CN102749042A - 双三角型多通道中波红外干涉检测装置 - Google Patents

Abstract

一种双三角型多通道中波红外干涉检测装置，包括4.4μm半导体激光器、第一反射镜、第二反射镜、扩束镜、第一分光镜、第二分光镜、离轴抛物面反射镜、光阑、成像透镜、中波红外探测器、第一折转反射镜、毛玻璃屏、第二折转反射镜、对点成像透镜、切换反射镜、参考镜、待测件依次顺序构成，其中第二反射镜、扩束镜、第一分光镜、第二分光镜构成内三角；第一折转反射镜、毛玻璃屏、第二折转反射镜与切换反射镜构成了外三角，故称为“双三角”光路；双三角型多通道中波红外干涉检测装置，对成像透镜进行了消色差的优化设计，只需更换激光器和探测器就可以使该检测装置分别在3.39μm、4.4μm和10.6μm三个波长下正常工作。

Description

双三角型多通道中波红外干涉检测装置

技术领域

本发明涉及一种干涉检测装置，特别是一种工作波长为4.4μm，具有“双三角”光路布局设计，实现对点光路与测试光路共用同一探测器的双三角型多通道中波红外干涉检测装置。

背景技术

中波红外辐射大致与720K黑体辐射相对应，是高温目标发出的典型成分。4.4μm波长的激光可透射中波红外光学材料，故双三角型多通道中波红外干涉检测装置可以用于中波红外光学***透射波像差以及中波红外光学材料的折射率均匀性检测。二元光学元件刻蚀面由于存在微结构，若采用可见光干涉仪检测其面形，二元光学元件刻蚀面产生的衍射光将对干涉产生干扰；而双三角型多通道中波红外干涉检测装置的工作波长远大于二元光学元件的空间周期，其微结构等效于薄膜，衍射光将消失，所以可用其测量二元光学元件刻蚀面面形。

目前国内外已发展了红外干涉检测技术，但针对中波红外波段的干涉检测***，国内研究甚少，还未曾有产品和样机出现。K.N.Prettyjohns，S.Devore,E.Dereniak和James C.Wyant在《Direct phase measurement interferometer working at 3.8μm》（《Applied Optics》,vol.24,No.14,1985）中研制了一种中波红外泰曼格林式干涉仪，用于测量红外元件表面镀制的电介质膜的面形，光源采用波长3.8μm单色光，用Honeywell2793型号IR CCD接收干涉图，分辨率为32*64。Klaus Freischlad,Jasmin C                                               

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在《Infra-red interferometer for optical testing》（SPIE,vol.2860,1996）中研制了一种泰曼-格林型中波红外干涉仪，工作波长3.392μm，激光器工作于多纵模模式，所以相干长度较短。由于以上两种仪器均采用了泰曼格林式，属于非共光路干涉***，会引入较大的***误差。日本Akira Furuya在《Design of Infrared Interferometer》（SPIE,Vol.1320,1990）中研制了斐索型中波红外干涉仪，用于检测中波红外光学材料折射率均匀性、中波红外光学***波前畸变等。该仪器采用3.39μm He-Ne激光器作为光源，光路结构中采用抛物面作为准直镜，折转反射镜遮挡了中央视场的准直光路。袁群，高志山，李建欣等在《斐索式红外干涉仪研制和测试技术研究》（《中国激光》，第38卷，第8期，2011）、《具有对点、测试双探测器的红外干涉检测装置》（发明专利，申请号：201110029807.4）中研制了斐索式红外干涉仪，工作波长为10.6μm，干涉仪中采用两个红外探测器分别形成对点调试和干涉图成像两路成像光路，因而光路结构不够紧凑，成本较高。以上仪器均只能在某一个波长下工作。

发明内容

本发明的目的在于提供一种工作波长为4.4μm，采用“双三角”光路布局设计方案，实现对点光路与测试光路共用同一探测器，主光学***在3.39μm、4.4μm、10.6μm三种波长下通用的双三角型多通道中波红外干涉检测装置。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种双三角型多通道中波红外干涉检测装置，包括4.4μm半导体激光器、第一反射镜、第二反射镜、扩束镜、第一分光镜、第二分光镜、离轴抛物面反射镜、光阑、成像透镜、中波红外探测器、第一折转反射镜、毛玻璃屏、第二折转反射镜、对点成像透镜、切换反射镜、参考镜、待测件依次顺序构成，其特征在于：第二反射镜、扩束镜、第一分光镜、第二分光镜构成内三角；第一折转反射镜、毛玻璃屏、第二折转反射镜与切换反射镜构成了外三角；由4.4μm半导体激光器发出的中波红外激光依次经过第一反射镜和第二反射镜反射，入射至扩束镜，扩束镜将入射平行光会聚，会聚光束经过会聚焦点以后变为发散的球面波，球面波依次经过第一分光镜和第二分光镜反射至离轴抛物面反射镜，该离轴抛物面反射镜的焦点与扩束镜的焦点重合，发散球面波经离轴抛物面反射镜反射后变成准直的平行光束，该平行光束经过标准镜和被测件后返回，再经过离轴抛物面反射镜反射变为会聚的球面波，会聚球面波的一部分经第二分光镜的前表面反射，依次透射经过第一分光镜、光阑和成像透镜，最终被中波红外探测器采集形成测试成像光路；会聚球面波的另一部分经第二分光镜透射，经第一折转反射镜折转光路，透射通过毛玻璃屏衰减部分光强，再经第二折转反射镜和对点成像透镜由切换反射镜入射至成像透镜，最终被同一个中波红外探测器采集形成对点成像光路；上述过程中，由电移台控制移入和移出切换反射镜可以在对点调试光路和干涉图成像光路之间进行转换；标准镜和被测件之间形成干涉腔，标准镜装夹在二维调整架上, 被测件装夹在五维调整架上。

本发明与现有技术相比，其显著优点：（1）采用4.4μm半导体激光器作为光源，采用中波红外探测器作为探测器；（2）采用“双三角”光路布局设计方案，测试光路与对点光路共用同一中波红外探测器；（3）多通道的干涉检测装置，对成像透镜进行了消色差的优化设计，只需更换激光器和探测器就可以使该检测装置分别在3.39μm、4.4μm和10.6μm三个波长下正常工作。

附图说明

图1是根据本发明的双三角型多通道中波红外干涉检测装置原理示意图。

图2是基于本发明的双三角型多通道中波红外干涉检测装置测试二元光学元件刻蚀面面形的原理示意图。

图3是基于本发明的双三角型多通道中波红外干涉检测装置测试中波红外透射***透射波像差质量的原理示意图。

图4是基于本发明的双三角型多通道中波红外干涉检测装置测试中波红外材料的折射率均匀性的原理示意图；其中图4(a)透射测试示意图；图4(b) 是前表面测试示意图；图4(c) 是后表面测试示意图；图4(d)是空腔测试示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

结合图1， 双三角型多通道中波红外干涉检测装置由4.4μm半导体激光器1、第一反射镜2、第二反射镜3、扩束镜4、第一分光镜5、第二分光镜6、离轴抛物面反射镜7、光阑8、成像透镜9、中波红外探测器10、第一折转反射镜11、毛玻璃屏12、第二折转反射镜13、对点成像透镜14、切换反射镜15依次顺序构成。由4.4μm半导体激光器1发出的中波红外4.4μm激光经第一反射镜2和第二反射镜3入射至扩束镜4，扩束镜4将入射的平行光会聚，会聚光束经过会聚焦点后变为发散的球面波。球面波依次经过第一分光镜5和第二分光镜6反射至离轴抛物面反射镜7。离轴抛物面反射镜7的焦点与扩束镜4的焦点重合，发散的球面波经离轴抛物面反射镜7反射后变成准直的平行光束。平行光束经过标准镜16和被测件17返回，再经离轴抛物面反射镜7反射变为会聚的球面波。会聚的球面波一部分经第二分光镜6前表面反射，依次透射经过第一分光镜5、光阑8和成像透镜9，最终被中波红外探测器10采集形成干涉图成像光路，另一部分经第二分光镜6透射后，经第一折转反射镜11折转光路，会聚在表面刻有十字叉丝线的毛玻璃屏12上，十字叉丝线的交点为会聚光焦点的位置，经第二折转反射镜13入射至对点成像透镜14，经过切换反射镜15，由成像透镜9在中波红外探测器10靶面上得到毛玻璃屏12的像。干涉图成像光路中，光阑8置于会聚球面波的焦点位置。切换反射镜可以通过电移台控制移入或移出光路，当其移入光路中时中波红外探测器10采集对点光路成像，移出光路时中波红外探测器10采集干涉图成像。标准镜16和被测件17之间形成干涉腔，标准镜16装夹在二维调整架上, 被测件17装夹在五维调整架上。其中，为适应不同的被测件，标准镜16可以为如图1、图3和图4中所示的标准锗平晶16，也可以为图2所示的标准球面锗透镜19。由第二反射镜3、扩束镜4、第一分光镜5和第二分光镜6构成光路的内三角，主要实现光路扩束准直，完成对点调试光路和干涉图成像光路的分束；由第一折转反射镜11、毛玻璃屏12、第二折转反射镜13和切换反射镜15构成光路的外三角，主要实现对点调试光路和干涉图成像光路的合并，所以该设计光路称为“双三角”光路设计方案，对点调试光路与干涉图成像光路共用一个中波红外探测器10，光路结构紧凑，降低了成本，便于小型化。该***光路中，大部分元件为反射元件，而透射元件使用到的光学材料均为硒化锌或锗红外材料，3.39μm、4.4μm、10.6μm三种波长的光均能透过，对成像透镜9进行消色差的优化设计，并控制畸变，即可使干涉图成像光路在三种波长下均满足成像质量要求。目前，该检测装置使用了工作波长为4.4μm的半导体激光器和中波红外探测器，若更换工作波长为3.39μm、10.6μm的激光器以及对应的探测器，即可在相应波长下正常工作，实现了检测装置的多通道性。

结合图1，双三角型多通道中波红外干涉检测装置还具有以下主要特征：第一折转反射镜11的法线方向与入射激光束主光线的夹角为23°±5°；主光线沿毛玻璃屏12的法线方向入射；第二折转反射镜13的法线方向与入射激光束主光线的夹角为31.46°±5°；主光线沿对点成像透镜14的法线方向入射；切换反射镜15的法线方向与入射激光的夹角为41.46°±2.5°。

结合图1、2，使用双三角型多通道中波红外干涉检测装置检测二元光学元件刻蚀面面形（以非球面为例）。标准球面锗透镜19将双三角型多通道中波红外干涉检测装置主机18出射的准直光转化为标准球面波，并为被测二元光学元件刻蚀面20提供参考球面（参见图1，双三角型多通道中波红外干涉检测装置主机18由图1中所示虚线框内所示的光学元件构成：4.4μm半导体激光器1、第一反射镜2、第二反射镜3、扩束镜4、第一分光镜5、第二分光镜6、离轴抛物面反射镜7、光阑8、成像透镜9、中波红外探测器10、第一折转反射镜11、毛玻璃屏12、第二折转反射镜13、对点成像透镜14和切换反射镜15）。标准球面锗透镜19的参考面与被测二元光学元件刻蚀面20的非球面放置在共焦位置，两者之间形成干涉腔。在装夹调整时，首先将标准球面锗透镜19装夹在二维调整架上，移入切换反射镜15，切换至对点成像状态，在监视器上观察中波红外探测器10上标准球面锗透镜19返回的点像，调整二维调节旋钮，使得点像与十字叉丝基本重合，移出切换反射镜15，切换至干涉图成像状态，再根据监视器上中波红外探测器10采集的标准球面锗透镜19返回的背景图案，微量调整二维调节旋钮，使得背景图案边缘清晰且亮度均匀；然后将被测二元光学元件刻蚀面20装夹在五维调整架上，根据标准球面锗透镜19和被测二元光学元件刻蚀面20的结构参数，将被测二元光学元件刻蚀面20调整到与标准球面锗透镜19接近共焦状态，切换至对点成像状态，此时可在监视器上观测到中波红外探测器10上被测二元光学元件刻蚀面20返回的点像，调节五维调整架的调节旋钮，使得被测二元光学元件刻蚀面20返回的点像与标准球面锗透镜19返回的点像重合，切换至干涉图成像状态，此时可在监视器上观察到中波红外探测器10采集的干涉图，微量调整五维调整架的调节旋钮，直到监视器上显示对比度较好边缘清晰地1~2根干涉条纹。采用移相干涉测试软件，可计算出被测二元光学元件刻蚀面20与最佳拟合球面的面形偏差值。

结合图1、3，使用双三角型多通道中波红外干涉检测装置检测中波红外透射***的透射波像差的质量。双三角型多通道中波红外干涉检测装置主机18出射的准直光束经被测中波红外透射***21会聚，参考球面22与被测中波红外透射***21共焦，标准锗平晶16与参考球面22形成干涉腔。中波红外透射***21透射波像差质量的测试调整方法与图2所述方法相同。依照此原理装置可以检测中波红外透射***的波像差的质量。其中，中波红外透射***可以由多种方式构成，例如多片透射元件、多片反射元件、折衍混合***等。

结合图1、4，使用双三角型多通道中波红外干涉检测装置检测中波红外光学材料的折射率均匀性。使用该检测装置测量中波红外光学材料折射率均匀性分为四步完成：第一步，双三角型多通道中波红外干涉检测装置主机18出射的准直光束入射透过待测样品23，经反射平面24反射，与由标准锗平晶16后表面返回的光发生干涉，测得波面

；第二步，双三角型多通道中波红外干涉检测装置主机18出射的准直光束入射，由待测样品23前表面反射回的光束与标准锗平晶16后表面返回的光束发生干涉，测得波面 

；第三步，双三角型多通道中波红外干涉检测装置主机18出射的准直光束入射，由待测样品23后表面反射回的光束与标准锗平晶16后表面返回的光束发生干涉，测得

；第四步，移去待测样品，双三角型多通道中波红外干涉检测装置主机18出射的准直光束入射，由标准锗平晶16后表面返回的光束与反射平面24反射回的光束发生干涉，测得；干涉测试软件对数据进行分析与处理，可以计算得到待测样品的折射率均匀性。

Claims (10)

1.一种双三角型多通道中波红外干涉检测装置，包括4.4μm半导体激光器[1]、第一反射镜[2]、第二反射镜[3]、扩束镜[4]、第一分光镜[5]、第二分光镜[6]、离轴抛物面反射镜[7]、光阑[8]、成像透镜[9]、中波红外探测器[10]、第一折转反射镜[11]、毛玻璃屏[12]、第二折转反射镜[13]、对点成像透镜[14]、切换反射镜[15]、参考镜[16]、待测件[17]依次顺序构成，其特征在于：第二反射镜[3]、扩束镜[4]、第一分光镜[5]、第二分光镜[6]构成内三角；第一折转反射镜[11]、毛玻璃屏[12]、第二折转反射镜[13]与切换反射镜[15]构成了外三角；由4.4μm半导体激光器 [1]发出的中波红外激光依次经过第一反射镜[2]和第二反射镜[3]反射，入射至扩束镜[4]，扩束镜[4]将入射平行光会聚，会聚光束经过会聚焦点以后变为发散的球面波，球面波依次经过第一分光镜[5]和第二分光镜[6]反射至离轴抛物面反射镜[7]，该离轴抛物面反射镜[7]的焦点与扩束镜[4]的焦点重合，发散球面波经离轴抛物面反射镜[7]反射后变成准直的平行光束，该平行光束经过标准镜[16]和被测件[17]后返回，再经过离轴抛物面反射镜[7]反射变为会聚的球面波，会聚球面波的一部分经第二分光镜[6]的前表面反射，依次透射经过第一分光镜[5]、光阑[8]和成像透镜[9]，最终被中波红外探测器[10]采集形成测试成像光路；会聚球面波的另一部分经第二分光镜[6]透射，经第一折转反射镜[11]折转光路，透射通过毛玻璃屏[12]衰减部分光强，再经第二折转反射镜[13]和对点成像透镜[14]由切换反射镜[15]入射至成像透镜[9]，最终被同一个中波红外探测器[10]采集形成对点成像光路；上述过程中，由电移台控制移入和移出切换反射镜[15]可以在对点调试光路和干涉图成像光路之间进行转换；标准镜[16]和被测件[17]之间形成干涉腔，标准镜[16]装夹在二维调整架上, 被测件[17]装夹在五维调整架上。

2.根据权利要求1所述的双三角型多通道中波红外干涉检测装置，其特征在于：第一折转反射镜[11]的法线方向与入射激光束主光线的夹角为23°±5°。

3.根据权利要求1所述的双三角型多通道中波红外干涉检测装置，其特征在于：主光线沿毛玻璃屏[12]的法线方向入射。

4.根据权利要求1所述的双三角型多通道中波红外干涉检测装置，其特征在于：第二折转反射镜[13]的法线方向与入射激光束主光线的夹角为31.46°±5°。

5.根据权利要求1所述的双三角型多通道中波红外干涉检测装置，其特征在于：主光线沿对点成像透镜[14]的法线方向入射。

6.根据权利要求1所述的双三角型多通道中波红外干涉检测装置，其特征在于：切换反射镜[15]的法线方向与入射激光的夹角为41.46°±2.5°。

7.根据权利要求1所述的双三角型多通道中波红外干涉检测装置，其特征在于：对成像透镜进行了消色差的优化设计，更换出射激光波长为3.39μm、10.6μm的激光器与相应可探测以上波长的探测器，仪器仍然能够正常工作。

8.根据权利要求1所述的双三角型多通道中波红外干涉检测装置，其特征在于：光阑[8]位于会聚球面波的焦点位置。

9.根据权利要求1所述的双三角型多通道中波红外干涉检测装置，其特征在于：扩束镜[4]的焦点与离轴抛物面反射镜[7]的焦点重合。

10.根据权利要求1所述的双三角型多通道中波红外干涉检测装置，其特征在于：毛玻璃屏 [12]上十字叉丝的交点与入射会聚光焦点重合。

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