用于MEMS振镜激光扫描的显微物镜设计

为满足微机电系统（micro-electro-mechanical system,MEMS）二维激光扫描系统对显微物镜小入瞳直径、大入射角度、大视场的要求,利用光学设计软件Zemax设计了一款入瞳直径为1.1 mm,可匹配MEMS二维振镜±18°大扫描角度的近红外无限共轭微型显微物镜。该物镜总长小于23 mm,数值孔径为0.4,分辨率为1.26μm,工作距为900μm,各项像差校正良好,满足使用需求。设计结果表明,该微型显微物镜可满足便携式皮肤检测仪器的MEMS二维振镜激光扫描系统的应用要求。     

0.5×～2.5×长工作距离变焦距显微物镜设计

根据变焦距理论和显微物镜的特点,利用Zemax设计了一款可连续变倍的显微物镜。该物镜由4组双胶合透镜组构成,结构简单,成像质量良好,变倍范围在0.5~×~2.5~×之间,最大数值孔径达到0.1,共轭距346mm,物距76mm,空间频率65lp/mm处,全视场内的调制传递函数均大于0.3,适用于可见光光谱,可以与1/2inch CCD相匹配。通过对所设计的变倍显微物镜进行公差分析,得到一套比较宽松的公差,适合批量生产。设计结果表明,该变倍显微物镜可以满足工业视频检测的要求。     

基于显微成像的光纤连接器端面检测系统设计

介绍了一个基于显微成像和数字图像处理技术的非接触式光纤连接器端面自动检测系统:待测的光纤连接器固定于显微平台上,CCD接收显微物镜放大的图像并输入计算机中,然后由系统软件自动对图像进行对比度增强,二值化,平滑去噪,图像分割等处理,从而分析计算出纤芯、包层的各项几何参数。该系统可用于对光纤连接器的生产控制。     

带校正环的物镜光学设计

利用软件Zemax设计一款可用于盖玻片校正的显微物镜,该物镜采用逆向光路设计,无限远校正系统,其放大倍数为40×,可见光波段,数值孔径为0.6,校正的盖玻片厚度范围为0~1.5mm,管镜配合能满足Ф20mm视场。从镜头专利库ZEBASE中选择合适的镜头作为初始结构,通过设定合理的优化函数优化该镜头,对最后的结果进行成像指标分析,该款物镜能满足使用要求。     

双芯光纤马赫-曾德尔干涉仪的温度特性

对适用于温度传感的双芯光纤马赫-曾德尔干涉仪进行了研究,并通过将一根单模双芯光纤熔接在两根单模光纤之间,制得了双芯光纤马赫-曾德尔干涉仪型梳状滤波器.用干涉原理分别分析了该器件传输谱的自由空间谱宽与波长、双芯光纤的长度和两纤芯间的有效折射率差的关系,实验检测了它的温度特性.结果显示,随着温度的升高,该器件的传输谱发生红...     

单模光纤熔接损耗分析及自动对准与熔接系统

本文分析了单模光纤熔接损耗的主要原因,导出了连接损耗计算式,提出了保证给定损耗对自动对准条统的精度要求,介绍了CSM—1型单模光纤熔接机自动对准与熔接系统及自动对准系统精度,熔接损耗等验收测试结果。     

磁流体包覆无芯-三芯-无芯光纤结构的磁场传感器

本文提出了一种磁流体包覆的无芯-三芯-无芯光纤结构的磁场传感器。将两段2 mm的无芯光纤熔接在50 mm的三芯光纤两端,并将此结构插入70 mm长的毛细管中,通过向毛细管里注射磁流体,使无芯-三芯-无芯这一结构浸没在磁流体里。无芯光纤用来激发三芯光纤的包层模,并实现模间干涉。通过测量透射谱波谷波长的漂移或探测透射谱波谷的强度损耗可以实现对磁场强度的检测。实验结果表明:该传感器在磁场强度为8～16 mT内,透射谱的特征波长漂移随之线性变化,在1 606 nm附近的波长漂移灵敏度为68.57 pm/mT;该波长附近的透射谱强度损耗变化在相同的磁场强度范围内呈现良好的线性度,对应的强度灵敏度为0.828 7 dB/mT。该传感结构制作简易,灵敏度高,成本低廉,在磁场传感领域中有一定应用价值。     

纤芯失配的光纤Mach-Zehnder折射率传感器

基于Mach-Zehnder干涉仪原理,利用光纤错位熔接技术设计并制作了一种单模光纤-多模光纤-单模光纤-错位熔接点-单模光纤结构的液体折射率传感器。传感器中的多模光纤和错位连接部分充当光耦合器;多模光纤在后面的单模光纤的纤芯和包层中激发出纤芯模和包层模,不同的模式有不同的模式折射率,经中间单模光纤传输到错位熔接点处时,不同模式光之间将产生光程差,经错位熔接点耦合成为导出光纤的纤芯模从而产生干涉。对该传感器输出的干涉光谱中干涉谷功率随外界溶液折射率变化的规律进行了理论分析和实验研究。结果表明：溶液折射率变化为1.358 9~1.392 2时,干涉谱中1 530 nm附近的干涉谷光功率与溶液折射率呈单调递增关系,可用于折射率的测量;折射率变化为1.372 0~1.392 2时,传感器响应曲线具有很好的线性度,线性拟合系数为0.998,对应的灵敏度为252.06 dB/RIU。该传感器制作简单、结构紧凑、成本低、灵敏度高,可用于生物医学领域液体折射率的实时测量。     

无限共轭距物镜的数值孔径全自动测量方法与系统

提出了一种针对无限共轭距显微物镜的数值孔径测量方法,采用载玻片与空气界面处的全反射效应以及其在物镜的后焦面产生的全反射圆作为数值孔径参考基准,根据阿贝正弦定理推导出物镜的数值孔径。完成了基于该原理的实验测试系统的研发,包括光学系统、控制系统和完整的后焦面算法流程。其中的图像处理算法采用了二维傅立叶相关分析和灰度统计。对若干实际的油浸物镜的数值孔径进行了测量,结果表明本方法相对误差低于1%,远低于本文对比的其它方法。本方法对应的实验测量装置简单,可快速、全自动化地对实际的油浸物镜的数值孔径进行测量,且测量结果具有高精度和高重复性的优势,能直接用于无限共轭距油浸物镜的数值孔径测量,解决当前制约我国高端镜头检测方面的困难,具有很好的应用前景。     

阶跃折射率多模光纤包层等离子体共振传感器

光纤表面等离子体共振(SPR)传感器通常以纤芯为共振基底,需要采用腐蚀、侧抛、研磨等复杂的加工工艺将光纤包层去除,存在倏逝波不易泄露,传感探针制作困难的问题。本文提出一种以光纤包层为SPR共振基底的阶跃折射率多模光纤包层SPR传感器。采用单模光纤与阶跃折射率多模光纤偏芯熔接结构,将单模光纤纤芯中的光直接注入多模光纤包层,并在阶跃折射率多模光纤包层外镀50nm金膜。在探针传感段,光场能量全部分布在阶跃折射率多模光纤包层中,发生SPR效应充分。与传统光纤包层SPR传感结构相比,该传感器能够获得更深的共振谷,折射率测量范围为1.333～1.385RIU时,传感器的平均灵敏度可达2 307nm/RIU,本文亦对传感段多模光纤纤芯直径与长度不同参数的影响进行了探究。本文提出的阶跃折射率多模光纤包层SPR传感器制作简单,有效解决了光纤包层与空气界面不易获得倏逝波的问题。     

适用显微镜质量测试的高分辨率测量镜头设计

利用Zemax光学设计软件设计了一款适用于光学成像尺寸为38mm的互补金属氧化物半导体(CMOS)型工业相机的高分辨率测量镜头,该工业相机用于自动化定量分析检测显微镜像差。通过数码图像处理的方式去评判显微镜物镜性能的好坏。在满足性能要求基础上,对普通的测量镜头结构加以优化,使得测量镜头拥有非常高的分辨率。该镜头焦距为36mm,后工作距约为32mm,视场像面高度为36mm,在90lp/mm处,中心视场调制传递函数(MTF)值大于0.45,边缘视场MTF值大于0.25。     

红外多目标复合仿真光学系统设计

基于透射式复合投影以及微透镜阵列扩束设计了适用于1~3 μm和3~5 μm波段的红外多目标复合模拟器的光学系统。该模拟器的干扰光路采用透射式复合投影并利用微透镜阵列完成扩束。此外,采用前无焦系统和后聚焦镜组结合的方式,通过在平行光路中引入平面耦合镜,实现了目标和干扰光路共用一套投影系统。设计过程对目标光学系统、干扰光学系统和主投影光学系统分开优化,之后对系统进行整体优化。该系统入瞳距为200 mm,视场为±4°,全视场调制传递函数（MTF）在20 lp/mm时大于0.6,接近衍射极限。文中分析了加工装调完成后光学系统的实测MTF数据,结果表明,MTF在20 lp/mm时大于0.3,完全满足应用技术指标。该系统已成功应用于新型红外目标模拟器,对未来红外仿真光学系统的设计有参考意义。     

面向光学装调微小距离测量的系统设计

光学仪器能否精准装调对其最终呈现的成像质量及性能有着重要影响。针对光学相机装校的修切量检测,提出了一种用于微小距离测量的光路方案并设计了一款物像等距的有限远共轭光学系统,其放大倍率为1×,数值孔径为0.09,视场为0.5°。根据实际应用需要,制定合理的光学指标,利用光学设计软件Zemax进行系统的设计与优化。结果表明,有限远共轭光学系统各视场在160 lp/mm处的调制传递函数均接近衍射极限,且都大于0.3,各视场的均方根半径小于艾里斑半径,满足光学指标设计要求。搭建实验平台,对装配星敏感镜头和CCD相机的修切圈进行测量,实验结果符合设计要求。     

一种长工作距视频显微镜光学系统设计

视频显微镜随着CCD探测器的发展得到了广泛应用。但其工作距离受以往折射式光学系统的限制,工作距离较短,影响了其应用范围。分析了长工作距视频显微镜的像差特点,并结合其长工作距离,利用光学设计软件Zemax进行光学成像效果的仿真,给出了工作距84.5mm,数值孔径0.16,光学放大倍率5倍,物方线视场1.2mm,分辨率7.7μm的折反射式显微镜光学系统的设计结果。     

Optical microscopy with flexible axial capabilities using a vari‐focus liquid lens

The axial imaging range of optical microscopy is restricted by its fixed working plane and limited depth of field. In this paper, the axial capabilities of an off‐the‐shelf microscope is improved by inserting a liquid lens, which can be controlled by a driving electrical voltage, into the optical path of the microscope. First, the numerical formulas of the working distance and the magnification with the variation of the focus of the liquid lens are inferred using a ray tracing method and conclusion is obtained that the best position for inserting a liquid lens with consistent magnification is the aperture plane and the rear focal plane of the objective lens. Second, with the liquid lens embedded in the microscope, the numerical relationship between the magnification and the working distance of the proposed flexible‐axial‐capability microscope and the liquid lens driving voltage is calibrated and fitted using the inferred numerical formulas. Third, techniques including autofocus, extending depth of field and three‐dimensional imaging are researched and applied, improving the designed microscope to not only flexibly control its working distance, but also to extend the depth of field near the variable working plane. Experiments show that the presented flexible‐axial‐capability microscope has a long working distance range of 8 mm, and by calibrating the magnification curve within the working distance range, samples can be observed and measured precisely. The depth of field can be extended to 400 μm from the variable working plane and is 20 times that of the off‐the‐shelf microscope.     

广角f-θ静态红外地平仪镜头的光学设计

为了满足航天器对轻小、价廉,性能可靠的自主导航系统的要求,设计了广角静态红外地平仪系统。该系统选择辐射稳定的14～16.25μm作为工作波段,并设定全视场角为136°,F数为0.61;采用反远距结构,使系统后工作距达到15mm;利用f-θ镜头设计原理,并合理地选用非球面对广角系统进行优化设计,使系统的线性特性的相对误差0.5%;在空间频率为15lp/mm处,系统的调制传递函数0.6,接近衍射极限;在半径为20μm的圆内,系统径向能量85%。另外,采用了像方远心光路,提高了像面的照度均匀性,实现了整个像面照度均匀性99%。设计结果表明,该镜头结构简单、体积小、后工作距大,很好地解决了广角镜头轴外像差平衡问题,实现了地平仪系统的高精度设计。     

光学相干层析技术在光学表面间距测量中的应用

搭建了适于镜头中光学表面间距测量的实验装置,用于非接触高精度测量镜面间距.该装置以光纤型时域光学相干层析系统为基础,通过光学表面的层析成像精确测量其相对位置.对样品扫描装置进行了改进,利用高精度导轨移动光纤准直器来移动成像范围,实现对不同深度光学表面的层析成像.利用实验测量系统完成了对空气间隙样品及已装调好镜头的光学表面间距的测量,其中空气间隙样品的测量值为6.026mm,用游标卡尺得到的对比测量值为6.02mm;对镜头关键参数空气间隙的测量值为10.750mm,其设计值为(10.7±0.03)mm.实验系统误差为3.871μm,测量灵敏度为10.5μm.结果显示该方法具有非接触、高精度、高灵敏度的特点.     

Initial resolution measurements of an improved magnetic-electrostatic detector objective lens for LVSEM

In this paper we present some initial resolution measurements of an improved magnetic-electrostatic detector objective lens for a low-voltage scanning electron microscope. The electron optical design of the lens was already proposed by the authors [G. Knell, E. Plies, Nucl. Instr. & Meth. A 427 (1999) 99]. The magnetic circuit of this lens has a radially arranged pole-piece gap. Thus, the specimen is immersed in a strong magnetic field of 106 mT (working distance: 1 mm, primary electron energy: 200 eV). The electrostatic field strength of our optimized lens variant amounts to a moderate value of 100 V/mm for a working distance of 1 mm. At a final beam energy of 1 keV a resolution of 3 nm, at 260 eV a resolution of 5 nm was obtained.     

数字X线影像仪中激光扫描光学系统的设计

数字X线影像仪是计算机和激光技术快速发展的产物,而其中的激光扫描光学系统是其核心技术之一。针对数字X光影像仪的使用特点,对激光扫描系统中的Fθ镜头、光束扩展器、扫描器这几个关键部件进行了较详细的论述分析,提出并解决了其中一些关键问题,如光阑位置浮动对像质的影响、影响系统扫描光点大小的因素、扫描器的确定等。最后用ZEMAX光学设计软件对系统的光学性能进行了设计模拟,得到扫描光斑直径小于0.1mm、焦距和视场满足线性关系的设计结果。像质评价分析结果表明,所设计的镜头像质优良,轴上与轴外质量相当,像质达到衍射极限。