CN114061449A - 单探测器的红外干涉检测装置及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单探测器的红外干涉检测装置及其设计方法，可用于红外光学系统的干涉检测。所述检测装置实现了采用一个红外探测器形成对点光路和干涉成像光路的红外干涉光路形式，解决了传统的双探测器干涉仪结构形式成本昂贵的问题，减少了探测器数量，降低造价成本；挡板的引入使得光路可以实现对点成像光路和干涉成像光路两种模式间简单又快速地切换，解决了现有的单探测器干涉仪结构因机械件位移导致的切换光路模式具有延迟性、机械结构较为复杂和重复定位精度不够高的问题。

Description

单探测器的红外干涉检测装置及其设计方法

技术领域

本发明涉及干涉成像领域，具体涉及一种单探测器的红外干涉检测装置及其设计方法。

背景技术

目前，红外光学系统在各个方面应用广泛，因此红外光学元件的光学检测变得非常迫切与重要。目前国内外均已发展多种红外干涉仪器，当前的红外干涉仪系统多采用两个探测器分别用来接收对点光路和干涉成像光路。但是目前国内探测器大多为可见光波段，红外波段的探测器大多只能从国外进口，国内研究与生产的厂家非常少，这造成了红外探测器造价昂贵的问题，造价成本较高；同时容易被外国垄断技术。

中国专利《具有对点、测试双探测器的红外干涉检测装置》(ZL201110029807.4)采用双探测器分别接受对点光路和干涉成像光路的方式，虽然能实现红外系统的检测，但是探测器成本太高。在“An infrared interferometer with a broadband wavelengthchannel”一文中，利用双三角光路设计的方法实现了一个探测器构成干涉成像和对准光路，该方法通过位移一块反射镜实现光路模式的切换。但是这种方法需要依靠机械件通过较为复杂的位移实现，因此存在光路模式的切换存在延迟性和机械结构较为复杂的问题；同时对光路的调校要求比较高，也不能保证每次位移都能形成较好的成像质量，重复定位精度较差。

发明内容

本发明提出了一种单探测器的红外干涉检测装置及其设计方法，通过反射镜、分光镜进行光路折叠，引入挡板切换对点成像和干涉成像两种模式，解决了传统的利用两个探测器分别接收对点光路和干涉成像光路的问题造成的成本过高的问题，现使用一个探测器即可形成对点光路和干涉成像光路，降低了造价成本，并且可以快速方便地切换光路模式，解决了光路模式切换具有延迟性和重复定位精度差的问题，实现了对红外波像差的检测。

实现本发明的技术解决方案为：一种单探测器的红外干涉检测装置，包括准直光路、对点成像光路和干涉成像光路，还包括第二45°分光镜和挡板，通过反射镜、分光镜进行光路折叠，引入挡板切换对点成像和干涉成像两种模式，实现通过一个探测器形成对点成像光路和干涉成像光路。

所述准直光路包括激光器，以及沿激光器输出方向依次设置的第一45°分光镜、准直镜、标准镜和待测镜；激光器发出激光光束，进第一45°分光镜反射后，依次入射至准直镜、标准镜，在标准镜的后表面反射形成参考光束，透过标准镜的光束经过待测镜反射形成测试光束；标准镜和待测镜形成干涉腔；沿着测试光束传播方向，测试光束依次经标准镜、准直镜、第一45°分光镜和第二45°分光镜，光束在经过第二45°分光镜后分为透射光与反射光；透射光进入对点成像光路，反射光进入干涉成像测试光路系统。

干涉成像光路包括沿测试光束的反射光传播方向依次设置的针孔、第三45°分光镜、成像镜组、第三45°反射镜和红外探测器，进入干涉成像测试光路系统的反射光经针孔汇聚后，再经第三45°反射镜反射进入成像镜组，经成像镜组准直后形成为平行光，经第三45°反射镜反射被探测器接收。

对点成像光路包括沿测试光束的透射光传播方向依次设置的毛玻璃、对点镜、第一反射镜、第二反射镜，其中挡板设置在第一反射镜和第二反射镜之间，在挡板未遮挡第二反射镜时，测试光束的透射光依次经过毛玻璃、对点镜、第一反射镜、第二反射镜，经第二反射镜反射入干涉成像系统的第三45°分光镜，对点成像光路用于辅助粗调整标准镜和待测镜的位姿，使得所述红外干涉检测装置能够在干涉成像光路模式下精确调整标准镜和待测镜的位姿，继而在红外探测器上获取干涉图。

一种单探测器的红外干涉检测装置的设计方法，步骤如下：

步骤1、首先不考虑装置内所有反射镜与分光镜的分布，仅考虑待测镜、准直镜、成像镜组、对点镜和红外探测器的物像关系，即将干涉成像光路展开；对于准直光路，先计算激光器、准直镜和待测镜在同一光路时的情况；设准直镜和待测镜之间的距离的最大值为l_max，最小值为l_min，计算时以

作为待测镜到准直镜的距离为基础，计算所有光路结构。

根据激光器的数值孔径NA，结合待测镜口径所确定的准直光路需提供的照明范围h_{待测镜被检范围}，可计算出准直镜的焦距f_准直镜：

2f_准直镜tan(NA)＝h_{待测镜检测范围} (1)

进而得到激光器到准直镜的距离。

步骤2、由待测镜反射回来的平行测试光束经准直镜后会聚于针孔处，得到针孔的位置，进而确定准直镜到针孔的总距离。

步骤3、通过使待测镜、准直镜、针孔、成像镜组和红外探测器形成双远心光路，得到

其中f_成像镜为成像镜组的焦距，f_准直镜为准直镜的焦距，h_{待测镜被检范围}为准直光路提供的通光孔径，h_{探测器接收范围}为探测器的有效感光口径；确保干涉成像光路具有恒定的垂轴放大率，求得f_成像镜。

步骤4、由于针孔位于准直镜和成像镜组的共焦位置，得到f_成像镜后，进一步得到针孔到成像镜组的距离，即定下成像镜组的位置。

步骤5、在得到准直镜焦距f_准直镜和成像镜组焦距f_成像镜后，根据公式(2)与(3)，求得准直镜和成像镜组的中心距离d：

d＝f_准直镜+f_成像镜 (2)

再算出由准直镜和成像镜组构成的等效透镜焦距f和主平面的位置。

步骤6、根据等效透镜焦距f和主平面位置，再结合待测镜到准直镜的距离l₃₅，推算出成像镜组到红外探测器的距离l₉₁₁：

至此获得准直光路和干涉成像光路的各参数。

步骤7、对点光路中，毛玻璃和红外探测器通过对点镜和成像镜组构成镜组形成共轭关系；由待测镜反射回来的平行测试光束经准直镜会聚在毛玻璃处，以此得到毛玻璃的位置。

结合式(5)和式(6)，计算出毛玻璃上的成像范围2y_毛玻璃：

l₃₅tanθ_测＝y_激光器 (5)

f_准直镜tanθ_测＝y_毛玻璃 (6)

其中，y_激光器为激光器的半口径，θ_测为待测镜轴上点的半孔径角；毛玻璃位于准直镜的焦平面，y_毛玻璃为毛玻璃的物方半高；此时获得毛玻璃的光斑大小范围和位置。

由于红外探测器接收的对点光斑直径需小于红外探测器的最大有效口径；所以需先定下对点光斑的成像半径y_{对点光斑半径}。

已知红外探测器到成像镜组的距离l₉₁₁、在红外探测器上成像的对点光斑半径y_{对点光斑半径}以及成像镜组的焦距f_成像镜，选择对点镜焦距f_对点镜，根据式(7)、式(8)、式(9)和式(10)构成的方程组，计算出对点镜到毛玻璃的距离l₁₂₁₃和对点镜到中间像的距离l_{中间像到对点镜的距离}：

其中，y_中间像为毛玻璃处的物点经对点镜成的中间像半径。

至此，准直光路、对点成像光路和干涉成像光路的共轭关系元件焦距与位置皆已确定。

步骤8、为减小红外干涉检测装置的空间结构，选择合适的位置加入分光镜和反射镜进行光路折叠，即能够压缩光路空间并且实现合并对点光路和干涉成像光路；在待测镜和准直镜之间引入标准镜；同时在第一反射镜和第二反射镜之间位置引入挡板。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

(1)光路设计采用通过分光镜将干涉成像光路和对点成像光路从准直光路分离，再通过反射镜折叠光路合并，最后共用成像镜组完成各自成像的光路形式实现了单探测器接收双光路的效果。在保证能够达到较好干涉效果的同时，减少了探测器数量，大大减少了光路的成本。

(2)光路的特殊设计形式实现了挡板可以设置在对点成像光路的任意位置，设置灵活度较高；同时，光路切换模式方法简单，解决了传统光路切换模式重复定位度差的问题。

附图说明

图1为本发明整体干涉仪光路结构示意图。

图2为本发明准直光路共轭关系计算示意图。

图3为本发明干涉成像测试光路共轭关系计算示意图。

图4为本发明对点成像光路共轭关系计算示意图。

图5为本发明用于1310nm波段的具体实施例光路参数结构示意图。

图号标识：1、激光器；2、第一45°分光镜；3、准直镜；4、标准镜；6、第二45°分光镜；12、毛玻璃；13、对点镜；14、第一反射镜；16、切换挡板；15、第二反射镜；8、第三45°分光镜；9、成像镜组；10、第三45°反射镜；7、针孔；11、红外探测器。

为使本发明的上述目的、特征和优点更加明显易懂，下面结合附图所示实施方式对本发明的技术方案作进一步说明。

具体实施方式

本发明所述的单探测器的红外干涉检测装置包括准直光路、干涉成像光路、对点成像光路、第二45°分光镜6和挡板16，通过反射镜、分光镜进行光路折叠，引入挡板16切换对点成像和干涉成像两种模式，实现通过一个探测器形成对点成像光路和干涉成像光路。

所述准直光路主要用于为系统产生平行光束和均匀的照明，并且通过标准镜4和待测镜5分别产生参考光束和被测光束，使得标准镜4和待测镜5形成干涉腔。所述准直光路包括激光器1，以及沿激光器1输出方向依次设置的第一45°分光镜2、准直镜3、标准镜4和待测镜5。激光器1发出激光光束，进第一45°分光镜2反射后，依次入射至准直镜3、标准镜4，在标准镜4的后表面反射形成参考光束，透过标准镜4的光束经过待测镜5反射形成测试光束；标准镜4和待测镜5形成干涉腔；沿着测试光束传播方向，测试光束依次经标准镜4、准直镜3、第一45°分光镜2和第二45°分光镜6，光束在经过第二45°分光镜6后分为透射光与反射光；透射光进入对点成像光路，反射光进入干涉成像测试光路系统。

干涉成像光路包括沿测试光束的反射光传播方向依次设置的针孔7、第三45°分光镜8、成像镜组9、第三45°反射镜10和红外探测器11，进入干涉成像测试光路系统的反射光经针孔7汇聚后，再经第三45°反射镜8反射进入成像镜组9，经成像镜组9准直后形成为平行光，经第三45°反射镜10反射被探测器11接收。

对点成像光路包括沿测试光束的透射光传播方向依次设置的毛玻璃12、对点镜13、第一反射镜14、第二反射镜15，其中挡板16设置在第一反射镜14和第二反射镜15之间，在挡板16未遮挡第二反射镜15时，测试光束的透射光依次经过毛玻璃12、对点镜13、第一反射镜14、第二反射镜15，经第二反射镜15反射入干涉成像系统的第三45°分光镜8，对点成像光路用于辅助粗调整标准镜4和待测镜5的位姿，使得所述红外干涉检测装置能够在干涉成像光路模式下精确调整标准镜4和待测镜5的位姿，继而在红外探测器11上获取干涉图。

当挡板16遮挡第二反射镜15时，红外探测器11无法接收测试光束的透射光，仅接收测试光束的反射光。

结合图1～图5，所述的单探测器的红外干涉检测装置的设计方法，步骤如下：

步骤1、准直光路成像光路结构的计算方法先不引入任何折叠和分光元件，仅考虑元件包括激光器1、准直镜3和待测镜5的参数，将三个元件展开成一条光路。由于待测镜5有一个检测的轴向范围，设待测镜5到准直镜3的检测最大距离为l_max，待测镜5到准直镜3的最小检测距离为l_min，设置待测镜5到准直镜3的距离l₃₅为

以此为基础计算干涉仪所有光路结构。

对于标准镜4，需保证系统具有一定的通光口径，同时使得系统的检测范围能够满足被检元件的尺寸，影响着干涉光路系统的放大倍率。根据激光器1的数值孔径NA，结合待测镜口径所确定的准直光路需提供的照明范围h_{待测镜被检范围}，，根据公式(1)可计算出准直镜3的焦距f_准直镜：

2f_准直镜tan(NA)＝h_{待测镜检测范围} (1)

因为激光器1位于准直镜3的物方焦平面，进而得到激光器1到准直镜3的距离f_准直镜。

步骤2、所述由待测镜5反射回来的平行测试光束经准直镜3会聚后经第二45°分光镜6反射后的光束传播方向依次为针孔7、第三45°分光镜8、成像镜组9、第三45°反射镜10和红外探测器11。在确定准直镜3的焦距f_准直镜后，由于针孔7位于准直镜3的焦平面，进而确定准直镜3到针孔7的总距离。

步骤3、在干涉成像光路中，待测镜5与红外探测器11具有共轭关系，所以待测镜5的位置影响着在红外探测器11的成像大小，二者口径的大小决定了干涉成像光路的放大率。又由于干涉仪具有一定的轴向测量范围，所以为保证系统具有恒定的垂轴放大率，待测镜5、准直镜3、针孔7、成像镜组9和红外探测器11形成双远心光路系统。这种设计方法可以使得物像具有恒定的比例，能够解决待测镜5位置发生变化时经干涉成像光路后成像大小发生变化导致像不能被探测器11完全接收的问题。

根据待测面5物高和红外探测器11接受面积像高存在如下几何关系：

其中f_准直镜和f_成像镜既分别是准直镜3的焦距和成像镜组9的焦距，又是准直镜3到针孔7的总距离和针孔7到成像镜组9的总距离。由于f_准直镜已知，继而可以推出f_成像镜。

步骤4、由于针孔7位于准直镜3和成像镜组9的共焦位置，得到f_成像镜后，进一步得到针孔7到成像镜组9的距离，即定下成像镜组9的位置。

步骤5、又由公式可计算准直镜3和成像镜组9的中心距离d和这两个镜组形成的等效焦距f：

d＝f_准直镜+f_成像镜 (2)

步骤6、以待测镜5到准直镜3的距离作为物距l₃₅，根据公式(4)可以计算出成像镜组9到红外探测器11的距离l₉₁₁：

由于待测镜5具有一定的轴向检测范围，为确保红外探测器11接收到清晰的干涉图，可通过红外探测器11底座的位移台调节其位置保证其位于待测镜在干涉成像光路下的共轭位置。

对于针孔7部分，标准镜前后表面有一定度数的楔角θ_标准镜，接近准直镜3一侧的表面垂直于光轴，平行光在经过标准镜表面反射后会以与光轴成2θ_标准镜角度反射回去，针孔7位于准直镜3的焦平面，反射回来的光在针孔7所在平面会聚，根据公式(18)

f_准直镜tan(2θ_标准镜)＝h₂ (18)

可计算出为在标准镜3垂直于光轴的情况下平行光经过反射后会聚的高度h₂，从而对杂光进行滤波。

步骤7、所述对点成像光路沿透射过第二45°分光镜6后的光束传播方向依次为毛玻璃12、对点镜13、第一反射镜14、切换挡板16、第二反射镜15，经第三45°分光镜8后，重新经过成像镜组9、第三45°反射镜10和红外探测器11。如图3，该部分主要是一个毛玻璃12通过对点镜13和成像镜组9与红外探测器11共轭的系统。由于需满足对点光斑小于红外探测器11的最大接收范围，定下对点光斑的半径y_{对点光斑半径}，结合成像镜组9的焦距f_成像镜组，根据式(7)和式(8)可计算出中间像的位置，即成像镜组9到中间像的距离l_成像镜和毛玻璃处的物点经对点镜13成的中间像半径y_中间像；

根据式(5)和式(6)可以算出毛玻璃12上的成像半径，即y_毛玻璃。其中，y_激光器为激光器1的半口径，l₃₅为待测镜5到准直镜3顶点的距离，θ_测为待测镜5轴上点的半孔径角；毛玻璃12位于准直镜3的焦平面，y_毛玻璃为毛玻璃的物方半高；此时获得毛玻璃12的光斑大小范围和位置；

l₃₅tanθ_测＝y_激光器 (5)

f_准直镜tanθ_测＝y_毛玻璃 (6)

通过选择对点镜13的焦距f_对点镜，结合式(9)和式(10)，即可计算毛玻璃12与对点镜13的距离l₁₂₁₃和中间像到对点镜的距离l_{中间像到对点镜的距离}。

至此，即完成准直光路、干涉成像光路和对点成像光路共轭关系元件焦距与位置的确定。

步骤8、完成准直光路、干涉成像光路和对点成像光路共轭关系计算后，通过进行分光镜和反射镜元件位置的计算，在合适的位置加入分光镜和反射镜进行光路折叠，即能够实现压缩光路空间和使对点成像光路和干涉成像光路合并的效果。同时在待测镜5和准直镜3之间引入标准镜4；在第一反射镜14和第二反射镜15之间引入挡板16。这种光路结构设计保证了挡板16可以被设置在对点成像光路从毛玻璃12到第三45°分光镜8中的任意位置，并且可以以非常简单的方式进行光路的光路模式的切换。

分光镜组包括：第一45°分光镜2、第二45°分光镜6和第三45°分光镜；反射镜组包括：第一反射镜14、第二反射镜15和第三45°反射镜10。

步骤8-1、先选取激光器1到准直镜3的中点位置作为第一45°分光镜2的位置，即可获得第一45°分光镜2到激光器1的距离x₁₂和第一45°分光镜到准直镜3的距离x₂₃。

步骤8-2、由已知的几何关系

f_准直镜＝x₂₃+x₂₆+x₆₇ (11)

f_成像镜组＝x₇₈+x₈₉ (12)

其中，f_准直镜为准直镜3的焦距；f_成像镜组为成像镜组9的焦距；x₂₆为第一45°分光镜2到第二45°分光镜6的距离；x₆₇为第二45°分光镜6到针孔7的距离；x₇₈为针孔7到第三45°分光镜8的距离；x₈₉为第三45°分光镜8到成像镜组9的距离。

选取针孔7到成像镜组9的中点作为第三45°分光镜8的位置，得到x₇₈和x₈₉。根据步骤1，x₂₃已知，定下第一45°分光镜2到第二45°分光镜6的距离x₂₆的值，根据公式(11)即可算出x₆₇。其中，x₂₆要满足x₂₆<f_准直镜的条件；

由于成像镜组9到红外探测器11的距离x₉₁₁经步骤6的计算已知，所以选取成像镜组9到第三45°反射镜10的距离x₉₁₀，只需满足x₉₁₀≤l_min的条件。其中l为当待测镜5到准直镜3的距离为最小探测范围l_min时，待测镜5经干涉成像光路成像的共轭位置与成像镜组9的距离；

步骤8-3、由于

f_准直镜＝x₂₃+x₂₆+x₆₁₂ (13)

根据光路折叠计算步骤8-1和步骤8-2，f_准直镜，x₂₃，x₂₆均已知，可以通过公式(13)计算得出第二45°分光镜6到毛玻璃12的距离x₆₁₂。

步骤8-4、完成准直光路与干涉成像光路的光路折叠后，为保证光路具有一定的对称性，我们先确定第一反射镜和第二反射镜的距离x₁₄₁₅与第二45°反射镜和第三45°反射镜x₆₈的距离存在如下关系。

x₁₄₁₅＝x₆₈+△x₆+△x₈ (14)

其中Δx₆为第二45°反光镜的偏心高度，△x₈为第三45°分光镜的偏心高度。通过折射定律和正弦定理即可计算偏心高度。

根据公式(15)和公式(16)组成的方程组

x₈₁₅＝x₆₁₂+x₁₂₁₃+x₁₃₁₄ (15)

x₉₁₃＝x₈₉+x₁₃₁₄+x₁₄₁₅+x₈₁₅ (16)

步骤8-5、其中根据光路结构计算步骤7，求得毛玻璃12与对点镜13的距离x₁₂₁₃和对点镜13和成像镜组9的距离x₉₁₃，根据光路折叠计算步骤8-2，得到第三45°分光镜8和成像镜组9的距离x₈₉，即可算出第三45°分光镜8到第二反射镜15的距离x₈₁₅和对点镜13到第一反射镜14的距离x₁₃₁₄。

将切换挡板16设置于第一反射镜14和第二反射镜15之间，只需水平移动挡板即可切换光路模式。

本发明中，光路设计采用通过分光镜将干涉成像光路和对点成像光路从准直光路分离，再通过反射镜折叠光路合并，最后共用成像镜组完成各自成像的光路形式实现了单探测器接收双光路的效果。在保证能够达到较好干涉效果的同时，减少了探测器数量，大大减少了光路的成本。其光路的特殊设计形式实现了挡板可以设置在对点成像光路的任意位置，设置灵活度较高；同时，光路切换模式方法简单，解决了传统光路切换模式重复定位度差的问题。

实施例

结合图1至图4，基于单探测器的红外干涉检测装置及其设计方法，实验过程中采用了中心波长1310nm，带宽3Mhz，NA为0.13的DFB激光器作为光源；有效区域为12.88mm×10.24mm，工作波段为1000-1600nm的CCD作为探测器。经计算各光路参数如图5所示。本发明提出的基于单探测器的红外干涉检测装置及其设计方法实现步骤为：

步骤1、首先不考虑装置内所有反射镜与分光镜的分布，仅考虑待测镜5、准直镜3、成像镜组9、对点镜13和红外探测器11的物像关系，即将干涉成像光路展开；对于准直光路，先计算激光器1、准直镜3和待测镜5在同一光路时的情况；设准直镜3和待测镜5之间的距离的最大值为l_max，最小值为l_min，计算时以

作为待测镜5到准直镜3的距离为基础，计算所有光路结构。

根据激光器1的数值孔径NA，结合待测镜口径所确定的准直光路需提供的照明范围h_{待测镜被检范围}，可计算出准直镜3的焦距f_准直镜：

2f_准直镜tan(NA)＝h_{待测镜检测范围} (1)

进而得到激光器1到准直镜3的距离。

步骤2、由待测镜5反射回来的平行测试光束经准直镜3后会聚于针孔7处，得到针孔7的位置，进而确定准直镜3到针孔7的总距离。

步骤3、通过使待测镜5、准直镜3、针孔7、成像镜组9和红外探测器11形成双远心光路，得到

其中f_成像镜为成像镜组9的焦距，f_准直镜为准直镜3的焦距，h_{待测镜被检范围}为准直光路提供的通光孔径，h_{探测器接收范围}为探测器的有效感光口径。确保干涉成像光路具有恒定的垂轴放大率，求得f_成像镜。

步骤4、由于针孔7位于准直镜3和成像镜组9的共焦位置，得到f_成像镜后，进一步得到针孔7到成像镜组9的距离，即定下成像镜组9的位置。

步骤5、在得到准直镜焦距f_准直镜和成像镜组焦距f_成像镜后，根据公式(2)与(3)，求得准直镜3和成像镜组9的中心距离d：

d＝f_准直镜+f_成像镜 (2)

再算出由准直镜3和成像镜组9构成的等效透镜焦距f和主平面的位置。

步骤6、根据等效透镜焦距f和主平面位置，再结合待测镜5到准直镜3的距离l₃₅，推算出物距l。

根据公式(4)，算出成像镜组9到红外探测器11的距离l₉₁₁：

至此获得准直光路和干涉成像光路的各参数。

步骤7、对点光路中，毛玻璃12和红外探测器11通过对点镜13和成像镜组9构成镜组形成共轭关系；由待测镜5反射回来的平行测试光束经准直镜3会聚在毛玻璃12处，以此得到毛玻璃12的位置。

结合式(5)和式(6)，计算出毛玻璃12上的成像范围2y_毛玻璃：

l₃₅tanθ_测＝y_激光器 (5)

f_准直镜tanθ_测＝y_毛玻璃 (6)

其中，y_激光器为激光器1的半口径，l₃₅为待测镜5到准直镜3顶点的距离，θ_测为待测镜5轴上点的半孔径角；毛玻璃12位于准直镜3的焦平面，y_毛玻璃为毛玻璃的物方半高；此时获得毛玻璃12的光斑大小范围和位置。

由于红外探测器11接收的对点光斑直径需小于红外探测器11的最大有效口径；所以需先定下对点光斑的成像半径的y_{对点光斑半径}。

已知红外探测器11到成像镜组9的距离l₉₁₁、在红外探测器11上成像的对点光斑半径y_{对点光斑半径}以及成像镜组9的焦距f_成像镜，选择对点镜13焦距f_对点镜，根据式(7)、式(8)、式(9)和式(10)构成的方程组，计算出对点镜13到毛玻璃12的距离l₁₂₁₃和对点镜13到中间像的距离l_{中间像到对点镜的距离}：

至此，准直光路、对点成像光路和干涉成像光路的共轭关系元件焦距与位置皆已确定。

步骤8、为减小红外干涉检测装置的空间结构，选择合适的位置加入分光镜和反射镜进行光路折叠，即能够压缩光路空间并且实现合并对点光路和干涉成像光路；在待测镜5和准直镜3之间引入标准镜4；同时在第一反射镜14和第二反射镜15之间位置引入挡板16。

上述光路折叠的具体步骤如下：

步骤8-1、先选取激光器1到准直镜3的中点位置作为第一45°分光镜2的位置，获得第一45°分光镜2到激光器1的距离x₁₂和第一45°分光镜到准直镜3的距离x₂₃；

步骤8-2、由已知的几何关系

f_准直镜＝x₂₃+x₂₆+x₆₇ (11)

f_成像镜组＝x₇₈+x₈₉ (12)

其中，f_准直镜为准直镜3的焦距；f_成像镜组为成像镜组9的焦距；x₂₆为第一45°分光镜2到第二45°分光镜6的距离；x₆₇为第二45°分光镜6到针孔7的距离；x₇₈为针孔7到第三45°分光镜8的距离；x₈₉为第三45°分光镜8到成像镜组9的距离。

选取针孔7到成像镜组9的中点作为第三45°分光镜8的位置，得到x₇₈和x₈₉；根据第一45°分光镜到准直镜3的距离x₂₃，确定第一45°分光镜2到第二45°分光镜6的距离x₂₆的值，根据式(11)，算出第二45°分光镜6到针孔7的距离x₆₇；其中，第一45°分光镜2到第二45°分光镜6的距离x₂₆要满足x₂₆<f_准直镜的条件。

由于成像镜组9到红外探测器11的距离x₉₁₁已知，选取成像镜组9到第三45°反射镜10的距离x₉₁₀，只需满足x₉₁₀≤l的条件；其中l为当待测镜5到准直镜3的距离为最小探测范围l_min时，待测镜5经干涉成像光路成像的共轭位置到成像镜组9的距离。

步骤8-3、求解第二45°分光镜6到毛玻璃12的距离x₆₁₂：

f_准直镜＝x₂₃+x₂₆+x₆₁₂ (13)

步骤8-4、完成准直光路与干涉成像光路的光路折叠后，为保证对点光路和干涉成像光路具有一定的对称性，先确定第一反射镜14和第二反射镜15的距离x₁₄₁₅，以及第二45°分光镜6和第三45°分光镜8的距离x₆₈：

x₁₄₁₅＝x₆₈+△x₆+△x₈ (14)

通过折射定律和正弦定理计算，△x₆为第二45°分光镜6的偏心高度，△x₈为第三45°分光镜8的偏心高度。

根据公式(15)和公式(16)组成的方程组

x₈₁₅＝x₆₁₂+x₁₂₁₃+x₁₃₁₄ (15)

x₉₁₃＝x₈₉+x₁₃₁₄+x₁₄₁₅+x₈₁₅ (16)

步骤8-5、根据对点镜13到毛玻璃12的距离x₁₂₁₃、对点镜13和成像镜组9的距离x₉₁₃、第三45°分光镜8和成像镜组9的距离x₈₉，算出第三45°分光镜8到第二反射镜15的距离x₈₁₅和对点镜13到第一反射镜14的距离x₁₃₁₄。

本实施例通过一系列的计算和实施实现了单探测器对干涉成像光路和对点成像光路的接受，实验结果表明利用该设计方法实现的干涉光路结构具有可行性。

以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

需要说明的是，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种单探测器的红外干涉检测装置，包括准直光路、对点成像光路和干涉成像光路，其特征在于：还包括第二45°分光镜(6)和挡板(16)，通过反射镜、分光镜进行光路折叠，引入挡板(16)切换对点成像和干涉成像两种模式，实现通过一个探测器形成对点成像光路和干涉成像光路。

2.根据权利要求1所述的单探测器的红外干涉检测装置，其特征在于：所述准直光路包括激光器(1)，以及沿激光器(1)输出方向依次设置的第一45°分光镜(2)、准直镜(3)、标准镜(4)和待测镜(5)；激光器(1)发出激光光束，进第一45°分光镜(2)反射后，依次入射至准直镜(3)、标准镜(4)，在标准镜(4)的后表面反射形成参考光束，透过标准镜(4)的光束经过待测镜(5)反射形成测试光束；标准镜(4)和待测镜(5)形成干涉腔；沿着测试光束传播方向，测试光束依次经标准镜(4)、准直镜(3)、第一45°分光镜(2)和第二45°分光镜(6)，光束在经过第二45°分光镜(6)后分为透射光与反射光；透射光进入对点成像光路，反射光进入干涉成像测试光路系统。

3.根据权利要求2所述的单探测器的红外干涉检测装置，其特征在于：干涉成像光路包括沿测试光束的反射光传播方向依次设置的针孔(7)、第三45°分光镜(8)、成像镜组(9)、第三45°反射镜(10)和红外探测器(11)，进入干涉成像测试光路系统的反射光经针孔(7)汇聚后，再经第三45°反射镜(8)反射进入成像镜组(9)，经成像镜组(9)准直后形成为平行光，经第三45°反射镜(10)反射被探测器(11)接收。

4.根据权利要求3所述的单探测器的红外干涉检测装置，其特征在于：对点成像光路包括沿测试光束的透射光传播方向依次设置的毛玻璃(12)、对点镜(13)、第一反射镜(14)、第二反射镜(15)，其中挡板(16)设置在第一反射镜(14)和第二反射镜(15)之间，在挡板(16)未遮挡第二反射镜(15)时，测试光束的透射光依次经过毛玻璃(12)、对点镜(13)、第一反射镜(14)、第二反射镜(15)，经第二反射镜(15)反射入干涉成像系统的第三45°分光镜(8)，对点成像光路用于辅助粗调整标准镜(4)和待测镜(5)的位姿，使得所述红外干涉检测装置能够在干涉成像光路模式下精确调整标准镜(4)和待测镜(5)的位姿，继而在红外探测器(11)上获取干涉图。

5.根据权利要求4所述的单探测器的红外干涉检测装置，其特征在于：当挡板(16)遮挡第二反射镜(15)时，红外探测器(11)无法接收测试光束的透射光，仅接收测试光束的反射光。

6.一种如权利要求1～5中任意一项所述的单探测器的红外干涉检测装置的设计方法，其特征在于，步骤如下：

步骤1、首先不考虑装置内所有反射镜与分光镜的分布，仅考虑待测镜(5)、准直镜(3)、成像镜组(9)、对点镜(13)和红外探测器(11)的物像关系，即将干涉成像光路展开；对于准直光路，先计算激光器(1)、准直镜(3)和待测镜(5)在同一光路时的情况；设准直镜(3)和待测镜(5)之间的距离的最大值为l_max，最小值为l_min，计算时以

作为待测镜(5)到准直镜(3)的距离为基础，计算所有光路结构；

根据激光器(1)的数值孔径NA，结合待测镜口径所确定的准直光路需提供的照明范围h_{待测镜被检范围}，可计算出准直镜(3)的焦距f_准直镜：

2f_准直镜tan(NA)＝h_{待测镜检测范围} (1)进而得到激光器(1)到准直镜(3)的距离；

步骤2、由待测镜(5)反射回来的平行测试光束经准直镜(3)后会聚于针孔(7)处，得到针孔(7)的位置，进而确定准直镜(3)到针孔(7)的总距离；

步骤3、通过使待测镜(5)、准直镜(3)、针孔(7)、成像镜组(9)和红外探测器(11)形成双远心光路，得到

其中f_成像镜为成像镜组(9)的焦距，f_准直镜为准直镜(3)的焦距，h_{待测镜被检范围}为准直光路提供的通光孔径，h_{探测器接收范围}为探测器的有效感光口径；确保干涉成像光路具有恒定的垂轴放大率，求得f_成像镜；

步骤4、由于针孔(7)位于准直镜(3)和成像镜组(9)的共焦位置，得到f_成像镜后，进一步得到针孔(7)到成像镜组(9)的距离，即定下成像镜组(9)的位置；

步骤5、在得到准直镜焦距f_准直镜和成像镜组焦距f_成像镜后，根据公式(2)与(3)，求得准直镜(3)和成像镜组(9)的中心距离d：

d＝f_准直镜+f_成像镜 (2)

再算出由准直镜(3)和成像镜组(9)构成的等效透镜焦距f和主平面的位置；

步骤6、根据等效透镜焦距f和主平面位置，再结合待测镜(5)到准直镜(3)的距离l₃₅，推算出成像镜组(9)到红外探测器(11)的距离l₉₁₁：

至此获得准直光路和干涉成像光路的各参数；

步骤7、对点光路中，毛玻璃(12)和红外探测器(11)通过对点镜(13)和成像镜组(9)构成镜组形成共轭关系；由待测镜(5)反射回来的平行测试光束经准直镜(3)会聚在毛玻璃(12)处，以此得到毛玻璃(12)的位置；

结合式(5)和式(6)，计算出毛玻璃(12)上的成像范围2y_毛玻璃：

l₃₅tanθ_测＝y_激光器 (5)

f_准直镜tanθ_测＝y_毛玻璃 (6)

其中，y_激光器为激光器(1)的半口径，θ_测为待测镜(5)轴上点的半孔径角；毛玻璃(12)位于准直镜(3)的焦平面，y_毛玻璃为毛玻璃的物方半高；此时获得毛玻璃(12)的光斑大小范围和位置；

由于红外探测器(11)接收的对点光斑直径需小于红外探测器(11)的最大有效口径；所以需先定下对点光斑的成像半径y_{对点光斑半径}；

已知红外探测器(11)到成像镜组(9)的距离l₉₁₁、在红外探测器(11)上成像的对点光斑半径y_{对点光斑半径}以及成像镜组(9)的焦距f_成像镜，选择对点镜(13)焦距f_对点镜，根据式(7)、式(8)、式(9)和式(10)构成的方程组，计算出对点镜(13)到毛玻璃(12)的距离l₁₂₁₃和对点镜(13)到中间像的距离l_{中间像到对点镜的距离}：

其中，y_中间像为毛玻璃处的物点经对点镜(13)成的中间像半径；

至此，准直光路、对点成像光路和干涉成像光路的共轭关系元件焦距与位置皆已确定；

步骤8、为减小红外干涉检测装置的空间结构，选择合适的位置加入分光镜和反射镜进行光路折叠，即能够压缩光路空间并且实现合并对点光路和干涉成像光路；在待测镜(5)和准直镜(3)之间引入标准镜(4)；同时在第一反射镜(14)和第二反射镜(15)之间位置引入挡板(16)。

7.根据权利要求6所述的单探测器的红外干涉检测装置的设计方法，其特征在于：步骤8中，光路折叠的具体步骤如下：

步骤8-1、先选取激光器(1)到准直镜(3)的中点位置作为第一45°分光镜(2)的位置，获得第一45°分光镜(2)到激光器(1)的距离x₁₂和第一45°分光镜到准直镜(3)的距离x₂₃；

步骤8-2、由已知的几何关系

f_准直镜＝x₂₃+x₂₆+x₆₇ (11)

f_成像镜组＝x₇₈+x₈₉ (12)

其中，f_准直镜为准直镜(3)的焦距；f_成像镜组为成像镜组(9)的焦距；x₂₆为第一45°分光镜(2)到第二45°分光镜(6)的距离；x₆₇为第二45°分光镜(6)到针孔(7)的距离；x₇₈为针孔(7)到第三45°分光镜(8)的距离；x₈₉为第三45°分光镜(8)到成像镜组(9)的距离；

选取针孔(7)到成像镜组(9)的中点作为第三45°分光镜(8)的位置，得到x₇₈和x₈₉；根据第一45°分光镜到准直镜(3)的距离x₂₃，确定第一45°分光镜(2)到第二45°分光镜(6)的距离x₂₆的值，根据式(11)，算出第二45°分光镜(6)到针孔(7)的距离x₆₇；第一45°分光镜(2)到第二45°分光镜(6)的距离x₂₆要满足x₂₆<f_准直镜的条件；

由于成像镜组(9)到红外探测器(11)的距离x₉₁₁已知，选取成像镜组(9)到第三45°反射镜(10)的距离x₉₁₀，只需满足x₉₁₀≤l的条件；其中l为当待测镜(5)到准直镜(3)的距离为最小探测范围l_min时，待测镜(5)经干涉成像光路成像后的共轭位置到成像镜组(9)的距离；

步骤8-3、求解第二45°分光镜(6)到毛玻璃(12)的距离x₆₁₂：

f_准直镜＝x₂₃+x₂₆+x₆₁₂ (13)

步骤8-4、完成准直光路与干涉成像光路的光路折叠后，为保证对点光路和干涉成像光路具有一定的对称性，先确定第一反射镜(14)和第二反射镜(15)的距离x₁₄₁₅，以及第二45°分光镜(6)和第三45°分光镜(8)的距离x₆₈：

x₁₄₁₅＝x₆₈+△x₆+△x₈ (14)

通过折射定律和正弦定理计算，△x₆为第二45°分光镜(6)的偏心高度，△x₈为第三45°分光镜(8)的偏心高度；

根据公式(15)和公式(16)组成的方程组：

x₈₁₅＝x₆₁₂+x₁₂₁₃+x₁₃₁₄ (15)

x₉₁₃＝x₈₉+x₁₃₁₄+x₁₄₁₅+x₈₁₅ (16)

步骤8-5、根据对点镜(13)到毛玻璃(12)的距离x₁₂₁₃、对点镜(13)和成像镜组(9)的距离x₉₁₃、第三45°分光镜(8)和成像镜组(9)的距离x₈₉，算出第三45°分光镜(8)到第二反射镜(15)的距离x₈₁₅和对点镜(13)到第一反射镜(14)的距离x₁₃₁₄。

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