用于微粒子观测的4F传像系统的研制

　　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。