紅外顯微物鏡設(shè)計(jì)

徐思軼，李茂忠，木 銳，劉福平，尹 爽，賈鈺超

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紅外顯微物鏡設(shè)計(jì)

徐思軼1，李茂忠1，木 銳1，劉福平2，尹 爽1，賈鈺超2

（1. 昆明物理研究所，云南 昆明 650223；2. 云南北方馳宏光電有限公司，云南 昆明 650217）

對(duì)紅外顯微光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行了研究。根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)，應(yīng)用無限遠(yuǎn)校正方法和反向追跡的方法設(shè)計(jì)兩款不同放大倍率的紅外顯微物鏡。并給出了兩款工作波段在8～12mm，放大倍率為1×和3×，工作距離均為25 mm，物方線視場(chǎng)為20 mm的透射式紅外顯微物鏡的設(shè)計(jì)結(jié)果和公差分析。

紅外顯微物鏡；無限遠(yuǎn)校正；反向追跡；光學(xué)設(shè)計(jì)

0 引言

目前國內(nèi)外是根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求研制不同倍率的紅外顯微物鏡，主要以中低倍率為主。造成這一現(xiàn)狀的主要原因是紅外顯微物鏡的工作波段較長和成像器件像元尺寸的限制?；谶@些限制，紅外顯微物鏡發(fā)展趨勢(shì)是在現(xiàn)有設(shè)計(jì)方法和加工工藝的基礎(chǔ)上，不斷的優(yōu)化改進(jìn)以適應(yīng)不同領(lǐng)域?qū)t外顯微物鏡的應(yīng)用需求。紅外顯微技術(shù)已廣泛應(yīng)用于電子器件失效檢測(cè)、材料表面損傷檢測(cè)診斷等領(lǐng)域中[1-4]。其中紅外顯微測(cè)溫技術(shù)是一種非接觸式的檢測(cè)技術(shù)。結(jié)合紅外測(cè)溫技術(shù)與顯微成像技術(shù)的各自優(yōu)勢(shì)，紅外顯微鏡不僅能夠起到觀測(cè)待測(cè)物體的作用，還能在不損傷被測(cè)樣品的條件下快速有效的檢測(cè)出產(chǎn)品是否存在缺陷。

1 紅外顯微物鏡在微型催化劑催化反應(yīng)中的應(yīng)用

微納米材料制備是當(dāng)今前沿和熱門的研究領(lǐng)域，而微型催化劑就屬于其中一類。在某些微型催化劑參與的催化反應(yīng)過程中會(huì)伴有巨大的溫度變化，但肉眼難以觀察。應(yīng)用紅外顯微鏡則可清楚地觀測(cè)到微型催化劑在催化反應(yīng)中的溫度變化，從而可為微型催化劑的活性判斷提供依據(jù)。

比如，甲醇催化燃燒是放熱反應(yīng)，在氧化反應(yīng)過程中會(huì)釋放熱量，因此采用紅外熱像顯微鏡觀察催化劑圖型在甲醇低溫催化燃燒過程中的溫度變化情況是一種直接有效的方法。當(dāng)甲醇?xì)怏w燃燒引起催化劑表面溫度上升，表面溫度值可由紅外顯微鏡測(cè)量得到[5]。

通過使用紅外顯微鏡的測(cè)溫功能以及后端軟件的記錄和統(tǒng)計(jì)功能可得到微型催化劑催化反應(yīng)過程中的溫度變化曲線圖和溫度分布圖。如圖1[5](a)所示，最小催化劑顆粒為幾十微米，當(dāng)通入反應(yīng)氣體時(shí)，催化劑溫度升高（如圖1(a)中的光標(biāo)位置）。紅外顯微鏡可以識(shí)別最小十幾微米的催化劑顆粒的溫度變化曲線如圖1(b)所示，Near Catalyst曲線所指區(qū)域?yàn)榇呋瘎┹^少區(qū)域，催化反應(yīng)前后溫度升高約為20℃，而Catalyst曲線處催化劑較多，溫升明顯（催化反應(yīng)前后溫度升高200℃左右）。

(a) 微型催化劑在甲醇催化燃燒過程中的紅外顯微鏡圖

(b) 催化劑溫度變化曲線

圖1 微型催化劑紅外圖像與溫度變化曲線

Fig.1 Miniature catalyst infrared image and temperature curve

為了適應(yīng)前沿技術(shù)的發(fā)展，拓展紅外顯微鏡應(yīng)用的新領(lǐng)域，所以設(shè)計(jì)兩款可應(yīng)用于微型催化劑活性檢測(cè)的紅外顯微物鏡。

2 紅外顯微物鏡設(shè)計(jì)

1）光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)某微型催化劑項(xiàng)目對(duì)紅外顯微物鏡的實(shí)際使用指標(biāo)的要求確定了紅外顯微光學(xué)系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)，內(nèi)容如表1所示。

表1 紅外顯微光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)

2）紅外顯微物鏡結(jié)構(gòu)形式確定

紅外顯微物鏡在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)上主要分為兩類：分別是透射式和反射式。其中共軸的反射式顯微光學(xué)系統(tǒng)會(huì)有中心遮擋問題，此類系統(tǒng)對(duì)光學(xué)零件的面形精度和組裝時(shí)的裝調(diào)精度均要求較高[6-7]。透射式的光學(xué)結(jié)構(gòu)則無以上問題。所以設(shè)計(jì)中采用透射式結(jié)構(gòu)對(duì)紅外顯微物鏡進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3）材料選擇

設(shè)計(jì)中采用硫化鋅（ZnS）和鍺單晶作為光學(xué)零件材料。在長波紅外波段硫化鋅（ZnS）的阿貝數(shù)與鍺單晶材料的阿貝數(shù)相差巨大，這樣的材料組合有利于光學(xué)系統(tǒng)的色差校正。機(jī)械材料選擇為鋁，主要是其重量輕，可加工性較好。

4）紅外顯微物鏡設(shè)計(jì)

無限遠(yuǎn)校正的顯微物鏡是由前置物鏡組和鏡筒物鏡組（成像透鏡組）組成。前者把待測(cè)物成像在無限遠(yuǎn)處，而后者把無限遠(yuǎn)處待測(cè)物的像又成像在探測(cè)器件的焦平面上，如圖2所示。另外，前、后兩物鏡組之間為平行光線，有利于加入輔助光學(xué)元件后也不會(huì)影響顯微光學(xué)系統(tǒng)的放大倍率。

在無限遠(yuǎn)校正顯微系統(tǒng)中需保證后物鏡組焦距與前物鏡組焦距的比值為光學(xué)系統(tǒng)放大倍率[8-10]，即：

＝－2￠/1￠(1)

式中：為光學(xué)系統(tǒng)放大倍率；1￠為前置物鏡組焦距；2￠為鏡筒物鏡組焦距。

由于顯微光學(xué)系統(tǒng)是焦距短，視場(chǎng)小，相對(duì)孔徑大的光學(xué)系統(tǒng)。并且所設(shè)計(jì)的紅外顯微光學(xué)系統(tǒng)的放大倍率較低，所以在設(shè)計(jì)優(yōu)化低倍率的顯微物鏡時(shí)需要著重校正軸上點(diǎn)的像差和小視場(chǎng)的像差：主要包括球差、軸向色差、以及正弦差等。

設(shè)計(jì)中在采用反向追跡的設(shè)計(jì)方法的同時(shí)將光闌位置設(shè)置在光學(xué)系統(tǒng)之外并固定其與后續(xù)光學(xué)元件的空間間隔。光學(xué)系統(tǒng)采用三片式結(jié)構(gòu)配合正、負(fù)分離透鏡的形式有利于球差等像差的校正。1×紅外顯微鏡后組透鏡的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，而后組透鏡也將作為共用鏡筒透鏡組完成后續(xù)設(shè)計(jì)，如圖3(a)所示。再將得到的后組透鏡翻轉(zhuǎn)后與其自身組合得到1×紅外顯微物鏡光學(xué)系統(tǒng)。如圖3(b)所示。3×顯微物鏡則在1×紅外顯微鏡基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)。如圖3(c)所示。

3 設(shè)計(jì)結(jié)果

設(shè)計(jì)結(jié)果如下：由于1×顯微光學(xué)系統(tǒng)采用對(duì)稱式設(shè)計(jì)所以畸變校正理想，3×顯微光學(xué)系統(tǒng)系統(tǒng)全視場(chǎng)時(shí)畸變小于0.5%。如圖4(a)、4(b)所示。1×物鏡在特征頻率20mm/lp時(shí)MTF均大于0.55，如圖4(c)所示。3×物鏡在特征頻率20mm/lp時(shí)MTF均大于0.49，圖4(d)所示。并且兩組MTF均接近衍射極限、1×和3×物鏡在0、0.3、0.5、0.7071視場(chǎng)的彌散斑直徑均小于探測(cè)器最小像元尺寸，如表2所示。所以設(shè)計(jì)結(jié)果滿足紅外顯微物鏡的設(shè)計(jì)要求。

4 公差分析

經(jīng)過理想設(shè)計(jì)后根據(jù)加工的實(shí)際水平和裝配工藝制定合理的公差分配，這樣可以提高紅外顯微物鏡的良品率，還能降低由于不必要的過嚴(yán)公差導(dǎo)致的高加工成本。表3為兩組光學(xué)系統(tǒng)的公差要求。

圖2 無限遠(yuǎn)校正紅外顯微光學(xué)系統(tǒng)示意圖

圖3 紅外顯微物鏡示意圖

從分析結(jié)果來看1×紅外顯微鏡組的第3、4兩個(gè)元件的中心厚度較為敏感，所以在加工制造中將這兩元件的中心厚度公差設(shè)置為±0.02。而其他參數(shù)均不太敏感可酌情制定。元件偏心、傾斜和平移等均能通過加工保證。3×顯微物鏡組的公差較為寬松。圖5中橫坐標(biāo)表示傳遞函數(shù)值，縱坐標(biāo)表示累積概率。從圖中結(jié)果可知，1×紅外顯微物鏡全視場(chǎng)時(shí)有90%概率MTF大于0.4，3×紅外顯微物鏡全視場(chǎng)時(shí)有90%概率MTF大于0.43。從公差統(tǒng)計(jì)結(jié)果來看兩組顯微光學(xué)系統(tǒng)能夠滿足傳遞函數(shù)的需求，也有較為穩(wěn)定的公差表現(xiàn)。

圖4 畸變曲線與MTF曲線

表2 彌散斑直徑

Table 2 Dispersion spot diameter

表3 光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)誤差設(shè)置

Table 3 Tolerance demands of optical system

5 結(jié)論

這兩款不同倍率紅外顯微物鏡均能滿足實(shí)際使用的需求，而兩組紅外顯微物鏡組中1×紅外顯微物鏡線視場(chǎng)較大，適合較大范圍內(nèi)的觀測(cè)。3×紅外顯微物鏡適合局部觀察以及更為精準(zhǔn)的測(cè)溫。

實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)不同的實(shí)際需求，選擇不同倍率的顯微物鏡來進(jìn)行溫度觀測(cè)。兩種倍率的顯微物鏡各有優(yōu)點(diǎn)和自己的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，在微納催化劑催化反應(yīng)的觀測(cè)中相輔相成，起到了重要的作用。

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Design of Infrared Microscope Objectives

XU Si-yi1，LI Mao-zhong1，MU Rui1，LIU Fu-ping2，YIN Shuang1，JIA Yu-chao2

(1.,650223,; 2.-.,650217,)

The paper discussed infrared microscopic optical system. According to the optical system design target, infinity correction method and the reverse tracing method were applied to design two different magnification IR microscope objectives. The design results and the analysis of tolerance of the two infrared microscopes were given, of which working band is 8-12 micron, working distance is 25 mm, the line view is 20 mm, and magnifications are 1×and 3×separately.

infrared microscope objectives，infinity correction，reverse trace，optical design

TH742

A

1001-8891(2015)11-0938-05

2015-08-09；

2015-10-29.

徐思軼，（1989-），男，云南昆明人，碩士研究生，研究方向?yàn)榧t外光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。E-mail：449402764@qq.com

云南省省院省校合作項(xiàng)目，編號(hào)：2014IB007。