ИНФРАКРАСНЫЙ ИНТЕРФЕРОМЕТР

Предложенная 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.
2
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. Наиболее часто в ИК-оптических системах используются спектральные диапазоны 3-5 мкм и 7-14 мкм. В качестве источников света в инфракрасных интерферометрах используются лазеры на СО (λ=10,6 мкм), HeNe (λ=3,39 мкм), HF (λ=3,8 мкм) и др.
Контроль современных длиннофокусных ИК-оптических систем требует использования малогабаритных ИК-интерферометров, которые могут работать в широком диапазоне фокусных расстояний контролируемых систем. Малогабаритный ИК-интерферометр требуется для обеспечения возможности юстировки интерферометра относительно длиннофокусной оптической системы с высокой точностью (единицы мкм). Задача обеспечения контроля длиннофокусных оптических систем решается двумя способами. Одним решением является использование конструктивно простых неравноплечих схем интерферометров с лазерами, имеющими большую длину когерентности, позволяющими получать высококонтрастную интерференционную картину при большой разности хода в объектном и опорном плечах интерферометра.
2
Однако, если высококогерентные одночастотные лазеры на λ=10,6 мкм (СО-лазеры) широко доступны, то в спектральном диапазоне 3-5 мкм отсутствие доступных высококогерентных источников излучения требует применения, например, фильтрации частотного состава излучения для получения высокого контраста интерференционной картины в некотором диапазоне дистанций до объекта контроля.
Например, ИК-интерферометр [Applied Optics, 1985, 24, №14, p.2211-2216], включающий мощный газовый многочастотный HF-лазер, спектральный фильтр в виде дифракционной решетки (длина волны λ=3,8 мкм), расширитель, светоделитель в виде плоскопараллельной пластины, эталонное плоское зеркало, проекционную систему и матричный фотоприемник. Используемый в интерферометре лазер является сложным, энергоемким и дорогостоящим устройством, не позволяющим создать достаточно простой и компактный интерферометр.
Другое конструктивное решение основано на использовании схем равноплечих интерферометров (например, сдвига) или схем с применением специальных компенсаторов разности хода в рабочей и опорной ветвях интерферометра. В этом случае высококонтрастная интерференционная картина может быть получена с использованием относительно более дешевых и простых маломощных многомодовых лазеров.
2
Известен выбранный нами в качестве прототипа 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 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).
Выполнение компенсатора разности хода в виде перемещаемого эталонного плоского зеркала имеет несколько недостатков. Во-первых, приводит к большому ходу линейной подвижки, который должен быть равен диапазону дистанций до объекта контроля, в основном определяемому фокусным расстоянием измеряемой оптической
системы. Во-вторых, требует высокой прямолинейности направляющих линейной подвижки, так как наклоны эталонного зеркала приводят к изменению настройки интерферометра. В-третьих, положение юстировочного узла угловых подвижек эталонного плоского зеркала изменяется в пространстве при изменении положения компенсатора разности хода, что является недостатком с точки зрения эргономики.
Техническим эффектом заявляемого устройства является повышение точности измерения волнового фронта ИК-оптических систем, расширение функциональных возможностей прибора за счет увеличения фокусных расстояний контролируемых оптических систем, упрощение конструкции и повышение удобства в работе.
Такой результат достигнут нами, когда в инфракрасном интерферометре, содержащем многомодовый инфракрасный лазер, расширитель пучка, светоделитель, размещенные в опорной ветви компенсатор разности хода с линейной подвижкой и эталонное плоское зеркало с угловыми подвижками, размещенный в рабочей ветви эталонный объектив, проекционную систему и матричный инфракрасный фотоприемник, новым является то, что светоделитель выполнен в виде оптического клина, компенсатор разности хода - в виде уголкового отражателя, при этом эталонное плоское зеркало с угловыми подвижками установлено стационарно.
Все оптические элементы кроме делителя имеют просветляющие покрытия на рабочую длину волны.
На фиг.1 приведена функциональная схема ИК-интерферометра, где многомодовый ИК-лазер 1, поворотные зеркала 2, расширитель 3, светоделитель 4 в виде оптического клина, поворотные зеркала 5, эталонное плоское зеркало 6 с угловыми подвижками, уголковый отражатель 7 компенсатора разности хода с линейной подвижкой, проекционная система 8, эталонный объектив 9, контролируемый объектив 10, автоколлимационное зеркало 11, матричный ИК-фотоприемник 12.
На фиг.2 приведены интерферограммы, илюстрирующие работу заявленного интерферометра. Фиг.2а-2г интерферограммы, иллюстрирующие работу компенсатора разности хода в виде уголкового отражателя при контроле плоского автоколлимационного зеркала, находящегося на различных дистанциях: 2а - с дистанцией до автоколлимационного зеркала 200 мм, 2б - с дистанцией 500 мм, 2в - с дистанцией 1000 мм, 2г - с дистанцией 2000 мм. Фиг.2д - интерферограмма, полученная при контроле ИК-объектива с фокусным расстоянием 250 мм.
Интерферометр работает следующим образом.
Излучение многомодового ИК-лазера 1 разворачивается зеркалами 2, проходит расширитель 3, полученный параллельный пучок отражается от светоделительной поверхности светоделителя 4 в виде оптического клина и системой поворотных зеркал 5 направляется на компенсатор разности хода в виде уголкового отражателя 7, установленного на линейной подвижке. Отраженный пучок от уголкового отражателя 7 падает на эталонное плоское зеркало 6 с угловыми подвижками, в обратном ходе проходит уголковый отражатель 7 компенсатора разности хода, систему зеркал 5, проходит светоделитель 4, проекционную систему 8 и попадает на матричный ИК-фотоприемник 12. Пучок, прошедший светоделитель 4 в виде оптического клина, проходит эталонный объектив 9, контролируемый объектив 10, отражается от авто коллимационного зеркала 11, проходит в обратном ходе контролируемый объектив 10, эталонный объектив 9, отражается от светоделительной поверхности светоделителя 4 в виде оптического клина, проходит проекционную систему 8 и попадает на матричный ИК-фотоприемник 12. В плоскости фото приемника образуется интерференционная картина, вид которой определяется разностью фаз излучения в объектной и опорной ветвях интерферометра. Частоту и наклон полос интерференционной картины можно регулировать наклонами эталонного зеркала 6.
За счет выполнения светоделителя 4 в виде оптического клина паразитный блик от нерабочей (просветленной) поверхности светоделителя не попадает в апертуру проекционной системы 8 и не участвует в образовании интерференционной картины, что повышает точность определения волнового фронта контролируемой оптической ИК-системы.
Диапазон работы компенсатора разности хода в виде уголкового отражателя 7 увеличен вдвое (при той же длине направляющих линейной подвижки) за счет того, что компенсатор разности хода стал двухпроходным. Использование уголкового отражателя 7 позволило значительно удешевить конструкцию за счет снижения требований к прямолинейности направляющих линейной подвижки, так как наклон уголкового отражателя 7 приводит в заявленной конструкции не к наклону отраженного пучка, а только к некоторому параллельному смещению в пределах световой апертуры проекционной системы 8, что не отражается на настройке интерферометра.
При измерениях уголковый отражатель 7 устанавливают на расстоянии до светоделителя 4, равном половине расстояния от светоделителя 4 до автоколлимационного зеркала 11 (с учетом оптического хода в контролируемом объективе 10).
Использование компенсатора разности хода такой конструкции также позволило стационарно расположить плоское эталонное зеркало 6 с угловыми подвижками, что повысило удобство при работе интерферометра.
Пример конкретного исполнения.
По схеме, приведенной на фиг.1, разработан и изготовлен опытный образец ИК-интерферометра на длину волны λ=3.39 мкм (шифр ИКИ 3,5). В качестве источника излучения использован многомодовый гелий-неоновый лазер ГНИК-3-3 мощностью 15 мВт. В качестве фотоприемника использована пироэлектрическая матрица PV-320T формата 320×240 элементов. Светоделитель выполнен в виде оптического клина из ZnSe
с углом при вершине 1,5 угл. град. На одну поверхность клина нанесено 50% многослойное светоделительное покрытие, на другую поверхность нанесено многослойное просветляющее покрытие. Все оптические элементы расширителя 3, эталонного объектива 9 и проекционной системы 8 также выполнены из просветленного ZnSe.
Как видно из приведенных на фиг 2а-2г интерферограммах при различном расстоянии до плоского автоколлимационного зеркала интерферометр с высоким качеством обеспечивает контроль волнового фронта.. При этих измерениях эталонный объектив 9 был снят и контроль происходил в параллельном пучке (без объектива 10). Уголковый отражатель 7 компенсатора разности хода устанавливался на половину дистанции от светоделителя 4 до контролируемого плоского зеркала 11.
Предполагается выпуск малой серии интерферометров для контроля линзовых и зеркально-линзовых оптических систем ИК-диапазона.