針對像元尺寸為50μm×50μm的長波紅外32×32元制冷型凝視焦平面陣列探測器的需要,設計了一種工作波長位于15～35μm的透射式長波紅外顯微成像光學系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用一次性成像方式,且主要由系列透鏡構成,其中冷光闌置于光路的出瞳位置。通過對稱雙膠合透鏡組合來校正像差,在-20～40℃溫度范圍采用光學被動補償技術實現(xiàn)消熱像差。仿真結果表明,當所設計的光學系統(tǒng)的中心波長、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,在10lp·mm^-1特征頻率處調制傳遞函數(shù)（MTF）值達到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,滿足對冷光學系統(tǒng)短結構、高分辨率的應用需求。 

【文章來源】：光學學報. 2020,40(06)北大核心EICSCD

【文章頁數(shù)】：8 頁

【部分圖文】：

長波紅外顯微成像光學系統(tǒng)的剖面示意圖

紅外光學成像系統(tǒng)所用的光路主要有反射式和透射式兩種。考慮到透射式光路結構簡單，沒有中心遮擋物，且具有紅外輻射能量利用率高的特點，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。在顯微光學系統(tǒng)設計中，按反向光路計算。靠近物方一組為前組，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現(xiàn)10倍放大倍數(shù)的顯微光學系統(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，等效于一個單透鏡的位置；Δu1為后組的偏角，Δu2為前組的偏角。長波紅外光線通過兩組透鏡發(fā)生偏折后會聚于像面處，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，因此在本設計中采用1個單凸透鏡和2個雙膠合透鏡的組合，一方面能達到光路系統(tǒng)對總偏折角0.275的要求，另一方面通過對稱的雙膠合透鏡組可校正系統(tǒng)像差。進行光學鏡頭設計時，需要考慮環(huán)境溫度對光學元件的影響。光學元件的曲率半徑、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)的細微改變會對光學系統(tǒng)的成像質量產生顯著影響，特別是溫度變化引起的折射率變化會使像平面發(fā)生嚴重偏移，因此必須對低溫制冷型焦平面陣列BIB探測器的光學系統(tǒng)進行消熱像差處理。通用的消熱像差方法主要有機械被動式、機電主動式以及光學被動式等[19-21]。光學被動式消熱像差是當前的主流技術，它巧妙借助不同透鏡材料折射率的溫度特性和色差特性，通過調整分配材料與光焦度的關系，使得光學系統(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生的像面漂移相互補償，從而達到消除熱像差的效果[22-24]。被動式消熱像差光學系統(tǒng)具有結構簡單、體積小、質量小、可靠性高的優(yōu)點，有利于光學系統(tǒng)的小型化和輕量化。在光學被動式消熱像差方案中，光學材料的性能參數(shù)和系統(tǒng)的結構參數(shù)滿足

圖3為用ZEMAX軟件模擬得到的20℃時長波紅外顯微成像光學系統(tǒng)的MTF曲線，曲線a,b,c,d分別對應于4組ρ、f、D不同的值。對曲線a,b,c而言，在中心波長對應的10lp·mm-1截止頻率處，MIT值小于0.2，不能滿足長波紅外顯微光學成像系統(tǒng)MIT值應大于等于0.3的要求。因此經過不斷優(yōu)化后得到系統(tǒng)最佳狀態(tài)時的曲線d，由圖3可以發(fā)現(xiàn)d曲線在截止頻率處對應的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軟件模擬得到的長波紅外顯微成像光學系統(tǒng)所成像的點列圖。從圖4可以看出，在所有視場下系統(tǒng)的彌散圓的方均根（RMS）半徑以及最大半徑都小于10μm，小于探測器50μm×50μm的像元尺寸，表明32×32元陣列探測器的每個像元能夠很好地接收來自成像光學系統(tǒng)會聚的長波紅外輻射光通量，最終形成目標物的高質量圖像。

【參考文獻】：
期刊論文
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本文編號：3240980