RU1818547C

RU1818547C - Grating interferometer

Info

Publication number: RU1818547C
Authority: RU
Inventors: Лидия Эммануиловна Четкарева
Original assignee: Всесоюзный научный центр "Государственный оптический институт им.С.И.Вавилова"
Priority date: 1989-10-23
Filing date: 1989-10-23
Publication date: 1993-05-30

Abstract

Использование: дл проведени исследований прозрачных неоднородных сред, например, в гидродинамике, физике атмосферы , а также дл обеспечени более простой и однозначной св зи между наблюдаемой интерферограммой и формой изучаемого волнового фронта. Сущность: интерферометр включает в себ источник света, конденсор, щелевую диафрагму, кол- лиматорный объектив, систему двух фазовых дифракционных решеток, установленных в параллельных плоскост х, между которыми помещен исследуемый объем, проекционный объектив и приемник изображени . Новым в интерферометре вл етс наличие на одной из граней щелевой диафрагмы юстируемой маски с зеркальным покрытием с коэффициентом отражени в пределах 0,04-0,09, на которой располагаетс р д равноотсто щих по горизонтали и вертикали круглых п тен диаметром пор дка кружка рассе ни 4коллиматорного объектива с коэффициентом отражени в пределах 0,90-0,99. 1 ил. ел сUsage: for conducting studies of transparent inhomogeneous media, for example, in hydrodynamics, atmospheric physics, as well as for providing a simpler and more unambiguous relationship between the observed interferogram and the shape of the wavefront under study. SUBSTANCE: interferometer includes a light source, a condenser, a slit diaphragm, a collimator lens, a system of two phase diffraction gratings installed in parallel planes, between which the investigated volume, a projection lens and an image pickup are placed. A new feature in the interferometer is the presence on one of the faces of the slit diaphragm of an adjustable mask with a mirror coating with a reflection coefficient in the range 0.04-0.09, on which there are a number of circular spots equally spaced horizontally and vertically with a diameter of the order of the scattering circle 4 a collimator lens with a reflection coefficient in the range of 0.90-0.99. 1 ill. ate with

Description

Изобретение относитс к области оптического приборостроени и может быть использовано дл исследовани прозрачных неоднородных сред, например, в гидродинамике , океанологии, физике атмосферы, при изучении малых деформаций в прозрачных твердых средах.The invention relates to the field of optical instrumentation and can be used to study transparent inhomogeneous media, for example, in hydrodynamics, oceanology, atmospheric physics, and to study small deformations in transparent solid media.

Цель изобретени - повышение точности интерференционных измерений формы волнового фронта излучени , прошедшего неоднородную среду, а также обеспечение более простой и однозначной св зи междуThe purpose of the invention is to increase the accuracy of interference measurements of the wavefront shape of radiation transmitted through an inhomogeneous medium, as well as providing a simpler and more unambiguous relationship between

наблюдаемой интерферограммой и формой изучаемого волнового фронта.the observed interferogram and the shape of the wavefront under study.

Маска позвол ет создать в интерферометре пространственно-частотную фильтрацию излучени дл одного из интерферирующих пучков. Роль фильтров Фурье играют интенсивно отражающие свет площадки малого диаметра, расположенные на поверхности маски. В процессе юстировки пространственный фильтр совмещаетс с изображением одного из двух выходных зрачков интерферометра. При этом происходит восстановление соответст00The mask makes it possible to create a spatial frequency filtering of radiation for one of the interfering beams in the interferometer. The role of Fourier filters is played by light-reflecting areas of small diameter, located on the surface of the mask. During the alignment process, the spatial filter is aligned with the image of one of the two exit pupils of the interferometer. In this case, the corresponding

соwith

ZZ

VIVI

вующего волнового фронта, и интерферометр сдвига преобразуетс в интерферометр с невозмущенной ветвью сравнени . Наличие на маске нескольких отражающих п тен упрощает процесс юстировки, цель которой - сведение одного из выходных зрачков интерферометра с отражающим малым п тном. В данном устройстве оба интерферирующих пучка проход т объект под разными углами, поэтому попеременное восстановление каждого из пучков пространственно-частотным фильтром позволит , кроме того, получить информацию о фазовом объекте в двух ракурсах без изменени ориентации прибора в целом относительно объекта исследований, что позволит увеличить объем получаемой информации.wavefront, and the shear interferometer is converted to an interferometer with an unperturbed branch of comparison. The presence of several reflective spots on the mask simplifies the adjustment process, the purpose of which is to reduce one of the exit pupils of the interferometer with a reflecting small spot. In this device, both interfering beams pass the object at different angles; therefore, the alternate restoration of each of the beams with a space-frequency filter will make it possible, in addition, to obtain information on the phase object in two angles without changing the orientation of the device as a whole relative to the object of study, which will increase the volume information received.

Оптическа схема устройства изображена на чертеже и включает в себ следующие элементы; осветитель (поз. 1, 2), диафрагму (поз. 3),- расположенную под углом к оптической оси коллиматорного объектива (п: з, 4), две фазовые дифракционные решетки. прозрачную:(поз. 5) и отражательную (поз. 6); установленные в параллельных плоскост х nq ходу лучей под углом первого спектрального пор дка, проекционный объектив (поз. 7), наход щийс на оси светового пучка, отраженного от наклонной грани световой диафрагмы, а также приемник изображени (поз. 8) интерференционной картины.An optical diagram of the device is shown in the drawing and includes the following elements; illuminator (pos. 1, 2), aperture (pos. 3), - located at an angle to the optical axis of the collimator lens (p: h, 4), two phase diffraction gratings. transparent: (pos. 5) and reflective (pos. 6); mounted in parallel planes nq in the direction of the rays at an angle of the first spectral order, a projection lens (pos. 7) located on the axis of the light beam reflected from the inclined edge of the light diaphragm, and an image receiver (pos. 8) of the interference pattern.

Сущность изобретени заключаетс в том, что в плоскости граней осветительной диафрагмы установлена юстируема маска (поз. 9) с малым коэффициентом отражени (пор дка 4-5%), на поверхности которой имеетс р д равноотсто щих по горизонтали и вертикали на рассто нии 7-10 мм (в зависимости от фокусного рассто ни коллиматорного объектива) круглых отражающих площадок (п тен) малого диаметра (пор дка кружка рассе ни коллиматорного объектива) с коэффициентом отражени в пределах 0,90-0,99. .Узел диафрагмы с маской схематично представлен видом А на. чертеже схемы.The essence of the invention lies in the fact that in the plane of the faces of the illuminating diaphragm an adjustable mask is installed (pos. 9) with a low reflection coefficient (about 4-5%), on the surface of which there are a number of equally spaced horizontally and vertically at a distance of 7- 10 mm (depending on the focal length of the collimator lens) of circular reflecting areas (spots) of small diameter (in the order of the circle of scattering of the collimator lens) with a reflection coefficient in the range of 0.90-0.99. . The aperture unit with mask is schematically represented by view A on. drawing scheme.

Схема работает следующим образом: источник света (поз. 1) изображаетс конденсором (поз. 2) на щель диафрагмы (поз. 3). Объектив (поз. 4), в фокальной плоскости которого находитс щелева диафрагма, формирует параллельный пучок света, который падает на прозрачную фазовую решетку (поз 5) под углом первого пор дка дифракции дл длины волны, соответствующей центральной части используемого интервала излучени источника света. С . учетом того, что дл образовани полос в системе двух метрологических решеток сThe circuit operates as follows: the light source (pos. 1) is depicted by a capacitor (pos. 2) on the diaphragm slit (pos. 3). A lens (key 4) with a slit aperture in its focal plane forms a parallel beam of light that hits the transparent phase grating (key 5) at an angle of the first diffraction order for a wavelength corresponding to the central portion of the light source used. WITH . taking into account that for the formation of stripes in a system of two metrological arrays with

энергетической точки зрени выгодно использовать пучки наименьших .пор дков дифракции, в интерферометре использованы фазовые решетки, концентрирующие излучение соответственно дл прозрачной решетки в 0, +1, а дл отражательной в ±2. пор дки спектра. При кратности посто нных решеток, равной двум, например, 600 и 300 штрих./мм соответственно дл прозрачной и отражательной решеток дифрагированные на прозрачной решетке в 0, +1 пор дки два плоских волновых фронта, пройд исследуемую среду и продифрагиро- вав затем на отражательной решетке в ±2From the energy point of view, it is advantageous to use beams of the smallest diffraction order; in the interferometer, phase gratings are used that concentrate the radiation, respectively, for the transparent grating at 0, +1, and for the reflective one at ± 2. spectrum order. With a multiplicity of constant gratings equal to two, for example, 600 and 300 lines / mm for transparent and reflective gratings, two plane wave fronts diffracted on the transparent grating by 0, +1 orders of magnitude, passed through the medium under investigation and then diffracted on the reflective ± 2 lattice

пор дки, возвращаютс при отсутствии нео- днородности по тому же пути. На поверхности прозрачной решетки оба пучка вторично дифрагируют в 0, +1 пор дки и интерферируют между собой. Решетки в интерферометре располагаютс в параллельных плоскост х с некоторым взаимным разворотом штрихов относительно оси X на угол 0. Диафрагма (поз. 3) располагаетс в фокальной плоскости объектива (поз. 4) и вылолнеorders are returned in the absence of heterogeneity along the same path. On the surface of the transparent lattice, both beams are diffracted a second time by 0, +1 orders of magnitude and interfere with each other. The gratings in the interferometer are located in parallel planes with some mutual rotation of the lines relative to the X axis by an angle of 0. The aperture (pos. 3) is located in the focal plane of the lens (pos. 4) and the length

на на пластинке, ориентированной подon the plate oriented under

углом, который может составл ть величину от 30 до45°. Оба выходных зрачка интерферометра при малом отклонении от автокол- лимации фокусируютс раздельно в плоскости диафрагмы. В прототипе далее оба пучка после отражени от однородной зеркальной п верхности диафрагмы падают на проекционный объектив. В предлагаемом устройстве один из выходных зрачков интерферометра совмещаетс в плоскости маски с помощью ее котировочного механизма с одним отражающим п тном малого диаметра, выполн ющего функцию пространственно-частотного фильтра. В ре- зультате пучок, прошедший- через фильтр, трансформируетс в невозмущенный фазо- вым объектом пучок. Дл выравнивани ин- тенсивностей интерферирующих пучков фонова поверхность маски имеет прибли- зительно на пор док меньший коэффициент отражени , чем коэффициент отражени малого п тна. Рассто ние между соседними отражающими п тнами маски составл ют в зависимости от фокусного рассто ни кол- лИматормого объектива 7-12 мм, что обеспечивает возможность получени изображени двух выходных зрачков интерферометра в плоскости диафрагмы раздельно соответственно на отражающем п тне и на слабо отражающей поверхности маски. Низкий фоновый коэффициент отражени маски может быть осуществлен различными . способами, Например, нанесением отражающего покрыти на внутреннюю поверхность маски, выполненную из стекла с большим коэффициентом поглощени , или нанесением непосредственно на внешнюю поверхность маски отражающего покрыти с заданным коэффициентом отражени . angle, which can be between 30 and 45 °. Both exit pupils of the interferometer, with a small deviation from autocollimation, are focused separately in the plane of the diaphragm. In the prototype, then both beams after reflection from a uniform mirror surface of the diaphragm fall onto a projection lens. In the proposed device, one of the exit pupils of the interferometer is aligned in the plane of the mask with the help of its quotation mechanism with one reflective spot of small diameter, which serves as a spatial-frequency filter. As a result, the beam passing through the filter is transformed into an unperturbed phase object. In order to equalize the intensities of the interfering beams, the background surface of the mask has an order of magnitude lower reflection coefficient than the reflection coefficient of a small spot. The distance between adjacent reflective spots of the mask is depending on the focal distance of the collars of the objective lens 7-12 mm, which makes it possible to image two exit pupils of the interferometer in the diaphragm plane separately respectively on the reflective spot and on the weakly reflective surface of the mask. The low background reflectance of the mask can be varied. by methods, for example, applying a reflective coating to an inner surface of a mask made of glass with a high absorption coefficient, or applying directly to the outer surface of a mask a reflective coating with a predetermined reflectance.

Вследствие пространственно-частот- ,ной фильтрации излучени и восстановлени одного из интерферирующих фронтов возникает возможность интерпретировать полученную интерферограмму, как обычную двухлучевую с невозмущенной опорной ветвью. Таким образом, использование данного дифракционного интерферометра обеспечивает по сравнению с прототипом, с одной стороны, повышение точности измерений формы волнового фронта на величину от единиц до 20-30 процентов в зависимости от степени сложности исследу-. емого фазового объекта за счет достижени более простой и однозначной св зи между наблюдаемой интерференционной картиной с формой исследуемого волнового фронта, а также позвол ет получить интерференционную картину дл двух ракурсов наблюдений, соответствующих двум дифракционным направлени м излучени без изменени ориентации прибора в целом относите , но объекта исследований, что позвол ет увеличить объем получаемой .информации.Due to spatial-frequency filtering of radiation and restoration of one of the interfering fronts, it becomes possible to interpret the resulting interferogram as a conventional two-beam with an unperturbed reference branch. Thus, the use of this diffraction interferometer provides, compared with the prototype, on the one hand, an increase in the accuracy of measurements of the wavefront shape by units from 20-30 percent, depending on the degree of complexity of the study. phase object due to the achievement of a simpler and more unambiguous relationship between the observed interference pattern with the shape of the wavefront under study, and also allows you to obtain an interference pattern for two viewing angles corresponding to the two diffraction directions of the radiation without changing the orientation of the device as a whole, but relate the object research, which allows to increase the amount of received information.

Claims

SUMMARY OF THE INVENTION A diffraction interferometer comprising a sequentially mounted on the optical axis and optically coupled illuminator, a slit diaphragm, the plane of which is located at an angle to the optical axis, a collimator, two phase diffraction gratings, transparent and reflective, mounted at an angle of the first spectral order for the central length waves of the used spectral range of radiation to the optical axis, facing the working surfaces to each other, between which the volume with the studied my environment, a projection lens, and an image pickup of an interference pattern, characterized in that, in order to increase the accuracy of interference measurements, one of the faces of the slotted diaphragm is equipped with a spatial-frequency filter made in the form of a mask with a reflection coefficient ranging from 0.04 up to 0.09, installed with the possibility of moving in the plane of the slit diaphragm and equipped with a number of equally spaced horizontally and vertically round spots with an odds ratio of 0.90-0.99, and the diameter of the spots does not exceed a spot of scattering of the collimator lens.