針對(duì)像元尺寸為50μm×50μm的長(zhǎng)波紅外32×32元制冷型凝視焦平面陣列探測(cè)器的需要,設(shè)計(jì)了一種工作波長(zhǎng)位于15～35μm的透射式長(zhǎng)波紅外顯微成像光學(xué)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用一次性成像方式,且主要由系列透鏡構(gòu)成,其中冷光闌置于光路的出瞳位置。通過對(duì)稱雙膠合透鏡組合來校正像差,在-20～40℃溫度范圍采用光學(xué)被動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)實(shí)現(xiàn)消熱像差。仿真結(jié)果表明,當(dāng)所設(shè)計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)的中心波長(zhǎng)、焦距、數(shù)值孔徑、有效放大倍率和空間分辨率分別為27μm,14mm,0.25,10和0.1mm時(shí),在10lp·mm^-1特征頻率處調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）值達(dá)到0.369,系統(tǒng)包圍圓能量集中度超過80%,能夠得到清晰可辨的物像,滿足對(duì)冷光學(xué)系統(tǒng)短結(jié)構(gòu)、高分辨率的應(yīng)用需求。 

【文章來源】：光學(xué)學(xué)報(bào). 2020,40(06)北大核心EICSCD

【文章頁(yè)數(shù)】：8 頁(yè)

【部分圖文】：

長(zhǎng)波紅外顯微成像光學(xué)系統(tǒng)的剖面示意圖

紅外光學(xué)成像系統(tǒng)所用的光路主要有反射式和透射式兩種�？紤]到透射式光路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，沒有中心遮擋物，且具有紅外輻射能量利用率高的特點(diǎn)，本研究選擇透射式光路，并通過減少鏡片數(shù)量和采用鍍制增透膜的方法盡可能地減少入射光能的損失。在顯微光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，按反向光路計(jì)算�？拷锓揭唤M為前組，輔助光線在前組上的入射光線高度為h2，靠近像方一組為后組，輔助光線在后組上的入射高度為h1。如圖1所示，將透鏡合理組合可以實(shí)現(xiàn)10倍放大倍數(shù)的顯微光學(xué)系統(tǒng)[18]，其中s和s′分別代表像距和物距，虛線處代表薄透鏡組，等效于一個(gè)單透鏡的位置；Δu1為后組的偏角，Δu2為前組的偏角。長(zhǎng)波紅外光線通過兩組透鏡發(fā)生偏折后會(huì)聚于像面處，根據(jù)表1中的參數(shù)，可得光線的總偏折角Δu約為0.275，。目前由于所有的雙膠合透鏡對(duì)紅外光線的最大偏折角約0.15，單透鏡的最大偏折角約0.2，因此在本設(shè)計(jì)中采用1個(gè)單凸透鏡和2個(gè)雙膠合透鏡的組合，一方面能達(dá)到光路系統(tǒng)對(duì)總偏折角0.275的要求，另一方面通過對(duì)稱的雙膠合透鏡組可校正系統(tǒng)像差。進(jìn)行光學(xué)鏡頭設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮環(huán)境溫度對(duì)光學(xué)元件的影響。光學(xué)元件的曲率半徑、厚度、元件間的空氣間隔以及材料的折射率等均隨著溫度的改變而變化，元件參數(shù)的細(xì)微改變會(huì)對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量產(chǎn)生顯著影響，特別是溫度變化引起的折射率變化會(huì)使像平面發(fā)生嚴(yán)重偏移，因此必須對(duì)低溫制冷型焦平面陣列BIB探測(cè)器的光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行消熱像差處理。通用的消熱像差方法主要有機(jī)械被動(dòng)式、機(jī)電主動(dòng)式以及光學(xué)被動(dòng)式等[19-21]。光學(xué)被動(dòng)式消熱像差是當(dāng)前的主流技術(shù)，它巧妙借助不同透鏡材料折射率的溫度特性和色差特性，通過調(diào)整分配材料與光焦度的關(guān)系，使得光學(xué)系統(tǒng)因溫度變化而造成的像面漂移與鏡筒材料因熱脹冷縮產(chǎn)生的像面漂移相互補(bǔ)償，從而達(dá)到消除熱像差的效果[22-24]。被動(dòng)式消熱像差光學(xué)系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、質(zhì)量小、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，有利于光學(xué)系統(tǒng)的小型化和輕量化。在光學(xué)被動(dòng)式消熱像差方案中，光學(xué)材料的性能參數(shù)和系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)滿足

圖3為用ZEMAX軟件模擬得到的20℃時(shí)長(zhǎng)波紅外顯微成像光學(xué)系統(tǒng)的MTF曲線，曲線a,b,c,d分別對(duì)應(yīng)于4組ρ、f、D不同的值。對(duì)曲線a,b,c而言，在中心波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的10lp·mm-1截止頻率處，MIT值小于0.2，不能滿足長(zhǎng)波紅外顯微光學(xué)成像系統(tǒng)MIT值應(yīng)大于等于0.3的要求。因此經(jīng)過不斷優(yōu)化后得到系統(tǒng)最佳狀態(tài)時(shí)的曲線d，由圖3可以發(fā)現(xiàn)d曲線在截止頻率處對(duì)應(yīng)的MTF值為0.38，表明系統(tǒng)的物像傳遞性有了顯著提高，像質(zhì)得到改善，能滿足成像的需要。圖4為用ZEMAX軟件模擬得到的長(zhǎng)波紅外顯微成像光學(xué)系統(tǒng)所成像的點(diǎn)列圖。從圖4可以看出，在所有視場(chǎng)下系統(tǒng)的彌散圓的方均根（RMS）半徑以及最大半徑都小于10μm，小于探測(cè)器50μm×50μm的像元尺寸，表明32×32元陣列探測(cè)器的每個(gè)像元能夠很好地接收來自成像光學(xué)系統(tǒng)會(huì)聚的長(zhǎng)波紅外輻射光通量，最終形成目標(biāo)物的高質(zhì)量圖像。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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碩士論文
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本文編號(hào)：3240980