徐思軼，李茂忠，木 銳，劉福平，尹 爽，賈鈺超

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紅外顯微物鏡設計

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）

對紅外顯微光學系統(tǒng)進行了研究。根據光學系統(tǒng)設計指標，應用無限遠校正方法和反向追跡的方法設計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，物方線視場為20 mm的透射式紅外顯微物鏡的設計結果和公差分析。

紅外顯微物鏡；無限遠校正；反向追跡；光學設計

0 引言

目前國內外是根據實際應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。基于這些限制，紅外顯微物鏡發(fā)展趨勢是在現(xiàn)有設計方法和加工工藝的基礎上，不斷的優(yōu)化改進以適應不同領域對紅外顯微物鏡的應用需求。紅外顯微技術已廣泛應用于電子器件失效檢測、材料表面損傷檢測診斷等領域中[1-4]。其中紅外顯微測溫技術是一種非接觸式的檢測技術。結合紅外測溫技術與顯微成像技術的各自優(yōu)勢，紅外顯微鏡不僅能夠起到觀測待測物體的作用，還能在不損傷被測樣品的條件下快速有效的檢測出產品是否存在缺陷。

1 紅外顯微物鏡在微型催化劑催化反應中的應用

微納米材料制備是當今前沿和熱門的研究領域，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過程中會伴有巨大的溫度變化，但肉眼難以觀察。應用紅外顯微鏡則可清楚地觀測到微型催化劑在催化反應中的溫度變化，從而可為微型催化劑的活性判斷提供依據。

比如，甲醇催化燃燒是放熱反應，在氧化反應過程中會釋放熱量，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。當甲醇氣體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量得到[5]。

通過使用紅外顯微鏡的測溫功能以及后端軟件的記錄和統(tǒng)計功能可得到微型催化劑催化反應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，當通入反應氣體時，催化劑溫度升高（如圖1(a)中的光標位置）。紅外顯微鏡可以識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)域為催化劑較少區(qū)域，催化反應前后溫度升高約為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

為了適應前沿技術的發(fā)展，拓展紅外顯微鏡應用的新領域，所以設計兩款可應用于微型催化劑活性檢測的紅外顯微物鏡。

2 紅外顯微物鏡設計

1）光學系統(tǒng)設計參數(shù)

根據某微型催化劑項目對紅外顯微物鏡的實際使用指標的要求確定了紅外顯微光學系統(tǒng)的相關設計參數(shù)，內容如表1所示。

表1 紅外顯微光學系統(tǒng)設計參數(shù)

2）紅外顯微物鏡結構形式確定

紅外顯微物鏡在設計結構上主要分為兩類：分別是透射式和反射式。其中共軸的反射式顯微光學系統(tǒng)會有中心遮擋問題，此類系統(tǒng)對光學零件的面形精度和組裝時的裝調精度均要求較高[6-7]。透射式的光學結構則無以上問題。所以設計中采用透射式結構對紅外顯微物鏡進行設計。

3）材料選擇

設計中采用硫化鋅（ZnS）和鍺單晶作為光學零件材料。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系統(tǒng)的色差校正。機械材料選擇為鋁，主要是其重量輕，可加工性較好。

4）紅外顯微物鏡設計

無限遠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。前者把待測物成像在無限遠處，而后者把無限遠處待測物的像又成像在探測器件的焦平面上，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元件后也不會影響顯微光學系統(tǒng)的放大倍率。

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

＝－2￠/1￠(1)

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

由于顯微光學系統(tǒng)是焦距短，視場小，相對孔徑大的光學系統(tǒng)。并且所設計的紅外顯微光學系統(tǒng)的放大倍率較低，所以在設計優(yōu)化低倍率的顯微物鏡時需要著重校正軸上點的像差和小視場的像差：主要包括球差、軸向色差、以及正弦差等。

設計中在采用反向追跡的設計方法的同時將光闌位置設置在光學系統(tǒng)之外并固定其與后續(xù)光學元件的空間間隔。光學系統(tǒng)采用三片式結構配合正、負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系統(tǒng)結構，而后組透鏡也將作為共用鏡筒透鏡組完成后續(xù)設計，如圖3(a)所示。再將得到的后組透鏡翻轉后與其自身組合得到1×紅外顯微物鏡光學系統(tǒng)。如圖3(b)所示。3×顯微物鏡則在1×紅外顯微鏡基礎上進行設計。如圖3(c)所示。

3 設計結果

設計結果如下：由于1×顯微光學系統(tǒng)采用對稱式設計所以畸變校正理想，3×顯微光學系統(tǒng)系統(tǒng)全視場時畸變小于0.5%。如圖4(a)、4(b)所示。1×物鏡在特征頻率20mm/lp時MTF均大于0.55，如圖4(c)所示。3×物鏡在特征頻率20mm/lp時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視場的彌散斑直徑均小于探測器最小像元尺寸，如表2所示。所以設計結果滿足紅外顯微物鏡的設計要求。

4 公差分析

經過理想設計后根據加工的實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公差導致的高加工成本。表3為兩組光學系統(tǒng)的公差要求。

圖2 無限遠校正紅外顯微光學系統(tǒng)示意圖

圖3 紅外顯微物鏡示意圖

從分析結果來看1×紅外顯微鏡組的第3、4兩個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中橫坐標表示傳遞函數(shù)值，縱坐標表示累積概率。從圖中結果可知，1×紅外顯微物鏡全視場時有90%概率MTF大于0.4，3×紅外顯微物鏡全視場時有90%概率MTF大于0.43。從公差統(tǒng)計結果來看兩組顯微光學系統(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 光學系統(tǒng)結構參數(shù)誤差設置

Table 3 Tolerance demands of optical system

5 結論

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

實際應用中，根據不同的實際需求，選擇不同倍率的顯微物鏡來進行溫度觀測。兩種倍率的顯微物鏡各有優(yōu)點和自己的實際應用價值，在微納催化劑催化反應的觀測中相輔相成，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，研究方向為紅外光學系統(tǒng)設計。E-mail：449402764@qq.com

云南省省院省校合作項目，編號：2014IB007。