CN102175150A - 具有对点、测试双探测器的红外干涉检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于检测红外透镜非球面面形和透射波像差质量的红外干涉检测装置，采用两个红外焦平面阵列作为红外探测器，提供了对点、测试双探测成像光路；采用五维调整架夹持被测件，五维调整架固定在配备有精密测长装置的导轨的滑块上；实际干涉检测时通过观察对点、测试图像，配合精密测长装置，实时监测被测件的三维空间位置和倾斜、俯仰二维角度，快速便捷地完成标准镜和被测件的装夹调整，解决了红外光不可见性带来的检测过程中装夹调整的困难。

Description

具有对点、测试双探测器的红外干涉检测装置

技术领域

本发明涉及一种干涉检测装置，特别是一种适用于检测红外非球面透镜，具有对点、测试双探测器的红外斐索型干涉检测装置。

背景技术

红外干涉检测技术中采用的CO₂激光光源波长较长，可测量与参考面面形偏差较大的被测件，CO₂激光可以透射红外材料，所以可采用红外干涉检测技术测量红外非球面透镜。

目前国内外已发展了红外干涉检测技术，但现有的红外干涉检测装置还不能快速准确的完成测试过程，其存在的问题主要表现在：没有针对红外光不可见的特点，在测试装夹调整时提出行之有效的方法快速便捷地完成标准镜和被测件的装夹调整。黄深旺在《红外干涉仪调试和测量技术的研究》(《光学精密工程》,第4卷,第2期,1996)中研制了一种斐索型红外平面干涉仪，通过直接观察热释电摄像机采集的干涉图像来辅助调整被测件，由于被测件包含三维位置信息和俯仰、倾斜二维角度信息，只有在准确的方位和角度才能获得干涉图，有微小的偏离也不能获得干涉图，所以采用这种方法调整非常耗时。吴永前在《Far-infrared Fizeau interferometer for large aspheric mirror》(SPIE,V7064,2008)中研制了斐索型红外干涉仪用于检测非球面面形，在实际检测过程中通过调整被测件获得可见光条件下的干涉图，从而获得红外光条件下的干涉图，但该装置测试光路中ZnSe扩束准直镜和参考球面镜都将使得可见光和红外光不共光路，即使获得了可见光条件下的干涉图，也很难同步获得红外光条件下的干涉图，所以此操作的可行性差。贺俊在《移相式泰曼-格林红外干涉仪调整技术》(《红外与激光工程》,第37卷,第3期,2008)中研制了一种泰曼-格林型红外干涉仪，通过在光路中加入一个聚焦透镜的方法用可见光引导辅助调整，采用这种方法使得干涉光路不能被封装，所以这只是一种实验方法不适合于仪器。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够实时监测被测件的XYZ三维空间位置和倾斜、俯仰二维角度，快速准确地将被测件调整到位的红外干涉检测装置，解决了红外光不可见性带来的检测过程中装夹调整的困难。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种具有对点、测试双探测器的红外干涉检测装置，包括CO₂激光器、半导体激光器、第一、二反射镜、扩束镜、小分光镜、大分光镜、离轴抛物面反射镜、小孔光阑、测试成像透镜、测试红外探测器、第一折转反射镜、毛玻璃屏、第二折转反射镜、对点成像透镜、对点红外探测器、二维调整架、五维调整架和配备精密测长装置的导轨，其中小分光镜、大分光镜、小孔光阑、测试成像透镜和测试红外探测器构成测试成像光路，大分光镜、折转反射镜、毛玻璃屏、折转反射镜、对点成像透镜和对点红外探测器构成对点成像光路，即由CO₂激光器发出的红外激光依次经过第一、二反射镜入射至扩束镜，扩束镜将入射的小口径平行光会聚，光束经过会聚焦点以后变为发散的球面波，球面波依次经过小分光镜和大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大分光镜的前表面反射，依次透射经过小分光镜、小孔光阑和成像透镜，最终被测试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大分光镜透射，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入射至成像透镜，最终被对点红外探测器采集形成对点成像光路；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，五维调整架固定在导轨的滑块上。

本发明与现有的技术相比，其显著的优点是：（1）针对红外光的不可见性特点带来的检测过程中装夹调整的困难，采用两个红外焦平面阵列作为红外探测器，提供了对点、测试双探测成像光路。对点成像光路中对点红外探测器可以在较大的视场范围内对标准镜和被测件成点像，从而监测标准镜和被测件的倾斜、俯仰二维信息，实现对标准镜和被测件的粗调定位。测试成像光路中测试红外探测器采集标准镜和被测件干涉形成的干涉图，完成对标准镜和被测件的精调定位。（2）针对红外光的不可见性特点带来的检测过程中装夹调整的困难，采用五维调整架夹持被测件，并将五维调整架安装在导轨的滑块上，导轨配备有精密测长装置。五维调整架可沿导轨轴向移动，保证了被测件与红外干涉检测装置出射的准直光束的共轴性。精密测长装置实时监测被测件的轴向位置信息，可根据被测件的结构参数方便的寻找干涉测试时的猫眼和共焦位置。

下面结合附图，对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1是根据本发明所述红外干涉检测装置原理示意图。

图2是基于本发明中红外干涉检测装置测试非球面面形的原理示意图。

图3是基于本发明中红外干涉检测装置测试红外透镜波像差质量的原理示意图。

具体实施方式

结合图1，本发明具有对点、测试双探测器的红外干涉检测装置，包括CO₂激光器1、半导体激光器2、第一、二反射镜3、4、扩束镜5、小分光镜6、大分光镜7、离轴抛物面反射镜8、小孔光阑9、测试成像透镜10、测试红外探测器11、第一折转反射镜12、毛玻璃屏13、第二折转反射镜14、对点成像透镜15、对点红外探测器16、二维调整架 17、五维调整架 18和配备精密测长装置（如光栅尺、测长干涉仪等）的导轨19，其中小分光镜6、大分光镜7、小孔光阑9、测试成像透镜10和测试红外探测器11构成测试成像光路，大分光镜7、折转反射镜12、毛玻璃屏13、折转反射镜14、对点成像透镜15和对点红外探测器16构成对点成像光路，即由CO₂激光器1发出的红外激光（如10.6μm）依次经过第一、二反射镜3、4入射至扩束镜5，该扩束镜5将入射的小口径平行光会聚，光束经过会聚焦点以后变为发散的球面波。球面波依次经过小分光镜6和大分光镜7反射至离轴抛物面反射镜8，该离轴抛物面反射镜8的焦点与扩束镜5的焦点重合，发散球面波经离轴抛物面反射镜8反射后变成准直的平行光束。平行光束经过标准镜20和被测件21返回，再经离轴抛物面反射镜8反射变为会聚的球面波。会聚球面波的一部分经大分光镜7的前表面反射，依次透射经过小分光镜6、小孔光阑9和测试成像透镜10，最终被测试红外探测器11采集形成测试成像光路，会聚球面波的另一部分经大分光镜7透射，经第一折转反射镜12折转光路，透射通过毛玻璃屏13衰减部分光强，再经折第二转反射镜14入射至成像透镜15，最终被对点红外探测器16采集形成对点成像光路。标准镜20和被测件21之间形成干涉腔，标准镜20装夹在二维调整架17上, 被测件21装夹在五维调整架18上，五维调整架18固定在导轨19的滑块上。红外干涉检测装置的光路调整时，引入半导体激光器2完成可见光辅助调整，即首先调整可见光与红外光共轴了，将纸屏放置在扩束准直光路的出射光路上，调整上各元件方位使得准直光路上不同位置的光斑口径相同，即完成了扩束准直光路的调整；然后在准直光路上放置后向反射元件，使得出射的准直平行光原路返回，在小孔光阑9处放置纸屏观察会聚焦点，并调整小孔光阑9方位使光束透过小孔；接着调整标准镜20的方位，使其返回的会聚焦点与后向反射元件返回的会聚焦点重合；将半导体激光器2从光路中移出，打开CO₂激光器1，即可在测试红外探测器上获得对标准镜20成像的背景图案，微量调整夹持标准镜20的二维调整架17的调节旋钮获得边缘清晰亮度均匀的背景图案，即完成了测试成像光路的调整；调节折转反射镜12、14和对点成像透镜15的方位，即可在对点红外探测器16上获得经标准镜17返回的点像，微量调节毛玻璃屏13的位置，使得对点红外探测器16上的点像亮度适中，将对点红外探测器16上的十字叉丝设置在点像的中心作为对点的基准，即完成了对点成像光路的调整。

本发明具有对点、测试双探测器的红外干涉检测装置的第一反射镜3与入射激光的夹角为45°。第二反射镜4、扩束镜5、小分光镜6、大分光镜7的方位满足发散球面波光轴与水平方向夹角为9.53±5°。离轴抛物面反射镜8的光轴与水平方向夹角为9.53±5°。第一折转反射镜12的方位满足会聚球面波经其折转光路以后光轴变为垂直方向。第二折转反射镜14的方位与球面波光轴方向的夹角为45°。

结合图2，使用本发明红外干涉检测装置检测非球面面形。标准球面锗透镜23将红外干涉检测装置主机22出射的准直光转化为标准球面波，并为测试红外非球面透镜24的非球面面形提供参考球面。标准球面锗透镜23的参考面与被测红外非球面透镜24的非球面放置在共焦位置，两者之间形成干涉腔。非球面面形检测装夹调整时，首先将标准球面锗透镜23装夹在二维调整架20上，在监视器上观察对点红外探测器16上标准球面锗透镜23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，再根据监视器上测试红外探测器11采集的标准球面锗透镜23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；然后将被测红外非球面透镜24装夹在五维调整架18上，根据标准球面锗透镜23的结构参数，在配备有光栅尺的导轨19上调整被测红外非球面透镜24的轴向位置，并调整五维调整架18的倾斜和俯仰调节旋钮，使得红外透镜的非球面放置在猫眼位置；记录下在猫眼位置时光栅尺显示的读数，加上被测非球面的半径即可得到共焦位置的轴向坐标读数，根据光栅尺实时显示的读数，在导轨19上轴向移动被测红外非球面透镜24至共焦位置附近，此时可在监视器上观测到对点红外探测器16上被测红外非球面透镜24返回的点像，调节五维调整架18的XYZ三维平移调整旋钮，使得被测红外非球面透镜24返回的点像与标准球锗面透镜23返回的点像重合，此时可在监视器上观察到测试红外探测器11采集的干涉图，微量调整五维调整架18的俯仰、倾斜调节旋钮，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，可计算出被测红外非球面透镜24的非球面与最佳拟合球面的面形偏差值。

结合图3，使用本发明红外干涉检测装置检测红外透镜透射波像差质量。红外干涉检测装置主机22出射的准直光束经被测红外非球面透镜24会聚，参考球面26与被测红外非球面透镜24共焦，标准锗平晶25与参考球面26形成干涉腔。红外非球面透镜24透射波像差质量的测试调整方法与图2所述方法相同。依照此原理装置不仅可以检测红外非球面透镜24的波像差质量，还可以检测其它红外光学系统的透射波像差质量。

Claims (6)

1.一种具有对点、测试双探测器的红外干涉检测装置，其特征在于包括CO₂激光器[1]、半导体激光器[2]、第一、二反射镜[3、4]、扩束镜[5]、小分光镜[6]、大分光镜[7]、离轴抛物面反射镜[8]、小孔光阑[9]、测试成像透镜[10]、测试红外探测器[11]、第一折转反射镜[12]、毛玻璃屏[13]、第二折转反射镜[14]、对点成像透镜[15]、对点红外探测器[16]、二维调整架 [17]、五维调整架 [18]和配备精密测长装置的导轨[19]，其中小分光镜[6]、大分光镜[7]、小孔光阑[9]、测试成像透镜[10]和测试红外探测器[11]构成测试成像光路，大分光镜[7]、折转反射镜[12]、毛玻璃屏[13]、折转反射镜[14]、对点成像透镜[15]和对点红外探测器[16]构成对点成像光路，即由CO₂激光器 [1]发出的红外激光依次经过第一、二反射镜[3、4]入射至扩束镜[5]，扩束镜[5]将入射的小口径平行光会聚，光束经过会聚焦点以后变为发散的球面波，球面波依次经过小分光镜[6]和大分光镜[7]反射至离轴抛物面反射镜[8]，该离轴抛物面反射镜[8]的焦点与扩束镜[5]的焦点重合，发散球面波经离轴抛物面反射镜[8]反射后变成准直的平行光束，该平行光束经过标准镜[20]和被测件[21]后返回，再经过离轴抛物面反射镜[8]反射变为会聚的球面波，会聚球面波的一部分经大分光镜[7]的前表面反射，依次透射经过小分光镜[6]、小孔光阑[9]和成像透镜[10]，最终被测试红外探测器[11]采集形成测试成像光路；会聚球面波的另一部分经大分光镜[7]透射，经第一折转反射镜[12]折转光路，透射通过毛玻璃屏[13]衰减部分光强，再经第二折转反射镜[14]入射至成像透镜[15]，最终被对点红外探测器[16]采集形成对点成像光路；标准镜[20]和被测件[21]之间形成干涉腔，标准镜[20]装夹在二维调整架[17]上, 被测件[21]装夹在五维调整架[18]上，五维调整架[18]固定在导轨[19]的滑块上。

2.根据权利要求1所述的具有对点、测试双探测器的红外干涉检测装置，其特征在于第一反射镜[3]与入射激光的夹角为45°。

3.根据权利要求1所述的具有对点、测试双探测器的红外干涉检测装置，其特征在于第二反射镜[4]、扩束镜[5]、小分光镜[6]、大分光镜[7]的方位满足发散球面波光轴与水平方向夹角为9.53±5°。

4.根据权利要求1所述的具有对点、测试双探测器的红外干涉检测装置，其特征在于离轴抛物面反射镜[8]的光轴与水平方向夹角为9.53±5°。

5.根据权利要求1所述的具有对点、测试双探测器的红外干涉检测装置，其特征在于第一折转反射镜[12]的方位满足会聚球面波经其折转光路以后光轴变为垂直方向。

6.根据权利要求1所述的具有对点、测试双探测器的红外干涉检测装置，其特征在于第二折转反射镜[14]的方位与球面波光轴方向的夹角为45°。

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