Евгений Анатольевич Лобода; Алексей Генрихович Какшин
Priority date: 2011-08-30
Filing date: 2011-08-30
Publication date: 2013-05-20
Also published as: RU2011136134A

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: interferometer has a collimated beam former with a beam splitter, a reference mirror, a selector diaphragm, an observation system placed in the front focus of the lens of the former behind the beam splitter, a CCD camera and the investigated afocal system lying between the lens of the former and the reference mirror. There is a flat mirror placed at an angle to the optical axis of the beam which is reflected at a small angle from the reference mirror, a first collimating lens which is confocal with the lens of the former, a second flat mirror, a second collimating lens placed on the path of the beam reflected from the reference mirror, confocal with the lens of the former provided with a second beam splitter, a polariser plate and two additional flat mirrors which form a closed loop which includes a half-wave plate. Behind the beam splitter of the former, there is an additional beam splitter and a second CCD camera lying in the focal plane of the lens of the former. The observation system is in form of a collimating and a translational lens with a polarisation cube in between. The collimating lens lies confocal to the lens of the former.

EFFECT: enabling measurement of an investigated afocal system with aberrations of any type.

7 dwg

Description

Изобретение относится к оптическому приборостроению, в частности к интерферометрам, и может быть использовано для контроля оптического качества афокальных систем, в том числе крупногабаритных, а именно для контроля плоских зеркал, светоделителей, плоскопараллельных пластин, клиньев, а также телескопических систем с увеличением, близким к единичному.The invention relates to optical instrumentation, in particular to interferometers, and can be used to control the optical quality of afocal systems, including large ones, namely to control flat mirrors, beam splitters, plane-parallel plates, wedges, as well as telescopic systems with an increase close to single.

Известен интерферометр, содержащий формирователь коллимированного пучка, опорное зеркало, установленное за формирователем по ходу пучка, диафрагму-селектор, установленную в переднем фокусе объектива формирователя по ходу пучка, отраженного от опорного зеркала под малым углом, наблюдательную систему, установленную за диафрагмой-селектором, и исследуемую афокальную систему («Оптический производственный контроль», под ред. Д.Малакары. М.: Машиностроение, 1985 г., рис.7.11, с.177, Интерферометр Физо с многократным прохождением лучей).A known interferometer comprising a collimated beam former, a reference mirror mounted behind the former along the beam, a diaphragm selector installed in the front focus of the former lens along the beam reflected from the reference mirror at a small angle, an observation system installed behind the diaphragm selector, and the studied afocal system (“Optical production control”, edited by D. Malakara. M .: Mashinostroenie, 1985, Fig. 7.11, p. 177, Fizeau interferometer with multiple passage of rays).

В качестве опорного зеркала используется плоский эталон, диафрагма-селектор выполнена в виде экрана с двумя отверстиями для выбора пучка нулевого и подходящего высокого порядка, а наблюдательная система - в виде объектива и фотопленки.As a reference mirror, a flat standard is used, the aperture-selector is made in the form of a screen with two holes for choosing a beam of zero and a suitable high order, and the observing system is in the form of a lens and film.

Указанное устройство обладает высокой чувствительностью измерений, которая достигается с помощью многократного прохождения сканирующего пучка через исследуемую афокальную систему (ИАС).The specified device has a high measurement sensitivity, which is achieved by repeatedly passing the scanning beam through the studied afocal system (IAS).

Однако использование плоского эталонного зеркала ограничивает точность измерений.However, the use of a flat reference mirror limits the accuracy of the measurements.

Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения, выбранным в качестве прототипа, является интерферометр, содержащий формирователь коллимированного пучка со светоделителем, опорное зеркало, установленное за формирователем по ходу пучка, диафрагму-селектор, установленную в переднем фокусе объектива формирователя за светоделителем по ходу пучка, отраженного от опорного зеркала под малым углом, наблюдательную систему и ПЗС-камеру, установленные за диафрагмой-селектором, и исследуемую афокальную систему, расположенную между объективом формирователя и опорным зеркалом («Способ измерения деформаций волнового фронта до λ/8, вносимых афокальной системой большой апертуры», авторы: Д.С.Гаврилов, А.Г.Какшин, Е.А.Лобода, «Оптический журнал», том 76, №3, 2009 г., с.18-24).The closest analogue of the claimed invention, selected as a prototype, is an interferometer containing a collimated beam former with a beam splitter, a reference mirror mounted behind the beam former along the beam, a diaphragm-selector installed in the front focus of the former lens behind the beam splitter along the beam reflected from the reference low-angle mirrors, an observational system and a CCD camera mounted behind the diaphragm-selector, and the studied afocal system located between the objective m of the shaper and a reference mirror (“A method for measuring wavefront deformations up to λ / 8 introduced by a large aperture afocal system”, authors: D. S. Gavrilov, A. G. Kakshin, E. A. Loboda, “Optical Journal”, vol. 76, No. 3, 2009, p. 18-24).

Наблюдательная система выполнена в виде объектива.The observation system is made in the form of a lens.

Преимуществом данного интерферометра является то, что для его реализации не требуется плоское эталонное зеркало, в качестве опорного может применяться плоское зеркало с небольшой остаточной сферичностью. Интерферограмма формируется в результате взаимодействия сканирующего пучка, прошедшего четыре раза через ИАС, и того же пучка, взятого до прохождения через ИАС. Данная установка обладает достаточно высокой чувствительностью измерений.The advantage of this interferometer is that its implementation does not require a flat reference mirror, a flat mirror with a small residual sphericity can be used as a reference. An interferogram is formed as a result of the interaction of a scanning beam that has passed four times through the IAS and the same beam taken before passing through the IAS. This installation has a fairly high measurement sensitivity.

Однако данный интерферометр позволяет измерять ИАС только с определенным коэффициентом пропускания (если ИАС является зеркалом - коэффициентом отражения), который должен быть не менее 0,7 для обеспечения приемлемого контраста интерферограммы и возможности проведения измерений.However, this interferometer allows you to measure the IAS only with a certain transmittance (if the IAS is a mirror - reflection coefficient), which should be at least 0.7 to ensure acceptable contrast of the interferogram and the possibility of measurements.

Кроме того, интерферометр построен таким образом, что позволяет выполнять только четыре прохода пучка через ИАС, при этом наблюдаемая интерферограмма имеет вид колец (в предельном случае - одного кольца), что ограничивает чувствительность измерений: минимальный регистрируемый размах деформаций волнового фронта, которые вносит ИАС, составляет λ/8.In addition, the interferometer is constructed in such a way that it allows only four passes of the beam through the IAS, while the observed interferogram has the form of rings (in the extreme case, one ring), which limits the sensitivity of measurements: the minimum recorded amplitude of the wavefront deformations introduced by the IAS, is λ / 8.

Также при работе интерферометра сканирующий пучок переворачивается при втором проходе через интерферометр, что в свою очередь приводит к большой погрешности измерения ИАС с несимметричными аберрациями (например, кома, местные ошибки). Кроме того, схема интерферометра такова, что происходит увод оси пучка при каждом проходе через интерферометр. Это также приводит к погрешности измерения ИАС с несимметричными аберрациями, кроме того, делает невозможным измерение ИАС с малой апертурой.Also, when the interferometer is operating, the scanning beam is turned over during the second pass through the interferometer, which in turn leads to a large measurement error of the IAS with asymmetric aberrations (for example, coma, local errors). In addition, the interferometer scheme is such that the beam axis is removed at each pass through the interferometer. This also leads to an error in the measurement of IAS with asymmetric aberrations, in addition, makes it impossible to measure IAS with a small aperture.

Технический результат, получаемый при использовании предлагаемого технического решения, - обеспечение возможности измерения ИАС с аберрациями любого типа.The technical result obtained by using the proposed technical solution is the ability to measure IAS with aberrations of any type.

Задачи, на решение которых направлено изобретение, - расширение диапазона коэффициента отражения (пропускания) и расширение диапазона габаритов ИАС, подлежащих измерению, а также повышение чувствительности измерений.The tasks to which the invention is directed are expanding the range of reflection coefficient (transmittance) and expanding the range of dimensions of IAS to be measured, as well as increasing the sensitivity of measurements.

Указанный технический результат достигается тем, что в интерферометре, содержащем формирователь коллимированного пучка со светоделителем, опорное зеркало, установленное за формирователем по ходу пучка, диафрагму-селектор, установленную в переднем фокусе объектива формирователя за светоделителем по ходу пучка, отраженного от опорного зеркала под малым углом, наблюдательную систему и ПЗС-камеру, установленные за диафрагмой-селектором, и исследуемую афокальную систему, расположенную между объективом формирователя и опорным зеркалом, особенностью является то, что интерферометр дополнительно содержит плоское зеркало, установленное под углом к оптической оси пучка, отраженного под малым углом от опорного зеркала, первый коллимирующий объектив, установленный софокусно с объективом формирователя и второе плоское зеркало, установленное перпендикулярно оптической оси, второй коллимирующий объектив, установленный по ходу пучка, отраженного от опорного зеркала в обратном направлении, софокусно с объективом формирователя, снабженного вторым светоделителем, установленным под малым углом к оптической оси пучка, поляризатор-пластину и два дополнительных плоских зеркала, образующие замкнутый контур, в который введена полуволновая пластина, за светоделителем формирователя установлены дополнительный светоделитель под углом к оптической оси и вторая ПЗС-камера, расположенная за дополнительным светоделителем в фокальной плоскости объектива формирователя, наблюдательная система выполнена в виде коллимирующего и трансляционного объективов, между которыми расположен поляризационный куб, при этом коллимирующий объектив расположен софокусно с объективом формирователя по ходу пучка, отраженного от дополнительного светоделителя.The specified technical result is achieved by the fact that in the interferometer containing the collimated beam former with a beam splitter, a reference mirror mounted behind the beam former along the beam, a diaphragm selector installed in the front focus of the former lens behind the beam splitter along the beam reflected from the reference mirror at a small angle , the observational system and the CCD camera installed behind the diaphragm-selector, and the studied afocal system located between the lens of the shaper and the reference mirror, o The peculiarity is that the interferometer further comprises a flat mirror mounted at an angle to the optical axis of the beam reflected at a small angle from the reference mirror, a first collimating lens mounted in focus with the shaper lens and a second flat mirror mounted perpendicular to the optical axis, a second collimating lens, installed in the direction of the beam reflected from the reference mirror in the opposite direction, in focus with the lens of the shaper equipped with a second beam splitter installed at a small angle to the optical axis of the beam, a polarizer plate and two additional flat mirrors forming a closed loop into which the half-wave plate is inserted, an additional beam splitter is installed behind the beam splitter at an angle to the optical axis and a second CCD camera located behind the additional beam splitter in the focal the plane of the lens of the shaper, the observational system is made in the form of a collimating and translational lens, between which there is a polarizing cube, while conductive confocal lens is a lens driver along the beam reflected by the additional beam splitter.

Введением в формирователь второго светоделителя, установленного под малым углом к оптической оси пучка, а в интерферометр - двух коллимирующих объективов, установленных софокусно с объективом формирователя, и плоского зеркала, установленного под углом к оптической оси пучка, отраженного под малым углом от опорного зеркала, добились того, что пучок не переворачивается (сохраняет ориентацию при каждом проходе через ИАС) и отсутствует увод пучка. Введение в интерферометр поляризатора-пластины и двух дополнительных плоских зеркал, которые образуют замкнутый контур с введенной в него полуволновой пластиной, обеспечили то, что плоскость колебаний электрического вектора пучка, совершившего 4 прохода через ИАС, поворачивается на 90 градусов, а пучка, совершившего 8 проходов - возвращается в исходное положение.By introducing into the shaper a second beam splitter installed at a small angle to the optical axis of the beam, and into the interferometer - two collimating lenses mounted confocal with the lens of the shaper, and a flat mirror mounted at an angle to the optical axis of the beam reflected at a small angle from the reference mirror, we obtained the fact that the beam does not turn over (retains orientation with each passage through the IAS) and there is no beam withdrawal. The introduction of a polarizer-plate and two additional flat mirrors into the interferometer, which form a closed loop with a half-wave plate introduced into it, ensured that the plane of oscillations of the electric vector of the beam that made 4 passes through the IAS rotates 90 degrees, and the beam made 8 passes - returns to its original position.

Это дает возможность исключить пучок, совершивший 4 прохода через ИАС, из формирования интерферограммы путем установки поляризационного куба в наблюдательной системе, скрещенного с направлением колебаний этого пучка. В результате формируется интерферограмма пучка, совершившего 8 проходов через ИАС. Снабдив установку вторым плоским зеркалом, установленным перпендикулярно оптической оси за вторым коллимирующим объективом, получили возможность взаимно наклонять интерферирующие пучки и формировать интерферограмму в виде полос. С помощью вращения поляризационного куба получили возможность выравнивать мощность интерферирующих пучков и тем самым решили задачу расширения диапазона коэффициента отражения (пропускания) ИАС, расширили диапазон габаритов ИАС, подлежащих измерению, и повысили чувствительность измерений. Таким образом, обеспечили возможность измерения ИАС с аберрациями любого типа.This makes it possible to exclude the beam that has made 4 passes through the IAS from the formation of the interferogram by installing a polarizing cube in the observation system crossed with the direction of oscillation of this beam. As a result, an interferogram of the beam is formed, having made 8 passes through the IAS. Having equipped the setup with a second flat mirror mounted perpendicular to the optical axis behind the second collimating lens, we were able to mutually tilt the interfering beams and form an interferogram in the form of stripes. Using the rotation of the polarizing cube, it was possible to equalize the power of the interfering beams and thereby solved the problem of expanding the range of reflection coefficient (transmittance) of the IAS, expanded the range of dimensions of the IAS to be measured, and increased the sensitivity of the measurements. Thus, it was possible to measure IAS with aberrations of any type.

При проведении анализа уровня техники, включающего поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, и выявлении источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, не обнаружено аналогов, характеризующихся признаками, тождественными всем существенным признакам данного изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа как наиболее близкого по совокупности существенных признаков аналога, позволило выявить совокупность существенных отличительных признаков от прототипа, изложенных в формуле изобретения.When conducting analysis of the prior art, including a search by patent and scientific and technical sources of information, and identifying sources containing information about analogues of the claimed invention, no analogues were found that are characterized by features that are identical to all the essential features of this invention. The definition from the list of identified analogues of the prototype as the closest in the set of essential features of the analogue, allowed to identify the set of essential distinguishing features from the prototype set forth in the claims.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «новизна».Therefore, the claimed invention meets the condition of "novelty."

Для проверки соответствия заявленного изобретения условию «изобретательский уровень» заявитель провел дополнительный поиск известных решений, чтобы выявить признаки, совпадающие с отличительными от прототипа признаками заявленного устройства. В результате поиска не выявлены технические решения с этими признаками. На этом основании можно сделать выводы о соответствии заявляемого изобретения условию «изобретательский уровень».To verify the conformity of the claimed invention with the condition "inventive step", the applicant conducted an additional search for known solutions in order to identify signs that match the distinctive features of the claimed device from the prototype. As a result of the search, no technical solutions with these characteristics were identified. On this basis, we can conclude that the claimed invention meets the condition of "inventive step".

На фиг.1 изображен общий вид интерферометра.Figure 1 shows a General view of the interferometer.

На фиг.2 изображена схема измерения при различных исследуемых афокальных системах.Figure 2 shows the measurement scheme for various investigated afocal systems.

На фиг.3 представлено изображение сфокусированных пучков на этапе настройки с второй ПЗС-камеры.Figure 3 presents the image of the focused beams at the setup stage from the second CCD camera.

На фиг.4 представлено изображение сфокусированных пучков с ПЗС-камеры при расположении датчика камеры в положении С.Figure 4 presents the image of focused beams from a CCD camera with the camera sensor in position C.

На фиг.5 представлено изображение интерферограммы на этапе настройки.Figure 5 presents the image of the interferogram at the setup stage.

На фиг.6 представлено изображение интерферограммы на этапе измерений.Figure 6 presents the image of the interferogram at the measurement stage.

На фиг.7 представлен принцип работы поляризационного куба при выравнивании мощности интерферирующих пучков.Figure 7 shows the principle of operation of the polarization cube when aligning the power of the interfering beams.

Интерферометр содержит формирователь пучка, состоящий из непрерывного лазера 1, объектива (например, микрообъектива) 2 и диафрагмы 3. Формирователь снабжен светоделителем 4, установленным под углом i₄<20° к оптической оси, и коллимирующим собирающим объективом 5 (например, плоскосферической линзой с относительным отверстием 1/4K…1/12K, где K - количество проходов пучка через ИАС). Интерферометр также содержит второй светоделитель 6, установленный под углом i₆=5…10° к оптической оси. Передняя фокальная плоскость объектива 5 приблизительно совпадает с плоскостью диафрагмы 3, продольное положение объектива 5 регулируется. Диаметр отверстия диафрагмы 3 составляет d₃≈λf₅/D, где f₅ - фокусное расстояние объектива 5, D - требуемый диаметр пучка на его выходе (фиг.1).The interferometer contains a beam shaper, consisting of a continuous laser 1, a lens (for example, a micro lens) 2 and a diaphragm 3. The shaper is equipped with a beam splitter 4, mounted at an angle i ₄ <20 ° to the optical axis, and a collimating collecting lens 5 (for example, a plane-spherical lens with relative aperture 1 / 4K ... 1 / 12K, where K is the number of beam passes through the IAS). The interferometer also contains a second beam splitter 6, installed at an angle i ₆ = 5 ... 10 ° to the optical axis. The front focal plane of the lens 5 approximately coincides with the plane of the diaphragm 3, the longitudinal position of the lens 5 is adjustable. The diameter of the aperture 3 is d ₃ ≈λf ₅ / D, where f ₅ is the focal length of the lens 5, D is the required beam diameter at its output (Fig. 1).

Опорное зеркало 7 установлено за формирователем по ходу пучка вблизи объектива 5 под углом α=(50…100)λ/D рад к оптической оси для отражения излучения обратно в апертуру объектива 5, плоское зеркало 8 расположено под углом к оптической оси пучка, отраженного под углом α от опорного зеркала 7. Первый коллимирующий объектив 9 установлен софокусно с объективом 5 на расстоянии f₅+f₉ от объектива 5, где f₅ и f₉ - фокусные расстояния объективов 5 и 9. Вблизи объектива 9 установлено второе плоское зеркало 10.The reference mirror 7 is installed behind the shaper along the beam near the lens 5 at an angle α = (50 ... 100) λ / D rad to the optical axis to reflect radiation back into the aperture of the lens 5, a flat mirror 8 is located at an angle to the optical axis of the beam reflected under angle α from the reference mirror 7. The first collimating lens 9 is mounted in focus with the lens 5 at a distance f ₅ + f ₉ from the lens 5, where f ₅ and f ₉ are the focal lengths of the lenses 5 and 9. A second flat mirror 10 is installed near the lens 9.

Интерферометр содержит второй коллимирующий объектив 11, установленный по ходу пучка, отраженного от опорного зеркала 7 в обратном направлении, софокусно с объективом 5 на расстоянии приблизительно f₅+f₁₁ от объектива 5, где f₅ и f₁₁ - фокусные расстояния объективов 5 и 11, с возможностью регулировки продольного положения объектива 11.The interferometer contains a second collimating lens 11 mounted in the direction of the beam reflected from the reference mirror 7 in the opposite direction, in focus with the lens 5 at a distance of approximately f ₅ + f ₁₁ from the lens 5, where f ₅ and f ₁₁ are the focal lengths of lenses 5 and 11 , with the ability to adjust the longitudinal position of the lens 11.

Интерферометр содержит поляризатор-пластину 12, установленный вблизи объектива 11 под углом максимального контраста к оптической оси, дополнительные плоские зеркала 13, 14 и полуволновую пластину 15, расположенные таким образом, что оптическая ось образует контур с замыканием в точке прохождения оптической оси через поверхность с покрытием поляризатора 12.The interferometer contains a polarizing plate 12 mounted near the lens 11 at an angle of maximum contrast to the optical axis, additional flat mirrors 13, 14 and a half-wave plate 15 arranged so that the optical axis forms a circuit with a closure at the point where the optical axis passes through the coated surface polarizer 12.

Дополнительный светоделитель 16 расположен под углом к оптической оси за светоделителем 4 по ходу пучка. Диафрагма-селектор 17 диаметром d=2αf₅ установлена на оптической оси в передней фокальной плоскости объектива 5 за светоделителем 4 по ходу пучка, отраженного от опорного зеркала 7 под малым углом.Additional beam splitter 16 is located at an angle to the optical axis behind the beam splitter 4 along the beam. Aperture selector 17 with a diameter of d = 2αf _{5 is} mounted on the optical axis in the front focal plane of the lens 5 behind the beam splitter 4 along the beam reflected from the reference mirror 7 at a small angle.

Коллимирующий объектив 18, поляризационный куб 19, трансляционный объектив 20, ПЗС (прибор с зарядовой связью) - камера 21 расположены на оптической оси. Коллимирующий объектив 18 расположен софокусно с объективом 5 по ходу пучка, отраженного от дополнительного светоделителя 16. При этом трансляционный объектив 20 переносит изображение поверхности зеркала 7 на плоскость датчика 22 ПЗС-камеры 21, на котором формируется интерферограмма. Элементы 18-22 образуют систему регистрации 23, при этом объективы 18, 20, между которыми расположен поляризационный куб 19, выполняют роль наблюдательной системы, установленной за диафрагмой-селектором 17.A collimating lens 18, a polarizing cube 19, a translational lens 20, a CCD (charge-coupled device) —camera 21 are located on the optical axis. The collimating lens 18 is located in focus with the lens 5 along the beam reflected from the additional beam splitter 16. In this case, the translation lens 20 transfers the image of the surface of the mirror 7 to the plane of the sensor 22 of the CCD camera 21, on which an interferogram is formed. Elements 18-22 form a registration system 23, while the lenses 18, 20, between which the polarizing cube 19 is located, play the role of an observing system installed behind the diaphragm selector 17.

Вторая ПЗС - камера 24, расположенная за дополнительным светоделителем 16 на оптической оси в фокальной плоскости объектива 5, предназначена для наблюдения пучков в плоскости их фокусировки и анализа их направлений. Объект исследования - исследуемая афокальная система (ИАС) 25 расположена по ходу пучка между опорным зеркалом 7 и объективом 5.The second CCD camera 24, located behind the additional beam splitter 16 on the optical axis in the focal plane of the lens 5, is designed to observe the beams in the plane of their focus and analyze their directions. The object of study - the studied afocal system (IAS) 25 is located along the beam between the reference mirror 7 and the lens 5.

Поверхности линз и пластины 15 просветляют, а коэффициенты отражения зеркал 7, 8, 10, 13, 14 (для s- и p-поляризаций) и поляризатора 12 (для s-поляризации; для него также и пропускание для p-поляризации) должны быть близки к 100%. Коэффициенты отражения светоделителей 4 и 6 составляют 94…96% и 85…90% соответственно.The surfaces of the lenses and the plate 15 are illuminated, and the reflection coefficients of the mirrors 7, 8, 10, 13, 14 (for s- and p-polarizations) and polarizer 12 (for s-polarization; for it also the transmission for p-polarization) should be close to 100%. The reflection coefficients of the beam splitters 4 and 6 are 94 ... 96% and 85 ... 90%, respectively.

При настройке используется непокрытая пластина 26 (изображена пунктиром на фиг.1), при измерениях ИАС с невысоким коэффициентом отражения (пропускания) используется объектив 27 (фиг.2).When setting up, an uncoated plate 26 is used (shown by the dotted line in FIG. 1), when measuring IAS with a low reflectance (transmittance), the lens 27 is used (FIG. 2).

Плоскость колебаний электрического вектора лазерного излучения с линейной поляризацией перпендикулярна плоскости падения излучения на наклонные элементы 4, 5, 8, 12, 13, 14.The plane of oscillation of the electric vector of laser radiation with linear polarization is perpendicular to the plane of incidence of the radiation on the inclined elements 4, 5, 8, 12, 13, 14.

Лазер 1 и объективы 2, 6, 9, 11, 18, 20 расположены по нормали к оптической оси.Laser 1 and lenses 2, 6, 9, 11, 18, 20 are located normal to the optical axis.

Интерферометр работает следующим образом. Непрерывный лазер 1 формирует световой пучок, который фокусируется объективом 2 на отверстие металлической точечной диафрагмы 3. Расходящийся пучок, сформированный вследствие дифракции на отверстии диафрагмы 3, проходит с ослаблением мощности сквозь светоделитель 6 и коллимируется объективом 5, установленным на оптическом расстоянии f₅ от диафрагмы 3. Направление выхода пучка из объектива 5 есть направление I.The interferometer operates as follows. A continuous laser 1 generates a light beam that is focused by the lens 2 onto the hole of the metal pinhole 3. The diverging beam formed due to diffraction from the hole of the diaphragm 3 passes with a weakening power through the beam splitter 6 and is collimated by the lens 5 mounted at an optical distance f ₅ from the diaphragm 3 The direction of beam exit from lens 5 is direction I.

При настройке интерферометра пучок отражается от опорного зеркала 7, установленного в положение А вблизи объектива 5 под малым углом падения α=(50…100)λ/D рад. Допускается остаточная сферичность поверхности опорного зеркала 7 (стрелка прогиба не более λ), местные ошибки поверхностей опорного зеркала 7 и объектива 5 не более λ/50 (ΔN<0,01). Отраженный от опорного зеркала 7 пучок показан пунктиром (направление II). Он становится сходящимся после прохода через объектив 5 в обратном направлении, отражается от светоделителя 4, проходит через непокрытую пластину 26 (установленную временно вместо светоделителя 6) и фокусируется на поверхности диафрагмы 3. При визуальном наблюдении пятна на диафрагме 3 добиваются наиболее острой его фокусировки путем перемещения объектива 5. Настройка объектива 5 завершена, пластину 26 удаляют, устанавливают светоделитель 6 так, что расходящийся пучок из диафрагмы 3 проходит сквозь него вблизи его края.When setting up the interferometer, the beam is reflected from the reference mirror 7 installed in position A near the lens 5 at a small angle of incidence α = (50 ... 100) λ / D rad. Residual sphericity of the surface of the reference mirror 7 is allowed (arrow of deflection is not more than λ), local errors of the surfaces of the reference mirror 7 and lens 5 are not more than λ / 50 (ΔN <0.01). The beam reflected from the reference mirror 7 is shown by a dotted line (direction II). It becomes convergent after passing through the lens 5 in the opposite direction, is reflected from the beam splitter 4, passes through the uncovered plate 26 (installed temporarily instead of the beam splitter 6) and focuses on the surface of the diaphragm 3. When spotting on the diaphragm 3 by visual observation, they achieve its most acute focus by moving lens 5. The adjustment of lens 5 is completed, the plate 26 is removed, a beam splitter 6 is installed so that the diverging beam from the diaphragm 3 passes through it near its edge.

Небольшая доля мощности (5%) сходящегося пучка (направление II) проходит за светоделитель 4, где установлен светоделитель 16 (R₁₆=70…80%) с углом падения i₁₆=20…30°, а за ним ПЗС-камера 24 так, что пучок направления II фокусируется на плоскость датчика указанной камеры (на фиг. не показан). Плоское зеркало 8 направляет пучок к коллимирующему объективу 9, после прохода через который пучок отражается в обратном направлении плоским зеркалом 10, возвращается по пути 9-8-4-5 и выходит из объектива 5 (пунктир, направление II). После второго отражения от опорного зеркала 7 пучок направляется по пути исходного пучка (сплошные линии, направление I) обратно через линзу 5 и становится сходящимся. Продольное положение объектива 9 корректируется так, чтобы пучок после прохода через светоделитель 5 также фокусировался на датчике ПЗС-камеры 24. Это пятно фокусировки смещено относительно первого на расстояние d=2αf₅ (фиг.3).A small fraction of the power (5%) of the converging beam (direction II) passes behind the beam splitter 4, where a beam splitter 16 (R ₁₆ = 70 ... 80%) with an incidence angle i ₁₆ = 20 ... 30 ° is installed, and behind it a CCD camera 24 so that the beam of direction II is focused on the plane of the sensor of the specified camera (not shown in Fig.). A flat mirror 8 directs the beam to the collimating lens 9, after passing through which the beam is reflected in the opposite direction by a flat mirror 10, returns along the path 9-8-4-5 and leaves the lens 5 (dotted line, direction II). After the second reflection from the reference mirror 7, the beam is directed along the path of the original beam (solid lines, direction I) back through the lens 5 and becomes convergent. The longitudinal position of the lens 9 is adjusted so that the beam after passing through the beam splitter 5 is also focused on the sensor of the CCD camera 24. This focus spot is offset from the first by a distance d = 2αf ₅ (Fig. 3).

Сходящийся пучок, отраженный от светоделителя 4 в направлении отверстия диафрагмы 3, отражается от светоделителя 6 и коллимируется линзой 11. Пучок отражается от поляризатора 12, зеркала 13 и проходит через полуволновую пластину 15, после чего плоскость колебаний электрического вектора излучения поворачивается на 90°. После отражения от зеркала 14 пучок проходит практически без потерь мощности сквозь поляризатор 12 и направляется в линзу 11 в обратном направлении, вновь отражается от светоделителей 4 и 6, коллимируется линзой 5 и отражается от опорного зеркала 7 в направлении II, показанном пунктиром. Таким образом, пройдя через линзу 5 и светоделитель 4, данный «второй» пучок направления II фокусируется на датчике ПЗС-камеры 24 в той же точке, что и первый пучок направления II (фиг.3).The convergent beam reflected from the beam splitter 4 in the direction of the aperture of the diaphragm 3 is reflected from the beam splitter 6 and collimated by the lens 11. The beam is reflected from the polarizer 12, mirror 13 and passes through the half-wave plate 15, after which the plane of oscillation of the electric radiation vector rotates 90 °. After reflection from the mirror 14, the beam passes almost without loss of power through the polarizer 12 and is sent to the lens 11 in the opposite direction, is again reflected from the beam splitters 4 and 6, collimated by the lens 5, and reflected from the reference mirror 7 in the II direction shown by the dotted line. Thus, passing through the lens 5 and the beam splitter 4, this “second” beam of direction II is focused on the sensor of the CCD camera 24 at the same point as the first beam of direction II (Fig. 3).

Поворотом одного из зеркал 13 или 14 выводят пятно из области засветки первого пучка X и добиваются наилучшей фокусировки пучка Y продольным перемещением линзы 11. После очередного отражения от светоделителя 4 пучок вновь проходит сначала по каналу направления II (элементы 8, 9, 10), затем по каналу направления I, где пучок проходит по элементам петли в обратном порядке 12-14-15-13, и плоскость колебаний электрического вектора излучения становится исходной. Поочередный ход пучка по каналам направлений I, II бесконечен, однако мощность пучка уменьшается из-за потерь при отражениях и проходах через элементы. В итоге через позиции пятен фокусировки обоих направлений I, II проходит множество пучков с чередованием направления поляризации, которые можно наблюдать с помощью камеры 24 при небольшом повороте одного из зеркал 10, 13 или 14 (фиг.4). При R_OЗ>97% коэффициент пропускания системы за 4 прохода (т.е. соотношение мощностей соседних пучков одного направления) должен быть не менее 30%.By turning one of the mirrors 13 or 14, a spot is removed from the illumination region of the first beam X and the best focusing of the beam Y is achieved by the longitudinal movement of the lens 11. After the next reflection from the beam splitter 4, the beam again passes through the direction channel II again (elements 8, 9, 10), then along the channel of direction I, where the beam passes through the loop elements in the reverse order 12-14-15-13, and the plane of oscillations of the electric radiation vector becomes the original. The alternate beam path along the channels of directions I and II is infinite, however, the beam power decreases due to losses due to reflections and passages through the elements. As a result, many beams pass through the positions of the focus spots in both directions I, II, with alternating polarization directions, which can be observed using the camera 24 with a slight rotation of one of the mirrors 10, 13 or 14 (Fig. 4). At R _OZ > 97%, the transmittance of the system in 4 passes (i.e., the ratio of the powers of neighboring beams in the same direction) should be at least 30%.

Рассмотрим одно из направлений I или II. Каждый из пучков X, Y, Z относительно предыдущего совершил четыре дополнительных прохода через телескопические системы 6, 9 и 6, 11. При условии когерентности некоторых двух пучков с разностью числа проходов К результат их интерференции (интерферограмма в виде полос при малом повороте одного из зеркал 10, 13 или 14) регистрируется ПЗС-камерой 21 (фиг.5). По интерферограмме (добиваясь прямолинейности полос перемещением объектива 11) настраивают на строгую афокальность составную телескопическую систему из К чередующихся телескопов 6, 9 и 6, 11.Consider one of the directions I or II. Each of the X, Y, Z beams relative to the previous one made four additional passes through telescopic systems 6, 9 and 6, 11. Under the condition of coherence of some two beams with a difference in the number of passes K, the result of their interference (interferogram in the form of stripes with a small rotation of one of the mirrors 10, 13 or 14) is recorded by a CCD camera 21 (Fig. 5). According to the interferogram (achieving straightness of the stripes by moving the lens 11), the composite telescopic system of K alternating telescopes 6, 9 and 6, 11 is adjusted for strict afocality.

Этап измерений. В систему вводят исследуемую афокальную систему 25 (ИАС), которая деформирует волновой фронт, и измеряют по интерферограмме (фиг.6) деформацию, приобретенную волновым фронтом за К проходов через ИАС, при этом опорное зеркало 7 переставляется в поз.В или поз.Е вблизи ИАС, в зависимости от типа ИАС (фиг.2). Отраженные от светоделителя 16 пучки направлений I и II фокусируются в плоскости диафрагмы-селектора 17 диаметром d=2αf₅, за которую (через ее центр) проходят только пучки направления II, коллимируются линзой 18, проходят через поляризационный куб 19 и трансляционную линзу 20 к камере 21. Наблюдательной согласующей системой в данном случае являются линзы 5, 18, 20.Stage of measurements. The studied afocal system 25 (IAS) is introduced into the system, which deforms the wavefront, and the strain acquired by the wavefront beyond K passages through the IAS is measured using the interferogram (Fig.6), while the reference mirror 7 is rearranged in pos. B or pos. E near the IAS, depending on the type of IAS (figure 2). Reflected from the beam splitter 16, the beams of directions I and II are focused in the plane of the diaphragm-selector 17 with a diameter of d = 2αf ₅ , beyond which (only its beams of direction II pass through its center), are collimated by the lens 18, pass through the polarization cube 19 and the broadcast lens 20 to the camera 21. The observational matching system in this case are lenses 5, 18, 20.

Для наблюдения интерференции пучков с разностью числа проходов К=8 (пучки X, Z на второй ПЗС-камере 24), плоскости поляризации которых одинаковы, куб 19 устанавливают на полное пропускание исходного направления поляризации. Пучок Y с плоскостью поляризации, перпендикулярной исходному направлению, не проходит через куб 19. Это контролируют, временно установив камеру 21 таким образом, что датчик 22 находится в поз.С, где пучки фокусируются и разделяются, по его исчезновению при вращении куба 19 вокруг оптической оси. Приемлемый контраст интерферограммы обеспечивается при соотношении мощностей интерферирующих пучков не менее 5%, поэтому контроль деформации за К=8 проходов возможен только при коэффициенте отражения (пропускания) ИАС для s- и р- поляризаций R_s,p(T_s,p)>80%; при этом необходимо, чтобы коэффициент отражения опорного зеркала 7 составлял R_ОЗ>95%; не требуется полировки обратной поверхности опорного зеркала 7. При К=8 чувствительность измерения деформации, вносимой ИАС за один проход, составляет h_min=λ/4К=λ/32. При измерении ИАС на пропускание опорное зеркало 7 устанавливают в поз.Е.To observe the interference of beams with a difference in the number of passes K = 8 (beams X, Z on the second CCD camera 24), the polarization planes of which are the same, cube 19 is set to completely transmit the initial direction of polarization. A beam Y with a plane of polarization perpendicular to the original direction does not pass through the cube 19. This is controlled by temporarily installing the camera 21 so that the sensor 22 is in position C, where the beams are focused and separated, by its disappearance when the cube 19 rotates around the optical axis. Acceptable contrast of the interferogram is provided when the ratio of the powers of the interfering beams is at least 5%; therefore, deformation control for K = 8 passes is possible only with IAS reflection (transmittance) for s and p polarizations R _{s, p} (T _{s, p} )> 80 %; it is necessary that the reflection coefficient of the reference mirror 7 was R _OZ >95%; no polishing of the back surface of the reference mirror is required 7. At K = 8, the sensitivity of the strain measurement introduced by the IAS in one pass is h _min = λ / 4K = λ / 32. When measuring IAS for transmission, the reference mirror 7 is installed in pos. E.

Если ИАС 25 контролируется на зеркальное отражение, опорное зеркало 7 устанавливается в поз.В.If IAS 25 is monitored for specular reflection, the reference mirror 7 is installed in pos. B.

Если ИАС не удовлетворяет выражению R_s,p(T_s,p)>80%, то соотношение мощностей интерферирующих пучков может составлять менее 5%. При этом измерения проводить невозможно, поскольку не будет видна интерферограмма. В данном случае измерение деформаций, вносимых ИАС, возможно при К=4. Для обеспечения интерференции, в том числе для выравнивания мощностей пучков (пучки X, Y), имеющих взаимно перпендикулярные направления плоскости поляризации, куб 19 поворачивают на некоторый угол β. Поскольку сквозь куб проходит только составляющая поляризации излучения, совпадающая с его плоскостью поляризации γ, то направления колебаний электрического вектора излучения пучков после прохода через куб сонаправлены (совпадают с γ) и возможна интерференция. При этом мощность пучка X (γ - составляющая вектора

) уменьшается значительно, а пучка Y (вектора

) - незначительно, и мощности интерферирующих пучков выравниваются, что обеспечивает приемлемый контраст интерферограммы (фиг.7). Выполнение настройки интерферометра также осуществляется на 4 прохода. При К=4 чувствительность измерения деформации, вносимой ИАС за проход, составляет h_min=λ/4К=λ/16.If the IAS does not satisfy the expression R _{s, p} (T _{s, p} )> 80%, then the ratio of the power of the interfering beams can be less than 5%. At the same time, it is impossible to carry out measurements, since the interferogram will not be visible. In this case, the measurement of deformations introduced by IAS is possible at K = 4. To ensure interference, including for equalizing the power of the beams (beams X, Y), having mutually perpendicular directions of the plane of polarization, the cube 19 is rotated by a certain angle β. Since only the radiation polarization component passes through the cube, which coincides with its plane of polarization γ, then the directions of oscillations of the electric radiation vector of the beams are codirectional after passing through the cube (coincide with γ) and interference is possible. In this case, the beam power X (γ is the component of the vector

) decreases significantly, and the beam Y (vector

) - negligible, and the power of the interfering beams are aligned, which provides an acceptable contrast of the interferogram (Fig.7). Interferometer tuning is also performed in 4 passes. At K = 4, the sensitivity of the strain measurement introduced by the IAS per passage is h _min = λ / 4K = λ / 16.

При

(контроль деформаций при зеркальном отражении от ИАС) измерение деформаций выполняется на 4 прохода так, как только что было описано; при этом необходимо, чтобы коэффициент отражения опорного зеркала 7 составлял не менее R_ОЗ>90%.At

(strain control during specular reflection from the IAS) strain measurement is carried out in 4 passes as it has just been described; it is necessary that the reflection coefficient of the reference mirror 7 is not less than R _OZ > 90%.

При R_s>10% и наличии полировки у обратной плоской непокрытой поверхности пластины ИАС настройка и измерение деформаций волнового фронта при зеркальном отражении на 4 прохода выполняются в пучках направления I отдельной наблюдательной системой, состоящей из объектива 27, диафрагмы-селектора 17 диаметром d₁₇=2αf₂₇ и системы 23, установленных в поз.G. При измерении опорное зеркало 7 установлено в поз.В, R_O3>90% (фиг.2). ИАС 25 устанавливается до настройки интерферометра, куб 19 поворачивают в оптимальное положение.For R _s > 10% and polishing at the reverse flat uncoated surface of the IAS plate, tuning and measuring the wavefront deformations during 4-pass mirror reflection are carried out in direction I beams by a separate observing system consisting of lens 27, selector diaphragm 17 with diameter d ₁₇ = 2αf ₂₇ and systems 23 installed in pos. G. When measuring the reference mirror 7 is installed in pos. B, R _O3 > 90% (figure 2). IAS 25 is installed before adjusting the interferometer, cube 19 is rotated to the optimal position.

При

контроль деформаций, вносимых ИАС на пропускание, также выполняется на 4 прохода системой 23 в поз.G. Опорное зеркало 7 устанавливается в поз.Е, требуется полировка обратной поверхности опорного зеркала, при этом необходимо, чтобы коэффициент отражения опорного зеркала 7 составлял R_ОЗ=50…70%. Т.к. опорное зеркало в данном случае используется другое, настройка производится заново с этим опорным зеркалом.At

the control of deformations introduced by the IAS for transmission is also performed on 4 passes by system 23 in pos. G. The reference mirror 7 is installed in pos. E, polishing the back surface of the reference mirror is required, and it is necessary that the reflection coefficient of the reference mirror 7 be R _OZ = 50 ... 70%. Because the reference mirror in this case uses a different one, the adjustment is made anew with this reference mirror.

При R₅>1% и наличии полировки у обратной плоской непокрытой поверхности пластины ИАС измерение деформаций волнового фронта при зеркальном отражении от ИАС выполняется на 2 прохода. При этом опорное зеркало 7 (R_ОЗ>90%) устанавливается строго по нормали к оси пучка, и канал направления II не работает. Наблюдение интерферограммы осуществляется системой 23 в поз.G. При измерении опорное зеркало 7 установлено в поз.В, ИАС 25 устанавливается до настройки интерферометра, опорное зеркало 7 устанавливается в поз.В.When R ₅ > 1% and the presence of polishing on the reverse flat uncoated surface of the IAS plate, the measurements of the wavefront strains during mirror reflection from the IAS are performed in 2 passes. In this case, the reference mirror 7 (R _OZ > 90%) is installed strictly along the normal to the beam axis, and channel II does not work. Observation of the interferogram is carried out by system 23 in pos. G. When measuring the reference mirror 7 is installed in pos. B, IAS 25 is installed before setting the interferometer, the reference mirror 7 is installed in pos. B.

При R₅·R_p·R_ОЗ>10^-4 и отсутствии полировки у обратной поверхности ИАС настройка и измерение деформаций волнового фронта при зеркальном отражении от ИАС выполняется также на 2 прохода. Наблюдение интерферограммы осуществляется системой 23 в поз.F. Опорное зеркало 7 (R_ОЗ=50…70%) устанавливается в поз.В, требуется полировка обратной поверхности опорного зеркала 7. ИАС устанавливается до настройки интерферометра, опорное зеркало 7 устанавливается в поз.В, куб 19 поворачивают в оптимальное положение. При К=2 чувствительность измерений h_min=λ/4К=λ/8.When R ₅ · R _p · R _OZ > 10 ^-4 and there is no polishing at the reverse surface of the IAS, the adjustment and measurement of deformations of the wavefront during mirror reflection from the IAS is also performed on 2 passes. Observation of the interferogram is carried out by system 23 in pos. F. The reference mirror 7 (R _OZ = 50 ... 70%) is installed in pos. B, polishing the back surface of the reference mirror 7. IAS is installed before setting the interferometer, the reference mirror 7 is installed in pos. B, cube 19 is rotated to the optimal position. When K = 2, the measurement sensitivity h _min = λ / 4K = λ / 8.

При каждой замене опорного зеркала производится настройка интерферометра вновь.Each time the reference mirror is replaced, the interferometer is tuned again.

Преимущество изобретения состоит в том, что, построив схему интерферометра таким образом: создав замкнутый контур путем введения поляризатора-пластины и двух зеркал с полуволновой пластиной, а также снабдив интерферометр коллимирующими объективами, вторым светоделителем и плоским зеркалом, установленным под углом к оптической оси пучка, отраженного под малым углом от опорного зеркала, исключили использование эталонного зеркала, тем самым повысили чувствительность измерений, обеспечили возможность измерения ИАС с аберрациями любого типа и расширили диапазон коэффициентов отражения (пропускания) и габаритов ИАС, подлежащих измерению.An advantage of the invention is that by constructing an interferometer circuit in such a way: by creating a closed loop by introducing a polarizer plate and two mirrors with a half-wave plate, as well as equipping the interferometer with collimating lenses, a second beam splitter and a flat mirror mounted at an angle to the optical axis of the beam, reflected at a small angle from the reference mirror, excluded the use of a reference mirror, thereby increasing the sensitivity of measurements, made it possible to measure IAS with aberrations of any ipa and extended the range of reflection coefficients (transmission) and IAS dimensions to be measured.

Таким образом, представленные данные свидетельствуют о выполнении при использовании заявляемого изобретения следующей совокупности условий:Thus, the data presented indicate that when using the claimed invention, the following combination of conditions:

- средство, воплощающее заявленное устройство при его осуществлении, предназначено для использования в оптико-механической промышленности и оптических лабораториях для контроля плоских зеркал, светоделителей и клиньев, в том числе крупногабаритных, а также для прецизионной юстировки телескопических систем единичного (или близкого к единичному) увеличения, что необходимо при создании высококачественных оптических систем, например больших лазеров или астрономических приборов;- a tool embodying the claimed device in its implementation, is intended for use in the optical-mechanical industry and optical laboratories for monitoring flat mirrors, beam splitters and wedges, including large ones, as well as for precision adjustment of telescopic systems of a single (or close to single) increase that is necessary when creating high-quality optical systems, such as large lasers or astronomical instruments;

- для заявляемого устройства в том виде, в котором оно охарактеризовано в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления.- for the claimed device in the form in which it is described in the claims, the possibility of its implementation is confirmed.

Следовательно, заявляемое изобретение соответствует условию «промышленная применимость».Therefore, the claimed invention meets the condition of "industrial applicability".

Claims

An interferometer comprising a collimated beam former with a beam splitter, a reference mirror mounted behind the beam former along the beam, a diaphragm selector installed in the front focus of the former for the beam splitter along the beam reflected at a small angle from the reference mirror, an observation system and a CCD camera, installed behind the diaphragm-selector, and the studied afocal system located between the shaper lens and the reference mirror, characterized in that it contains a flat mirror, installed a first collimating lens mounted perpendicular to the optical axis at an angle to the optical axis of the beam reflected at a small angle from the reference mirror, and a second flat mirror mounted perpendicular to the optical axis, a second collimating lens mounted along the beam reflected from the reference mirror in in the opposite direction, confusingly with the lens of the shaper equipped with a second beam splitter installed at a small angle to the optical axis of the beam, a polarizer plate and two additional flat of feces forming a closed loop into which the half-wave plate is inserted, an additional beam splitter is installed behind the beam splitter at an angle to the optical axis and a second CCD camera located behind the additional beam splitter in the focal plane of the shaper lens, the observation system is made in the form of collimating and translational lenses, between by which the polarizing cube is located, while the collimating lens is confocal with the shaper lens along the beam reflected from optional beam splitter.