光学 精密工程  2018, Vol.26 Issue (11): 2639-2646   PDF    
半导体双波长透射式红外干涉仪的研制及应用
赵智亮1,2, 陈立华2, 赵子嘉1, 刘杰2, 刘敏1     
1. 成都太科光电技术有限责任公司, 四川 成都 610041;
2. 成都精密光学工程研究中心, 四川 成都 610041
摘要: 采用635 nm波长半导体可见光激光和10.5 μm波长半导体红外激光作为干涉光源,设计了635 nm和10.5 μm双波段共光路透射式红外干涉仪,实现了可见光波段干涉测试与红外光波段干涉测试共光路,且双光路共用可见光对准。双波段共用机械式相移系统,并采用635 nm测试光分段驻点标定10.5 μm测试时相移器的长行程误差。研制的双波长红外干涉仪系统的红外测试精度达到PV优于0.05λ,RMS优于0.02λ,系统重复性RMS优于0.001λ。采用该干涉仪测试口径为400 mm×400 mm,离轴量为800 mm的离轴非球面,得到边缘最大偏差值为21.9 μm,能够实现大口径离轴非球面从粗磨到精磨高精度加工面形的全过程干涉测试。
关键词: 光学检测      干涉测量      半导体双波长      红外干涉仪      离轴非球面     
Fabrication and application of dual-wavelength infrared transmission-type interferometer
ZHAO Zhi-liang1,2 , CHEN Li-hua2 , ZHAO Zi-jia1 , LIU Jie2 , LIU Min1     
1. Chengdu Tyggo Photo-electricity Co. Ltd., Chengdu 610041, China;
2. Chengdu Fine Optics Engineering Research Center, Chengdu 610041, China
*Corresponding author: CHEN Li-hua, E-mail:zzl_caep@163.com
Abstract: A 635 nm and 10.5 μm dual-band coherent optical infrared transmission interferometer was designed. This integrated system employs a visible semiconductor laser at 635 nm and an infrared semiconductor laser at 10.5 μm as the interference light source. Through tests with this integrated system, a common optical path between the interference of the visible light band and the infrared light band could be determined. The common mode of the mechanical phase shift system and the visible light co-alignment were used in the dual-band optical path, and the phase shifter long-stroke error was calibrated at 10.5 μm based on the segment stagnation point of the 635 nm testing light. The accuracy of the developed dual-wavelength infrared interferometer system was measured, where the values of PV, RMS, and RMS repeatability were better than 0.05λ, 0.01λ, and 0.001λ, respectively. The interferometer was used to test an aspherical mirror with off-axis amount of 800 nm and dimensions of 400 mm×400 mm, where the maximum deviation of the measured edge value is 21.9 μm. Furthermore, the interferometer enables high-accurate surface measurements during the entire grinding process of large-aperture off-axis aspheric components.
Key words: optical testing     interferometry     double diode laser wavelength     infrared interferometer     off-axis aspheric surface    
1 引言

近年来,光学测试技术飞速发展,尤其是干涉测试技术,其应用越来越广泛。对于3~50 μm之间的光学元件表面,由于测量范围的限制,利用可见光波段的干涉测试手段难以实现非球面前期加工表面和金属粗糙表面等面形精度的测试。随着红外光学技术的发展,红外干涉测试技术和测试设备越来越多[1-4],并受到国内外研究人员的高度重视。

1980年,美国Vecco公司研制了首台泰曼-格林式数字相移式红外干涉仪[5]。此后,国内外多家研究机构和企业开始对红外干涉测试设备与技术进行研究[6-9]。目前,国内外开展红外干涉测试的研究主要集中在3~5 μm和8~12 μm两个波段,对于8~12 μm波段的红外干涉测试研究均是基于CO2激光输出谱线10.6 μm开展研究,测试光源也是采用CO2气体激光器,激光功率的数量级均在瓦级以上[10]。对于仪器使用的安全性,红外探测器的损伤特性对测试人员存在一定的潜在危险。10.6 μm波段为不可见光,在操作使用过程中会给测试人员带来极大的不便,同时由于采用功率为瓦级的CO2气体激光器,因而操作人员的人身安全将会受到威胁。为了避免上述安全隐患,科研人员展开了一系列研究,并提出泰曼格林式测试系统、反射式非球面斐索系统等[11-12],以解决红外干涉测试中的光路调试与可见光对准问题。目前,仅有测试对准问题得到解决,将可见光波段和红外波段结合并实现从可见到红外范围的测试与共光路对准还未见报道。

本文采用新型半导体光源作为测试光源,基于斐索透射式测试系统实现了可见光波段和红外波段同等测试精度,并解决了其共光路对准问题。采用10.5 μm半导体干涉光源,光源输出功率仅为100 mW左右,解决了红外测试高功率输出的安全性,同时保障了红外探测器功率损伤与过饱和问题。采用635 nm半导体干涉光源,并与10.5 μm波段测试系统共光路设计,同时实现双波长测试精度与测试过程共光路对准调试。采用自研的双波长红外干涉仪测试400 mm×400 mm的离轴非球面,实现从粗磨到高精度非球面边缘最大离轴测试[13]偏差值于20~30 μm的全过程测试。

2 仪器系统设计 2.1 双波长干涉测试光路

双波长红外干涉仪光学系统主要由双波段共光路准直输出模块、双波段共光路干涉测试模块、10.5 μm红外光源与干涉成像模块和635 nm可见光源与干涉成像及对准模块四部分组成。图 1为双波长红外干涉仪系统光路图。

图 1 双波长透射式红外干涉仪系统光路图 Fig.1 Optics system of dual-wavelength IR interferometer

仪器共光路准直输出模块的有效输出口径为80 mm,由标准球面镜头(由球面标准镜L1和双凸球面补偿镜L2组成)或平面标准楔镜、球面准直镜C和45°分光镜BS1组成。光学元件L1,L2,C,BS1和标准平面楔镜均采用宽光谱ZnSe材料,元件外径为86 mm,通光口径为82 mm,有效口径为80 mm。球面标准镜L1输出面和标准平面楔镜输出面镀635 nm和10.5 μm双波长透射膜,透射率T=92%,标准面上剩余反射R=8%,解决了ZnSe材料折射率和自反射率过高而导致与被测元件反射干涉光强不同,使得干涉对比度下降的问题。球面标准镜L1和标准平面楔镜另一面镀635 nm和10.5 μm波长的透射膜,透射率T>99.5%。双凸球面补偿镜L2和球面准直输出镜C双面均镀635 nm和10.5 μm波长的透射膜,透射率T>99.5%。45°分光镜BS1双面镀45°入射10.5 μm波长的透射膜,透射率T>99.5%。前表面利用10.5 μm波长透射膜短波截止实现635 nm波长反射,反射率可达到90%。

10.5 μm红外光源与干涉成像模块由分光棱镜BS2、干涉成像镜头(由L3和L4组合装配而成)、红外探测器D1、扩束聚焦镜BE和10.5 μm红外相干光源S1组成。其中球面元件L3,L4,BE和分光棱镜BS2均采用ZnSe材料,球面元件双面镀10.5 μm波长的透射膜,透射率T>99.5%。分光棱镜分光面镀10.5 μm波长、1:1的分光膜,并采用无胶真空胶合;四面镀10.5 μm波长的透射膜,透射率T>99.5%。扩束聚焦镜BE与准直输出镜C形成10.5 μm红外扩束准直输出。红外相干光源S1采用10.5 μm波长输出半导体相干激光光源,光源输出线宽小于1 MHz,输出功率不大于100 mW。红外探测器采用640×480 pixel,单像元尺寸为17 μm×17 μm。

635 nm可见光源与干涉成像模块由分光棱镜BS3、干涉成像镜头(L5和L6)、可见光CCD、扩束聚焦镜和635 nm相干光源组成。其中球面元件L5,L6,BF和分光棱镜BS3均采用熔石英材料,球面元件双面镀635 nm波长的透射膜,透射率T>99.8%。分光棱镜分光面镀635 nm波长、1:1的分光膜;四面镀635 nm波长的透射膜,透射率T>99.5%。扩束聚焦镜与准直输出镜形成635 nm可见光的扩束准直输出。可见相干光源采用635 nm波长输出半导体相干激光光源,光源输出线宽小于500 kHz,输出功率为7 mW。组合干涉成像镜头中球面镜L6在安装结构上采用沿轴线移动结构,测试过程中通过沿轴线前后移动该球面镜并与球面镜L5配合,在采样CCD上可成像得到干涉条纹或测试对准点。可见光CCD采用640×480 pixel,单像元尺寸为4.65 μm×4.65 μm。

2.2 双波长准直波前分析

基于上述研制的双波长共光路红外干涉系统,共光路系统所用的准直物镜设计结果见图 2,其通光口径为82 mm,焦距为480 mm。

图 2 双波长共光路准直物镜设计示意图 Fig.2 Design schematic of dual-wavelength common path collimating lens

在635 nm工作波长下,对应准直物镜的波像差如图 3所示。从图中可看出,中心视场的PV值为0.041 7λ,RMS值为0. 012λ;在对应测试的OPD图像中,各视场的波像差值约为0.05λ,消除系统所引起的球差效应。

图 3 635 nm波长下准直物镜的波像差 Fig.3 Wave aberration of collimated objective at 635 nm

在10.5 μm工作波长下,对应准直物镜的波像差如图 4所示。从图中可看出,中心视场的PV值为0.001 8λ,RMS值为0. 000 5λ;在对应的OPD图像中,各视场的波像差值约为0.01λ,消除系统所引起的球差效应。

图 4 10.5 μm波长下准直物镜的波像差 Fig.4 Wave aberration of collimated objective at 10.5 μm
2.3 F1.5球面标准镜设计

图 5为F1.5球面标准镜的光学设计结果,通光口径为82 mm。该光学系统由4片透镜组成,所用材料相同且几何形状相近。由于干涉仪以标准球面镜头的波前测试结果作为衡量参考球面的精度基准,因而精度测试主要取决于标准镜头参考球面的面形精度。

图 5 F1.5球面标准镜头光学设计图 Fig.5 Optical design of standard spherical len with F1.5

当工作波长为635 nm时,由图 6所示的波前图像中可看出,中心视场PV=0.061 2λ,RMS值为0. 021 9λ,达到衍射极限设计。同时,在OPD图像中,各视场的波像差平均值约为0.02λ,实现了光学系统的消球差设计。

图 6 635 nm波长下球面标准镜的波像差 Fig.6 Wave aberration of standard spherical len at 635 nm

当工作波长为10.5 μm时,从波前图像中可看出,中心视场PV=0.004 9λ,RMS值为0. 000 9λ,达到衍射极限设计,如图 7所示。为了优化成像质量,各视场OPD的设计值约为0.01λ,满足消球差设计。

图 7 10.5 μm波长下球面标准镜的波像差 Fig.7 Wave aberration of standard spherical len at 10.5 μm
2.4 光学系统容差分析

图 8为双波长光学系统的容差分析数据。当设计透镜偏心为±0.05 mm,倾斜角度为±0.1°以及空气间隙为±0.1 mm时,列出十组对光学系统影响较大的数据,均能达到装配设计要求。

图 8 光学系统容差分析结果 Fig.8 Results of tolerance analysis on optical system
3 双波长相移分析 3.1 相移算法

双波长干涉测试系统共光路共用压电相移系统,通过相移解相分析计算被测元件面形。在实际测量中,移相器PZT的位移存在一定误差,会使相移偏离预置值,给解相计算精度带来一定的影响。本文采用(N+1)平均四步相移算法[14-16],来解决移相器PZT的位移误差。当相移步进π/2时,干涉条纹移动1/4周期,将两次π/2相移过程产生的波前相位求平均值,可减少误差。

(N+1)平均4步相移算法是在4幅干涉图外再增加一幅或多幅干涉图时,将1~4按四步法计算,再将2~5直至(N-3)~N(注:N>4)连续按相同的方法全部进行计算,并对上述结果求平均值,得到的相位移误差与单独使用四步法相比小很多,即:

(1)

既是将分子分母分别求平均,对四步法时:

(2)

按π/2移相取五幅图时,则后四幅图也按四步法得:

(3)

按平均法得五步法的计算公式为:

(4)

同理(N+1)平均法可扩展到有N幅图像的情况,本文中N为7,反复平均计算过程如图 9所示。

图 9 七步相移平均算法的平均过程 Fig.9 Calculation process of seven-step phase-shift average algorithm

由式(1)按照式(2)~式(5)的计算方法,七步平均法的公式(每步相移量δi=(i-1)π/2)如下:

(6)
3.2 相移系统实现与双波长相移标定

双波长干涉仪的红外测试波长为10.5 μm,PZT驱动相移系统,压电陶瓷的驱动行程较长,当采用7步相移时,相位总变化量为7π/2,对应的相移量总行程为18.375 μm,考虑行程余量和波长之间的对应关系,压电相移的行程总量为21 μm。由于驱动器压电陶瓷的伸长量与驱动电压之间具有一定的线性偏差,因而要求压电陶瓷的伸长总量足够大,并在使用中选择满足分析行程的线性端。因此,本文选用伸长总量为100 μm的压电陶瓷作为相移驱动。

双波长干涉测试系统中,可以通过可见光波段的相移过程选择红外测试过程中压电驱动的电压线性端,并分段驻点标定红外测试波段的相位确定电压。双波长相移系统实现与相移标定实现如图 10所示。

图 10 双波长相移系统实现与相位标定 Fig.10 Implementation and phase calibration of dual wavelength phase-shift system
4 双波长红外干涉仪与测试应用实例 4.1 双波长红外干涉仪研制

本文研制的双波长透射式红外干涉仪如图 11所示。该仪器测试输出的有效口径为80 mm,ZnSe平面标准楔镜精度PV优于λVR/12(λVR=635 nm),ZnSe球面标准镜F/1.5标准镜精度PV优于λVR/10。

图 11 双波长透射式红外干涉仪装置 Fig.11 Devices of dual-wavelength IR interferometer

采用该干涉仪红外平面系统测试φ80 mm平面精磨后的粗糙表面面形。元件及干涉条纹如图 12所示。测试的面形精度PV=0.178 5λIR(λIR=10.5 μm)优于0.2λIR,RMS=0.015 9λIR优于0.016λIR,并进行160次系统重复测试,统计计算RMS重复性0.000 2λIR优于0.001λIR,测试结果如图 13所示。

图 12 红外干涉仪测试结果 Fig.12 Test results of infrared interferometer

图 13 光学系统测试结果 Fig.13 Measurement result of optical system
4.2 双波长红外干涉仪测试离轴非球面

双波长红外干涉仪对待检离轴非球面的测试过程如图 14所示,待检离轴非球面的测试口径为400 mm×400 mm,离轴量为800 mm。图中M1为球面标准镜,M2为待检离轴非球面,M3为平面标准反射镜。测试过程如下:双波长红外干涉仪输出光束经球面标准镜会聚形成球面波,到达待检非球面表面反射形成平行光束,经平面标准反射镜反射形成检测光束,沿原光路返回形成自准直干涉光路进行测试。

图 14 双波长红外干涉仪离轴非球面测试示意图 Fig.14 Testing diagram of off-axis aspheric componentswith dual-wavelength infrared interferometer

经5组10次重复测试得到待检离轴非球面的波面图及数据结果,如图 15所示。待检离轴非球面边缘的最大系统偏差为2.086 1λIR,均方根值RMS为0.350 6λIR,可实现大离轴量非球面边缘面形的大误差测量。

图 15 离轴非球面测试结果 Fig.15 Measurement result of off-axis aspherical components
5 结论

本文以635 nm半导体可见激光和10.5 μm半导体红外激光为干涉光源研制了双波长透射式红外干涉仪,实现了可见光波段测试与红外光波段测试的双波段共光路测试,得到红外测试精度PV值优于0. 05λ,RMS值优于0. 01λ,系统重复性RMS值优于0. 001λ。双波段共用机械式相移系统,实现了可见光波段测试光对红外波段测试的精准定位。基于上述干涉测试系统对大口径离轴非球面进行测试,得到边缘最大偏差值为21.9 μm,由此表明该红外干涉仪可应用于大范围离轴非球面光学元件的全过程检测。

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