Как точно измерить фокусное расстояние инфракрасной кремниевой линзы — сравнение метода волнового фронта Хартмана и метода увеличения 

Измерение фокусного расстояния инфракрасных кремниевых линз является ключевым звеном в юстировке и контроле инфракрасных оптических систем. Традиционный метод увеличения благодаря простоте оборудования и надёжной точности остаётся основным выбором в оптических цехах; метод волнового фронта Хартмана, благодаря высокой разрешающей способности анализа волновых аберраций и возможности одновременного получения многомерных оптических параметров, находит всё более широкое применение в области высокоточного контроля. В данной работе проводится систематическое сравнение двух методов по принципу действия, процедуре измерений, областям применения, а также преимуществам и недостаткам, что может служить справочным материалом для инженеров-оптиков, работающих в инфракрасной области.

1. Введение

Кремний благодаря высокому пропусканию в диапазоне 1,2–7 мкм и большому показателю преломления является одним из предпочтительных материалов для изготовления линз среднего инфракрасного диапазона. Фокусное расстояние как важнейший оптический параметр линзы напрямую влияет на качество изображения инфракрасной системы. В последние годы, с развитием таких областей, как инфракрасная термография, лазерное наведение и космическая оптика, возросли требования к точности и эффективности измерения фокусного расстояния кремниевых линз.

В настоящее время в инженерной практике используются два основных подхода: один основан на принципе геометрического формирования изображения (метод увеличения), другой — на зондировании волнового фронта (метод Хартмана). Они имеют разные теоретические основы и области применения.

2. Принцип и процедура измерения методом увеличения

2.1 Основной принцип

Метод увеличения (также называемый методом коллиматора для определения фокусного расстояния) является наиболее распространённым средством измерения фокусного расстояния в оптических цехах. Его суть заключается в следующем: коллиматор создаёт параллельный пучок света с известным расстоянием между штрихами, который после прохождения через испытуемую линзу формирует изображение; по размеру изображения вычисляют фокусное расстояние.

​

2.2 Особенности проведения измерений

Процедура измерения включает: установку испытуемой кремниевой линзы на оптической скамье между коллиматором и измерительным микроскопом; последовательную юстировку всех трёх элементов по одной оси; настройку микроскопа на чёткое изображение штрихов пластины Болла; многократные отсчёты по выбранной паре штрихов с помощью окулярного микрометра с последующим усреднением; вычисление фокусного расстояния по формуле. Измерение заднего фокального отрезка выполняется по разности показаний оптической скамьи при нахождении микроскопа в фокальной плоскости линзы и в положении вершины задней поверхности линзы.

При работе с инфракрасными кремниевыми линзами следует учитывать две особенности: во-первых, выбор источника света для инфракрасного диапазона — при использовании инфракрасных источников, например CO₂-лазера, в сочетании с пироэлектрическими детекторами можно приблизить условия измерения к реальным условиям работы линзы; во-вторых, из-за высокого показателя преломления кремния потери на отражение от поверхностей значительны, поэтому для обеспечения достаточной яркости изображения целесообразно увеличивать мощность источника света.

2.3 Точность и ограничения

Относительная погрешность метода увеличения обычно не превышает 1%. Преимущества метода: невысокие требования к оборудованию (достаточно фокометра), наглядность операции, применимость как для положительных, так и для отрицательных линз, а также возможность одновременного получения фокального отрезка. Однако ограничения очевидны: метод даёт только скалярное значение фокусного расстояния и не позволяет оценить аберрации волнового фронта по всему сечению линзы; измерения требуют ручного считывания показаний, что снижает производительность; для линз с большим диаметром или малым фокусным расстоянием качество изображения ухудшается из-за дифракции, что снижает точность.

3. Принцип и процедура измерения методом волнового фронта Хартмана

3.1 Основной принцип

Волновой датчик Хартмана (наиболее распространён тип Шэка-Хартмана) представляет собой прибор для измерения волнового фронта на основе определения его локальных наклонов. Ключевая конструкция включает массив микролинз и матричный детектор (CCD или CMOS): массив микролинз разделяет падающий волновой фронт на множество субапертур, каждая микролинза фокусирует соответствующую часть пучка на фокальную плоскость детектора, образуя пятно. При идеальном плоском волновом фронте пятна образуют правильную сетку; при наличии аберраций пятна смещаются относительно своих номинальных положений, и это смещение пропорционально локальному наклону волнового фронта в данной субапертуре.

По измеренным смещениям центров всех пятен можно реконструировать фазовое распределение волнового фронта и затем вычислить фокусное расстояние, аберрации и другие параметры линзы.

3.2 Процедура измерения

Для измерения фокусного расстояния инфракрасной кремниевой линзы необходимо поместить линзу перед датчиком, использовать инфракрасный лазерный источник (например, на длине волны 4,2 мкм) для формирования коллимированного пучка, проходящего через линзу, а за линзой установить датчик Хартмана, регистрирующий изображение массива пятен, образованных искажённым волновым фронтом. С помощью алгоритмов вычисления центров тяжести пятен определяются наклоны волнового фронта для каждой субапертуры, и выполняется аппроксимация фазового распределения. Перемещая датчик или линзу вдоль оптической оси, находят положение, в котором радиус кривизны волнового фронта минимален (т.е. фокус), — расстояние от этого положения до главной плоскости линзы и есть фокусное расстояние.

В литературе сообщается, что комбинация моделирования FDTD и экспериментальных измерений в среднем инфракрасном диапазоне позволяет эффективно выявлять дефокусировку, которую трудно объяснить традиционными скалярными методами.

3.3 Основные параметры

К числу ключевых параметров датчика Шэка-Хартмана относятся: чувствительность (минимально обнаруживаемый наклон волнового фронта), динамический диапазон (максимально обнаруживаемая аберрация), точность измерения (до λ/1000), пространственное разрешение (зависит от плотности массива микролинз) и частота кадров. Для высокоточных измерений инфракрасных линз предпочтение обычно отдаётся высокой точности и пространственному разрешению.

4. Сравнительный анализ двух методов

5. Рекомендации по выбору и перспективы

На практике выбор метода зависит от цели измерений и имеющихся ресурсов:

1. Если требуется только номинальное значение фокусного расстояния, линза имеет средний диаметр (обычно от 10 до 100 мм), а партия большая — предпочтительным является метод увеличения. Капитальные затраты минимальны, стоимость измерения одного образца низка.

2. Если требуется оценка качества изображения линзы, или система чувствительна к погрешностям волнового фронта, или линза находится на стадии разработки — рекомендуется метод волнового фронта Хартмана. Несмотря на более высокие начальные затраты, получаемая информация о волновом фронте намного ценнее одного только фокусного расстояния.

3. Для линз с большим диаметром (>150 мм) или очень коротким фокусным расстоянием (<20 мм) точность метода увеличения снижается из-за ограничений, связанных с апертурой коллиматора и условиями формирования изображения; в этом случае следует применять метод Хартмана или другие интерференционные методы.

Следует отметить, что для кремниевых линз в среднем инфракрасном диапазоне нельзя пренебрегать дисперсией материала и тепловыми эффектами. Результаты измерений обоими методами зависят от длины волны тестирующего излучения, поэтому при измерениях желательно использовать источник света, максимально приближенный к рабочей длине волны. В будущем, по мере совершенствования инфракрасных детекторов и алгоритмов обработки волнового фронта, ожидается более широкое применение метода Хартмана для контроля инфракрасных линз, а метод увеличения благодаря своей простоте и надёжности останется основой цеховых измерений.