反射光學元件助力多光譜成像系統

傳統的光學系統設計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實現多光譜成像的應用，基于透鏡的系統就明顯無法勝任了。相比之下，反射光學系統不但能夠解決大功率多光譜傳輸，而且還能有效降低系統復雜度，節約本錢。

在激光聚焦和多光譜成像應用中，折射式鏡頭的面型設計面臨著兩大主要挑戰：挑戰之一是散射，事實上這也是每種介質的固有特性，波長決定了光束通過鏡頭的速度。散射導致不同波長的光線在聚焦時，焦點位置會有差異。復合鏡頭可以解決這個題目--;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更多的時間和本錢外，其光學透射范圍也會受到各種鏡片的化學性質和固有特性的限制。

因此，這便導致了折射系統的第二個缺點：吸收。在大功率激光聚焦系統中，即使是很小一部分的光能量被吸收，就可能導致鏡頭嚴重損壞。傳統的解決方案是選擇鏡頭材料以及鍍膜，以進步對應激光波優點的透射率。

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

多透鏡需求

突顯這種困境的潛伏本錢的一種應用是：在生產過程中檢測和修理平板顯示。用可見光掃描整個平板表面，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)就會對準缺陷部位進行融化。對于服務于該應用的單獨光學系統，其必須在紅外波段和可見光波段有著很高的透射率。而且，系統必須要將紅外光和可見光聚焦在相同點，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良的透射性能，如此復雜且要求苛刻的光學系統也會非常昂貴。因此，已經實施的解決方案就是使用兩組復合物鏡。第一組復合物鏡用于可見光掃描，通常結合氦氖激光器光斑通過系統透射用于準直目的。當氦氖激光光斑指向缺陷部位時，透鏡系統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行激光往除。

由于需要多重鏡頭組、電動調整臺等，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聚焦在相同的平面，因此系統的準直非常重要，以確保激光燒蝕正常工作。

假如采用反射光學系統，則只需要幾個光學元件就能滿足該應用需求，由于反射系統不受波長約束。反射系統不會產生散射;聚焦只與幾何面型有關系，因此不需要用多種元件進行校正。反射光路通過系統(取決于反射鏡的反射率)與波長有關，但是波長對其產生的影響并不大。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部熱源的影響，則需要特殊的激光膜層，以進步激光波優點的反射率，同時在其余波段不會對系統的性能產生影響。

典型的反射系統只有幾個光學元件：一個主鏡用來聚焦，一個二級反射鏡將光路進行轉折到更有利的位置。二級反射鏡由一個“三腳架”固定，并用一個鏡筒來固定整個光學系統(見圖1)。由于這種反射系統簡化了光路，因此與折射系統相比，能夠大幅縮減本錢，而且可以使結構變得更加緊湊，更加牢固，這是由于通過反射鏡的反射，系統的光軸發生變化，從而減少了系統的長度。

圖1：僅采用兩個反射鏡就能夠進行廣域光譜成像，同時沒有色差

例如，在面板檢測以及維修時， 反射系統的優點能夠得到很好的體現：只需要一個鏡頭就能夠代替折射系統的兩個鏡頭，不需要安裝電動移位臺器件，體積得到進一步縮小，降低了本錢，并能夠進步產能，由于在使用時不再需要轉換物鏡。這種簡化版的光學設計同時意味著系統調整變得更加簡單，比折射系統的投資回報率高出了很多。

設計考量

在多光譜應用中，反射光學系統比折射光學系統更易于設計和實施;然而，在選擇反射式物鏡時必須要考慮以下一些因素：第一就是選擇固定的系統還是可以調整的系統。固定版物鏡在工廠生產的時候就已調整到最佳狀態，這種版本即使在震動以及意外碰撞下也不需要重新校準(見圖2)。而且，由于固定版物鏡安裝要比可調整版更結實可靠，即使從適當的位置跌落或掉落也不會影響其使用。

圖2：固定版反射式物鏡用于調焦，大功率藍色激光束應用于生物醫療方面能簡化系統、使得系統更牢固、更緊湊

固定版鏡頭非常適用于環境惡劣的產業應用，在安裝時不需要調整。為了具體說明這種物鏡，開發職員必須知道變化間隔——要么無窮遠或特殊的管長，以及蓋玻片厚度。一旦布置好后，以后就不需要再進行調整了。

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

圖3：可調整式反射物鏡能使開發應用職員通過調整光路來滿足特殊需求

當調整型鏡頭需要定期調整時，其可通過多重結構來調整，功能多樣。這種鏡頭為現貨供給，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整版，在購買反射式物鏡時都需要留意一些關鍵點。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，降低光束質量。三角座的三個腿可導致衍射效應，采用四腳直行設計時情況更為嚴重。四腿對稱設計各個腳都會導致衍射效應，而且會相互疊加。三腿彎曲設計會避免上述缺陷，使光能透射更加均勻。

在使用反射物鏡時，另外一個需要考慮的因素是激光功率。這種反射物鏡采用標準金屬膜層，應用范圍廣，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，需要考慮膜層的損傷閾值。有些廠商可以根據用戶的要求定制。

反射式物鏡可用于多種應用領域，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合。使用一套光學系統就可丈量波長為190nm到1μm薄膜的厚度。只要在傳感器的響應范圍之內，成像系統可涵蓋各種波長范圍而不需要添加任何光學元件。