40倍长工作距离PCF熔接系统显微物镜设计

英国Bath大学的P st.J.Russel等人 于1992年根据光子晶体传光原理提出光子晶体光纤(PhotonicCrystal Fiber，PCF)的概念。经过近二十年的研究，PCF的制备研究已趋于成熟L2J，且被广泛的应用于光电新产品开发、新型激光器、传感器和色散补偿器各个领域jJ。然而在使用PCF的过程中，都涉及IJPCF的熔接问题。

常规光纤之间的熔接对准，-般采用显微镜对其外径投影成像，通过投影成像寻找纤芯中心进行对准。

而光子晶体光纤的包层是由不同空气孔按-定规则排列构成，因此其成像对准不同于常规光纤熔接对准方式，研究表明不同的 PCF结构需要控制不同的熔接能量 ，且为了实现光子晶体光纤熔接能量的控制和熔接对准，必须采用特殊的显微成像光学结构。若采用常规光纤熔接的纤芯中心对准方式对 PCF进行熔接，则会产生很大的熔接损耗。要降低熔接损耗，则需要按照其空气孔排列完全对准，这就要求高倍显微镜能对 PCF截面成像，并精确的获取 PCF截面信息。这些端面信息包括：光纤空气孔大小，孔距比，空气孔层数等L6J。为了便于熔接操作，需要工作距离较长的显微成像系统。因此，本文重点研究用于 PCF熔接系统中长工作距离高放大倍率显微物镜的设计。

收稿日期：2012-09-10； 收到修改稿日期：2012-10-26基金项目：国家自然科学基金仪器专项资助项目(60927009)作者简介：毕]2I(1960-)，女(汉族)，河北秦皇岛人√授，博士生导师，博士，主要从事光纤传感、光电检测及近红外方面的研究。

http：ll光电工程 2013年 1月2 设计原理2.1长工作距离物镜工作原理长工作距离物镜工作原理如图3所示，其由前后两组透镜组成，前透镜组为正透镜组，焦距为 ，后透镜组为负透镜组，焦距为 ，前透镜组的光焦度的数值大于后透镜组光焦度数值。z为在此透镜组合下的工作距离，， 为用-个等效透镜时的工作距离。由图可以看出，，比， 距离比长很多。

，， j2 / - 二 ～ ： ---十 / -/ 、 、～ 、～- - ， - - - - - ， ，、 - /7 ----- - --÷。

， 、 / / 图 3 长工作作物镜原理图Fig.3 The principle of long working-distance objective2.2校正二级光谱所研究的光学系统是-个长工作距离、小视场的系统、采用透射式光学系统，-般的显微物镜对校正轴外像差不是那么严格，只要求校正正轴像差。本设计中显微系统的分辨力要达到 1 m。不仅要求校正球差、慧差、色差，还要着重消色球差，此外还应考虑象散和场曲。通过校正二级光谱可以使这些像差得到较好的改善。

- 般来说，光学系统在两个消色差波长 1和 像点重合后，与参考波长 有-些偏离，就是二级光谱。

对二级光谱进行校正的系统称为复消色差系统。对于轴上点而言，初级色差系数 Cl与 1光和 光在出瞳处两波面之间的波色差，如 的关系如下：车 - 车 (2)式中V(n如-1)/(n -n )。

，如 - f du ，2-n， fOZ ，d曼 (3)式中： ， 分别为21光和 光的波像差，况 ，昆 分别为 l光和 光的单色球差。当光学系统在空气中时，nt： ，1，UP≈ ， 为 光的孔径角♂合球差曲线∩得到：， 寺J( - )du (4)式中： ， 分别为 ，光和龙光的像方截距。

结合式(2)和式(4)可以得出求解各组中每片透镜的曲率差△ 和每片透镜光焦度 的方程组J ： ∑ ∑( -1)x2， -h ∑( ， ) △ 。，如2w -h ∑( )式中：(，)fn2。f f，( ，知)f n21f～ 。

http：//www.gdgc.ac ca第 4O卷第 1期 毕卫红，等 ：40倍长工作距离 PCF熔接系统显微物镜设计 473 确定物镜结构参数本设计系统为可见光光学系统，故选取 f，d，C光(f光为青光，d光为黄光，C光为红光)进行结构确定计算。 1A-486 am，222e656 nm，t0，d587 nlTI。带入式(5)求得系统初始结构♂合实际需要得到物镜参数的要求，根据显微物镜成像原理，确定显微物镜的结构，根据光路可逆原理，将系统倒置，如图 4所示，显微物镜由七片透镜组合而成，其中有两组双胶合透镜，-弯月形透镜，-平凸透镜，这样的透镜组合能比较好的消除色差并满足设计需要。

根据光路可逆原理，将系统倒置，用ZEMAX对其进行优化模拟。为使物镜视场达到设计要求，设置Image Space F/#1.4，并采用0，0.176和0.25这三个视臣虑到可见光等因素，将波长设置在486-656nm范围。

将透镜的相关参数引入到 ZEMAX中进行仿真，得到 MTF曲线，如图 5可以看到这种镜头下的 MTF情况，各视场的MTF曲线很不好，成像质量很不理想，需要对此组镜头各参数进行 ZEMAX仿真改善。

Doublet lens 1 Meniscus 1ens图 4 物镜结构Fig.4 The structIlr℃ofobjective lens毫TS 0.0000 mm TS 0.5080 mmTS 0.3690 mlnf J O 1 077.89 2155.79Spatial frequency in cycles per millimeter图5 初始的 MTF曲线Fig.5 The initial MTF curve4 物镜ZEMAX仿真由图5可知，初始的物镜成像质量很差，为使物镜达到 PCF熔接对准系统的要求，在确定了显微物镜的具体结构后，需结合 ZEMAX软件对物镜进行仿真优化，使其达到技术要求。在对镜头仿真前需要对-些参数进行设置，这些参数都是根据设计要求和便于光学加工进行设定。为使其工作距离达到 5 111I1，设置TTHI(面与面之间的表面厚度总和操作数)物镜最后-个透镜面到像面的距离为 5；为使放大倍率达到 4O倍，由于是倒追光路，故设置 PMAG(近轴放大倍率操作数)为-0.025，设置 TOTR(镜头总长度操作数)为 1 95，限制显微镜的整体长度。为了便于加工，最后在 meritfunction中限制玻璃的厚度为：2～10mm，边缘厚度为 1.5 I/ITI空气厚度为：O.16 mlTl，边缘厚度为 0.1 mm，最后再加上 1 I/lTI的装配尺寸。最后将各透镜半径和厚度设为变量，对其进行优化。最终仿真后的各像质评价如图6所示。

Ts 00T0s0o0加 m T so250mm76 TS n 1 m m 工01.OO.8O.6O.40-200 740.52 l 481.03Spatial frequency in cycles per millimeter(a1MTF cl'vehttp：//O 8 6 4 2 l O 0 0 0 0 48 光电工程 2013年 1月E Y E . . ： P .. ，-1 。 -gE Y. 。

(b)RAY curve(c)SPOT images图 6 各像质评价函数Fig.6 Image-quality-metric functionEY： [. 。

：由图 6(a)所知，MTF曲线几乎和衍射极限重合，说明 MTF达到了理想的值。由图 6(b)所知，像差较小且在允许值范围内，成像质量较好。由图6(c)图所知，点列图的弥散斑都在艾利斑以内。优化后的各类参数如表 2。

表2 优化后的显微物镜参数Table 2 Microscope objectives parameters after optimizationParameter ValueEfective focal lengthTotaltrackImage spaceF/#Image spaceNAObject spaceNA结合 ZEMAX中MTF曲线，RAY曲线，SPOT图等可知，优化后的显微物镜放大倍率为 40；物方数值孔径为 0.335；工作距离为 5 rfl/1；视场为 500 m×500 m；MTF曲线达到理想值；像差在允许的范围值内，成像质量较好。物镜达到了表 1设计的基本要求。

由 PCF熔接对准系统基本结构图(图 2)可知，PCF端面通过反射镜反射到显微物镜成像。所以需要在物镜和被成像 PCF端面间加上-反射平面镜，经过ZEMAX优化计算，此反射镜中心距离 PCF端面 2 nlnl，距离物镜第-个镜面为 3 real，最后结构如图7所示。

- - / r ]l7L l～ . /J1图7 加上反射镜的结构图Fig.7 The system structure after plus mirrorhttp：//6 3 4 4 二：光电工程 2013年 1月[5 付广伟，毕卫红，金娃.待熔光子晶体光纤中的热传导特性 [J.中国激光，2009，36(9)：2372-2379。

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