無限遠像距中波顯微光學系統設計

孫 浩,武淑明,鄧 巖,于 興,馬宇軒,梁進智

(北京華北萊茵光電技術有限公司,北京 100015)

1 引 言

隨著紅外探測器技術的快速發展,紅外成像產品也在向各個應用領域延深。紅外顯微成像系統除了能觀察物體的細微細節還能夠了解其細微結構的熱分布情況,對于微電子技術[1-4]、生物醫學[5-6]、材料科學等領域的研究有著非常重要的作用[7-8]。

紅外顯微光學系統能夠收集待測物體的紅外輻射信號,將物體空間尺寸線性放大并成像至紅外探測器是系統中重要的組成部分。2006年,北京理工大學金偉其,高美靜等基于320×240非制冷焦平面探測器搭建了紅外顯微成像系統[9],設計了該系統中使用的2倍長波紅外顯微物鏡,數值孔徑(NA)0.45,工作距離20 mm。2011年,王國棟等結合人機工程學,研制了放大倍率3倍非制冷紅外顯微成像系統[10]。2020年,吳凡,李森森等設計了大工作距離中波紅外變焦顯微光學系統[11]。這些系統特別是基于非制冷探測器的紅外顯微成像系統已經產品化并在很多領域有重要的應用,但是其探測器件靈敏度低；相同孔徑下長波艾里斑直徑大,系統分辨率低,對于一些需要分辨小溫差下的細節檢測不適用,特別是在對微區域熱擴散和熱傳導的研究中,非制冷器件無法在低照度下實現高幀頻,熱輸運過程的高動態成像要求無法滿足。國外FLIR SC7000系列、InfraTec ImageIR 5300科研級紅外熱成像產品,核心器件都選用了中波制冷型紅外探測器,幀率達到115 Hz以上,其中顯微物鏡最大放大倍率為3倍,數值孔徑大,工作距離長,國內還沒有同類型顯微成像產品。

圖1 2倍長波紅外顯微物鏡

本文在前人研究的基礎上結合實際應用,從顯微光學系統原理出發及制冷型紅外器件后置孔徑光闌的特點,針對陣列規模320×256,像元尺寸30 μm,相對孔徑為2的中波制冷型紅外探測器,設計了一款無限遠像距中波顯微光學系統,放大倍率為3×,工作距離35 mm,數值孔徑(NA)0.75,適合于高幀頻下紅外顯微探測的需求以及類似顯微物鏡產品的系列化。

2 設計指標及原理

2.1 技術指標

顯微光學系統適配陣列規模320×256的高幀頻中波制冷型探測器,像元尺寸30 μm,設計考慮制冷型探測器的特點,物鏡的數值孔徑需要匹配器件冷闌的相對孔徑,兼顧系列化及通用性,相關的技術指標如表1所示。

表1 設計指

2.2 設計原理

相比于平行光入射的無限遠物距成像光學系統,顯微物鏡屬于有限物距放大成像系統,其物距在2倍焦距與1倍焦距之間。成像過程中系統對球面波前做了反向變換,如圖2所示,這一變換過程必然包含平面波前的中間態。無限遠像距顯微系統是將放大成像的過程做了分段,將有限遠的放大成像過程分為球面波轉換為平面波的準直部分,以及平面波轉換為球面波的匯聚成像部分。這樣的系統結構解除了顯微物鏡系統內部各個光學組元之間的耦合關系。固定成像物鏡組的光學參數,通過改變準直物鏡焦距就能夠實現多種放大倍率的切換,特別適合于系列化產品的開發；同時準直物鏡的光學結構更為簡單,也降低了制造成本；此外在準直物鏡和成像物鏡之間的平行光路部分方便設置分光鏡、濾光片,為待測品光譜特性的研究提供了條件。

圖2 顯微光學原理

定義f1為準直物鏡焦距,f2為成像物鏡焦距,無限遠物距顯微系統放大倍率β有如下關系:

由上式可知,成像物鏡的焦距確定后,系統放大倍率只和準直物鏡焦距有關。成像物鏡選擇較長焦距,有利于增加工作距離,系統像差主要為孔徑相關的球差及慧差,但會增加顯微系統的整體長度,所以在設計時成像物鏡焦距應該基于工作距離以及長度要求合理選擇。

為了抑制背景輻射對成像探測的影響,制冷探測器杜瓦內會設置冷闌。冷闌的位置處在焦面前端為圓孔,冷闌直徑與其到焦面距離的比值為像方F數。光學系統在設計時需要保證系統出瞳與冷闌匹配,這樣冷闌即為系統的視場光闌。對于此類系統的設計,當成像系統焦距較短時可以使用冷闌作為系統孔徑光闌,此時入瞳在系統內部,前端鏡片尺寸因視場變大而增大。無限遠像距中波顯微系統的設計中前組準直物鏡出瞳與后組成像物鏡入瞳需要匹配,這要求前組物鏡出瞳后置,后組物鏡入瞳前置,同時后組還要滿足出瞳為探測器冷闌位。為達到此要求,后組物鏡需要采用二次成像的光學結構,如圖3所示,后組物鏡由攝遠組和轉像組組成,攝遠組成像至中間像面,轉像組將中間像成像至探測器焦面,攝遠組孔徑光闌前置,轉像組孔徑光闌為冷闌位。

圖3 無限遠像距顯微系統

此時系統的放大倍率β為:

其中,βrear為轉像組放大倍率;l1,l2分別為轉像組物距和像距;f2為后組攝遠部分焦距;f3為后組成像物鏡焦距;f1為前組準直物鏡焦距。

系統數值孔徑NA等于前組準直物鏡數值孔徑NAfront,其中NArear為后組像方數值孔徑,F/#為像方F數。

3 設計實例

基于上述設計原理,結合中波紅外系統材料選取以及系統特點,對無限遠像距顯微中波顯微系統進行設計。設計將系統分成準直組、成像組、轉像組三個部分,定義轉像組的放大倍率為-1,此時準直組和成像組焦距比為1∶3,根據系統長度及物距的要求,定義成像組的焦距為160 mm,準直組焦距為53.3 mm,物方數值孔徑為0.75。

3.1 準直組

常見顯微物鏡結構分為李斯特型及阿米西型,李斯特型可在中低倍率使用,阿米西型主要用在高倍顯微鏡中[12]。為了滿足探測器孔徑匹配,雖然系統放大倍率不大,但數值孔徑較大,設計仍應該參考阿米西型結構,使用多組正透鏡遞次分解孔徑角,再采用正負透鏡組合的形式引入負球差及色差才能達到較好的設計結果。可以反向設計但需要考慮入瞳直徑的匹配,也可以正向設計,系統評價需要引入和后組焦距一致的理想物鏡。設計結果如圖4所示,正透鏡選用了硅材料,負透鏡選用了鍺材料,全部使用球面面型,也可以引入非球面簡化系統結構,但硅材料硬度較高,大尺寸硅的非球面透鏡,采用金剛石單點車削的加工工藝其表面粗糙度難以達到使用要求。

圖4 準直組

3.2 成像組

成像組使用攝遠結構,孔徑光闌設置在準直組出瞳位,焦距160 mm相對孔徑F/#為2.0。材料選用了硅、鍺,在像面附近的透鏡使用非球面以矯正像散及場曲。設計結果圖5所示。

圖5 成像組

3.3 轉像組

轉像組使用了對稱式結構,設計方法可參考雙高斯構型的方式,定義物距在無窮遠,先設計后組再做對稱,以平衡殘存的像散、場曲及倍率色差。物方數值孔徑為0.25,孔徑光闌設置在探測器冷光闌位,材料選用硅、鍺,設計結果如圖6所示。

圖6 轉像組

三部分分別設計完成后對系統進行拼接,得到3倍無限遠像距顯微物鏡,結果如圖7所示。拼接后系統的彌散斑直徑比各個部分單獨評價時增大,簡單優化后彌散斑收斂,能夠滿足使用要求。

圖7 3×中波紅外顯微物鏡

成像組和轉像組共同組成的后組望遠系統也可以考慮獨立優化,進一步減少鏡片數量。系統各個表面的YNI值大于1,冷像強度較低對成像影響可忽略。準直物鏡組各組元承擔了較大孔徑壓力,透鏡偏心及透鏡與結構裝配的偏心公差對系統性能影響明顯,結構設計及裝調需要采用定心裝配的工藝以保證系統成像質量。

表2 表面YNI

4 結 論

隨著紅外技術的發展,高性能紅外顯微系統在熱物理化學、微生物及MEMS優化設計等科技領域起到了非常重要的作用,本文討論了一種無限遠像距顯微系統的結構形式及設計方法,復用后成像物鏡,通過前準直物鏡的更換改變顯微鏡放大倍率,十分適合系列化產品的開發,結合中波制冷型紅外探測器,設計了一款工作距離35 mm,數值孔徑(NA)0.75的3倍中波顯微成像光學系統,系統由硅、鍺材料組成的12片透鏡組成,成像質量良好。