一种红外宽波段可调谐泰曼-格林干涉仪及方法

1.本发明涉及干涉仪技术领域，尤其涉及一种红外宽波段可调谐泰曼-格林干涉仪及方法。


背景技术：

2.目前市场上主流干涉仪产品均采用相干性较好的窄线宽激光器做为光源。例如在可见光波段通常采用的是0.633μm的he-ne激光器，在红外波段通常采用的是3.39μm和10.6μm的激光器。这些干涉仪的特点是波长不能改变或者只能进行有限范围的调整，因此只能局限在有限的几个激光波长进行测量。
3.然而有些测量与波长紧密相关，例如介质折射率是波长的函数，显然利用单一波长的测量结果，不能代表其它波长的折射率值。再如滤光片或滤光器的透过波前测量，如果被测器件或仪器不能透过干涉仪的激光谱段，那么将无法使用干涉仪进行测量。此外，透射式的光学系统存在色差。针对某些特定波段优化的系统，用其他波长的干涉仪检测不能得到准确结果（例如针对8μm优化的成像系统，在10.6μm表现出的性能不同）。诸如此类的情况，显然波长可调谐的干涉仪更能发挥作用。
4.尤其在红外波段上述测量局限性更为突出。红外波段覆盖了0.76~1000μm波段，比可见光波段宽得多。仅靠目前有限的几条激光谱线的红外干涉仪显然很难满足如此宽泛波段的检测需求。
5.近年来，随着可调谐激光技术的发展，目前红外可调谐光源已经可以实现从近红外直到12μm的波段内连续可调谐。相比通常的连续谱光源，可调谐激光器的辐射强度较高，相干性更好，非常适于用作干涉仪的宽波段红外光源，进行干涉检测。但可调谐激光器输出的激光带宽较宽，相干长度不足是其最大的弱点。
6.因此，有必要研究一种红外宽波段可调谐泰曼-格林干涉仪及方法来应对现有技术的不足，以解决或减轻上述一个或多个问题。


技术实现要素：

7.有鉴于此，本发明提供了一种红外宽波段可调谐泰曼-格林干涉仪及方法，利用其参考臂长度可调的优势，弥补可调谐激光光源相干性不足的缺陷，从而实现了从近红外直到12μm的宽波段干涉测量。
8.本发明提供一种红外宽波段可调谐泰曼-格林干涉仪，所述干涉仪包括：红外可调谐激光光源、合束镜、聚焦镜组、针孔光阑、准直镜组、分束镜、会聚镜组、红外探测器、测试适配镜组、标准平面镜、参考标准平面镜和上位机；所述红外可调谐激光光源、所述合束镜、所述聚焦镜组、所述针孔光阑、所述准直镜组、所述测试适配镜组和所述标准平面镜依次光路连接；待测光学器件设置在所述测试适配镜组和所述标准平面镜之间的光路上；所述参考标准平面镜设置在精密平移台上；所述准直镜组和所述测试适配镜组之间的光路上设有所述分束镜；所述参考标准
平面镜和所述会聚镜组分设在所述分束镜的上下两方，且所述分束镜在所述参考标准平面镜和所述会聚镜组之间的光路上；测试时，所述红外探测器与所述会聚镜组光路连接；所述红外探测器与所述上位机电性连接。
9.如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述针孔光阑为设有制冷系统的针孔光阑。
10.如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述聚焦镜组、所述准直镜组和所述会聚镜组均为离轴反射式光学器件。
11.如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述聚焦镜组、所述准直镜组和所述会聚镜组均为透射式光学器件。
12.如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述参考标准平面镜和所述分束镜之间距离的确定方式为：根据所述待测光学器件的参数计算测试臂的光程，根据所述光程确定所述距离。
13.如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述参考标准平面镜设置在精密平移台上。
14.如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述分束镜的型号选择方式为：根据所述待测光学器件的参数计算测试光路的透过率，根据所述透过率选择透射反射比合适的分束镜。
15.如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述测试适配镜组采用反射式光学器件；所述测试适配镜组的焦点与所述待测光学器件的焦点重合，该重合要求仅限于待测光学器件为红外镜头类器件时，其他类型器件测量时根据实际情况进行。
16.上述的待测光学器件可以是能够实现特定功能的光学系统，也可以是单独的光学元件，比如红外镜头等。
17.如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述干涉仪还包括可见光激光光源和可见光探测器；在自校准过程中，所述可见光激光光源与所述合束镜光连接，所述可见光探测器与所述会聚镜组光路连接。
18.如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述针孔光阑与所述准直镜组物方焦点重合。
19.如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述透射式光学器件的材质为能够实现可见光透过的硫化锌光学材料。
20.另一方面，本发明提供一种红外宽波段可调谐泰曼-格林干涉仪的使用方法，其特征在于，所述方法适用于如上任一所述的干涉仪；所述方法的内容包括：s1、对干涉仪进行自校准；s2、根据待测光学器件的参数计算测试臂的光程；根据该光程，通过精密平移台调整参考标准平面镜的位置，使得参考臂与测试臂基本处于等光程，从而获得最佳干涉条纹对比度；s3、打开红外可调谐激光光源进行测试。
21.与现有技术相比，上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：本
发明引入了可调谐激光器作为干涉仪的光源，从而拓展了干涉测量的波段范围，能够实现从近红外直到12μm中红外波段光谱连续可调谐，而不再仅仅局限于有限的几个激光谱线；上述技术方案中的另一个技术方案具有如下优点或有益效果：利用参考臂可调长度的优势，弥补红外可调谐激光光源相干性不足的缺陷。
22.当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。
附图说明
23.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
24.图1是本发明一个实施例提供的红外宽波段可调谐泰曼—格林干涉仪结构及原理示意图；图2是本发明一个实施例提供的红外宽波段可调谐泰曼—格林干涉仪自校准结构示意图；图3是本发明一个实施例提供的透射式干涉仪的结构及原理示意图。
25.其中，图中：1、红外可调谐激光光源；2、合束镜；3、聚焦镜组；4、可见光激光光源；5、制冷针孔光阑；6、准直镜组；7、分束镜；8、会聚镜组；9、红外探测器；10、可见光探测器；11、测试适配镜组；12、待测红外镜头；13、标准平面镜；14、精密平移台；15、参考标准平面镜。
具体实施方式
26.为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。
27.应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
28.针对现有技术的不足，本发明提供一种红外宽波段可调谐泰曼—格林干涉仪，该干涉仪利用红外可调谐激光器作为光源。在可调谐的波段内，可以实现任意选择特定波长进行干涉测量。对于与波长相关的元件或系统的测量，例如折射率的测量，滤光片或滤光器透过波前测量，以及特定波段的光学系统装调检测等有重要的应用价值。
29.根据本公开实施例的一种具体实现方式，一种红外宽波段可调谐泰曼-格林干涉仪，如图1所示，包括红外可调谐激光光源1、聚焦镜组3、可见光激光光源4、制冷针孔光阑5、准直镜组6、分束镜7、会聚镜组8、红外探测器9、可见光探测器10、测试适配镜组11、待测红外镜头12、标准平面镜13、精密平移台14、参考标准平面镜15和上位机。红外可调谐激光光源1、聚焦镜组3、制冷针孔光阑5、准直镜组6、测试适配镜组11、待测红外镜头12、标准平面镜13依次光连接。准直镜组6和测试适配镜组11之间设有分束镜7，该分束镜7将准直光束分成两束，一束作为检测光束与测试适配镜组11光连接，另一束作为参考光束与参考标准平面镜15光连接，参考标准平面镜15设置在精密平移台14上，能够在精密平移台14的作用下实现位置移动，即实现参考标准平面镜15到分束镜7的距离。会聚镜组8设置在参考标准平
面镜15的对侧，当参考光束经参考标准平面镜15原路反射后再次透射过分束镜7，再被会聚镜组8汇聚形成参考球面波，由后面的红外探测器9接收。
30.根据本公开实施例的一种具体实现方式，精密平移台14包括外部的壳体，壳体内侧壁上设有直线导轨，平面镜固定板通过滑块与直线导轨滑动连接，壳体内顶部或外上方设有动力设备，动力设备与平面镜固定板固定连接，在动力设备的作用下实现平面镜固定板沿直线导轨上下滑动。参考标准平面镜15固定设置在平面镜固定板的外表面。动力设备可以是滚珠丝杠电机，丝杠嵌设在壳体内壁上的凹槽里，丝杠和导轨平行，丝杠上的螺母与平面镜固定板固定连接。
31.测试时，红外可调谐激光光源1的输出波长和待测红外镜头12的波段相匹配。
32.在该实施例中，红外探测器9和可见光探测器10均与上位机电性连接，将采集到的光强信号传输给上位机进行后续处理和分析。
33.根据本公开实施例的一种具体实现方式，制冷针孔光阑5和准直镜组6的物方焦点重合。准直镜组6和测试适配镜组11分别设置在分束镜7的左右两侧，参考标准平面镜15设置在分束镜7的正上方，会聚镜组8设置在分束镜7的正下方，准直镜组6和测试适配镜组11之间的光束与参考标准平面镜15和会聚镜组8之间的光束正交，即检测光束和参考光束在同一平面上互相垂直。
34.在该实施例中，聚焦镜组3、准直镜组6和会聚镜组8均采用离轴反射式光器件。制冷针孔光阑5为设置有制冷系统的针孔光阑，能够使针孔光阑保持适宜的温度，以避免聚焦的激光束产生的热背景噪声影响干涉测量的精度。
35.上述红外宽波段可调谐泰曼-格林干涉仪的工作原理如下：激光光源输出的激光束经过合束镜合束和聚焦镜组会聚后，再经过制冷针孔光阑形成球面波。制冷针孔光阑与准直镜组物方焦点重合。该球面波经过准直镜组后形成准直光束。准直光束经分束镜分成两束，一束作为参考光束，另一束作为检测光束。参考光束入射参考标准平面镜，并经过参考标准平面镜原路反射回，再次透射分束镜，继续传播入射会聚透镜，并经会聚透镜会聚形成参考球面波。检测光束一侧，可根据待测元件或系统的参数，选择不同的测试适配镜组，使得光束适于待测元件或系统的参数，例如对大口径平面元件的测量，可将准直光束进行扩束至需要的直径，然后经过器件，再用适宜标准平面镜原路返回。返回后的光束经过分束镜反射后入射会聚透镜，经会聚透镜会聚后产生检测球面波。
36.在测试适配镜组11的选择上，可以根据待测红外镜头12的参数选择不同焦比的适配镜组。在上述实施例中，测试适配镜组11采用反射式光器件。测试适配镜组11的焦点与待测红外镜头12焦点重合，由测试适配镜组11出射的球面波入射待测红外镜头12，从待测红外镜头12透射后的光线到达标准平面镜13，由适宜口径的标准平面镜13反射后原路返回。返回后的光束经过分束镜反射后入射会聚透镜8，经会聚透镜8会聚后产生检测球面波，并与参考球面波形成干涉，干涉条纹成于红外相机感光面，被记录于上位机中。
37.在测试臂和参考臂光程的确定上，可以根据待测红外镜头12的参数计算测试臂的光程，根据该光程，通过精密平移台14调整参考标准平面镜15的位置，使得参考臂与测试臂基本处于等光程，从而使得系统获得最佳干涉条纹对比度。
38.在测试光路透过率确定上，可以根据待测红外镜头的参数计算测试光路的透过率，然后根据该透过率选择透射反射比合适的分束镜7，尽量使参考光束和测试光束强度接
近，以便获得较高的干涉条纹对比度。
39.在测试前需要对干涉仪系统进行自校准。因此，该干涉仪还设有可见光激光光源4，可见光激光光源4作为用于自校准的第二光源，具体地：在红外可调谐激光光源1和聚焦镜组3之间设置合束镜2，可见光激光光源4和红外可调谐激光光源1均与合束镜2光连接，合束镜2与后面的聚焦镜组3光连接。如图2所示，进行自校准时，利用可见光激光器4经合束镜2反射与红外激光光源共路入射干涉仪系统中聚焦镜组3之后的器件；自校准时移除适配镜组11和待测红外镜头12，并将标准平面镜13移动至分束镜7透射准直光路中，同时将可见光探测器10移动至光路中（比如红外探测器9的位置）。自校准时，首先利用可见光激光进行校准，确保各个光学元件在正确的位置，然后再将红外探测器9移入光路，再利用红外可调谐激光光源1进行校准，确保红外可调谐激光光源1在正确的位置。从而完成干涉仪的自校准过程。
40.在上述实施方式中，可见光激光光源4主要是解决红外肉眼不可见的问题。其目的和作用时机有两个：其一辅助调整，也就是在自校准过程使用，用可见光来调整光学镜组之间的位置，然后再调整红外可调谐激光光源1的位置；其二是指示作用，在测量的时候，可见光激光光源4和红外可调谐激光光源1同时使用，可以用可见光来指示，实现可见。通常红外探测器前有滤光片，可见光无法透过，因而不会对红外光探测器产生响应，即对测量结果不产生影响。
41.在上述干涉仪的自校准和测试过程中，制冷针孔光阑的制冷系统始终保持工作状态，从而使得制冷针孔光阑保持适宜的温度，以避免聚焦的激光束产生的热背景噪声影响干涉测量的精度。
42.根据本公开实施例的一种具体实现方式，干涉仪光学系统采用了透射式光学设计。具体地，聚焦镜组、准直镜组与会聚镜组均采用透射式光学器件；比如，上述镜组均采用硫化锌（zns）光学材料，其在可见光和红外波段均有较高的透过率。镜组在光学设计优化时不需要消色差，只需保证可调谐波段范围内，各波长均能获得良好波前质量，以满足测量的需求。不同波长仅仅焦距不同，因此通过沿光轴方向一维移动聚焦镜组3和针孔光阑5的位置即可实现波段的调整。透射式干涉仪的结构及原理如图3所示。
43.该实施方式中，硫化锌材料在可见光波段有较好的透过率，在减反膜系设计时保留可见光633nm波段具有一定的透过率。本设计实例中系统在633nm可以获得λ/5的波前，足够满足系统装调。利用可见光装调后，引入中红外激光及中红外探测器，系统仅需要沿光轴方向一维移动聚焦镜组3和针孔光阑5的位置即可实现红外波段的调整。如此可以大大降低红外系统调整的难度。
44.本发明的主要优势包括：1、本发明应用可调谐激光光源技术，将干涉仪波段拓展为宽波段（目前最远端可达12μm，取决于现阶段的激光技术）。
45.目前的干涉仪在可见光波段常见的是633nm的；红外波段有1.064μm、3.39μm和10.6μm等。而整个红外覆盖很宽的波段（0.76~1000μm），单一波长在一些测量中有较大的局限性，比如红外透射光学系统的检测时。
46.局限性一：有些系统激光的波长不透过（例如含有特定波长滤光片或滤光器的系统），无法实现检测；
局限性二：透射式光学系统存在色差，例如针对某些特定波段优化的系统，用其他波长的干涉仪检测得不到准确结果（例如针对8μm优化的成像系统，在10.6μm表现出的性能不同），因而不能直接获得检测结果。
47.2、本发明利用泰曼-格林型干涉仪的参考臂长度可调的特性，解决可调谐激光光源相干性不足的问题。具体地：为了拓展波段，采用了可调谐激光光源；但可调谐激光光源输出的谱线线宽比较宽，相干长度较短，所以本发明采用泰曼-格林形式干涉仪，这种干涉仪的参考臂和测试臂是分离的，参考标准平面镜可以移动，也就可以实现测试臂与参考臂等光程，这样可以确保相干性。
48.该特点区别于现有的激光干涉仪，现有激光干涉仪基本都采用相干性好的激光光源，激光光源线宽很窄，相干长度可以达到几十米，因此不需要考虑相干性问题，也不需要利用泰曼干涉仪参考臂可调的优势来应对相干性不足的问题。所以通常的干涉仪例如zygo干涉仪采用菲索型干涉仪，即共路干涉的形式；而一些采用了泰曼-格林型的干涉仪，例如4d干涉仪等，其采用泰曼-格林型的目的也是用于移相的技术。这与本发明具有根本性不同。
49.3、本技术的波段拓展还表现为连续可调。目前本领域虽然有利用可调谐激光光源的干涉仪，但与本技术的根本目的不同：现有的用可调谐激光光源的干涉仪，都是采用的分离谱线（并非连续可调），其调谐波长的目的，是用来实现干涉仪的位相调制功能，而并非以拓宽波段为目的。这与本发明拓展波段的目的根本性不同。
50.在现有技术中还见到了两种干涉仪应用了参考臂可调的技术：一种是可见光波段有白光泰曼-格林型干涉仪，采用的是非相干光源。另一种是近紫外-可见光-近红外（200~1100nm）波段的“宽波段消色差泰曼-格林干涉仪（bat）”。它是采用连续谱白光光源（例如卤钨灯和氙灯光源），并配合单色仪进行分光，输出的短相干光作为光源的，其光源的输出光相干性较差，而且能量较弱，而且这种方法在中远红外波段无法使用，因为目前红外波段连续谱光源（通常为碳化硅或氮化硅光源）辐射强度较弱，经单色仪分光后能量无法进行干涉测量。
51.这两种宽波段的干涉仪都是采用的参考臂可调来实现光源相干性不足的问题。
52.但这两种干涉仪与本发明的区别：其一是波段，本发明是近红外~中外波段，而上述两种干涉仪是可见光附近（200~1100nm）波段；其二是光源，本发明采用的是激光光源，激光光源的有较高的辐射强度，而上述两种干涉仪采用的是连续谱光源，在红外波段连续谱光源无法满足干涉测量需求（连续谱光源是通常所说的“热光源”，不同波段辐射强度满足黑体辐射定律，在红外波段辐射很弱，以至于经单色仪分光，再经过后续干涉仪光学系统后现有红外探测器水平无法探测到，无法进行干涉测量。）而可调谐激光器有较高的能量，更好的相干性。因此现有宽波段泰曼-格林干涉仪与本发明的方法明显不同。
53.以上对本技术实施例所提供的一种红外宽波段可调谐泰曼-格林干涉仪，进行了详细介绍。以上实施例的说明只是用于帮助理解本技术的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本技术的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本技术的限制。
54.还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确
列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。
55.在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。在本技术中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“中”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本技术中的具体含义。本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。