长波红外显微成像光学系统的设计与仿真
发布时间：2021-06-21 16:09
针对像元尺寸为50μm×50μm的长波红外32×32元制冷型凝视焦平面阵列探测器的需要,设计了一种工作波长位于15～35μm的透射式长波红外显微成像光学系统。该系统采用一次性成像方式,且主要由系列透镜构成,其中冷光阑置于光路的出瞳位置。通过对称双胶合透镜组合来校正像差,在-20～40℃温度范围采用光学被动补偿技术实现消热像差。仿真结果表明,当所设计的光学系统的中心波长、焦距、数值孔径、有效放大倍率和空间分辨率分别为27μm,14mm,0.25,10和0.1mm时,在10lp·mm-1特征频率处调制传递函数（MTF）值达到0.369,系统包围圆能量集中度超过80%,能够得到清晰可辨的物像,满足对冷光学系统短结构、高分辨率的应用需求。
【文章来源】：光学学报. 2020,40(06)北大核心EICSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
长波红外显微成像光学系统的剖面示意图
红外光学成像系统所用的光路主要有反射式和透射式两种。考虑到透射式光路结构简单，没有中心遮挡物，且具有红外辐射能量利用率高的特点，本研究选择透射式光路，并通过减少镜片数量和采用镀制增透膜的方法尽可能地减少入射光能的损失。在显微光学系统设计中，按反向光路计算。靠近物方一组为前组，辅助光线在前组上的入射光线高度为h2，靠近像方一组为后组，辅助光线在后组上的入射高度为h1。如图1所示，将透镜合理组合可以实现10倍放大倍数的显微光学系统[18]，其中s和s′分别代表像距和物距，虚线处代表薄透镜组，等效于一个单透镜的位置；Δu1为后组的偏角，Δu2为前组的偏角。长波红外光线通过两组透镜发生偏折后会聚于像面处，根据表1中的参数，可得光线的总偏折角Δu约为0.275，。目前由于所有的双胶合透镜对红外光线的最大偏折角约0.15，单透镜的最大偏折角约0.2，因此在本设计中采用1个单凸透镜和2个双胶合透镜的组合，一方面能达到光路系统对总偏折角0.275的要求，另一方面通过对称的双胶合透镜组可校正系统像差。进行光学镜头设计时，需要考虑环境温度对光学元件的影响。光学元件的曲率半径、厚度、元件间的空气间隔以及材料的折射率等均随着温度的改变而变化，元件参数的细微改变会对光学系统的成像质量产生显著影响，特别是温度变化引起的折射率变化会使像平面发生严重偏移，因此必须对低温制冷型焦平面阵列BIB探测器的光学系统进行消热像差处理。通用的消热像差方法主要有机械被动式、机电主动式以及光学被动式等[19-21]。光学被动式消热像差是当前的主流技术，它巧妙借助不同透镜材料折射率的温度特性和色差特性，通过调整分配材料与光焦度的关系，使得光学系统因温度变化而造成的像面漂移与镜筒材料因热胀冷缩产生的像面漂移相互补偿，从而达到消除热像差的效果[22-24]。被动式消热像差光学系统具有结构简单、体积小、质量小、可靠性高的优点，有利于光学系统的小型化和轻量化。在光学被动式消热像差方案中，光学材料的性能参数和系统的结构参数满足
图3为用ZEMAX软件模拟得到的20℃时长波红外显微成像光学系统的MTF曲线，曲线a,b,c,d分别对应于4组ρ、f、D不同的值。对曲线a,b,c而言，在中心波长对应的10lp·mm-1截止频率处，MIT值小于0.2，不能满足长波红外显微光学成像系统MIT值应大于等于0.3的要求。因此经过不断优化后得到系统最佳状态时的曲线d，由图3可以发现d曲线在截止频率处对应的MTF值为0.38，表明系统的物像传递性有了显著提高，像质得到改善，能满足成像的需要。图4为用ZEMAX软件模拟得到的长波红外显微成像光学系统所成像的点列图。从图4可以看出，在所有视场下系统的弥散圆的方均根（RMS）半径以及最大半径都小于10μm，小于探测器50μm×50μm的像元尺寸，表明32×32元阵列探测器的每个像元能够很好地接收来自成像光学系统会聚的长波红外辐射光通量，最终形成目标物的高质量图像。
【参考文献】：
期刊论文
[1]红外显微热成像系统研究及应用[J]. 岳静静,吴之茂,木二珍,罗宏,姜杰,胡志宇. 红外技术. 2017(11)
[2]三分离式消热差制冷型中红外物镜的设计[J]. 张营,丁学专,杨波,张宗存,刘银年. 红外与激光工程. 2016(04)
[3]紧凑型双波段无热化红外光学系统设计[J]. 姜波,吴越豪,戴世勋,聂秋华,木锐,张勤远. 红外技术. 2015(12)
[4]N.A.0.75平场复消色差显微物镜光学设计[J]. 薛金来,巩岩,李佃蒙. 中国光学. 2015(06)
[5]双层谐衍射双波段红外消热差光学系统设计[J]. 张欣婷,安志勇. 光学学报. 2013(06)
[6]30×制冷型中波消热差红外变焦光学系统设计[J]. 高金红,付跃刚,刘智颖,侯振岩. 光电技术应用. 2013(02)
[7]近紫外-可见光宽波段复消色差显微物镜设计[J]. 陈姣,焦明印,常伟军,康文莉,胡博,张凤娟,崔海云. 应用光学. 2011(06)
[8]20×非制冷型红外变焦光学系统设计[J]. 刘峰,徐熙平,段洁,孙向阳,任宇芬. 光子学报. 2010(05)
[9]红外技术诊断高压电气设备内部缺陷[J]. 朱建军,王赟中,崔绍平,赵蕾. 高电压技术. 2004(07)
[10]一种宽光谱紫外镜头的设计[J]. 茹志兵,华珂. 应用光学. 2003(01)
硕士论文
[1]红外显微成像系统关键技术研究[D]. 韩杰.北京理工大学 2015
[2]红外显微镜热成像系统结构设计及分析[D]. 王国栋.昆明理工大学 2011
本文编号：3240980
【文章来源】：光学学报. 2020,40(06)北大核心EICSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
长波红外显微成像光学系统的剖面示意图
红外光学成像系统所用的光路主要有反射式和透射式两种。考虑到透射式光路结构简单，没有中心遮挡物，且具有红外辐射能量利用率高的特点，本研究选择透射式光路，并通过减少镜片数量和采用镀制增透膜的方法尽可能地减少入射光能的损失。在显微光学系统设计中，按反向光路计算。靠近物方一组为前组，辅助光线在前组上的入射光线高度为h2，靠近像方一组为后组，辅助光线在后组上的入射高度为h1。如图1所示，将透镜合理组合可以实现10倍放大倍数的显微光学系统[18]，其中s和s′分别代表像距和物距，虚线处代表薄透镜组，等效于一个单透镜的位置；Δu1为后组的偏角，Δu2为前组的偏角。长波红外光线通过两组透镜发生偏折后会聚于像面处，根据表1中的参数，可得光线的总偏折角Δu约为0.275，。目前由于所有的双胶合透镜对红外光线的最大偏折角约0.15，单透镜的最大偏折角约0.2，因此在本设计中采用1个单凸透镜和2个双胶合透镜的组合，一方面能达到光路系统对总偏折角0.275的要求，另一方面通过对称的双胶合透镜组可校正系统像差。进行光学镜头设计时，需要考虑环境温度对光学元件的影响。光学元件的曲率半径、厚度、元件间的空气间隔以及材料的折射率等均随着温度的改变而变化，元件参数的细微改变会对光学系统的成像质量产生显著影响，特别是温度变化引起的折射率变化会使像平面发生严重偏移，因此必须对低温制冷型焦平面阵列BIB探测器的光学系统进行消热像差处理。通用的消热像差方法主要有机械被动式、机电主动式以及光学被动式等[19-21]。光学被动式消热像差是当前的主流技术，它巧妙借助不同透镜材料折射率的温度特性和色差特性，通过调整分配材料与光焦度的关系，使得光学系统因温度变化而造成的像面漂移与镜筒材料因热胀冷缩产生的像面漂移相互补偿，从而达到消除热像差的效果[22-24]。被动式消热像差光学系统具有结构简单、体积小、质量小、可靠性高的优点，有利于光学系统的小型化和轻量化。在光学被动式消热像差方案中，光学材料的性能参数和系统的结构参数满足
图3为用ZEMAX软件模拟得到的20℃时长波红外显微成像光学系统的MTF曲线，曲线a,b,c,d分别对应于4组ρ、f、D不同的值。对曲线a,b,c而言，在中心波长对应的10lp·mm-1截止频率处，MIT值小于0.2，不能满足长波红外显微光学成像系统MIT值应大于等于0.3的要求。因此经过不断优化后得到系统最佳状态时的曲线d，由图3可以发现d曲线在截止频率处对应的MTF值为0.38，表明系统的物像传递性有了显著提高，像质得到改善，能满足成像的需要。图4为用ZEMAX软件模拟得到的长波红外显微成像光学系统所成像的点列图。从图4可以看出，在所有视场下系统的弥散圆的方均根（RMS）半径以及最大半径都小于10μm，小于探测器50μm×50μm的像元尺寸，表明32×32元阵列探测器的每个像元能够很好地接收来自成像光学系统会聚的长波红外辐射光通量，最终形成目标物的高质量图像。
【参考文献】：
期刊论文
[1]红外显微热成像系统研究及应用[J]. 岳静静,吴之茂,木二珍,罗宏,姜杰,胡志宇. 红外技术. 2017(11)
[2]三分离式消热差制冷型中红外物镜的设计[J]. 张营,丁学专,杨波,张宗存,刘银年. 红外与激光工程. 2016(04)
[3]紧凑型双波段无热化红外光学系统设计[J]. 姜波,吴越豪,戴世勋,聂秋华,木锐,张勤远. 红外技术. 2015(12)
[4]N.A.0.75平场复消色差显微物镜光学设计[J]. 薛金来,巩岩,李佃蒙. 中国光学. 2015(06)
[5]双层谐衍射双波段红外消热差光学系统设计[J]. 张欣婷,安志勇. 光学学报. 2013(06)
[6]30×制冷型中波消热差红外变焦光学系统设计[J]. 高金红,付跃刚,刘智颖,侯振岩. 光电技术应用. 2013(02)
[7]近紫外-可见光宽波段复消色差显微物镜设计[J]. 陈姣,焦明印,常伟军,康文莉,胡博,张凤娟,崔海云. 应用光学. 2011(06)
[8]20×非制冷型红外变焦光学系统设计[J]. 刘峰,徐熙平,段洁,孙向阳,任宇芬. 光子学报. 2010(05)
[9]红外技术诊断高压电气设备内部缺陷[J]. 朱建军,王赟中,崔绍平,赵蕾. 高电压技术. 2004(07)
[10]一种宽光谱紫外镜头的设计[J]. 茹志兵,华珂. 应用光学. 2003(01)
硕士论文
[1]红外显微成像系统关键技术研究[D]. 韩杰.北京理工大学 2015
[2]红外显微镜热成像系统结构设计及分析[D]. 王国栋.昆明理工大学 2011
本文编号：3240980
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/dianzigongchenglunwen/3240980.html
