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扫描式微透镜阵列系统的角放大率特性研究

苏晓琴 杨童 周岩 穆郁 杨磊 谢洪波

苏晓琴, 杨童, 周岩, 穆郁, 杨磊, 谢洪波. 扫描式微透镜阵列系统的角放大率特性研究[J]. 红外技术, 2024, 46(4): 392-399.
引用本文: 苏晓琴, 杨童, 周岩, 穆郁, 杨磊, 谢洪波. 扫描式微透镜阵列系统的角放大率特性研究[J]. 红外技术, 2024, 46(4): 392-399.
SU Xiaoqin, YANG Tong, ZHOU Yan, MU Yu, YANG Lei, XIE Hongbo. Characterizing the Angular Magnification of Scanning Microlens Array System[J]. Infrared Technology , 2024, 46(4): 392-399.
Citation: SU Xiaoqin, YANG Tong, ZHOU Yan, MU Yu, YANG Lei, XIE Hongbo. Characterizing the Angular Magnification of Scanning Microlens Array System[J]. Infrared Technology , 2024, 46(4): 392-399.

扫描式微透镜阵列系统的角放大率特性研究

基金项目: 

基础加强计划重点基础研究项目 2020JCJQZD06600

详细信息
    作者简介:

    苏晓琴(1997-),女,硕士研究生,主要从事微透镜阵列扫描、光学设计方面的研究。E-mail:suxqjy@tju.edu.cn

    通讯作者:

    杨磊(1982-),男,博士,副教授,主要从事光学设计、光电检测与成像方面的研究。E-mail:yanglei@tju.edu.cn

  • 中图分类号: TN202

Characterizing the Angular Magnification of Scanning Microlens Array System

  • 摘要: 扫描式微透镜阵列系统通过微动扫描成像,能够有效解决小行程与大视场之间的矛盾。扫描式微透镜阵列一般采用开普勒式望远结构,通过镜片横向相对位移实现视场扫描。本文提出了一种基于开普勒式望远结构的四片式微透镜阵列,探究了微透镜阵列的角放大率对于3~5 μm波段的扫描式微透镜阵列系统的影响。当角放大率小于1时,经过串扰产生的杂散光较多,系统的能量利用率上限受到限制,导致衍射极限受到限制。角放大率越大,能量利用率上限越高,当角放大率从0.67×改变为0.83×,能量利用率可以从43%提升到69%。当角放大率大于1时,系统的能量利用率不再受到结构限制,在抑制串扰的条件下,优化得到角放大率为1.5×的结构。对其像质进行评价,各扫描视场RMS半径达到探测器像元尺寸,MTF达到0.6@17 lp/mm。角放大率作为表征微透镜阵列结构特点的参数,与系统能量利用率相关,从而影响像质,因此对于角放大率的分析与研究可为扫描式微透镜阵列系统的设计与实现提供依据。
  • 图  1  扫描式微透镜阵列系统成像原理

    Figure  1.  Imaging schematic of scanning microlens array system

    图  2  串扰光线产生原理

    Figure  2.  The principle of crosstalk light generation

    图  3  焦距f1'≥f2'的结构

    Figure  3.  Structure with focal length f1'≥f2'

    图  4  大视场光路图:(a) 加入场镜前;(b) 加入场镜后

    Figure  4.  Large field of view optical path diagram: (a) Before adding field lens; (b) After adding the field lens

    图  5  MLA三片式结构。(a) θ=0°; (b) θ=10°

    Figure  5.  MLA three-piece structure. (a) θ=0°; (b) θ=10°

    图  6  MLA四片式结构。(a) θ=0°; (b) θ=10°

    Figure  6.  MLA four-piece structure. (a) θ=0°; (b) θ=10°

    图  7  红外物镜结构

    Figure  7.  Infrared objective structure

    图  8  后光阑结构。(a) θ=0°; (b) θ=10°

    Figure  8.  Rear aperture structure. (a) θ=0°; (b) θ=10°

    图  9  能量利用率与角放大率的关系

    Figure  9.  Relationship between energy utilization and angular magnification

    图  10  前光阑结构。(a) θ=0°; (b) θ=10°

    Figure  10.  Front diaphragm structure. (a) θ= 0°; (b) θ=10°

    图  11  角放大率1.5×结构的点列图

    Figure  11.  Spot diagram of a structure with an angular magnification of 1.5×

    图  12  各扫描视场的惠更斯MTF。(a) θ=0°; (b) θ=4.24°; (c) θ=7.07°; (d) θ=10°

    Figure  12.  Huygens MTF for each scanning field of view. (a) θ=0°; (b) θ=4.24°; (c) θ=7.07°; (d) θ=10°

    图  13  微透镜阵列大视场光路

    Figure  13.  Large field of view optical path of microlens array

    表  1  系统参数

    Table  1.   System parameters

    System parameters Value
    Waveband 3−5 μm
    Scan field of view ±10°
    Total clear aperture 35 mm
    Unit clear aperture 0.7 mm
    Detector size 9.6 mm×7.68 mm
    Resolution 320×256
    F # 2
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  • [1] 白俊奇, 陈钱, 屈惠明. 红外凝视成像光学微扫描重建技术研究[J]. 红外与毫米波学报, 2008, 27(4): 257-260. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HWYH200804004.htm

    BAI J Q, CHEN Q, QU H M. Research on optical microscanning reconstruction for infrared staring imaging[J]. Journal of Infrared and Millimeter Waves, 2008, 27(4): 257-260. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HWYH200804004.htm
    [2] 李圆圆, 王春艳, 王志强. 高精度半导体激光打标机F-θ镜头设计[J]. 应用光学, 2020, 41(1): 202-208. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YYGX202001034.htm

    LI Y Y, WANG C Y, WANG Z Q. F-θ lens design for high-precision semiconductor laser marking machine[J]. Journal of Applied Optics, 2020, 41(1): 202-208. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YYGX202001034.htm
    [3] 郑猛, 邵双运, 冯其波. CR扫描仪激光扫描光学系统设计及理论分析[J]. 光学学报, 2010, 30(8): 2393-2400. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GXXB201008043.htm

    ZHENG M, SHAO S Y, FENG Q B. Design and theoretical analysis of laser scanning optical system for computed radiography[J]. Acta Optica Sinica, 2010, 30(8): 2393-2400. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GXXB201008043.htm
    [4] 钱立勇, 吴德成, 刘东, 等. 高光谱成像激光雷达扫描镜的分析与设计[J]. 光学学报, 2021, 41(9): 0928002. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GXXB202109026.htm

    QIAN L Y, WU D C, LIU D, et al. Analysis and design of hyperspectral imaging LiDAR scanning mirror[J]. Acta Optica Sinica, 2021, 41(9): 0928002. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GXXB202109026.htm
    [5] 董珊. 微透镜扫描器的研究[D]. 武汉: 华中科技大学, 2007.

    DONG S. Research on Beam Steering with Microlens Arrays[D]. Wuhan: Huazhong University of Science and Technology, 2007.
    [6] 刘冉. 微光学扫描器研究[D]. 武汉: 华中科技大学, 2007.

    LIU R. Research on Micro-optical Scanner[D]. Wuhan: Huazhong University of Science and Technology, 2007.
    [7] 杨旭, 耿超, 李小阳, 等. 微透镜阵列光学相控阵扫描技术研究进展[J]. 强激光与粒子束, 2021, 33(8): 65-75. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-QJGY202108005.htm

    YANG X, GENG C, LI X Y, et al. Review of microlens array optical phased array beam scanning technique[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2021, 33(8): 65-75. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-QJGY202108005.htm
    [8] WANG Y Z, LI D H, LUO C G, et al. Viewing angle enhanced integral imaging display based on double-micro-lens array[J]. Journal of the Society for Information Display, 2013, 21(7): 289-294 doi:  10.1002/jsid.178
    [9] 赵浩光, 曲涵石, 王鑫, 等. 高速微扫描图像超分辨重建[J]. 光学精密工程, 2021, 29(10): 2456-2464. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GXJM202110017.htm

    ZHAO H G, QU H S, WANG X. Super-resolution reconstruction of micro-scanning images[J]. Optics and Precision Engineering, 2021, 29(10): 2456-2464. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GXJM202110017.htm
    [10] 李建军, 褚春艳, 卢玮彤, 等. 微透镜阵列的制备与应用研究进展[J]. 光学学报, 2021, 41(21): 2100001. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GXXB202121001.htm

    LI J J, CHU C Y, LU W T, et al. Development of microlens arrays: from fabrication to photonic applications[J]. Acta Optica Sinica, 2021, 41(21): 2100001. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GXXB202121001.htm
    [11] YANG X, GENG C, LI X, et al. Theory analysis and experimental demonstration of a microlens array scanner with Kepler structure[J]. Applied Optics, 2020, 59(34): 10754-10760. doi:  10.1364/AO.402376
    [12] 赵迎, 接长伟. 激光通信终端光学系统杂散光抑制技术研究[J]. 激光与红外, 2021, 51(10): 1378-1382. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JGHW202110020.htm

    ZHAO Y, JIE C W. Research on stray light suppression technology of optical system of laser communication terminal[J]. Laser & Infrared, 2021, 51(10): 1378-1382. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JGHW202110020.htm
    [13] 王吉晖, 金伟其, 王岭雪, 等. 基于最小可分辨对比度的CCD成像系统最佳角放大率研究[J]. 光学学报, 2008, 28(11): 2125-2130. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GXXB200811017.htm

    WANG J H, JIN W Q, WANG L X, et al. Optimal angle magnification for CCD imaging systems based on minimum resolvable contrast[J]. Acta Optica Sinica, 2008, 28(11): 2125-2130. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GXXB200811017.htm
    [14] 范哲源, 杨洪涛, 屈恩世, 等. 大视场大相对孔径长波红外扫描光学系统设计[J]. 红外与激光工程, 2012, 41(10): 2740-2744. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HWYJ201210035.htm

    FAN Z Y, YANG H T, QU E S, et al. Design of long-wave infrared scan system with large field and large aperture[J]. Infrared and Laser Engineering, 2012, 41(10): 2740-2744. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HWYJ201210035.htm
    [15] 单秋莎, 谢梅林, 刘朝晖, 等. 制冷型长波红外光学系统设计[J]. 中国光学, 2022, 15(1): 72-78. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZGGA202201008.htm

    SHAN Q S, XIE M L, LIU Z H, et al. Design of cooled long-wavelength infrared imaging optical system[J]. Chinese Journal of Optics, 2022, 15(1): 72-78. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZGGA202201008.htm
    [16] 王保华, 刘志敏, 唐绍凡, 等. 星载高分辨率红外双谱段遥感器光学系统设计[J]. 激光与红外, 2022, 52(1): 102-109. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JGHW202201017.htm

    WANG B H, LIU Z M, TANG S F, et al. Optical system design of high resolution dual-band IR remote sensor[J]. Laser & Infrared, 2022, 52(1): 102-109. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JGHW202201017.htm
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-08-11
  • 修回日期:  2022-12-05
  • 刊出日期:  2024-04-20

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