CN108132026B - 半导体中红外可见光双波长透射式干涉测试装置 - Google Patents
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Abstract
一种用于检测中红外光学元件、材料及光学系统的半导体中红外可见光双波长透射式干涉测试装置，包括双波段共光路准直输出模块、10.5μm半导体红外光干涉成像模块和635nm半导体可见光干涉成像测试对准模块，本发明装置可实现中红外测试精度PV值优于0.05λ，RMS优于0.01λ，系统重复性优于0.001λ的高分辨率干涉测试。
Description
技术领域
本发明涉及中红外可见光双波长斐索透射干涉测试装置，主要是采用中红外和可见光双波长半导体光源进行干涉测试，可用于测试中红外光学元件的面形精度、材料的物理特性和光学系统的综合特性参数。
背景技术
目前，中红外光学系统在军事、航天、能源、通讯、遥感等领域具有广泛的应用前景，从而导致对中红外光学系统中使用的光学元件及材料的检测需求不断增长，随之引起国内外科研工作者对中红外应用波段光学产品及光学系统测试的密切关注，并展开了一系列相关研究。从上世纪60年代末科研工作者就开始了对红外干涉仪的研究和应用，国际大品牌公司Zygo、Vecco、POE、Graham等均采用泰曼-格林型数字相移式中红外干涉测试装置进行检测，以CO2激光器作为光源；国内对中红外干涉仪的研究和应用比国外较晚，国内将中红外波段纳入研究范畴的科研院所主要有成都光电所和南京理工大学，采用的红外光源也是10.6μm CO2激光器。近年来中红外干涉测试技术不断飞速发展，预示着其将成为未来中红外波段光学元件面形检测、材料物理特性参数测试应用的发展趋势。因此，对中红外测试成像技术的研究与产业化生产成为光学检测领域的重大课题之一。
据研究，常用中红外光学元件面形精度、材料物理特性等参数测试的波段范围为2～14μm。在中红外干涉测试系统中，仪器使用安全性和操作方便性是整个测试过程中首要考虑的部分，国际上普遍采用功率为瓦级以上的CO2激光器作为中红外干涉测试光源，不仅对测试样品和红外探测器造成一定的功率损伤，同时也对测试人员存在一定的安全威胁。此外，使用波长10.6μm的CO2激光器，由于该波段的不可见特性将给操作人员带来极大的不便。现基于泰曼-格林式和斐索型的中红外干涉测试系统仅在测试对准方面进行深入研究，并取得一定的成效，但都无法实现从可见光到中红外光波段范围的共同测试和共光路对准，且未见报道。因此，寻求低功率光源、共光路对准、操作简便的数字移相式中红外干涉仪是当今科研工作者研究的重点。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于中红外光学元件、材料及光学系统的半导体中红外可见光双波长共光路透射式干涉测试装置。该双波长干涉测试装置为中红外光学元件的面形精度、材料物理特性以及光学系统综合特性参数提供了必要的测试分析装置。该装置通过双波段共光路测试，实现了可见光波段到中红外波段光学元件的高精度对准测试，解决了中红外干涉仪测试共光路对准及测试范围限制的问题。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种半导体中红外可见光双波长透射式干涉测试装置，其特点在于包括双波段共光路准直输出模块、10.5μm半导体红外光干涉成像模块和635nm半导体可见光干涉成像测试对准模块：
所述的双波段共光路准直输出模块包括635nm半导体可见光光源和10.5μm半导体红外光源，沿所述的10.5μm半导体红外光源的输出光束方向依次是第一扩束聚焦镜、第一分光棱镜、45°分光镜、球面准直物镜、双凸球面补偿镜、标准反射球面镜或标准平面楔镜和标准反射镜，沿所述的635nm半导体可见光光源输出光束方向依次是第二扩束聚焦镜、第二分光棱镜、45°分光镜、球面准直物镜、双凸球面补偿镜、标准球面镜或标准平面楔镜和标准反射镜；所述的球面准直物镜、双凸球面补偿镜、标准球面镜或标准平面楔镜和标准反射镜共光轴；所述的球面准直物镜和所述的第一扩束聚焦镜的数值孔径相等，且球面准直物镜的焦点与所述的第一扩束聚焦镜对所述的10.5μm半导体红外光源输出平行光聚焦焦点相重合；所述的球面准直物镜与第二扩束聚焦镜的数值孔径相等，且球面准直物镜的焦点与第二扩束聚焦镜的焦点相重合；所述的45°分光镜在光束前进方向上第一面为楔角面，第二面为反射面，该45°分光镜与球面准直物镜的光轴成45°夹角，所述的10.5μm半导体红外光源的输出光束直接透过所述的45°分光镜，所述的635nm半导体可见光光源的输出光束经所述的45°分光镜反射输出，所述的标准反射球面镜或标准平面楔镜在光束前进方向上的第一面为楔角面，第二面为标准球面参考面或标准平面参考面，所述与标准球面镜或标准平面楔镜的标准球面参考面或标准平面参考面与所述的标准反射镜形成干涉测试腔，被测试光学元件置于标准球面镜或标准平面楔镜的标准球面参考面或标准平面参考面和所述的标准反射镜之间；
所述的10.5μm半导体红外光干涉成像模块，由沿原光路返回的干涉测试光方向依次的第一分光棱镜、第一干涉成像镜组和红外探测器组成，在干涉成像过程中，由所述的标准反射镜和被测试光学元件的反射光透过所述的标准球面镜(1)或标准平面楔镜(18)的标准球面参考面或标准平面参考面的测试光和由标准球面镜(1)或标准平面楔镜(18)的楔角面的反射光共同形成的沿原光路返回的干涉测试光，经45°分光镜、第一分光棱镜、第一干涉成像镜组和红外探测器并成像于红外探测器靶面上；
所述的635nm半导体可见光干涉成像及测试对准模块，由沿原光路返回的干涉测试光方向依次的第二分光棱镜、第二凸透镜、第二干涉成像镜组和可见光CCD组成，在干涉成像过程中，由所述的标准反射镜和被测试光学元件的反射光透过所述的标准球面镜或标准平面楔镜的标准球面参考面或标准平面参考面的测试光和由标准球面镜或标准平面楔镜的楔角面的反射光共同形成的沿原光路返回的干涉测试光，经45°分光镜、第二分光棱镜、第二凸透镜、第二干涉成像镜组和可见光CCD并成像于可见光CCD靶面上；
所述的测试对准光源是635nm半导体可见光光源，利用635nm半导体可见光光源对635nm半导体可见光测试共光路和10.5μm半导体红外光测试共光路对准。
所述的标准反射镜为标准球面反射镜或标准平面反射镜。
所述的10.5μm半导体红外光源为10.5μm半导体红外激光器。
所述的635nm半导体可见光光源为635nm半导体激光器。
所述的45°分光镜的楔角面为30分的楔角
所述的标准球面镜或标准平面楔镜的楔角面为30分的楔角。
本发明的技术效果：
本发明装置采用斐索透射式测试系统实现了被测元件从中红外到可见光双波段宽频区域的反射、透射波前测试，提供了共光路准直输出和干涉测试模块，双波段测试可达同等精度，同时在干涉测试过程中由平行板产生的位移像差相对于长波长λ/10下，可忽略不计。
该装置考虑到中红外光的不可见特性而引入将635nm可见光源作为辅助光源进行中红外光测试位置对准。通过采用波长10.5μm且输出功率仅为100mW的半导体红外光源，降低了仪器本身使用的危险，同时解决了红外探测器功率损伤与过饱和问题。
附图说明
图1为本发明半导体中红外可见光双波长透射式干涉测试装置的光路图
具体实施方式
以下结合附图对本发明作详细说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
图1是本发明半导体中红外可见光双波长透射式干涉测试装置光路图，由图可知，本发明半导体中红外可见光双波长透射式干涉测试装置，包括双波段共光路准直输出模块、10.5μm半导体红外光干涉成像模块和635nm半导体可见光干涉成像测试对准模块：
所述的双波段共光路准直输出模块包括635nm半导体可见光光源17和10.5μm半导体红外光源10，沿所述的10.5μm半导体红外光源10的输出光束方向依次是第一扩束聚焦镜9、第一分光棱镜5、45°分光镜4、球面准直物镜3、双凸球面补偿镜2、标准反射球面镜1或标准平面楔镜18和标准反射镜，沿所述的635nm半导体可见光光源17输出光束方向依次是第二扩束聚焦镜16、第二分光棱镜11、45°分光镜4、球面准直物镜3、双凸球面补偿镜2、标准球面镜1或标准平面楔镜18和标准反射镜；所述的球面准直物镜3、双凸球面补偿镜2、标准球面镜1或标准平面楔镜18和标准反射镜共光轴；所述的球面准直物镜3和所述的第一扩束聚焦镜9的数值孔径相等，且球面准直物镜3的焦点与所述的第一扩束聚焦镜9对所述的10.5μm半导体红外光源10输出平行光聚焦焦点相重合；所述的球面准直物镜3与第二扩束聚焦镜16的数值孔径相等，且球面准直物镜3的焦点与第二扩束聚焦镜16的焦点相重合；所述的45°分光镜4在光束前进方向上第一面为楔角面，第二面为反射面，该45°分光镜4与球面准直物镜3的光轴成45°夹角，所述的10.5μm半导体红外光源10的输出光束直接透过所述的45°分光镜4，所述的635nm半导体可见光光源17的输出光束经所述的45°分光镜4反射输出，所述的标准反射球面镜1或标准平面楔镜18在光束前进方向上的第一面为楔角面，第二面为标准球面参考面或标准平面参考面，所述的标准球面镜1或标准平面楔镜18的标准球面参考面或标准平面参考面与所述的标准反射镜形成干涉测试腔，被测试光学元件置于所述的干涉测试腔中；
所述的10.5μm半导体红外光干涉成像模块，由沿原光路返回的干涉测试光方向依次的第一分光棱镜5、第一干涉成像镜组6,7和红外探测器8组成，在干涉成像过程中，由所述的标准反射镜和被测试光学元件的反射光透过所述的标准球面镜1或标准平面楔镜18的标准球面参考面或标准平面参考面的测试光和由标准球面镜1或标准平面楔镜18的楔角面的反射光共同形成的沿原光路返回的干涉测试光，经45°分光镜4、第一分光棱镜5、第一干涉成像镜组6,7和红外探测器8并成像于红外探测器8靶面上；
所述的635nm半导体可见光干涉成像及测试对准模块，由沿原光路返回的干涉测试光方向依次的第二分光棱镜11、第二凸透镜12、第二干涉成像镜组13,14和可见光CCD15组成，在干涉成像过程中，由所述的标准反射镜和被测试光学元件的反射光透过所述的标准球面镜1或标准平面楔镜18的标准球面参考面或标准平面参考面的测试光和由标准球面镜1或标准平面楔镜18的楔角面的反射光共同形成的沿原光路返回的干涉测试光，经45°分光镜4、第二分光棱镜11、第二凸透镜12、第二干涉成像镜组13,14和可见光CCD15并成像于可见光CCD15靶面上；
所述的测试对准光源是635nm半导体可见光光源17，利用635nm半导体可见光光源17对635nm半导体可见光测试共光路和10.5μm半导体红外光测试共光路对准。
所述的标准反射镜为标准球面反射镜或标准平面反射镜。
所述的10.5μm半导体红外光源10为10.5μm半导体红外激光器。
所述的635nm半导体可见光光源17为635nm半导体激光器。
所述的45°分光镜的楔角面为30分的楔角。
所述的标准球面镜1或标准平面楔镜18的楔角面为30分的楔角。
第一面为楔角面，第二面为标准球面参考面或标准平面参考面的面形精度PV值优于40nm。
读和分析所述的红外探测器8输出干涉图获得被测元件的数据结果；
所述的测试对准模块是以635nm半导体可见光光源17对10.5μm半导体红外光源10测试共光路对准，在10.5μm半导体红外光源10测试中，需将635nm可见光测试光作为辅助光，从而观察不可见的中红外光束的测试出射位置，最终保证红外整体测试结果的可行性、精确性和有效性。
图1中45°分光镜4、球面准直物镜3、双凸球面补偿镜2和标准球面镜(或平面标准楔镜)1均采用宽光谱ZnSe材料，元件外径通光口径为/>有效孔径/>所述的45°分光镜4双面镀45°入射10.5μm波长透射膜，透射率T>99.5％，前表面利用10.5μm波长透射膜短波截止实现635nm波长反射，反射率可达90％，后表面为楔角面，楔角为30'。所述的球面准直物镜3、双凸球面补偿镜2和标准球面镜1(或标准平面楔镜18)的双面均镀635nm和10.5μm波长透射膜，透射率T>99.5％，标准球面镜1或标准平面楔镜18的第一面楔角面的楔角为30'。经标准球面镜1或标准平面楔镜18后表面反射输出标准光束和光束经测试光学元件、标准球面或平面反射镜反射形成的测试光束沿原光路返回，从而达到自准直输出测试。
当10.5μm半导体红外光激光作光源测试中红外光学元件时，光源功率为100mW，输出线宽小于1MHz。光源输出的光束经第一扩束聚焦镜9形成平面光束，该光束通过第一分光棱镜5到达45°分光镜4处，经透射后到达球面准直物镜3、双凸球面标准补偿镜2和标准球面镜1(或标准平面楔镜18)形成测试。此处第一扩束聚焦镜9的双面均镀10.5μm透射膜，透射率T>99.5％；第一分光棱镜5的分光面镀10.5μm波长1:1分光膜，并采用无胶真空胶合，其四面镀10.5μm波长透射膜，透射率T>99.5％。设置第一扩束聚焦镜9和球面准直物镜3的数值孔径相等，且球面准直物镜3的焦点与10.5μm半导体红外光源10输出对应的第一扩束聚焦镜9的焦点相重合。通过以上设置，当光束通过球面准直物镜3后形成标准球面波，其波前误差PV值优于20nm，球面波向前透过标准球面镜1或标准平面楔镜18到达球面或平面标准反射镜。其中，透射标准球面镜1或标准平面楔镜18垂直于球面准直物镜3所在光轴，在光束前进方向第一面为楔角面，设置楔角面的楔角为30分，第二面为标准球面或平面参考面，且面形精度的PV值优于50nm。可分别在标准球面或平面参考面和待测元件表面得到的标准参考光束和被测光束实现自准直输出干涉测试。该干涉测试光沿原光路返回，经45°分光镜4、第一分光棱镜5、第一干涉成像镜头6,7到达红外探测器8，经光电转换在红外探测器8靶面上输出干涉条纹图像等数据信息。其中，第一干涉成像镜头6,7、第一扩束聚焦镜9和第一分光棱镜5均采用ZnSe材料制成，第一干涉成像镜头6,7、第一扩束聚焦镜9球面元件的双面镀10.5μm波长透射膜，透射率T>99.5％。
当635nm半导体可见光光源17为激光光源测试中红外光学元件时，光源功率为7mW，线宽为500KHz。光源输出的光束经第二扩束聚焦镜16形成平行光束，该平行光束通过第二分光棱镜11到达45°分光镜4处，经反射后到达球面准直物镜3、双凸球面标准补偿镜2和标准球面镜1(或标准平面楔镜18)形成测试。此处第二扩束聚焦镜16的双面均镀635nm透射膜，透射率T>99.8％；第二分光棱镜11的分光面镀635nm波长1:1分光膜，并采用无胶真空胶合，其四面镀635nm波长透射膜，透射率T>99.5％。设置第二扩束聚焦镜16和球面准直物镜3的数值孔径相等，且球面准直物镜3的焦点与635nm半导体可见光源17输出对应的第二扩束聚焦镜16的焦点相重合。通过以上设置，当光束通过球面准直物镜3后形成标准球面波，其波前误差PV值优于30nm，球面波向前透过标准球面镜1或标准平面楔镜18到达球面或平面标准反射镜。标准球面镜1或标准平面楔镜在光束前进方向第一面为楔角面，设置楔角面的楔角为30分，第二面为标准球面或平面参考面，且面形精度PV值优于40nm。可分别在标准球面或平面参考面和待测元件表面得到的标准参考光束和被测光束实现自准直输出干涉测试。该干涉测试光沿原光路返回经45°分光镜4、第二分光棱镜11、第二凸透镜12、第二干涉成像镜组13，14到达可见光CCD组件15，经光电转换在CCD15靶面上输出干涉条纹图像等数据信息。其中，第二凸透镜12、第二干涉成像镜组13，14、可见光CCD组件15、第二扩束聚焦镜16和第二分光棱镜11均采用熔石英材料，第二凸透镜12、第二干涉成像镜组13，14、可见光CCD组件15的双面镀635nm波长透射膜，透射率T>99.8％。此外，在对10.5μm红外光源10干涉测试成像过程中，将635nm可见光源17作为辅助光源进行中红外光测试位置对准，主要通过移动第一凸透镜13实现可见光干涉成像测试和中红外光对准测试。当第一凸透镜13向第一凹透镜14移动时，可见光干涉成像测试结果呈现在可见光CCD15上；当第一凸透镜13向第二凸透镜12方向移动时，可见光出射的光源对10.5μm测试光路提供对准测试，从而实现10.5μm中红外光源10的精确测量。至此按光束返回方向依次由第二分光棱镜11、第二凸透镜12、第二干涉成像镜组13,14和可见光CCD15组成635nm可见光源干涉成像及对准模块。
干涉测试光沿原光路返回，经45°分光镜4垂直反射回去的可见光干涉测试光束，方向依次为第二分光棱镜11、第二凸透镜12、第二成像镜组13,14和可见光CCD15，可见光CCD15采用640×480像素的分辨率，单像元尺寸为4.65μm×4.65μm。经45°分光镜4透射回去的红外干涉测试光束，方向依次为第一分光棱镜5、一次成像镜组6,7和红外探测器8，红外探测器采用640×480像素的分辨率，单像元尺寸为17μm×17μm。通过光电转换输出干涉测试图像，经分析由可见光CCD和红外探测器输出的干涉图测试数据结果，从而获得被测中红外元件的面形数据。
中红外波段和可见光波段测试共用双波段共光路准直输出模块和双波段共光路干涉测试模块。通过对10.5μm和635nm两种半导体激光光源10,17使用开关控制，从而实现从可见光波段到中红外波段的光学元件测试。
实验表明，本发明装置采用斐索透射式测试系统实现了被测元件从中红外到可见光双波段宽频区域的反射、透射波前测试，提供了共光路准直输出和干涉测试模块，双波段测试可达同等精度，同时在干涉测试过程中由平行板产生的位移像差相对于长波长λ/10下，可忽略不计。
该装置考虑到中红外光的不可见特性而引入将635nm可见光源作为辅助光源进行中红外光测试位置对准。通过采用波长10.5μm且输出功率仅为100mW的半导体红外光源，降低了仪器本身使用的危险，同时解决了红外探测器功率损伤与过饱和问题。
本发明装置可实现中红外测试精度PV值优于0.05λ，RMS优于0.01λ，系统重复性优于0.001λ的高分辨率干涉测试。
Claims (3)
1.一种半导体中红外可见光双波长透射式干涉测试装置，其特征在于包括双波段共光路准直输出模块、10.5 µm半导体红外光干涉成像模块和635 nm半导体可见光干涉成像测试对准模块：
所述的双波段共光路准直输出模块包括635 nm半导体可见光光源（17）和10.5 µm半导体红外光源（10），沿所述的10.5 µm半导体红外光源（10）的输出光束方向依次是第一扩束聚焦镜（9）、第一分光棱镜（5）、45°分光镜（4）、球面准直物镜（3）、双凸球面补偿镜（2）、标准反射球面镜（1）或标准平面楔镜（18）和标准反射镜，沿所述的635 nm半导体可见光光源（17）输出光束方向依次是第二扩束聚焦镜（16）、第二分光棱镜（11）、45°分光镜（4）、球面准直物镜（3）、双凸球面补偿镜（2）、标准球面镜（1）或标准平面楔镜（18）和标准反射镜；所述的球面准直物镜（3）、双凸球面补偿镜（2）、标准球面镜（1）或标准平面楔镜（18）和标准反射镜共光轴；所述的球面准直物镜（3）和所述的第一扩束聚焦镜（9）的数值孔径相等，且球面准直物镜（3）的焦点与所述的第一扩束聚焦镜（9）对所述的10.5 µm半导体红外光源（10）输出平行光聚焦焦点相重合；所述的球面准直物镜（3）与第二扩束聚焦镜（16）的数值孔径相等，且球面准直物镜（3）的焦点与第二扩束聚焦镜（16）的焦点相重合；所述的45°分光镜（4）在光束前进方向上第一面为楔角面，第二面为反射面，该45°分光镜（4）与球面准直物镜（3）的光轴成45°夹角，所述的10.5 µm半导体红外光源（10）的输出光束直接透过所述的45°分光镜（4），所述的635 nm半导体可见光光源（17）的输出光束经所述的45°分光镜（4）反射输出，所述的标准反射球面镜（1）或标准平面楔镜（18）在光束前进方向上的第一面为楔角面，第二面为标准球面参考面或标准平面参考面，所述的标准球面镜（1）或标准平面楔镜（18）的标准球面参考面或标准平面参考面与所述的标准反射镜形成干涉测试腔，被测试光学元件置于标准球面镜（1）或标准平面楔镜（18）的标准球面参考面或标准平面参考面和所述的标准反射镜之间；
所述的10.5 µm半导体红外光干涉成像模块，由沿原光路返回的干涉测试光方向依次的第一分光棱镜（5）、第一干涉成像镜组（6,7）和红外探测器（8）组成，在干涉成像过程中，由所述的标准反射镜和被测试光学元件的反射光透过所述的标准球面镜（1）或标准平面楔镜（18）的标准球面参考面或标准平面参考面的测试光和由标准球面镜（1）或标准平面楔镜（18）的楔角面的反射光共同形成的沿原光路返回的干涉测试光，经45°分光镜（4）、第一分光棱镜（5）、第一干涉成像镜组（6,7）和红外探测器（8）后成像于红外探测器（8）靶面上；
所述的635 nm半导体可见光干涉成像及测试对准模块，由沿原光路返回的干涉测试光方向依次的第二分光棱镜（11）、第二凸透镜（12）、第二干涉成像镜组（13,14）和可见光CCD（15）组成，在干涉成像过程中，由所述的标准反射镜和被测试光学元件的反射光透过所述的标准球面镜（1）或标准平面楔镜（18）的标准球面参考面或标准平面参考面的测试光和由标准球面镜（1）或标准平面楔镜（18）的楔角面的反射光共同形成的沿原光路返回的干涉测试光，经45°分光镜（4）、第二分光棱镜（11）、第二凸透镜（12）、第二干涉成像镜组（13,14）和可见光CCD（15）后成像于可见光CCD（15）靶面上；
测试对准光源是635 nm半导体可见光光源（17），利用635 nm半导体可见光光源（17）对635 nm半导体可见光测试共光路和10.5 µm半导体红外光测试共光路对准；
所述的标准反射镜为标准球面反射镜或标准平面反射镜；
所述的10.5 µm半导体红外光源（10）为10.5 µm半导体红外激光器；
所述的45°分光镜的楔角面为30分的楔角。
2.根据权利要求1所述的中红外可见光双波长透射式干涉测试装置，其特征在于所述的635 nm半导体可见光光源（17）为635 nm半导体激光器。
3.根据权利要求1至2任一项所述的中红外可见光双波长透射式干涉测试装置，其特征在于所述的标准球面镜（1）或标准平面楔镜（18）的楔角面为30分的楔角。
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