摘 要:4F传像系统广泛应用于光信息处理领域,对4F传像系统进行了研究,根据其设计原则和某微粒子观测试验的要求,应用ZEMAX软件设计了工作波长为694 nm,视场达到Φ80 mm的4F光学系统,并根据本光学系统轴向尺寸长、对空气扰动要求严格等特点完成了光机结构的设计。用目视显微镜法和全息法检测系统的分辨率结果表明:系统在视场为Φ50 mm的范围 内分辨率优于4μm。
1 引 言
光信息处理的目的在于以各种光学手段获取或者识别所需要的信息。通常采取2种方法:一种是在频谱面上处理,称为频域综合;另一种是在输入面上处理,称之为空域综合。无论采用何种方法,其信息量比起电子技术信息量要大很多,因此光学信息处理技术具有广泛的应用前景。4F传像系统广泛用于光信息处理领域,利用4F传像系统对图像进行变换,可以测试难以直接测量的流场、粒子场[1-5]等。本文针对用于记录微观粒子场的高分辨率4F传像系统进行研究,完成了在视场为Φ80 mm,分辨率优于4μm的传像系统设计和检测方案。
2 4F传像系统的基本原理
4F传像系统原理[1,4]如图1所示。L1、L2分别为第1、第2傅里叶变换透镜, P1面为系统的输入面(也称之为物面), P为频谱面, P2为系统的输出面(也称为像面)。根据阿贝成像理论,粒子在4F传像系统的像面P2上的振幅分布可视为物面P1的振幅分布经两次衍射而得:第1次是物面的物振幅分布到频谱面的傅里叶变换,第2次衍射是由频谱面到像面的傅里叶变换。根据4F 系统变换原理可知,在4F系统中,输入面上的粒子场振幅分布经4F系统在输出面上的振幅分布仍是物振幅函数,只是坐标有了反转。
3 光学与结构设计
3.1 光学设计
为获得清晰的夫琅和费衍射图像和正确傅里叶变换关系,4F传像系统应满足以下成像要求[4],即具有相同衍射角的光线经透镜变换后应聚焦于焦平面上一点,而不同衍射角的光线经透镜变换后,应聚焦于焦平面上不同点处,形成各级频谱。在设计中,傅里叶变换透镜必须满足正弦条件要求,并应对光瞳位置校正球差和慧差,对物面位置校正球差、慧差、像散和场曲,其像差公差应达到衍射极限,即波像差不大于λ/4[6-7]。
根据所测微粒场的需求,孔径光阑设在透镜后焦面,视物位于透镜前焦面,视场则由被处理面的大小决定。设计的主要目标为:物方视场为Φ80 mm,分辨率优于4μm。遵循以上设计原则,对光学系统进行设计并优化,其结构型式如图2所示。根据实验要求系统对畸变要求严格,在光学设计中重点考虑了畸变的校正问题,其MTF曲线如图3所示
3.2 光机结构设计
针对本系统要求严格的傅里叶变换关系,并且轴向距离较长、分辨率高,以及所观测对象为μm级的粒子等特点,在光机结构设计[7]时,除了要考虑装调时要容易保证透镜间的同轴度、光学间距等常规要求外,还需要考虑频谱面处的消除噪声问题,以获得良好的图像。在频谱面处放置光阑,可以滤除高频噪声(如杂散光),对低频信号也没有损失,光阑结构及其与镜筒的装 配关系如图4所示,系统对光阑的要求主要有:与光轴同轴度优于0.01 mm,与透镜的间距公差优于0.02 mm。
由于分辨率高、使用过程中要使用强激光等原因,光学系统对频谱面处的空气扰动提出了严格的要求。为满足以上要求,确定采用保持频谱面处高真空的方式,该方式有以下优点: 1)频谱面处无气体分子,可以大大减小空气扰动;2)可以抽出一些空气中的细小粉尘颗粒,减小粉尘颗粒对激光的散射作用,降低其对实验的影响;3)避免激光对空气的电离击穿作用。为使低真空能够长久保持,在设计时镜筒与镜筒、镜筒与真空设备等的联接处采用标准的高真空设计,真空腔处镜筒与透镜的联接采用密封圈加灌胶的密封方法。为避免装配过程中因对密封 圈施加压力而对镜面面形产生影响,把频谱面两端的透镜设计得都较厚。
4 传像系统的装调
本系统在装调过程中主要解决保证正确的光学间距和长时间的低真空2个难题。在装调的过程中,采用装配、测量、修整垫片交替进行的方式来使各个透镜的位置达到设计的要求,其中以光阑的位置最为重要,在装调实验中也发现成像质量对光阑的位置较为敏感。真空设备与镜筒的联接方式和系统的真空实验的现场如图5所示。为使系统能够保持长时间的真空,在装调过程中使用高性能的真空胶,并使之充分凝固,通过反复实验表明:该系统可以保持12 h以上的100 Pa以下低真空,可以满足各类试验的真空要求和操作时间。
5 传像系统的检测
为验证4F系统能否满足粒子试验的要求,分别应用了目视显微镜法和全息的方法分别对其分辨率进行了检测。
5.1 目视显微镜法
目视显微镜法检测系统分辨率的基本原理如图6所示。把标准1号鉴别率板固定在4F系统的物平面处,目视显微镜的工作物面的初始位置放在4F系统像平面附近,沿光轴方向调整目视显微镜与4F系统间的距离,用眼睛直接观察鉴别率板所成的像,以能分辨开4个方向线条最密的一个单元为分辨极限。经检测,该系统在Φ50 mm视场内的分辨率优于4μm。
5.2 全息法
全息术的基本原理是利用“干涉记录、衍射重现”原理的成像法,把从物体来的光波的波前记录在感光材料上(称此为全息图),再按照需要照明此全息图,使原先记录的物光波的波前重现的一种照相技术。该方法应用于本系统的测试原理如图7所示。对照相底板上的物场进行了反演,结果表明:照相底板可分辨出小于4μm的微粒,也就是说本传像系统在全视场的分辨率优于4μm。
6 结 论
根据4F传像系统的基本原理,研制了用于微粒子观测的工作波长为694 nm的大视场、高分辨率4F传像系统。通过在频谱面处设计光阑和抽真空去除了高频噪声和空气扰动,并经过精密装调和反复实验,取得了良好的成像效果。在系统后安装CCD或全息系统,可以实现微粒子的实时观测,为难以直接测量的粒子场提供了一种实时观测的技术途径。该系统在光信息处理等方面有较高应用价值,并对其他高分辨率4F传像系统的设计与研究有一定的参考意义。
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作者简介
张雷,博士,现为中国科学院长春光学精密机械与物理研究所助理研究员,研究方向为光学仪器设计与分析。地址:长春市东南湖大路3888号新技术研究室, 130033 电话: 0431-86708837; E-mai:l zhangleisong@tom. com
齐迎春(通讯作者),博士,现为吉林大学讲师,主要研究方向为光机电一体化。地址:吉林大学生物与农业工程学院, 130022 电话: 0431-85686990; E-mai:l qiying-chun0304@tom. com
