FI102011B - Interferometri - Google Patents

Description

I NT ERF EROMETRI - INTERFEROMETER 10201 1

Keksinnön kohteena on parannettu Michelson-tyyppinen interferometri, jonka tunnusmerkit ilmenevät patenttivaatimuksesta 1.

Tekniikan tasoa ja keksinnön mukaisen interferometrin 5 rakennetta esitetään tarkemmin seuraavilla kuvioilla, joissa

Kuvio 1 esittää tekniikan tasona klassisen Michelson-interferometrin rakennetta 10 Kuvio 2 esittää tekniikan tasona Perkin-Elmerin System 2000 Dynascan™ -interferometrin rakennetta

Kuvio 3 esittävää tekniikan tasona parannettua keinuinterferometrin rakennetta

Kuvio 4 esittää keksinnön mukaisen interferometrin 15 rakennetta erään suoritusmuodon mukaan

Kuvio 5 esittää kuvion 4 interferometrin läpileikkausta pystytasossa .. Kuvio 6 esittää akselin yksityiskohtaa

Kuviot 7-12 esittävät keksinnön mukaisen interferometrin 20 variantteja yksinkertaisin interferometri on Michelsonin tasopeili-; interferometri, joka on kaaviomaisesti esitetty kuviossa 1.

Tämän interferometrin pääkomponentit ovat säteenjakaja, kiinteä peili ja liikuteltava peili. Valokimppu kohtaa 25 säteenjakajan, jolloin osa menee läpi, heijastuu kiinteästä peilistä takaisin säteenjakajalle ja sieltä vastaanottimelle, joka esimerkiksi voi olla valokenno tai ihmisen silmä. Osa valokimpusta heijastuu säteenjakajalta 2 102011 liikuteltavaan peiliin, josta se heijastuu takaisin säteenjakajalle ja edelleen vastaanottimeen.

Vastaanottimeen kiinteästä ja liikuteltavasta peilistä tulevat säteet interferoivat. Jos molempien peilien 5 etäisyys säteenjakajaan on täsmälleen sama, silloin mainitut etäisyydet sisältävät saman määrän aaltoja käytetystä valosta. Jos liikuteltava peili siirretään lähemmäksi säteenjakajaa tai kauemmaksi siitä nuolen osoittamalla tavalla vastaanotin voi rekisteröidä 10 interferenssimaksimeja, joiden etäisyys on aallonpituuden puolikas.

Interferometriä käytetään mm. etäisyyksien määrittämiseksi erittäin suurella tarkkuudella, erilaisten pintojen epätasaisuuksien kartoittamiseksi sekä elektromagneettisten 15 säteiden aallonpituuden tai aallonpituuksien (spektrien) määrittämiseksi.

Interferometrien laajin käyttöalue on spektrometria. Tässä sovelluksessa on tärkeää, että liikuteltavaa peiliä pystytään liikuttamaan suurella tarkkuudella kallistamatta 20 peiliä. Suurimman sallitun kallistuskulman β on noudatettava yhtälöä β < /8D, jossa D on peilin halkaisija ja A. on aallonpituus. Ongelma on yritetty ratkaista esim. käyttämällä liikkuvana ja kiinteänä peilinä kuutionurkkapeilejä. Toinen mahdollisuus on käyttää ns.

25 dynamic alignment -systeemiä, jossa koko ajan säädetään joko liikkuvaa tai kiinteää peiliä niin, että interferometri pysyy säädössään. Kuutionurkkapeilien käytöstä aiheutuu taas uusi ongelma, eli niiden sivuttaisliike. Lisäksi kuutionurkkapeilit ovat kalliita ja 30 varsinkin UV-alueella on niiden tarkkuus riittämätön. Dynamic alignment -systeemi on taas hyvin häiriöherkkä mekaanisille tärinöille. Lisäksi mekaanisesti suoraviivainen liikerata on hyvin herkkä ulkoisille häiriöille, joissa yleensä löytyy liikkeen suuntaisia 3 5 komponentte j a.

3 102011

Perkin-Elmerin System 2000 Dynascan™ laite, jonka rakenne on esitetty kuviossa 2, edustaa klassillisen Michelson-interferometrin parannusta. Säteenjakaja ja sädekimput palauttavat peilit PP1 ja PP2 on sovitettu liikkumattomasti 5 toisiinsa nähden. Säteenjakajalta lähteneiden sädekimppujen optinen matkaero aikaansaadaan kahden peiliparin HP ja HP' avulla siten, että mainitut peiliparit on sovitettu kiinteään alustaan, joka on käännettävissä + merkityn akselin ympärille nuolen osoittamalla tavalla. Tämän ns.

10 keinuinterferometrin etu on siinä, että ei ole tarvetta suoraviivaisesti liikuttaa itse peilejä suhteessa alustaan. Ongelmana tällä laitteella on kuitenkin sen monimutkainen rakenne ja etenkin sen suuri koko, mikä taas rajoittaa sen käyttöä spektrometreissä.

15 US-patentissa 4,915,502 on kuvattu parannettu keinuinterferometri, jonka periaate on esitetty kuviossa 3. Tämä interferometri eroaa periaatteessa edellä kuvatusta Perkin-Elmerin System 2000 Dynascan™ laitteesta siinä, että molemmat säteenjakajalta lähteneet sädekimput SI ja S2 20 kulkevat yhden ja saman peiliparin HP läpi. Laitteen koko tulee näin ollen olemaan pienempi kuin mainitussa Perkin-Elmer -ratkaisussa. Tässä ratkaisussa voidaan optista matkaeroa kasvattaa pidentämällä peiliparin "käytävää", jolloin kummankin sädekimpun annetaan kulkea useamman 25 kerran peiliparin HP välillä.

Joskin US-patentissa 4,915,502 kuvattu ratkaisu edustaa parannusta aikaisemmin tunnettuihin keinuinterferometreihin nähden on tällä laitteella edelleen selviä epäkohtia.

Suurin syy interferometrien epätarkkuuteen on siinä, että • '· 30 pohjalaatta paine- ja lämpötilavaihteluista johtuen deformoituu siten, että sen toinen reuna venyy tai kutistuu enemmän kuin toinen tai että laattaan kohdistuu torsiovoimia, jolloin laatan vastakkaiset kulmat kääntyvät vastakkaisiin suuntiin. Mainitun US-patentin ratkaisussa . 35 säteenjakaja ja sädekimput palauttava peilijärjestely (joka koostuu kahdesta erillisestä tasopeilistä PP1 ja PP2), 4 102011 jotka molemmat ovat tuettuja pohjalaattaan, sijaitsevat etäällä toisistaan. Tästä syystä pienetkin pohjalaattaan vaikuttavat voimat aiheuttavat tuntuvia mittaushäiriöitä.

Tämän keksinnön tarkoituksena on poistaa edellä esitetty 5 ongelma ja aikaansaada parannettu keinuinterferometri, joka on rakenteeltaan kompakti, stabiili ja jonka mittaustarkkuus on riippumaton pohjalaatan mahdollisista muutoksista esimerkiksi lämpötilan vaikutuksesta.

Keksinnön mukaisen interferometrin tunnusmerkit ilmenevät 10 patenttivaatimuksesta 1.

Kuvion 4 esittämä keksinnön mukainen interferometri käsittää säteenjakajan 10, joka jakaa sädelähteestä tulleen sädekimpun kahteen erilliseen sädekimppuun, eli SI, joka on mennyt säteenjakajan läpi ja S2, joka on heijastunut 15 säteenjakajasta. Laite käsittää lisäksi yhden tasopeilin 11 sädekimppujen SI, S2 palauttamista varten, sekä kahdesta tasopeilistä koostuvan peiliparin 12, 13 sädekimppujen SI, S2 heijastamiseksi. Laite käsittää edelleen toisen peiliparin, joka koostuu kulmaan järjestetyistä 20 tasopeileistä 14' ja 14''. Peiliparit 12, 13 ja 14', 14'' on sovitettu jäykkään rakenteeseen 15, joka on järjestetty kääntyväksi akselin A ympäri. Säteenjakaja on kiinnitetty pohjalevyyn tuettuun kappaleeseen 20, jonka läpi akseli A kulkee. Akseli A voi tarkoittaa joko fyysistä kappaletta 25 tai sen jatketta. Rakenne näkyy selvemmin kuviosta 5. Kuviosta 5 puuttuvat peiliparit 12, 13 ja 14', 14''.

. Sädekimput SI ja S2 kulkevat peiliparien 12, 13 ja 14', 14'' kautta viivan osoittamalla tavalla palauttavaan peiliin, josta sädekimput heijastuvat takaisin 30 säteenjakajalle samaa reittiä pitkin. Koska palauttava peili 11 sijaitsee säteenjakajän läheisyydessä on mahdollista kiinnittää myös palauttava peili 11 kappaleeseen 20. Tämä ratkaisu antaa mahdollisuuden saada suuren optisen matkaeron ja samalla erittäin stabiilin 5 102011 rakenteen, jossa pohjalevyn mahdolliset muodonmuutokset eivät millään tavoin voi vaikuttaa sädekimppujen kulkuun säteenjakajasta palauttavaan peiliin ja sieltä takaisin säteenjakajalle. Laitteeseen voidaan haluttaessa myös 5 liittää kääntömekanismi kääntöliikkeen aikaansaamiseksi, mutta vaihtoehtoisesti peiliparien muodostama rakenne voidaan kääntää käsin.

Optisen matkaeron muuttuminen tapahtuu pyörittämällä peiliparien 12, 13 ja 14', 14'' karusellia 15 akselin A 10 ympäri. Tällöin toisen sädekimpun SI optinen matka kasvaa ja toisen sädekimpun S2 optinen matka lyhenee.

Kuviosta 5 nähdään, että säteenjakaja 10 on kiinnitetty kappaleeseen 20, joka puolestaan on tuettu interferometrin pöhjalaattaan 30. Palauttava peili 11 on myös kiinnitetty 15 kappaleeseen 20. Jäykkä rakenne 15 on karuselli, johon peiliparit 12, 13 ja 14', 14'' (eivät näy kuviossa) on kiinnitetty. Karusellin pyörimisakseli A läpäisee kappaleen 20. Pohjalaatan mahdollinen deformaatio ei voi näin ollen vaikuttaa laitteen toimintaan. Tämän ratkaisun mukaan ei 20 välttämättä tarvitakaan erillistä pohjalaattaa interferometriä varten, vaan interferometri voi olla suoraan kiinnitetty laajemman instrumenttikokonaisuuden kuten esimerkiksi spektrometrin pöhjalaattaan.

Kuvio 6 esittää akselin yksityiskohtaa.

25 Kuviot 7 ja 8 esittävät kuvion 4 variantteja.

Kuviossa 9 on esitetty keksinnön toinen suoritusmuoto.

. Tässä on yksi ainoa pyörivä peilipari 12, 13. Palauttava peili 11 sijaitsee säteenjakajan 10 vastakkaisella puolella peilien 12 ja 13 sijaintiin nähden. Tässäkin ratkaisussa 30 palauttava peili 11 voi olla kiinnitetty samaan kappaleeseen 20 kuin säteenjakaja 10.

Kuvion 10 esittämässä rakenteessa peilipariin 12, 13 on liitetty peili 14 siten, että peilit 12, 13, 14 muodostavat 102011 β yhtenäisen pyörivän rakenteen, jossa peilien väliset kulmat ovat 90 astetta. Palauttava peili on kaksi tasopeiliä 11', 11'', joiden heijastavat pinnat muodostavat 270 asteen kulman keskenään. Tässäkin ratkaisussa palauttava 5 peilikokonaisuus 11', 11'' voi olla kiinnitetty samaan kappaleeseen 20 kuin säteenjakaja 10.

Kuviot 11 ja 12 esittävät vielä toista suoritusmuotoa. Kuvion 11 ratkaisussa palauttava peili 11 sijaitsee peilien 12, 13 muodostaman käytävän toisessa päässä 10 suhteessa säteenjakajaan 10, joten tässä ratkaisussa säteenjakaja 10 ja palauttava peili 11 eivät voi olla kiinnitettyinä samaan kappaleeseen 20. On kuitenkin aikaansaatu kompaktinen rakenne, koska pyörivät tasopeilit 12, 13 eivät ole samansuuntaisia. Kuvion 12 ratkaisussa 15 laite käsittää vielä toisen peiliparin 14', 14'' optisen matkaeron pidentämiseksi. Tasopeilit 12, 13, 14' ja 14'' ovat kaikki yhteydessä samaan jäykkään rakenteeseen 15.

Edellä esitettyjen kuvien 4-12 esimerkeissä on yhteistä se, että on aikaansaatu huomattavasti kompaktisempi ja 20 stabiilimpi laiterakenne suhteessa tiettyyn optiseen matkaeroon kuin aikaisemmin tunnetuissa keinuinterferometreissä.

Interferometriin voidaan tietenkin lisäksi liittää 25 tarvittavia lisäkomponentteja kuten valolähde ja vastaanotin.

Käytetty säde voi olla mikä tahansa elektromagneettinen säde mikroaalloista UV-aaltoihin.

Alan ammattimiehelle on selvää, että keksinnön erilaiset 30 sovellutusmuodot voivat vaihdella jäljempänä esitettävien patenttivaatimusten puitteissa.

Claims (9)

1. Interferometri, joka käsittää säteenjakajan (10), peilin (11) sädekimppujen (SI, S2) palauttamista varten, ainakin yhden, kahdesta tasopeilistä koostuvan peiliparin (12, 13) sädekimppujen (SI, S2) heijastamiseksi, jolloin peilipari 5 (12, 13) on sovitettu jäykkään rakenteeseen (15), joka on järjestetty kääntyväksi akselin (A) ympäri, tunnettu siitä, että säteenjakaja (10) on kiinnitetty pöhjalaattaan tuettuun kappaleeseen (20) ja että akseli (A) kulkee kappaleen (20) läpi.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen interferometri tunnettu siitä, että sädekimput palauttava peili (11) on kiinnitetty kappaleeseen (20).

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen interferometri tunnettu siitä, että sädekimput palauttava peili (11) on 15 yhtenäinen tasopeili.

4. Patenttivaatimuksen 1, 2 tai 3 mukainen interferometri tunnettu siitä, että se käsittää vielä toisen, jäykkään rakenteeseen (15) kiinnitetyn peilin (14 tai 14', 14''), joka on joko yksi ainoa tasopeili (14) tai joka käsittää 20 kaksi tasopeiliä (14', 14''), jotka muodostavat keskenään kulman.

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen interferometri tunnettu siitä, että tasopeilit (14', 14'') muodostavat yhtenäisen kappaleen.

6. Patenttivaatimuksen 4 mukainen interferometri tunnettu siitä, että ensimmäinen peilipari (12, 13) muodostaa yhtenäisen kappaleen toisen peilin (14) tai peiliparin (14', 14 ' ' ) kanssa.

7. Patenttivaatimuksen 1 mukainen interferometri, jossa 30 sädekimput palauttava peili (11) ja säteenjakaja (10) 8 102011 sijaitsevat peiliparin (12, 13) muodostaman käytävän eri päissä ja ovat erikseen tuettuja pöhjalaattaan tunnettu siitä, että peiliparin peilit (12 ja 13) muodostavat kulman keskenään ja sädekimput palauttava peili (11) on yhtenäinen 5 tasopeili.

7 102011

8· Patenttivaatimuksen 7 mukainen interferometri tunnettu siitä, että se käsittää vielä toisen, jäykkään rakenteeseen (15) kiinnitetyn peiliparin (14', 14'').

9. Jonkin edellisistä patenttivaatimuksista mukainen 10 interferometri tunnettu siitä, että interferometri lisäksi käsittää yhden tai useamman seuraavista komponenteista: kääntömekanismi peiliparin (12, 13) muodostaman rakenteen (15) kääntymisen aikaansaamiseksi, valolähde ja vastaanotin. 9 102011