孫 浩,武淑明,鄧 巖,于 興,馬宇軒,梁進(jìn)智
(北京華北萊茵光電技術(shù)有限公司,北京 100015)
隨著紅外探測器技術(shù)的快速發(fā)展,紅外成像產(chǎn)品也在向各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域延深。紅外顯微成像系統(tǒng)除了能觀察物體的細(xì)微細(xì)節(jié)還能夠了解其細(xì)微結(jié)構(gòu)的熱分布情況,對于微電子技術(shù)[1-4]、生物醫(yī)學(xué)[5-6]、材料科學(xué)等領(lǐng)域的研究有著非常重要的作用[7-8]。
紅外顯微光學(xué)系統(tǒng)能夠收集待測物體的紅外輻射信號(hào),將物體空間尺寸線性放大并成像至紅外探測器是系統(tǒng)中重要的組成部分。2006年,北京理工大學(xué)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(tǒng)[9],設(shè)計(jì)了該系統(tǒng)中使用的2倍長波紅外顯微物鏡,數(shù)值孔徑(NA)0.45,工作距離20 mm。2011年,王國棟等結(jié)合人機(jī)工程學(xué),研制了放大倍率3倍非制冷紅外顯微成像系統(tǒng)[10]。2020年,吳凡,李森森等設(shè)計(jì)了大工作距離中波紅外變焦顯微光學(xué)系統(tǒng)[11]。這些系統(tǒng)特別是基于非制冷探測器的紅外顯微成像系統(tǒng)已經(jīng)產(chǎn)品化并在很多領(lǐng)域有重要的應(yīng)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(tǒng)分辨率低,對于一些需要分辨小溫差下的細(xì)節(jié)檢測不適用,特別是在對微區(qū)域熱擴(kuò)散和熱傳導(dǎo)的研究中,非制冷器件無法在低照度下實(shí)現(xiàn)高幀頻,熱輸運(yùn)過程的高動(dòng)態(tài)成像要求無法滿足。國外FLIR SC7000系列、InfraTec ImageIR 5300科研級(jí)紅外熱成像產(chǎn)品,核心器件都選用了中波制冷型紅外探測器,幀率達(dá)到115 Hz以上,其中顯微物鏡最大放大倍率為3倍,數(shù)值孔徑大,工作距離長,國內(nèi)還沒有同類型顯微成像產(chǎn)品。
圖1 2倍長波紅外顯微物鏡
本文在前人研究的基礎(chǔ)上結(jié)合實(shí)際應(yīng)用,從顯微光學(xué)系統(tǒng)原理出發(fā)及制冷型紅外器件后置孔徑光闌的特點(diǎn),針對陣列規(guī)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(shè)計(jì)了一款無限遠(yuǎn)像距中波顯微光學(xué)系統(tǒng),放大倍率為3×,工作距離35 mm,數(shù)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(chǎn)品的系列化。
顯微光學(xué)系統(tǒng)適配陣列規(guī)模320×256的高幀頻中波制冷型探測器,像元尺寸30 μm,設(shè)計(jì)考慮制冷型探測器的特點(diǎn),物鏡的數(shù)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(guān)的技術(shù)指標(biāo)如表1所示。
表1 設(shè)計(jì)指
相比于平行光入射的無限遠(yuǎn)物距成像光學(xué)系統(tǒng),顯微物鏡屬于有限物距放大成像系統(tǒng),其物距在2倍焦距與1倍焦距之間。成像過程中系統(tǒng)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(tài)。無限遠(yuǎn)像距顯微系統(tǒng)是將放大成像的過程做了分段,將有限遠(yuǎn)的放大成像過程分為球面波轉(zhuǎn)換為平面波的準(zhǔn)直部分,以及平面波轉(zhuǎn)換為球面波的匯聚成像部分。這樣的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)解除了顯微物鏡系統(tǒng)內(nèi)部各個(gè)光學(xué)組元之間的耦合關(guān)系。固定成像物鏡組的光學(xué)參數(shù),通過改變準(zhǔn)直物鏡焦距就能夠?qū)崿F(xiàn)多種放大倍率的切換,特別適合于系列化產(chǎn)品的開發(fā);同時(shí)準(zhǔn)直物鏡的光學(xué)結(jié)構(gòu)更為簡單,也降低了制造成本;此外在準(zhǔn)直物鏡和成像物鏡之間的平行光路部分方便設(shè)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(xué)原理
定義f1為準(zhǔn)直物鏡焦距,f2為成像物鏡焦距,無限遠(yuǎn)物距顯微系統(tǒng)放大倍率β有如下關(guān)系:
由上式可知,成像物鏡的焦距確定后,系統(tǒng)放大倍率只和準(zhǔn)直物鏡焦距有關(guān)。成像物鏡選擇較長焦距,有利于增加工作距離,系統(tǒng)像差主要為孔徑相關(guān)的球差及慧差,但會(huì)增加顯微系統(tǒng)的整體長度,所以在設(shè)計(jì)時(shí)成像物鏡焦距應(yīng)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(nèi)會(huì)設(shè)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(shù)。光學(xué)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)需要保證系統(tǒng)出瞳與冷闌匹配,這樣冷闌即為系統(tǒng)的視場光闌。對于此類系統(tǒng)的設(shè)計(jì),當(dāng)成像系統(tǒng)焦距較短時(shí)可以使用冷闌作為系統(tǒng)孔徑光闌,此時(shí)入瞳在系統(tǒng)內(nèi)部,前端鏡片尺寸因視場變大而增大。無限遠(yuǎn)像距中波顯微系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中前組準(zhǔn)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(shí)后組還要滿足出瞳為探測器冷闌位。為達(dá)到此要求,后組物鏡需要采用二次成像的光學(xué)結(jié)構(gòu),如圖3所示,后組物鏡由攝遠(yuǎn)組和轉(zhuǎn)像組組成,攝遠(yuǎn)組成像至中間像面,轉(zhuǎn)像組將中間像成像至探測器焦面,攝遠(yuǎn)組孔徑光闌前置,轉(zhuǎn)像組孔徑光闌為冷闌位。
圖3 無限遠(yuǎn)像距顯微系統(tǒng)
此時(shí)系統(tǒng)的放大倍率β為:
其中,βrear為轉(zhuǎn)像組放大倍率;l1,l2分別為轉(zhuǎn)像組物距和像距;f2為后組攝遠(yuǎn)部分焦距;f3為后組成像物鏡焦距;f1為前組準(zhǔn)直物鏡焦距。
系統(tǒng)數(shù)值孔徑NA等于前組準(zhǔn)直物鏡數(shù)值孔徑NAfront,其中NArear為后組像方數(shù)值孔徑,F/#為像方F數(shù)。
基于上述設(shè)計(jì)原理,結(jié)合中波紅外系統(tǒng)材料選取以及系統(tǒng)特點(diǎn),對無限遠(yuǎn)像距顯微中波顯微系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)將系統(tǒng)分成準(zhǔn)直組、成像組、轉(zhuǎn)像組三個(gè)部分,定義轉(zhuǎn)像組的放大倍率為-1,此時(shí)準(zhǔn)直組和成像組焦距比為1∶3,根據(jù)系統(tǒng)長度及物距的要求,定義成像組的焦距為160 mm,準(zhǔn)直組焦距為53.3 mm,物方數(shù)值孔徑為0.75。
常見顯微物鏡結(jié)構(gòu)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(tǒng)放大倍率不大,但數(shù)值孔徑較大,設(shè)計(jì)仍應(yīng)該參考阿米西型結(jié)構(gòu),使用多組正透鏡遞次分解孔徑角,再采用正負(fù)透鏡組合的形式引入負(fù)球差及色差才能達(dá)到較好的設(shè)計(jì)結(jié)果??梢苑聪蛟O(shè)計(jì)但需要考慮入瞳直徑的匹配,也可以正向設(shè)計(jì),系統(tǒng)評價(jià)需要引入和后組焦距一致的理想物鏡。設(shè)計(jì)結(jié)果如圖4所示,正透鏡選用了硅材料,負(fù)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(tǒng)結(jié)構(gòu),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(diǎn)車削的加工工藝其表面粗糙度難以達(dá)到使用要求。
圖4 準(zhǔn)直組
成像組使用攝遠(yuǎn)結(jié)構(gòu),孔徑光闌設(shè)置在準(zhǔn)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(shè)計(jì)結(jié)果圖5所示。
圖5 成像組
轉(zhuǎn)像組使用了對稱式結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)方法可參考雙高斯構(gòu)型的方式,定義物距在無窮遠(yuǎn),先設(shè)計(jì)后組再做對稱,以平衡殘存的像散、場曲及倍率色差。物方數(shù)值孔徑為0.25,孔徑光闌設(shè)置在探測器冷光闌位,材料選用硅、鍺,設(shè)計(jì)結(jié)果如圖6所示。
圖6 轉(zhuǎn)像組
三部分分別設(shè)計(jì)完成后對系統(tǒng)進(jìn)行拼接,得到3倍無限遠(yuǎn)像距顯微物鏡,結(jié)果如圖7所示。拼接后系統(tǒng)的彌散斑直徑比各個(gè)部分單獨(dú)評價(jià)時(shí)增大,簡單優(yōu)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(zhuǎn)像組共同組成的后組望遠(yuǎn)系統(tǒng)也可以考慮獨(dú)立優(yōu)化,進(jìn)一步減少鏡片數(shù)量。系統(tǒng)各個(gè)表面的YNI值大于1,冷像強(qiáng)度較低對成像影響可忽略。準(zhǔn)直物鏡組各組元承擔(dān)了較大孔徑壓力,透鏡偏心及透鏡與結(jié)構(gòu)裝配的偏心公差對系統(tǒng)性能影響明顯,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及裝調(diào)需要采用定心裝配的工藝以保證系統(tǒng)成像質(zhì)量。
表2 表面YNI
隨著紅外技術(shù)的發(fā)展,高性能紅外顯微系統(tǒng)在熱物理化學(xué)、微生物及MEMS優(yōu)化設(shè)計(jì)等科技領(lǐng)域起到了非常重要的作用,本文討論了一種無限遠(yuǎn)像距顯微系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式及設(shè)計(jì)方法,復(fù)用后成像物鏡,通過前準(zhǔn)直物鏡的更換改變顯微鏡放大倍率,十分適合系列化產(chǎn)品的開發(fā),結(jié)合中波制冷型紅外探測器,設(shè)計(jì)了一款工作距離35 mm,數(shù)值孔徑(NA)0.75的3倍中波顯微成像光學(xué)系統(tǒng),系統(tǒng)由硅、鍺材料組成的12片透鏡組成,成像質(zhì)量良好。