反射光學(xué)元件助力多光譜成像系統(tǒng)

傳統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)通常利用透鏡的折射特性，但是對于需要在廣泛的激光波長范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)多光譜成像的應(yīng)用，基于透鏡的系統(tǒng)就明顯無法勝任了。相比之下，反射光學(xué)系統(tǒng)不但能夠解決大功率多光譜傳輸，而且還能有效降低系統(tǒng)復(fù)雜度，節(jié)約本錢。

在激光聚焦和多光譜成像應(yīng)用中，折射式鏡頭的面型設(shè)計(jì)面臨著兩大主要挑戰(zhàn)：挑戰(zhàn)之一是散射，事實(shí)上這也是每種介質(zhì)的固有特性，波長決定了光束通過鏡頭的速度。散射導(dǎo)致不同波長的光線在聚焦時(shí)，焦點(diǎn)位置會有差異。復(fù)合鏡頭可以解決這個(gè)題目——通過選擇各種不同的材料做成鏡頭，由于每種材料都具有不同的光學(xué)特性，因此彼此之間可以互相平衡散射。

然而，這種方法只能工作在有限的波段，通常是工作在一些特殊波段，如可見光波段、近紅外波段以及短波紅外波段(SWIR)等。帶寬越寬，需要的元件就越多。這種折射方法除了需要花費(fèi)更多的時(shí)間和本錢外，其光學(xué)透射范圍也會受到各種鏡片的化學(xué)性質(zhì)和固有特性的限制。

因此，這便導(dǎo)致了折射系統(tǒng)的第二個(gè)缺點(diǎn)：吸收。在大功率激光聚焦系統(tǒng)中，即使是很小一部分的光能量被吸收，就可能導(dǎo)致鏡頭嚴(yán)重?fù)p壞。傳統(tǒng)的解決方案是選擇鏡頭材料以及鍍膜，以進(jìn)步對應(yīng)激光波優(yōu)點(diǎn)的透射率。

不幸的是，當(dāng)同時(shí)需要多譜成像和大功率激光器時(shí)，這兩種解決方案并不能互相補(bǔ)足。在折射系統(tǒng)中，由于波段變寬，鍍膜所能夠達(dá)到的高透射任性能大大降低。因此對于一個(gè)傳統(tǒng)的鏡頭系統(tǒng)來說，要么需要限制光譜范圍，要么限制激光功率，這兩者不能同時(shí)滿足。

多透鏡需求

突顯這種困境的潛伏本錢的一種應(yīng)用是：在生產(chǎn)過程中檢測和修理平板顯示。用可見光掃描整個(gè)平板表面，以找有缺陷，一旦缺陷被識別出來，高功率激光束(通常由1064nm的Nd:YAG激光器輸出)就會對準(zhǔn)缺陷部位進(jìn)行融化。對于服務(wù)于該應(yīng)用的單獨(dú)光學(xué)系統(tǒng)，其必須在紅外波段和可見光波段有著很高的透射率。而且，系統(tǒng)必須要將紅外光和可見光聚焦在相同點(diǎn)，這樣才能保證激光束能夠可靠地投射到缺陷處。

即便是能夠找到合適的材料在如此寬泛的波段都能提供優(yōu)良的透射性能，如此復(fù)雜且要求苛刻的光學(xué)系統(tǒng)也會非常昂貴。因此，已經(jīng)實(shí)施的解決方案就是使用兩組復(fù)合物鏡。第一組復(fù)合物鏡用于可見光掃描，通常結(jié)合氦氖激光器光斑通過系統(tǒng)透射用于準(zhǔn)直目的。當(dāng)氦氖激光光斑指向缺陷部位時(shí)，透鏡系統(tǒng)的電動控制臺就會移動到此處，然后用近紅外光來代替可見光路并進(jìn)行激光往除。

由于需要多重鏡頭組、電動調(diào)整臺等，因此這種方案不但本錢高昂，而且維修用度也非常高。近紅外鏡頭與可見光鏡頭不能夠同時(shí)聚焦在相同的平面，因此系統(tǒng)的準(zhǔn)直非常重要，以確保激光燒蝕正常工作。

假如采用反射光學(xué)系統(tǒng)，則只需要幾個(gè)光學(xué)元件就能滿足該應(yīng)用需求，由于反射系統(tǒng)不受波長約束。反射系統(tǒng)不會產(chǎn)生散射;聚焦只與幾何面型有關(guān)系，因此不需要用多種元件進(jìn)行校正。反射光路通過系統(tǒng)(取決于反射鏡的反射率)與波長有關(guān)，但是波長對其產(chǎn)生的影響并不大。金屬反射膜的光譜范圍有10μm、20μm等，不同的材料有著不同的反射率，從而答應(yīng)反射鏡處理從紫外(150nm)到短波紅外(20μm)波段的光。假如需要極高的反射率以避免激光內(nèi)部熱源的影響，則需要特殊的激光膜層，以進(jìn)步激光波優(yōu)點(diǎn)的反射率，同時(shí)在其余波段不會對系統(tǒng)的性能產(chǎn)生影響。

典型的反射系統(tǒng)只有幾個(gè)光學(xué)元件：一個(gè)主鏡用來聚焦，一個(gè)二級反射鏡將光路進(jìn)行轉(zhuǎn)折到更有利的位置。二級反射鏡由一個(gè)“三腳架”固定，并用一個(gè)鏡筒來固定整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)(見圖1)。由于這種反射系統(tǒng)簡化了光路，因此與折射系統(tǒng)相比，能夠大幅縮減本錢，而且可以使結(jié)構(gòu)變得更加緊湊，更加牢固，這是由于通過反射鏡的反射，系統(tǒng)的光軸發(fā)生變化，從而減少了系統(tǒng)的長度。

圖1：僅采用兩個(gè)反射鏡就能夠進(jìn)行廣域光譜成像，同時(shí)沒有色差

例如，在面板檢測以及維修時(shí)， 反射系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)能夠得到很好的體現(xiàn)：只需要一個(gè)鏡頭就能夠代替折射系統(tǒng)的兩個(gè)鏡頭，不需要安裝電動移位臺器件，體積得到進(jìn)一步縮小，降低了本錢，并能夠進(jìn)步產(chǎn)能，由于在使用時(shí)不再需要轉(zhuǎn)換物鏡。這種簡化版的光學(xué)設(shè)計(jì)同時(shí)意味著系統(tǒng)調(diào)整變得更加簡單，比折射系統(tǒng)的投資回報(bào)率高出了很多。

設(shè)計(jì)考量

在多光譜應(yīng)用中，反射光學(xué)系統(tǒng)比折射光學(xué)系統(tǒng)更易于設(shè)計(jì)和實(shí)施;然而，在選擇反射式物鏡時(shí)必須要考慮以下一些因素：第一就是選擇固定的系統(tǒng)還是可以調(diào)整的系統(tǒng)。固定版物鏡在工廠生產(chǎn)的時(shí)候就已調(diào)整到最佳狀態(tài)，這種版本即使在震動以及意外碰撞下也不需要重新校準(zhǔn)(見圖2)。而且，由于固定版物鏡安裝要比可調(diào)整版更結(jié)實(shí)可靠，即使從適當(dāng)?shù)奈恢玫浠虻袈湟膊粫绊懫涫褂谩?/p>

圖2：固定版反射式物鏡用于調(diào)焦，大功率藍(lán)色激光束應(yīng)用于生物醫(yī)療方面能簡化系統(tǒng)、使得系統(tǒng)更牢固、更緊湊

固定版鏡頭非常適用于環(huán)境惡劣的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用，在安裝時(shí)不需要調(diào)整。為了具體說明這種物鏡，開發(fā)職員必須知道變化間隔——要么無窮遠(yuǎn)或特殊的管長，以及蓋玻片厚度。一旦布置好后，以后就不需要再進(jìn)行調(diào)整了。

調(diào)整版反射物鏡可通過一個(gè)或兩個(gè)參數(shù)來調(diào)整：鏡筒長度可調(diào)，或校正由于蓋玻片的厚度變化而導(dǎo)致的球差(見圖3)。通常只有鏡頭本身發(fā)生改變時(shí)才進(jìn)行調(diào)整，但是，當(dāng)主鏡和附鏡之間的間隔發(fā)生變化時(shí)，也需要進(jìn)行調(diào)整。廠商通常在出貨前會將光學(xué)性能調(diào)整到最佳狀態(tài)，帶調(diào)整說明以及特殊部位說明，比如調(diào)整圖片。使用者可將其安裝在系統(tǒng)中，可通過鏡筒長度和蓋玻片厚度進(jìn)行調(diào)整，然后固定。

圖3：可調(diào)整式反射物鏡能使開發(fā)應(yīng)用職員通過調(diào)整光路來滿足特殊需求

當(dāng)調(diào)整型鏡頭需要定期調(diào)整時(shí)，其可通過多重結(jié)構(gòu)來調(diào)整，功能多樣。這種鏡頭為現(xiàn)貨供給，比如可與小于典型值長度的鏡筒和蓋玻片厚度配套使用，不需要添加其他配件及額外用度就能夠滿足用戶的特殊需求。

無論是固定版還是調(diào)整版，在購買反射式物鏡時(shí)都需要留意一些關(guān)鍵點(diǎn)。其中最主要的是二級反射鏡以及三角座為成像帶來的陰影尺寸。二級反射鏡布局在主光路上，將不可避免地阻擋一部分光束通過系統(tǒng)，降低光束質(zhì)量。三角座的三個(gè)腿可導(dǎo)致衍射效應(yīng)，采用四腳直行設(shè)計(jì)時(shí)情況更為嚴(yán)重。四腿對稱設(shè)計(jì)各個(gè)腳都會導(dǎo)致衍射效應(yīng)，而且會相互疊加。三腿彎曲設(shè)計(jì)會避免上述缺陷，使光能透射更加均勻。

在使用反射物鏡時(shí)，另外一個(gè)需要考慮的因素是激光功率。這種反射物鏡采用標(biāo)準(zhǔn)金屬膜層，應(yīng)用范圍廣，但卻并不是大功率輸出激光器的最佳選擇。在與高功率激光配套使用時(shí)，需要考慮膜層的損傷閾值。有些廠商可以根據(jù)用戶的要求定制。

反射式物鏡可用于多種應(yīng)用領(lǐng)域，如激光退火或鉆孔，可將可見光波長與紅外功率傳輸兩者相結(jié)合。使用一套光學(xué)系統(tǒng)就可丈量波長為190nm到1μm薄膜的厚度。只要在傳感器的響應(yīng)范圍之內(nèi)，成像系統(tǒng)可涵蓋各種波長范圍而不需要添加任何光學(xué)元件。