移相式泰曼-格林红外干涉仪调试技术

　　0 引 言

　　用 CO2激光器(λ=10.6 μm)作为光源的红外干涉仪与各类干涉系统相比，具有独特的不可替代的特点。由于许多红外光学零件在可见光波段是不透光的，无法使用可见光干涉仪进行测试与计量，此时红外干涉仪就成为检测红外光学零件和红外光学系统质量的有效手段。由于红外干涉仪工作波长较长(λ=10.6 μm)，是普通激光波长(0.633 μm)的 17 倍，这样就可以用来检测某些微米量级粗糙表面的面形(如未抛光球面、微电子器件面形等)。同样，干涉仪的计量尺度比普通干涉仪大得多，因此，对于某些非球面度不大的非球面面形的检测，也可以使用红外干涉仪来完成。

　　自 1980 年出现首台光机电算一体化的红外移相式干涉仪(WYKO 公司出品的 IR3)以来，红外干涉术在国外已得到很大发展并逐步走向智能化、实用化[1-3]。美国的 ZYGO 公司和英国的 POE 公司都对红外干涉仪进行了研究，并形成了相应的商业化产品。之后随着光电子技术的发展，在近红外波段(λ=1.06 μm，λ=3.39 μm 等)，高分辨率的红外焦平面阵列开始走向实用化。1990 年 Akira Furuya 使用 512×512 的 Pt-Si红外焦平面阵列作为红外干涉仪的探测器，其工作波长为 3.39 μm，并以此测量了锗材料折射率均匀性[4];

　　1997 年 WYKO 公司 Chiayu Ai 介绍了使用现代热摄像机分别作为波长为 3.39 μm 和 10.6 μm 的红外干涉仪的探测器，其中工作波长为 3.39 μm 红外干涉仪采用了 256×256 的 InSb 焦平面阵列作为探测器，而工作波长为 10.6 μm 的红外干涉仪采用了 320×240的非制冷微热辐射计阵列作为探测器，并分别用这两种干涉仪对未抛光的粗糙光学零件表面进行了测量[5]。

　　而在国内，这方面的研究并不多，只有南京理工大学在“八五”时期研制过孔径 Φ250 mm 的斐索型红外干涉仪, 其工作波长为 10.6 μm，采用热释电摄像机(PEV)作为探测器[6]，并做了相应的应用研究[7-8]。之后，又致力于小口径的泰曼- 格林型红外干涉仪的研究[9]。而目前正在研究的泰曼- 格林型红外干涉仪，采用红外焦平面阵列作为红外热干涉图的探测器，大大增加了干涉条纹的清晰度和对比度。

　　1 红外干涉仪的组成和系统原理

　　1.1 红外干涉仪原理框图

　　图 1 泰曼型红外移相干涉仪为原理框图，仪器采用单模稳频 CO2激光器作为干涉光源，为了使光源正常稳定工作，激光器配有水冷装置，为了弥补红外光在光路调整中的困难，仪器配有半导体激光器用于调试光路。红外光经过扩束准直系统后，扩束成 Φ30 mm的光束，通过泰曼- 格林系统产生干涉图像。红外干涉图由红外焦平面阵列接收，转化为视频电信号。一路输入到监视器实时显示，供观察调校;另一路输入到图像采集卡形成 8 bit 的数字图像后，进入计算机。为了减少杂散光的干扰，在成像系统中还加有可调光阑，用来滤去杂散光。仪器还配有一系列软件包：图像采集与预处理软件包、移相干涉技术复原波面软件包、Zernike 多项式波面拟合软件包、红外材料均匀性测试软件包及像质评价软件包。可以给出被测波面或表面的光程差、峰谷值、均方偏差和红外光学系统的像质评价指标。