FI107357B - Pyyhkäisevä interferometri - Google Patents

Description

107357

Pyyhkäisevä interferometri Tämä keksintö koskee pyyhkäisevää interferometriä, joka käsittää valonlähteen, optisen järjestelyn valonläh-5 teen valon jakamiseksi kulkemaan kahta eri reittiä, kääntämiseksi palaamaan takaisin samaa reittiä ja yhdistämiseksi interferoivaksi valoksi, jolloin optisen järjestelyyn sisältyy kaksi valon kulkusuunnan kääntävää peiliä, jalustan ainakin toiselle valon kulkusuunnan kääntävälle 10 peilille ja liikutusmekanismin edestakaisen liikkeen antamiseksi mainitulle jalustalle.

Kun valon kulkureitit ylläkuvatun kaltaisessa in-terferometrissä ovat yhtä suuret, saavutetaan kaikkien valoon sisältyvien aallonpituuksien interferenssimaksimit. 15 Kun näiden kulkureittien välille aikaansaadaan tasaisesti muuttuva matkaero, esimerkiksi liikuttamalla toista tai molempia valon kulkusuunnan kääntäviä peilejä, kyetään eri aallonpituuksien interferenssien avulla tunnistamaan in-terferometrin läpäisseen valon aallonpituudet.

20 Johdantokappaleessa kuvatun kaltaiseen tunnettuun interferometriin liittyy kuitenkin valon kulkusuunnan kääntävän peilin liikutusmekanismiin liittyviä ongelmia. Tunnetut interferometrit ovat erittäin kriittisiä kyseisen liikutusmekanismin suhteen. Yleensäkin interferometrit 25 ovat erittäin herkkiä peilien vähäisillekin jopa laakeroinnista aiheutuville liikkeen ja suuntauksen häiriöille. Tyypillisesti interferometreissä käytetään ratkaisuja, joissa liikutettavalle peilille annetaan suuri massa ja se laakeroidaan ilmalaakerilla, jolloin sille kyetään anta-30 maan esimerkiksi solenoidin avulla halutun kaltainen mah-·- dollisimman tasainen liike. Tällainen rakenne saattaa toi mia optimaalisesti laboratorio-olosuhteissa, kun interferometri on huolellisesti kohdistettu, mutta vähäisetkin häiriöt kohdistuksessa tai ulkopuoliset vaikutukset eri-35 tyisesti peilin liikkeen suunnassa saattavat sotkea lait- 107^

2 I

} teen toiminnan täysin.

Esillä olevan keksinnön tavoitteena onkin tuocia esiin pyyhkäisevä interferometri, jossa yllä mainittuih:n ongelmiin on aikaansaatu ratkaisu, jonka avulla liikutus -5 mekanismi saadaan siinä määrin tunteettomaksi ulkopuol i -sille häiriöille, että interferometri soveltuu käytettäväsi jopa kenttäolosuhteissa. Tähän tavoitteeseen päästiin keksinnön mukaisen interferometrin avulla, jolle on tur -nusomaista, että jalusta käsittää interferometrin runkocn 10 tuetun kantaosan, ainakin kaksi ensimmäisistä päistään ensimmäisten taivekohtien välityksellä kantaosaan liittyvää kannatusvartta ja kannatusvarsien toisiin päihin toisten taivekohtien välityksellä liittyvän jalustaosan, johon ainakin toinen valon kulkusuunnan kääntävä peili en 15 kiinnitetty ja että jalustan liikutusmekanismi käsittää edestakaisen lineaarisen liikkeen synnyttävän välineen ja välitysmekanismin, jonka välityksellä edestakaisen liikkeen synnyttävän välineen liike välitetään jalustaosian edestakaiseksi liikkeeksi.

20 Keksinnön mukaisessa ratkaisussa liikutettava pei li on kiinnitetty kiintästi tuettuun jalustaan, joka muodostaa eräänlaisen heilurin, joka kuitenkin ainakin kahden vartensa ansiosta antaa peilille lineaarisen liikkeen. Täten peili on tuettu erittäin vakaasti ja kun edestakai-25 nen liike vielä välitetään peilille välitysmekanismin.

kautta, saadaan aikaan erittäin vakaa rakenne. j

Edullisesti välitysmekanismi käsittää interferometrin runkoon tuetun kantaosan, ainakin kaksi ensimmäisistä päistään ensimmäisten taivekohtien välityksellä kantaosaan ·♦· 3 0 liittyvää kannatusvartta ja kannatusvarsien toisiin päihin « toisten taivekohtien välityksellä liittyvän välitysosan, johon liittyy liikkeen jalustaosaan välittävä kiilapinta, jolloin jalustaosan ja välitysosan liikesuunnat ovat kohtisuorassa toisiaan vastaan. Käytettäessä välitysmekanis-35 minä oleellisesti peilin jalustan kaltaista heilurirakejn- 107357 3 netta, saadaan liikutusmekanismista erittäin epäherkkä sekä edestakaisen liikkeen synnyttävän välineen synnyttämän liikkeen vähäisten epätarkkuuksien että ulkoisten häiriöiden suhteen. Tällöin voidaan lisäksi erittäin edulli-5 sesti menetellä siten, että välitysmekanismi välittää edestakaisen liikkeen synnyttävän välineen suuremman liikkeen jalustaosan pienemmäksi, edullisesti kertaluokkaa pienemmäksi, edestakaiseksi liikkeeksi. Täten millimetrien luokkaa oleva liikutusvälineen liike voidaan muuntaa mil-10 limetrin kymmenysosien luokkaa olevaksi liikkeeksi, jolloin myös liikutusvälineen liikkeen epätarkkuudet välittyvät vain kymmenysosan suuruisina peilin liikkeeseen.

Seuraavassa keksinnön mukaista pyyhkäisevää inter-ferometriä kuvataan yksityiskohtaisemmin viitaten oheiseen 15 piirustukseen,jossa kuvio 1 esittää keksinnön mukaisen interferometrin esimerkinomaista optista järjestelyä kaaviokuvana ja kuvio 2 esittää kaaviokuvan keksinnön mukaisen interferometrin liikutusmekanismista.

20 Kuviossa 1 on kaaviollisesti esitetty keksinnön mu kaisen pyyhkäisevän interferometrin optiikan periaatteellinen rakenne, kun se on toteutettu fokusoivana interfero-metrinä. Se käsittää ensinnäkin valonlähteen 12, joka edullisimmin on infrapunaista valoa emittoiva valonlähde. 25 Tämän valonlähteen valo kollimoidaan off-axis -parabo- loidipeilin 6 avulla fokusoivalle peilipinnalle 8, joka fokusoi sen säteenjakajalle 5. Tältä säteenjakajalta osa valosta heijastuu kollimoivalle peilipinnalle 9 ja osa kulkee säteenjakajan 5 läpi kollimoivalle peilipinnalle . ··< 30 10. Fokusoiva peilipinta 8 ja kollimoiva peilipinta 9 muo- » dostavat osan yhtenäisestä pallopeilipinnasta 1. Peilipinta 9 kollimoi valon suunnaten sen kuutionurkkaan 3, jonka optinen akseli on sovitettu yhdensuuntaiseksi peilipinnan 9 kollimoimien säteiden kanssa. Tämä kuutionurkka muodos-35 tuu kolmesta toisiinsa nähden kohtisuorassa olevasta taso- 4 107$ 57 peilipinnasta, jotka on sovitettu heijastamaan peilipintojen normaalien leikkauspisteen suuntaan. Peili 3 on s:.:.s käytännössä kuutionurkan näköinen, kun sitä katsotaan kuution sisältä päin. Tämä kuutionurkka 3 palauttaa säteen 5 peilille 9, jolta se puolestaan fokusoituu säteenjakaja]).: e 5 ja osittain sen läpi kollimoivalle peilipinnalle 11.

Fokusoivalta peilipinnalta 8 lähtenyt ja säteenju-kajan 5 läpi kulkeneen valon reitti puolestaan jatkuu kollimoivalle peilipinnallle 10, joka kollimoi kyseisen valon 10 kuutionurkalle 4, joka vastaa rakenteeltaan täysin kuu-tionurkkaa 3. Kuutionurkat 3 ja 4 on puolestaan sovitettu keskenään vastakkain siten, että ne heijastavat vastakkaisiin suuntiin ja että niiden optiset akselit yhtyvät. Käytännössä näiden kuutionurkkien kärkipisteet pyritään saa-15 maan mahdollisimman lähelle toisiaan, jotta näiden peil:.on kallistuminen mahdollisimman vähän vaikuttaisi niiden heijastamien valonsäteiden suuntaukseen. Jos päästäisiin siihen teoreettiseen tilanteeseen, että näiden kuutionurkkien 3 ja 4 kärkipisteet täysin yhtyisivät, ei kulmavirheen 20 syntyminen olisi lainkaan mahdollista. Käytännössä tämä ei ole kuitenkaan mahdollista, mutta järjestely on kuitenkin oleellisesti epäherkempi kulmavirheille kuin kahden vastakkain sijoitetun tasopeilin muodostama järjestely. Jos tasopeileille sallitaan vain joidenkin mikrometrien kal-25 listus, voidaan kuutionurkkia käytettäessä sallia jopa joidenkin satojen mikrometrien kallistus. Tämän johdosta voi peilien liikutusmekanismi olla aikaisemmin tunnettuun nähden merkittävästi yksinkertaisempi. Todettakoon, että keksinnön mukaisessa tapauksessa samoinkuin tasopeiliäktn ·. 30 käytettäessä liike peilien optiseen akseliin nähden koh tisuorassa suunnassa ei synnytä kulmavirhettä.

Säteen palautuessa kuutionurkalta 4 fokusoi peili 10 sen takaisin säteenjakajalle 5, jolloin osa siitä heijastuu samaan suuntaan peililtä 9 tulleen ja säteenjakajan 35 5 läpäisseen valon kanssa. Nämä kaksi valonsädettä inte::- * t 107357 5 feroivat nyt keskenään kaikilla taajuuksilla, jos valon kulkureitit säteenjakajalta 5 peilille 9 ja edelleen kuu-tionurkalle 3 ja toisaalta säteenjakajalta 5 peilille 10 ja edelleen kuutionurkalle 4 ovat keskenään yhtä suuret.

5 Kun näitä etäisyyksiä muutetaan, saadaan interferenssimak-simit syntymään eri taajuuksilla. Kun etäisyyttä muutetaan tasaisella nopeudella, saadaan mainittu interferenssimak-simi siirtymään tasaisesti aallonpituudelta toiselle. Jos etäisyyden muutosta kyetään samanaikaisesti seuraamaan, 10 saadaan myös selville ne taajuudet, joilla interferenssi-maksimi kulloinkin esiintyy. Käytännössä tähän päästään mittaamalla valon kulkureitit lasersäteen avulla, joka johdetaan kulkemaan samaa reittiä interferoivan valon kanssa. Koska laservalo on hyvin monokromaattista, tiede-15 tään sen interferenssimaksimit tarkoin ja täten interfero-metriltä ulostulevasta valosta voidaan löytää nämä vastaavat kohdat tarkasti.

Kuvion 1 mukaisessa interferometrissä on interfe-roivaa valoa vielä käsitelty edelleen siten, että se on 20 johdettu kollimoivalle peilipinnalle 11, joka kollimoi ' valon ja suuntaa sen tasopeilipinnalle 7, josta se johdetaan interferometrin ulkopuolelle johdettavaksi edelleen tutkittavan näytteen läpi sopivalle ilmaisimelle. Näitä tavanomaisia rakenneosia ei tämän hakemuksen yhteydessä 25 kuvata lähemmin. Kuvion 1 mukaisessa interferometrissä peilipinta 10 ja peilipinta 11 on samoinkuin peilipinnat 8 ja 9 yhdistetty yhdeksi yhtenäiseksi peilipinnaksi 2, joka edullisimmin on pallopeilipinta. Tämän järjestelyn avulla spektrometristä saadaan erityisen kompakti ja peilien 10 . -·· 30 ja 11 kohdistus säteenjakajan 5 suhteen voidaan toteuttaa nyt yhtenä toimenpiteenä. Käytännössä syntyy edelleen se etu, että yhdistetyt peilipinnat 1 ja 2 voivat olla keskenään identtisiä pallopeilipintoja, mikä edelleen alentaa kuvion 1 mukaisen interferometrin valmistuskustannuksia.

35 Kuviossa 2 on kuvattu keksinnön mukaiseen interfe- 6 1073^7 rometriin sisältyvää liikutusmekanismia edestakaisen li:.]> keen antamiseksi peileille 3 ja 4. Tätä tarkoitusta varten peilit 3 ja 4 on sovitettu jalustan 13 varaan. Tämä jalusta 13 käsittää interferometrin runkoon 3 6 tuetun kantaoisen 5 15, ainakin kaksi ensimmäisistä päistään ensimmäisten ta:- vekohtien 16 ja 17 välityksellä kantaosaan 14 liittyviä kannatusvartta 18 ja 19 ja kannatusvarsien toisiin pälli: n toisten taivekohtien 20 ja 21 välityksellä liittyvän *c-lustaosan 22, johon valon kulkusuunnan kääntävät peilit. 3 10 ja 4 on kiinnitetty. Jalusta voi valmistusmateriaaliltaic n olla muovia tai metallia. Jalustan liikutusmekanismi käsittää edestakaisen lineaarisen liikkeen synnyttävän väl i -neen 23 ja välitysmekanismin 24, jonka välityksellä edes -takaisen liikkeen synnyttävän välineen 23 liike välitetyin 15 jalustaosan 22 edestakaiseksi liikkeeksi.

Välitysmekanismi 24 käsittää interferometrin rv.r -koon 36 tuetun kantaosan 25, ainakin kaksi ensimmäisistä päistään ensimmäisten taivekohtien 26 ja 27 välityksenä kantaosaan 25 liittyvää kannatusvartta 28 ja 29 ja kanr .a -20 tusvarsien 28 ja 29 toisiin päihin toisten taivekohtier.

30 ja 31 välityksellä liittyvän välitysosan 32. Vä] i - tysosaan 32 on kiinnitetty kiilapinta 33, joka välittää ! 4 välityosan liikkeen jalustaosaan. Jalusta 13 ja välitysne- j

kanismi on sovitettu toisiinsa nähden siten, että jalusta- | • I

25 osan 22 ja välitysosan 32 liikesuunnat, joita on merkitty j ί

nuolilla A ja B, ovat kohtisuorassa toisiaan vastaan. I

< Välitysmekanismi 24 on sovitettu tukeutumaan jaltls- j » taosaan 32 siten, että se välittää edestakaisen liikkeen j « synnyttävän välineen 23 suuremman liikkeen jalustaosan 22 1 » ·· 30 pienemmäksi, edullisesti kertaluokkaa pienemmäksi, edeste- ·- kaiseksi liikkeeksi. Jalustaosa 22 käsittää edullisesti kaarevan liukupinnan 34, jota vasten välitysmekanismin 24 kiilapinta 33 on jousikuormitettu jalustaosan 22 ja vä]d-tysosan 32 väliin sovitetulla vetojousella 35.

35 käytännössä edestakaisen liikkeen synnyttävänä yä - 107357 7 lineenä 23 voidaan käyttää hyvinkin monenlaisia mekaanisia ratkaisu, muuta erittäin edullisen ratkaisun tarjoaa rakenne, jossa edestakaisen lineaarisen liikkeen synnyttävä väline 23 käsittää magneettipiirin ilmaraossa liikkumaan 5 sovitetun lieriömäisen kelan. Tällainen mekanismi vastaa käytännössä kaiuttimen rakennetta. Edestakainen liike voidaan synnyttää tällaisen rakenteen avulla syöttämällä kelaan sopivan taajuinen vaihtojännite. Kuvion mukaisessa rakenteessa kelaan liittyy tappi 37, jonka päässä oleva 10 kuula 38 on sovitettu vaikuttamaan välitysmekanismin 14 välitysosaan 32.

Yllä keksinnön mukaista pyyhkäisevää interferomet-riä on kuvattu vain yhden esimerkinomaisen suoritusmuodon avulla ja on ymmärrettävää, että siihen voidaan tehdä 15 useitakin muutoksia poikkeamatta kuitenkaan oheisten patenttivaatimusten määrittelemästä suojapiiristä. Täten edestakaisen liikkeen aikaansaava mekanismi voidaan toteuttaa muillakin kuin kuvatulla rakenteella etenkin kun sen synnyttämän edestakaisen lineaarisen liikkeen ei tar-20 vitse keksinnön mukaisen liikutusmekanismin rakenteen ansiosta olla läheskään niin tasainen kuin tunnetuissa in-terferometreissä. Keksintöä on lisäksi kuvattu ainoastaan fokusoivan interferometrin yhteydessä, mutta on ymmärret-, tävää, että sitä voidaan liikutusmekanismin osalta sovel- 25 taa sellaisenaan muunkin tyyppisiin pyyhkäiseviin interfe-rometreihin, kuten Michelsonin interferometriin.

·· ·<. .

Claims (4)

1073E7 δ i j

1. Pyyhkäisevä interferometri, joka käsittää valcr-lähteen (12), optisen järjestelyn (1-11) valonlähteen vs- 5 lon jakamiseksi kulkemaan kahta eri reittiä, kääntämisetεi palaamaan takaisin samaa reittiä ja yhdistämiseksi intei-feroivaksi valoksi, jolloin optisen järjestelyyn sisältyy kaksi valon kulkusuunnan kääntävää peiliä (3,4), jalustan (13) ainakin toiselle valon kulkusuunnan kääntävälle pei-10 lille (3,4) ja liikutusmekanismin (14) edestakaisen liikkeen antamiseksi mainitulle jalustalle (13), joka käsittää interferometrin runkoon tuetun kantaosan (15), ainakin j kaksi ensimmäisistä päistään ensimmäisten taivekohtien j (16,17) välityksellä kantaosaan (15) liittyvää kannatus-15 vartta (18,19) ja kannatusvarsien (18,19) toisiin päihin j toisten taivekohtien (20,21) välityksellä liittyvän jalus- j ♦ taosan (22), johon ainakin toinen valon kulkusuunnan kään- j i tävä peili (3,4) on kiinnitetty ja että jalustan liikutus- j 4 mekanismi käsittää edestakaisen lineaarisen liikkeen svn-20 nyttävän välineen (23) ja välitysmekanismin (24), jonka välityksellä edestakaisen liikkeen synnyttävän välinäsi (23) liike välitetään jalustaosan (22) edestakaiseksi liikkeeksi, tunnettu siitä, että välitysmekanismi (24) käsittää interferometrin runkoon tuetun kantaosai ’ 25 (25), ainakin kaksi ensimmäisistä päistään ensimmäistä i taivekohtien (26,27) välityksellä kantaosaan (25) liittyvää kannatusvartta (28,29) ja kannatusvarsien (28,29) toisiin päihin toisten taivekohtien (30,31) välityksellä liittyvän välitysosan (32), johon liittyy liikkeen jalus- 30 taosaan (22) välittävä kiilapinta (33) , ja että jalustja- | > · ! osan (22) ja välitysosan (32) liikesuunnat (A,B) ovat kohtisuorassa toisiaan vastaan. j t

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen interferometri, j tunnettu siitä, että välitysmekanismi (24) välit- j j 35 tää edestakaisen liikkeen synnyttävän välineen (23) suU- j i t * t 107357 9 remman liikkeen jalustaosan (22) pienemmäksi, edullisesti kertaluokkaa, pienemmäksi, edestakaiseksi liikkeeksi.

3. Jonkin patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen in-terferometri, tunnettu siitä, että jalustaosa 5 (22) käsittää edullisesti kaarevan liukupinnan (34), jota vasten välitysmekanismin (24) kiilapinta (33) on jousi-kuormitettu jalustaosan (22) ja välitysosan (32) väliin sovitetulla vetojousella (35) .

4. Jonkin patenttivaatimuksen 1-3 mukainen interfe-10 rometri, tunnettu siitä, että edestakaisen lineaarisen liikkeen synnyttävä väline (23) käsittää magneettipiirin ilmaraossa liikkumaan sovitetun lieriömäisen kelan. 1 ·« 10 10735b'