RU2159406C2

RU2159406C2 - Multiple-beam interferometer to measure parameters of parameters of spherical shell

Info

Publication number: RU2159406C2
Application number: RU98111974A
Authority: RU
Inventors: А.В. Веселов
Priority date: 1998-06-17
Filing date: 1998-06-17
Publication date: 2000-11-20

Abstract

FIELD: measurement technology, optics. SUBSTANCE: invention can be used to test parameters of clear spherical shells. Multiple-beam interferometer has lighting system and optical unit made of two mirrors that can move along optical axis, spherical shell which center lies on optical axis, recording system placed in path of radiation passed through optical unit or reflected from it. One mirror is spherical with curvature center lying on optical axis, second mirror is flat and is so positioned that radiation beam focuses on point of its crossing with optical axis. EFFECT: enhanced sensitivity and precision of measurements. 1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к оптике и измерительной технике и может быть применено для контроля параметров прозрачных сферических оболочек. The invention relates to optics and measuring equipment and can be used to control the parameters of transparent spherical shells.

При подготовке мишеней для ЛТС требуется проводить контроль диаметра, толщины стенки оболочки и ее разнотолщинности. Эти измерения требуют соответствующих приборов и методов. When preparing targets for LTS, it is required to control the diameter, wall thickness of the shell, and its thickness difference. These measurements require appropriate instruments and methods.

Известен способ контроля разнотолщинности с применением двухлучевой интерферометрии [1]. Интерферометр содержит систему освещения - лазер, оптический блок с зеркалами по схеме Маха-Цендера, контролируемый объект, систему регистрации - точечный фотоприемник и электронную схему обработки сигнала. Но его чувствительность и точность ограничены возможностями двухлучевой интерферометрии. Применение многолучевой интерферометрии повышает чувствительность в общем случае на 1-2 порядка. A known method of controlling the thickness using double-beam interferometry [1]. The interferometer contains a lighting system - a laser, an optical unit with mirrors according to the Mach-Zehnder scheme, a controlled object, a recording system - a point photodetector, and an electronic signal processing circuit. But its sensitivity and accuracy are limited by the capabilities of double-beam interferometry. The use of multipath interferometry increases the sensitivity in the general case by 1-2 orders of magnitude.

Наиболее близким к изобретению является многолучевой интерферометр, описанный в работе [2]. Интерферометр содержит осветительную систему, оптический блок, состоящий из двух плоских зеркал, установленный по ходу потока излучения. Между ними помещена контролируемая сферическая оболочка с центром, лежащим на оптической оси. Кроме того, интерферометр содержит регистрирующую систему, установленную на пути прошедшего оптический блок или отраженного от него излучения. Некоторые методы обработки интерференционной картины позволяют регистрировать разнотолщинность оболочки и повысить чувствительность по сравнению с двухлучевой интерферометрией. Closest to the invention is a multi-beam interferometer described in [2]. The interferometer contains a lighting system, an optical unit consisting of two flat mirrors mounted along the radiation flux. A controlled spherical shell with a center lying on the optical axis is placed between them. In addition, the interferometer contains a recording system installed in the path of the transmitted optical unit or reflected from it radiation. Some methods of processing the interference pattern make it possible to register the shell thickness and increase sensitivity in comparison with double-beam interferometry.

Недостатком прототипа являются дифракционные явления и эффект оболочки как рассеивающей линзы, что ограничивает возможности многолучевого интерферометра с плоскими зеркалами. The disadvantage of the prototype is the diffraction phenomenon and the effect of the shell as a scattering lens, which limits the capabilities of a multi-beam interferometer with flat mirrors.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение точности контроля толщины и разнотолщинности оболочки и повышение пространственного разрешения многолучевого интерферометра. The task of the invention is to increase the accuracy of control of the thickness and thickness of the shell and increase the spatial resolution of the multipath interferometer.

Для решения задачи в многолучевом интерферометре для измерения параметров сферической оболочки, содержащем осветительную систему, расположенный по ходу потока излучения оптический блок, состоящий из двух зеркал, имеющих возможность перемещения вдоль оптической оси, размещенную между ними сферическую оболочку, центр которой лежит на оптической оси, систему регистрации, установленную на пути прошедшего оптический блок или отраженного от него излучения, одно из зеркал выполнено сферическим, и центр кривизны его лежит на оптической оси, а плоское зеркало расположено перпендикулярно оптической оси, система освещения, если она установлена со стороны плоского зеркала, выполнена таким образом, что при освещении пучок сфокусирован на поверхности плоского зеркала в точке пересечения его с оптической осью, а если она установлена со стороны сферического зеркала, выполнена таким образом, что при освещении лучи направлены на сферическое зеркало по нормалям к его поверхности, сферическое зеркало расположено так, что идущие от него по нормалям лучи, пройдя через оболочку, сфокусированы на поверхности плоского зеркала в точке пересечения его с оптической осью. To solve the problem in a multi-beam interferometer for measuring the parameters of a spherical shell containing a lighting system, an optical unit located along the radiation flux consisting of two mirrors that can be moved along the optical axis, a spherical shell placed between them, the center of which lies on the optical axis, is a system registration, installed on the path of the transmitted optical unit or the radiation reflected from it, one of the mirrors is made spherical, and its center of curvature lies on the optical axis, the flat mirror is perpendicular to the optical axis, the lighting system, if installed on the side of the flat mirror, is made in such a way that when illuminated, the beam is focused on the surface of the flat mirror at the point of intersection with the optical axis, and if it is installed on the side of the spherical mirror, made so that when illuminated, the rays are directed to a spherical mirror along the normals to its surface, the spherical mirror is located so that the rays going from it along the normals, passing through the shell, focus Vanir flat mirror surface at the intersection of its optical axis.

Применение сферического зеркала и сфокусированного пучка позволяет освещать только центральную часть оболочки (относительно оптической оси), не освещая ее края, что устраняет дифрагировавшие на краях оболочки лучи. Освещение сферического зеркала по нормали к его поверхности и настройка зеркал так, чтобы эти лучи после прохождения оболочки фокусировались в одной и той же точке на плоском зеркале, создают условия для многократного отражения от зеркал и формирования многолучевой интерференции. Такая настройка также компенсирует рассеивающий эффект оболочки как отрицательной линзы. Все это приводит к обострению интерференционных полос и повышению чувствительности. Сфокусированный на оболочке пучок позволяет уменьшить размер диафрагмы и, соответственно, повысить пространственное разрешение при измерениях. The use of a spherical mirror and a focused beam makes it possible to illuminate only the central part of the shell (relative to the optical axis) without illuminating its edges, which eliminates the rays diffracted at the edges of the shell. Lighting a spherical mirror normal to its surface and adjusting the mirrors so that these rays, after passing through the shell, are focused at the same point on a flat mirror, create conditions for multiple reflection from mirrors and the formation of multipath interference. This setting also compensates for the scattering effect of the shell as a negative lens. All this leads to an exacerbation of interference fringes and an increase in sensitivity. A beam focused on the shell makes it possible to reduce the size of the aperture and, accordingly, increase the spatial resolution during measurements.

На фиг. 1, 2 представлена принципиальная схема многолучевого интерферометра, на фиг. 3 - пример выполнения интерферометра с оптико-волоконным световодом. In FIG. 1, 2 is a schematic diagram of a multipath interferometer; FIG. 3 is an example of the implementation of an interferometer with an optical fiber fiber.

Многолучевой интерферометр содержит осветительную систему 1, оптический блок интерферометра, состоящий из двух зеркал 2 и 3, контролируемую оболочку 4, расположенную между ними, и систему регистрации 5 или 6. Одно зеркало интерферометра выполнено сферическим и центр его кривизны лежит на оптической оси, второе зеркало - плоское и расположено перпендикулярно оптической оси в точке фокусировки лучей, идущих по нормалям от сферического зеркала после прохождения ими оболочки. The multi-beam interferometer contains a lighting system 1, an optical unit of the interferometer, consisting of two mirrors 2 and 3, a controlled shell 4 located between them, and a recording system 5 or 6. One mirror of the interferometer is made spherical and its center of curvature lies on the optical axis, the second mirror - flat and located perpendicular to the optical axis at the point of focus of the rays going along the normals of the spherical mirror after they pass through the shell.

Интерферометр работает следующим образом. The interferometer operates as follows.

Если первое зеркало 2 интерферометра сферическое (фиг. 1), то система освещения формирует пучок когерентного монохроматического излучения так, что все лучи падают на первое зеркало по нормалям к его поверхности. Лучи, прошедшие зеркало 2 по направлению нормалей, пройдя оболочку 4, фокусируются в точке на оптической оси. В этой точке перпендикулярно оптической оси расположено плоское зеркало 3. Лучи отражаются от плоского зеркала симметрично относительно оптической оси как оси симметрии, проходят снова оболочку, по нормалям же возвращаются к сферическому зеркалу, отражаются от него, повторяя многократный цикл отражений от зеркал. Многократно отраженные лучи интерферируют между собой, образуя многолучевую интерференционную картину. If the first mirror 2 of the interferometer is spherical (Fig. 1), then the lighting system forms a beam of coherent monochromatic radiation so that all the rays fall on the first mirror along the normals to its surface. The rays passing the mirror 2 in the direction of the normals, passing through the shell 4, are focused at a point on the optical axis. At this point, perpendicular to the optical axis, there is a plane mirror 3. Rays are reflected from the plane mirror symmetrically with respect to the optical axis as the axis of symmetry, pass through the shell again, return to the spherical mirror by the normals, and are reflected from it, repeating a multiple cycle of reflections from the mirrors. Multiple reflected rays interfere with each other, forming a multipath interference pattern.

Если первое зеркало 2 интерферометра плоское (фиг. 2), то система освещения формирует пучок так, что сфокусированный пучок падает на плоское зеркало в точке пересечения его с оптической осью. Прошедший через зеркало пучок проходит оболочку 4 и попадает на сферическое зеркало 3 по нормалям к его поверхности, отражается и направляется к плоскому зеркалу. Далее все повторяется также, как и в случае освещения со стороны сферического зеркала. If the first mirror 2 of the interferometer is flat (Fig. 2), then the lighting system forms a beam so that the focused beam falls on a flat mirror at the point of intersection with the optical axis. The beam passing through the mirror passes through the shell 4 and enters the spherical mirror 3 along the normals to its surface, is reflected and sent to a flat mirror. Further, everything is repeated as in the case of illumination from a spherical mirror.

Далее, в обоих вариантах часть лучей, прошедшая оптический блок интерферометра или отраженная от него, позволяет регистрировать многолучевую интерференционную картину и попадает на систему регистрации 5 или 6. Further, in both versions, the part of the rays that passed through the optical block of the interferometer or is reflected from it allows one to register a multipath interference pattern and enters the registration system 5 or 6.

Система регистрации прошедшего интерферометр 5 или отраженного от него излучения 6 строит изображение стенки оболочки в плоскости диафрагмы Д. Через диафрагму Д излучение от интерферометра попадает на фотоприемник ФП и далее на систему обработки сигнала. The registration system of the transmitted interferometer 5 or the radiation 6 reflected from it builds an image of the shell wall in the plane of the diaphragm D. Through the diaphragm D, the radiation from the interferometer enters the FP photodetector and then to the signal processing system.

Одно или оба зеркала имеют возможность периодического или линейного перемещения вдоль оптической оси для реализации модуляционных и других методов обработки информации. One or both mirrors have the ability to periodically or linearly move along the optical axis to implement modulation and other information processing methods.

При линейном перемещении зеркала вдоль оси на расстояние больше длины волны сигнал с фотоприемника регистрирует изменение интенсивности I от порядка интерференции N, которое описывается формулой
I/I₀ = [1+4Rsin²(Nπ)/(1-R)²]^-1,
где I₀ - интенсивность излучения в максимуме интерференционной полосы,
R - коэффициент отражения зеркал интерферометра.When the mirror is linearly moved along the axis at a distance greater than the wavelength, the signal from the photodetector registers a change in intensity I from the order of interference N, which is described by the formula
I / I ₀ = [1 + 4Rsin ² (Nπ) / (1-R) ² ] ^-1 ,
where I ₀ is the radiation intensity at the maximum of the interference band,
R is the reflection coefficient of the mirrors of the interferometer.

При изменении толщины стенки оболочки (например, при ее повороте) изменяется оптическая длина пути интерферирующих пучков, что приводит к сдвигу интерференционных максимумов при линейном перемещении одного из зеркал, или к изменению интенсивности сигнала фотоприемника при неподвижных зеркалах. Электрический сигнал фотоприемника (ФП) системы регистрации дальше обрабатывается для получения необходимой информации. When the shell wall thickness changes (for example, when it is rotated), the optical path length of the interfering beams changes, which leads to a shift in the interference maxima during the linear movement of one of the mirrors, or to a change in the intensity of the photodetector signal with fixed mirrors. The electrical signal of the photodetector (FP) of the registration system is further processed to obtain the necessary information.

Предлагаемый многолучевой интерферометр позволяет:
- устранить паразитную дифракцию на краях оболочки;
- устранить рассеивающее влияние оболочки, как отрицательной линзы, что приводит к обострению интерференционных полос;
- увеличить интенсивность излучения на диафрагме системы регистрации за счет фокусировки пучка в интерферометре;
- повысить чувствительность интерферометра и точность измерений из-за увеличения интенсивности сигнала и обострения интерференционных полос;
- повысить пространственное разрешение интерферометра.The proposed multi-beam interferometer allows you to:
- eliminate spurious diffraction at the edges of the shell;
- eliminate the scattering effect of the shell as a negative lens, which leads to an exacerbation of interference fringes;
- increase the radiation intensity at the diaphragm of the registration system by focusing the beam in the interferometer;
- increase the sensitivity of the interferometer and the accuracy of measurements due to an increase in signal intensity and exacerbation of interference fringes;
- increase the spatial resolution of the interferometer.

Кроме того:
- он меньше по габаритам;
- проще и удобнее в настройке.Besides:
- it is smaller in size;
- easier and more convenient to set up.

При освещении со стороны плоского зеркала сфокусированный пучок можно подавать с помощью оптико-волоконного световода (фиг. 3), а плоское зеркало нанести на торец световода. Это дает дополнительные удобства в настройке и уменьшение габаритов. When illuminated from the side of a flat mirror, a focused beam can be fed using an optical fiber (Fig. 3), and a flat mirror can be applied to the end of the fiber. This gives additional convenience in configuration and reduction of dimensions.

Источники информации
1. C. D. Leiner, D.T.Moore. Приборы для научных исследований, N 12, с. 100, 1978.Sources of information
1. CD Leiner, DTMoore. Instruments for scientific research, N 12, p. 100, 1978.

2. А.В. Веселов, Г.В. Комлева, В.И. Мрачковский, Квантовая элект, т. 13, N 1, с. 25, 1986. 2. A.V. Veselov, G.V. Komleva, V.I. Mrachkovsky, Quantum electronic, t. 13, N 1, p. 25, 1986.

Claims

1. A multi-beam interferometer for measuring the parameters of a spherical shell, comprising a lighting system, an optical unit located along the radiation flux, consisting of two mirrors that can be moved along the optical axis, a spherical shell is placed between them, the center of which lies on the optical axis, a recording system, installed on the path of the transmitted optical unit or radiation reflected from it, characterized in that one of the mirrors is made spherical and its center of curvature lies on the optical axis, and the flat mirror is perpendicular to the optical axis, the lighting system, if installed on the side of the flat mirror, is made in such a way that when illuminated, the beam is focused on the surface of the flat mirror at the point of intersection with the optical axis, and if it is installed on the side of the spherical mirror, made so that when illuminated, the rays are directed at a spherical mirror along the normals to its surface, the spherical mirror is located so that the rays coming from it along the normals and passing through the shell focus are located on the surface of a plane mirror at the point of intersection with the optical axis.

2. A multi-beam interferometer for measuring the parameters of a spherical shell according to claim 1, characterized in that the lighting system is connected to the optical unit through an optical fiber fiber, and a flat mirror is made at the output end of the fiber.