ИНФРАКРАСНЫЙ ИНТЕРФЕРОМЕТР

Полезная модель относится к области измерительной техники, к измерительным устройствам, характеризующимся оптическими средствами измерений, и может быть использована для определения формы волнового фронта инфракрасных (ИК) оптических систем.
Применение интерференционных методов контроля позволяет существенно ускорить процесс создания линзовых и зеркально-линзовых оптических систем. Для оптических систем ИК диапазона необходимо осуществлять интерференционный контроль на длине волны излучения, лежащей в рабочем спектральном диапазоне.
Контроль современных длиннофокусных ИК оптических систем требует использования малогабаритных ИК интерферометров, которые могут работать в широком диапазоне фокусных расстояний контролируемых систем.
2
Известен интерферометр IR-80 фирмы Kern [Описание интерферометра IR-80, фирма Kern, Швейцария]. Он включает гелий-неоновый лазер на длину волны λ=3,39 мкм, сменные лазеры (гелий-неоновый на длину волны λ=0,63 мкм и СО - лазер на длину волны λ=10,6 мкм), расширитель, светоделитель в виде плоскопараллельной пластины, расположенные в опорной ветви компенсатор разности хода с линейной подвижкой и плоское эталонное зеркало с угловыми подвижками, установленный в рабочей ветви эталонный объектив, проекционную систему и многоэлементный инфракрасный фотоприемник.
Интерферометр работает следующим образом. Пучок излучения многомодового гелий-неонового лазера (λ=3,39 мкм) преобразуется расширителем в параллельный пучок необходимого диаметра (80 мм). Параллельный пучок отражается от светоделительного покрытия плоскопараллельной светоделительной пластины и попадает на эталонное плоское зеркало. Эталонное зеркало имеет угловые подвижки для настройки частоты интерференционной картины и линейную подвижку вдоль оптической оси для компенсации разности оптического хода в опорной и рабочей ветвях интерферометра. Лучи, отраженные от эталонного зеркала, проходят светоделительную пластину, проекционную систему и попадают на матричный инфракрасный фотоприемник.
В рабочей ветви пучок проходит светоделитель, эталонный объектив, отражается от объекта контроля (сферического зеркала или комбинации объектив - автоколлимационное зеркало), проходит в обратном ходе эталонный объектив, отражается от светоделительного покрытия плоскопараллельной светоделительной пластины, проходит проекционную систему и попадает на многоэлементный инфракрасный фотоприемник. В плоскости фотоприемника локализуется интерференционная картина, вид которой определяется разностью фаз излучения в объектной и опорной ветвях интерферометра.
Интерферометр работает в амплитудном режиме, настройка на необходимое для расшифровки число интерференционных полос производится смещением интерферометра относительно автоколлимационной точки контролируемого объекта.
Интерферометр имеет дополнительную погрешность от влияния паразитной интерференционной картины, образующейся в плоскопараллельной светоделительной пластине, контраст которой зависит от качества просветляющего покрытия пластины (качество просветляющих покрытий в инфракрасном диапазоне на порядок хуже, чем в видимом диапазоне спектра, что затрудняет борьбу с паразитной интерференцией).
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому ИК интерферометру является ИК-интерферометр [см. Пат. РФ №69982, МПК G01B 9/02, приор. 25.07.2007 г.], выбранный нами в качестве прототипа.
Интерферометр включает многомодовый ИК лазер, расширитель, светоделитель в виде оптического клина, размещенные в опорной ветви компенсатор разности хода с линейной подвижкой и отражателем, и эталонное плоское зеркало с угловыми подвижками, размещенный в рабочей ветви эталонный объектив, проекционную систему и матричный ИК-фотоприемник, соединенный с ЭВМ.
Интерферометр работает следующим образом.
Излучение многомодового ИК лазера проходит расширитель, полученный параллельный пучок отражается от светоделительной поверхности светоделителя в виде оптического клина и направляется по ходу луча на компенсатор разности хода, снабженный линейной направляющей, кареткой и отражателем, и эталонное плоское зеркало с угловыми подвижками. Отраженный от эталонного плоского зеркала с угловыми подвижками пучок в обратном ходе проходит отражатель, светоделитель, проекционную систему и попадает на матричный ИК фотоприемник. Прошедший светоделитель в виде оптического клина пучок проходит эталонный объектив, отражается от объекта контроля (сферическое зеркало или комбинации объектив - автоколлимационное зеркало), проходит в обратном ходе эталонный объектив, отражается от светоделительной поверхности светоделителя в виде оптического клина, проходит проекционную систему и попадает на матричный ИК фотоприемник. В плоскости фотоприемника образуется интерференционная картина, вид которой определяется разностью фаз излучения в объектной и опорной ветвях интерферометра.
Вследствие применения светоделителя в виде оптического клина паразитный блик от нерабочей (просветленной) поверхности светоделителя не попадает в апертуру проекционной системы и не участвует в образовании интерференционной картины, что повышает точность определения волнового фронта контролируемой оптической ИК системы.
Интерферометр работает в амплитудном режиме, настройка на необходимое для расшифровки число интерференционных полос производится смещением интерферометра относительно автоколлимационной точки контролируемого объекта.
Интерференционная картина в виде изображения вводится в ЭВМ для расчета параметров волнового фронта.
Существенным недостатком является то, что в интерферометре, работающем в амплитудном режиме (настройка интерференционной картины на конечное число полос, обычно 15-20), возникает дополнительная погрешность, увеличивающаяся при увеличении апертуры контролируемой оптической системы. Это связано с тем, что при традиционной настройке амплитудного интерферометра на полосы путем поперечного сдвига интерферометра, эталонный объектив работает полевой точкой, причем полевой угол достигает 0,5 угл. град, в дальнем ИК диапазоне спектра (при настройке на 30 полос). Высокоапертурный безаберрационный эталонный объектив с такими полевыми углами изготовить чрезвычайно сложно из-за ограниченного выбора ИК материалов и большого количества элементов. Следует отметить, что все оптические системы для средней и дальней ИК области спектра являются высокоапертурными, поэтому решение этой проблемы является актуальным.
Техническим эффектом заявляемого устройства является расширение функциональных возможностей интерферометра путем обеспечения работы в двух режимах: фазовом и амплитудном, - при повышении точности измерения волнового фронта ИК оптических систем в амплитудном режиме.
Такой технический результат достигнут нами, когда в инфракрасном интерферометре, включающем ИК-лазер, размещенные по ходу луча расширитель, светоделитель в виде оптического клина, в опорной ветви: компенсатор разности хода с линейной направляющей, кареткой и эталонным плоским зеркалом с двухкоординатной угловой подвижкой, - в рабочей ветви - эталонный объектив, проекционную систему и матричный ИК фотоприемник, подключенный к ЭВМ, новым является то, что эталонное плоское зеркало установлено с возможностью линейного осевого и углового перемещения на пьезоприводе, подключенном к блоку управления, связанному с ЭВМ, при этом эталонное плоское зеркало с помощью двухкоординатной угловой подвижки установлено перпендикулярно оптической оси.
Пьезоприводы, реализующие линейное и угловое перемещение известны. Это может быть комбинация приводов, например, линейный привод, как более высокочастотный, может быть установлен на угловом приводе. Может использоваться дифференциальный привод, который при синфазном включении дает линейное перемещение, а при парафазном - угловое. Выбор привода определяется экономическими соображениями и требованиями по диапазону угловых и линейных перемещений, который зависит от рабочей длины волны и светового диаметра прибора.
На Фиг. приведена функциональная схема ИК интерферометра, где ИК лазер 1, расширитель 2, светоделитель 3 в виде оптического клина, поворотные зеркала 4, компенсатор разности хода с направляющей 5, кареткой 6 и эталонным плоским зеркалом 7, ортогональная двухкоординатная угловая подвижка 8, угловой пьезопривод 9, линейный пьезопривод 10, проекционная система 11, матричный ИК фотоприемник 12, эталонный объектив 13, контролируемый объектив 14, автоколлимационное зеркало 15, блок 16 управления пьезоприводом, ЭВМ 17.
Предлагаемый ИК-интерферометр работает следующим образом. При первоначальной настройке при помощи ортогональной подвижки 8 эталонное плоское зеркало 7 устанавливают перпендикулярно оптической оси так, что «бесконечная полоса» интерферограммы соответствует центру поля эталонного объектива 13.
Способы юстировки известны. Обычно при снятом эталонном объективе 13 в рабочее плечо устанавливают уголковый ретроотражатель (на Фигуре не показан, используется только при заводской юстировке прибора), и двухкоординатной угловой подвижкой 8 добиваются на приемнике 12 «бесконечной полосы».
Затем к посадочному фланцу эталонного объектива 13, который с высокой степенью точности перпендикулярен оптической оси объектива, прижимают плоское автоколлимационное зеркало и котировочными подвижками фланца (на Фигуре не показаны, используются только при заводской юстировке прибора) на приемнике 12 добиваются «бесконечной полосы». Таким образом, эталонное плоское зеркало 7 и фланец эталонного объектива 13 будут установлены перпендикулярно оптической оси интерферометра и «бесконечная полоса» интерферограммы при контроле будет соответствовать центру поля зрения объектива.
При работе в амплитудном режиме поперечным смещением интерферометра настраивают его на «бесконечную полосу», соответствующую центру поля объектива 13. Настройку интерферометра на полосы осуществляют включением по команде от ЭВМ 17 через блок 16 управления пьезоприводом углового пьезопривода 9, осуществляющего угловое перемещение эталонного плоского зеркала на угол, соответствующий 15-20 интерференционным полосам. Таким образом, настройку интерферометра на полосы всегда осуществляют с одним знаком угла, при этом эталонный объектив 13 всегда работает центром поля, что исключает дополнительные ошибки при контроле, связанные с полевыми аберрациями объектива. Затем осуществляют регистрацию интерференционной картины матричным приемником 12 и считывание изображения в память ЭВМ 17 для последующей обработки (определение формы волнового фронта). При отключении углового пьезопривода 9 настройка интерферометра возвращается на «бесконечную полосу».
При настройке интерферометра на «бесконечую полосу» и использовании линейного пьезопривода 10, реализующего шаговое линейное осевое смещение эталонного зеркала 7, интерферометр работает в фазовом режиме с последовательным сдвигом фазы, что значительно повышает точность контроля. Принцип работы фазового интерферометра с последовательным механическим сдвигом фазы известен. При этом ЭВМ 17 по программе выдает на блок 16 управления пьезоприводом последовательные сигналы на осевое перемещение эталонного зеркала 7 и считывание информации с матричного ИК приемника 12 в память ЭВМ 17. Величина осевого шага эталонного зеркала 7 и количество шагов определяются используемым алгоритмом обработки. Алгоритмы работы интерферометра в фазовом режиме с последовательным сдвигом фазы известны.
Необходимо отметить, что в фазовых интерферометрах проблемы полевых аберраций эталонного объектива нет, так как его настройка осуществляется на «бесконечную» полосу, то есть объектив работает центром поля зрения. Однако фазовые ИК интерферометры с механическим последовательным сдвигом фазы на пьезоприводах имеют большое время считывания информации, не позволяющее работать в условиях вибраций.
Амплитудный режим работы интерферометра используют при контроле в условиях воздействия вибрационных помех, когда скорость считывания информации в фазовом режиме с последовательном сдвигом фазы недостаточна.
Фазовый режим используют при высокоточных измерениях формы волнового фронта ИК оптических систем на виброизолированном столе.
Пример конкретного исполнения.
По схеме, приведенной на Фиг, разработан и изготовлен опытный образец ИК интерферометра на длину волны λ=3,39 мкм. В качестве источника 1 излучения использован HeNe лазер типа ГНИК-3-3 производства АО «Плазма», Рязань. В качестве ИК фотоприемника использована охлаждаемая матрица типа ФЭМ-18М-02 формата 640×512 элементов производства АО «Орион», Москва. Светоделитель 3 выполнен в виде оптического клина из кремния с углом при вершине 0,5 угл. град. На одну поверхность клина нанесено 50% многослойное светоделительное покрытие, на другую поверхность нанесено многослойное просветляющее покрытие. Все оптические элементы расширителя 2, эталонного объектива 13 и проекционной системы 11 выполнены из ZnSe.
Для сокращения габаритов в схему введены поворотные зеркала 4.
v
v
В линейном пьезоприводе 10 используется пьезокорректор КП-1 производства ОАО Элпа, Москва, в угловом пьезоприводе 9 используется линейный пьезоактюатор МПМА-1/1000 производства ОАО Элпа, Москва. Преобразование линейного перемещения пьезоактюатора в угловое перемещение эталонного зеркала производится традиционной рычажной конструкцией с замыканием пружиной. Благодаря тому, что пьезоактюатор имеет малый гистерезис, настройка интерферометра на необходимое число полос и возврат к настройке на бесконечно широкую полосу производится без применения дополнительных датчиков угла. При этом эталонный объектив поз. 13 работает всегда центром поля, что исключает дополнительную волновую ошибку, которая, например, если настраивать интерферометр на 30 полос при апертуре эталонного объектива 1:1 и длине волны 3,39 мкм поперечным смещением интерферометра, составила бы P=0,04λ (размах), а при апертуре 1:0,7 - P=0,08λ.
При работе в фазовом режиме использован четырехшаговый алгоритм со сдвигом фазы в опорном плече на 90° в каждом шаге.
Фазу волнового фронта в каждой точке поля определяют по формуле
i
i
i
i
i
0
180
90
270
ϕ=arctg(I-I)/(I-I),
i
где ϕ - фаза волнового фронта в i точке поля, град.;
0
180
90
270
2
i
i
i
i
I, I, I, I - интенсивность в i точке поля при сдвиге фазы в опорном плече на 0, 90, 180, 270 град., вт/м.
Предполагается выпуск малой серии интерферометров для контроля линзовых и зеркально-линзовых оптических систем среднего и дальнего ИК диапазона.