CH315930A - Interféromètre à polarisation - Google Patents

Interféromètre à polarisation

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CH315930A
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prism
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birefringent
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Inventor
Nomarski Georges
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Centre Nat Rech Scient
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01BMEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B9/00Measuring instruments characterised by the use of optical techniques
    • G01B9/02Interferometers

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Instruments For Measurement Of Length By Optical Means (AREA)
  • Spectrometry And Color Measurement (AREA)

Description


  



  Interféromètre à polarisation
 L'interféromètre à polarisation selon la présente invention est utilisable en lumière monochromatique ou en lumière blanche. Il est caractérisé en ce qu'il comporte un polariseur, un prisme biréfringent dont la face d'entrée est parallèle à   l'onde    plane sortant du polariseur et dédoublant le faisceau polarisé en deux faisceaux polarisés perpendiculairement et faisant entre eux un angle proportionnel à l'angle du prisme, un dispositif optique d'observation dont le foyer-objet est sur la face de sortie du prisme, des moyens pour effectuer les mesures   interférométriques,    et des moyens pour supporter l'objet à étudier sur le parcours du faisceau lumineux.



   Au dessin annexé, on a représenté à titre d'exemple, plusieurs formes d'exécution de l'objet de l'invention.



   La fig. 1 représente schématiquement un dispositif de dédoublement du faisceau con, forme à la technique antérieure.



   La fig. 2 représente très schématiquement une première forme d'exécution de l'objet de la présente invention.



   La fig.   3    est une vue schématique en coupe suivant   l'axe    optique d'une deuxième forme d'exécution.



   La fig. 4 montre une vue schématique en coupe d'une troisième forme d'exécution.



   La fig. 5 est une vue schématique en coupe d'une quatrième forme d'exécution.



   Les fig. 6 et 7, représentent les images observées pour les mesures   interférométriques,    avec les interféromètres représentés aux figures 3 et 5.



   Les fig. 8 et 9 illustrent l'emploi d'un étalon dans l'étude d'une surface réfléchissante.



   En fig. 1, la lumière provenant d'une fente
F, située au foyer d'un collimateur C, traverse un polariseur   P,    orienté à   450.    On obtient ainsi une onde plane   Z    polarisée à   450    du plan de la figure et qui rencontre une lame de spath L dont les faces sont   parallèles à J ? et    qui est taillée suivant des faces de clivage,   l'axe    cristallographique étant parallèle au plan de la figure.



   L'onde plane   z se divise à l'intérieur    du spath en deux ondes : une   JO    appelée onde ordinaire, est polarisée dans le plan de la figure, l'autre   Ce,    appelée   onde extraordinaire    ,    est polarisée dans le plan perpendiculaire à la figure.



   A la sortie du spath, les deux ondes restent planes et parallèles à   l'onde    incidente, mais   l'onde    extraordinaire est déplacée   paral-      lèlement    à   elle-même.   



   Si d désigne l'épaisseur de la lame et    ç    l'angle entre les directions des deux ondes or dinaire et extraordinaire, le déplacement 1 est donne par : 1 = d   tg. I1    en résulte qu'on ne peut obtenir de déplacement important qu'en utilisant des lames biréfringentes épaisses. De telles lames, sans défaut, sont d'un prix élevé.



   Dans l'interféromètre représenté à la fig. 2, le faisceau incident, après avoir traversé le polariseur   Pr    orienté à   45O    par rapport au plan de la figure, se présente sous la forme d'une onde plane   f    parallèle à la face d'entrée d'un prisme q biréfringent, par exemple un prisme en spath ou en quartz.



   En 1, à la sortie du prisme, le rayonnement est dédoublé car la déviation du rayon ordinaire est différente de celle du rayon   extraor-    dinaire. L'angle   a,    entre les directions des deux faisceaux ordinaire et extraordinaire, est proportionnel à l'angle a du prisme et ne   dé-    pend pas de l'épaisseur de ce dernier. Après avoir traversé une lentille C dont le foyer objet est   en/,. les deux    faisceaux sont parallèles et la distance 1 qui les sépare est donnée par : 1 =   fe      e,    en désignant par   fe    la distance focale de la lentille C. La valeur de la distance 1 peut donc être rendue très grande puisqu'il suffit d'accroître la valeur de   fe.   



   Dans l'interféromètre représenté à la fig 3 du dessin, le faisceau lumineux, issu d'une source non figurée sur le dessin, traverse tout d'abord un polariseur   PI,    orienté à 450 du plan de la figure, puis atteint un prisme biréfringent   q,    dont   l'axe    perpendiculaire à l'arrête est dans le plan de la figure et dont la face d'entrée est parallèle à   l'axe.    Ce prisme est, par exemple, en quartz et son angle dièdre a est de l'ordre de 200 par exemple. A un rayon incident correspondent, à la sortie du prisme, deux rayons polarisés à angle droit.

   Les directions de ces rayons font entre elles un angle qui, dans le cas où   a,    est petit, a pour valeur :
 e   = al (ne-n), n    et nô étant respectivemen, les indices de réfraction correspondant aux ondes extraordinaire et ordinaire. Si l'épaisseur du prisme au centre est dl, le retard de   l'onde    extraordinaire est   : d = di (n,-n"),   
La déviation moyenne des deux faisceaux est réduite à zéro par un prisme q2 qui peut être soit un prisme en verre dont l'indice a une valeur moyenne comprise entre les deux indices ne et   nO,    soit un prisme biréfringent dont   l'axe    est alors perpendiculaire à celui du prisme   ql.   



  La déviation entre le rayon extraordinaire et le rayon ordinaire est doublée dans ce dernier cas. L'ensemble 9 qui constitue un prisme de   Wollaston,    est placé au foyer d'un con  tenseur    C. Les deux rayons   isogènes    sont rendus parallèles et traversent l'objet étudié X, une préparation par exemple, en deux points
A et B tels que : AB   = ± f, où fe    est la distance focale du condenseur. Après avoir traversé l'objet, les deux faisceaux atteignent un objectif O qui les réunit dans son plan focal.



  Dans ce plan se trouve un deuxième assemblage de prismes Q analogue au premier. Il est formé d'un prisme   biréfringent Q, associé    soit à un second prisme en verre, soit à un second prisme biréfringent Q2 dont les axes sont orientés comme l'indique la figure. Pour que les directions des deux faisceaux ordinaire et extraordinaire se confondent en une seule à la sortie du prisme, il faut, si les biréfringences de   q,    et   Ql    sont égales, que   l'an-    gle   a,,    du prisme   Q satisfasse à    la condition   ou      où est    la distance focale de l'objectif   O.   



   Les deux rayons interférents provenant de deux points distincts de la préparation fusionnen, après le prisme Q et parviennent en un seul point   A,      B,    du plan-image   X'.    La différence de marche est nulle si les épaisseurs des assemblages q et Q sont identiques en des points correspondants et en l'absence de   l'objet.   



   Cette différence de marche est égale à la différence des épaisseurs optiques que présente l'objet en ces deux points distants de 1
 1 = ai   (n,,-n.)-f,,       fe = a2 (nenO) fo   
 Dans de telles conditions, l'épaisseur de l'objet est comparée   interférométriquement    avec celle du même objet déplacé dans son ensemble d'une quantité 1. Les deux ondes étant polarisées à angle droit, il faut un deuxième polariseur   l    de sortie orienté à   450    des plans de polarisation de ces ondes pour que le   phé-      nomène    soit visible. Le moyen le plus simple pour effectuer la mesure interférométrique consiste à mesurer le décalage par la déformation d'un système de franges rectilignes.

   Il suffit pour cela d'obtenir un système de franges lo  calisées    dans un plan conjugué du plan-image puisque l'interféromètre utilise la lumière poarisée. Le compensateur   K de    Babinet, après une rotation de   90     autour de   l'axe    optique du système permet d'obtenir ce résultat.



   A la figure 6, on a représenté une image interférentielle d'une plage rectangulaire dont la surépaisseur est une fraction de   longeur      d'onde. AZBI, et A, B2 sont les    deux images superposées et décalées l'une par rapport à l'autre. L'orientation du compensateur K étant à   90"decelledosprismes < ? < g,    on obtient des franges parallèles à la direction AIA2 du glissement des images. Ces franges restent, comme en l'absence de surépaisseur, dans la région commune aux deux images. L'interférométrie consiste à mesurer le déplacement des franges dans la région du dédoublement, entre   AIBI    et   A2B,    par rapport aux franges situées à l'extérieur de cette région.



   L'interféromètre représenté à la fig. 3 n'exige par la collimation du faisceau   d'éclai-    rage, à condition toutefois que les différences de chemin optique mesurées restent faibles : en effet, les deux prismes agissent de la même façon sur les rayons passant par tous les points de l'ouverture utile du condenseur qui peut être égale à celle de l'objectif, et l'ensemble du condenseur et de l'objectif assure la conjugaison entre les paires des points où les épaisseurs des deux prismes sont identiques, ce qui permet la compensation simultanée pour l'ouverture entière.



   Dans le cas où le champ-objet a une certaine étendue non négligeable, on tient compte de l'influence de l'épaisseur absolue des prismes q et Q.Soit w (fig. 3) le demi-angle de champ : w = y/f0 o¯ y est le rayon du champ-objet utilisé et si d2 est l'épaisseur du prisme   Q, comme    la   biréfringence    du quartz est égale à
   X = (nen") d2    X cos w    =       W2   
   (n,-na)    d2   (1 2 +    si l'on développe en série la variation de chemin optique dans le champ-image, due à la   biréfringence    lorsque le demi-angle de champ passe de zéro à la valeur w, est   approximati-       wu    vement :

   d2   (n-n,,)---.    Pour éviter de fausser la mesure, par cette variation, de chemin optique, on peut utiliser à la place des prismes q et Q simples Ides doublets accolés qlq2 et   662 qui sont à    peu près équivalents chacun à un prisme simple d'épaisseur nulle.



  Un tel doublet est tout à fait identique à un prisme biréfringent de Wollaston connu en soi et composé de deux prismes collés et formant une lame à faces planes et parallèles.



  Les axes cristallographiques de ces deux prismes sont croisés tout en étant parallèles aux faces extérieures du prisme de   Wollaston    assemblé.



   Dans l'interféromètre représenté à la figure 4 l'objet n'est pas éclairé en lumière polarisée.



  Il reçoit en effet un éclairage cohérent au moyen d'un collimateur. Comme dans le cas de la fig. 3, le faisceau lumineux traverse tout d'abord un polariseur   P,    puis les prismes accolés q et Q qui sont situés ensemble à une distance t du plan focal de l'objectif.



   Dans ces conditions, l'image de la source se trouve dédoublée ; la distance des deux images cohérentes Sl et   S2    de la source est   SIS.,    = et, e étant la déviation double du prisme
Q q. Ces deux sources secondaires cohérentes donnent naissance à des franges non localisées mais leur orientation est toujours   perpendicu-    laire à la direction du décalage des deux images jumelles de l'objet. L'image interférentielle obtenue est schématisée en figure   7.    La mesure du décalage se fait comme dans le cas des figures 3 et 6 (les franges non localisées ont les mêmes propriétés que les franges localisées par un compensateur de Babinet). 



   L'interféromètre représenté à la figure 5 comprend un prisme de   Wollaston      qlq2-QIQ2    disposé dans le plan focal de l'objectif d'un microscope métallographique. Par   autocolli-    mation sur l'objet, l'image de ce prisme se forme sur lui-même ; le prisme unique de   Wol-    laston utilisé ici joue donc d'abord le rôle du prisme   qlq.,    et ensuite celui du prisme   QlQ,.   



  Dans ce cas comme dans les variantes   précé-    demment décrites, les montages comportant les deux prismes, l'un avant et l'autre après   l'ob-    jet, n'exigent pas de limitation du faisceau d'éclairage fourni par le dispositif habituel. La lecture   interférométrique    se fait, au moyen des franges localisées d'un compensateur de Babinet K placé par exemple dans le plan   XO    du diaphragme de champ conjugué de l'objet, la glace G assurant la rotation de   900    nécessaire.



   Dans le cas d'une, surface réfléchissante de qualité médiocre, l'étude peut être grandement facilitée par l'emploi d'un étalon représenté en coupe schématique à la figure 8. Sur une moitié d'une lame de verre V, on dépose une couche réfléchissante métallique M présentant une limite nette, et on met en contact la lame avec l'échantillon, la métallisation contre la surface à étudier.



   On peut alors observer, à l'aide de   l'ap-    pareil représenté en figure 5, des franges   dé-    formées dans la zone du dédoublement de l'image de l'étalon M (fig. 9) et éventuellement effectuer les mesures correspondantes.


Claims (1)

  1. REVENDICATION : Interféromètre à polarisation utilisable en lumière monochromatique et en lumière blanche, caractérisé en ce qu'il comporte un polariseur, un prisme biréfringent dont la face d'entrée est parallèle à l'onde plane sortant du polariseur et dédoublant le faisceau polarisé en deux faisceaux polarisés perpendiculairement et faisant entre eux un angle proportionnel à 1'angle du prisme, un dispositif optique d'observation dont le foyer-objet est sur la face de sortie du prisme, des moyens pour effectuer les mesures interférométriques, et des moyens pour supporter l'objet à étudier sur le parcours du faisceau lumineux.
    SOUS-REVENDICATIONS : 1. Interféromètre selon la revendication, caractérisé en ce que le prisme biréfringent est en quartz.
    2. Interféromètre selon la revendication, caractérisé en ce que le prisme biréfringent est en spath.
    3. Interféromètre selon la revendication et la sous-revendication 1, caractérisé en ce que le prisme biréfringent est accolé à un prisme en verre dont l'indice de réfraction est compris entre les indices extraordinaire et ordinaire cor respondant à chacun des faisceaux sortants.
    4. Interféromètre selon la revendication et la sous-revendication 2, caractérisé en ce que le prisme biréfringent est accolé à un prisme en verre dont l'indice de réfraction est compris entre les indices extraordinaire et ordi- naire correspondant à chacun des faisceaux sortants.
    5. Interféromètre selon la revendication, caractérisé en ce qu'il comporte un second polariseur, orienté à 45O des plans de polarisation des ondes parallèles décalées, et disposé après le dispositif optique d'observation.
    6. Interféromètre selon la revendication, caractérisé en ce qu'il comporte un second prisme biréfringent analogue au premier et qui réunit les deux faisceaux lumineux en un seul.
    7. Interféromètre selon la revendication, caractérisé par le fait qu'il comporte un condenseur au foyer duquel est placé un prisme biréfringent recevant de la lumière polarisée à 45"de ses plans principaux, les deux faisceaux, séparés par le prisme et rendus paallèles par le condenseur, traversent l'objet à étudier et atteignant un objectif au foyer duquel un deuxième prisme biréfringent réunit les deux faisceaux en un seul, un second polariseur rendant visible le phénomène d'inter- férence, et des moyens pour effectuer les mesures interférométriques.
    8. Interféromètre selon la revendication et la sous-revendication 6, caractérisé en ce que chacun des prismes biréfringents est un prisme de Wollaston.
    9. Interféromètre selon la revendication et la sous-revendication 6, caractérisé en ce que le premier polariseur est placé après l'objet à étudier, dans le sens de la lumière, les deux prismes formant un élément bidéviateur à biréfringence nulle en son centre.
    10. Interféromètre selon la revendication, caractérisé en ce que le dispositif de mesure interférométrique est un compensateur de Ba binet.
    11. Interféromètre selon la revendication et la sous-revendication 7, caractérisé en ce que le dispositif de mesure interférométrique est constitué par le second prisme biréfringent produisant des franges non localisées lorsqu'il s'éloigne du plan focal de l'objectif auquel il est associé.
    12. Interféromètre selon la revendication, appliqué à l'étude de surfaces réfléchissantes ou de corps transparents placés entre l'appa- reil et un miroir auxiliaire, caractérisé par un seul prisme biréfringent placé au foyer de l'objectif et sur lequel se forme son image par autocollimation sur l'objet, la lumière incidente étant envoyée sur l'objet à travers l'ob- jectif, et par un compensateur de Babinet placé dans le tube d'éclairage à l'endroit conjugué de l'objet examiné.
CH315930D 1952-05-14 1953-05-09 Interféromètre à polarisation CH315930A (fr)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE1085350B (de) * 1957-07-02 1960-07-14 Leitz Ernst Gmbh Interferometer
DE1147051B (de) * 1956-09-12 1963-04-11 Gen Precision Inc Optisches Interferometer

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