反射光學(xué)元件助力多光譜成像系�(tǒng)
傳統(tǒng)的光�(xué)系統(tǒng)�(shè)計通常利用透鏡的折射特�，但是對于需要在廣泛的激光波長范圍內(nèi)�(shí)�(xiàn)多光譜成像的�(yīng)用，基于透鏡的系�(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)�(fù)雜度，節(jié)約本��
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)計面臨著兩大主要挑戰(zhàn)：挑�(zhàn)之一是散�，事�(shí)上這也是每種介�(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，焦�(diǎn)位置會有差異。復(fù)合鏡頭可以解決這個題�--;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�，因此彼此之間可以互相平衡散��
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�，如可見光波�、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�。這種折射方法除了需要花�(fèi)更多的時間和本錢外，其光�(xué)透射范圍也會受到各種鏡片的化�(xué)性質(zhì)和固有特性的限制�
因此，這便�(dǎo)致了折射系統(tǒng)的第二個缺�(diǎn)：吸�。在大功率激光聚焦系�(tǒng)�，即使是很小一部分的光能量被吸�，就可能�(dǎo)致鏡頭嚴(yán)�?fù)p�。傳�(tǒng)的解決方案是選擇鏡頭材料以及鍍膜，以�(jìn)步對�(yīng)激光波�(yōu)�(diǎn)的透射��
不幸的是，當(dāng)同時需要多譜成像和大功率激光器�，這兩種解決方案并不能互相�(bǔ)�。在折射系統(tǒng)�，由于波段變�，鍍膜所能夠�(dá)到的高透射任性能大大降低。因此對于一個傳�(tǒng)的鏡頭系�(tǒng)來說，要么需要限制光譜范�，要么限制激光功率，這兩者不能同時滿��
多透鏡需�
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。用可見光掃描整個平板表�，以找有缺陷，一旦缺陷被識別出來，高功率激光束(通常�1064nm的Nd:YAG激光器輸出)就會對準(zhǔn)缺陷部位�(jìn)行融�。對于服�(wù)于該�(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�(tǒng)必須要將紅外光和可見光聚焦在相同�(diǎn)，這樣才能保證激光束能夠可靠地投射到缺陷��
即便是能夠找到合適的材料在如此寬泛的波段都能提供�(yōu)良的透射性能，如此復(fù)雜且要求苛刻的光�(xué)系統(tǒng)也會非常昂貴。因�，已�(jīng)�(shí)施的解決方案就是使用兩組�(fù)合物�。第一組復(fù)合物鏡用于可見光掃描，通常�(jié)合氦氖激光器光斑通過系統(tǒng)透射用于�(zhǔn)直目的。當(dāng)氦氖激光光斑指向缺陷部位時，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�(jìn)行激光往��
由于需要多重鏡頭組、電動調(diào)整臺�，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�，因此系�(tǒng)的準(zhǔn)直非常重要，以確保激光燒蝕正常工��
假如采用反射光學(xué)系統(tǒng)，則只需要幾個光�(xué)元件就能滿足該應(yīng)用需�，由于反射系�(tǒng)不受波長約束。反射系�(tǒng)不會�(chǎn)生散�;聚焦只與幾何面型有關(guān)�，因此不需要用多種元件�(jìn)行校�。反射光路通過系統(tǒng)(取決于反射鏡的反射率)與波長有�(guān)，但是波長對其產(chǎn)生的影響并不�。金屬反射膜的光譜范圍有10μm�20μm�，不同的材料有著不同的反射率，從而答�(yīng)反射鏡處理從紫外(150nm)到短波紅�(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�，以�(jìn)步激光波�(yōu)�(diǎn)的反射率，同時在其余波段不會對系�(tǒng)的性能�(chǎn)生影��
典型的反射系�(tǒng)只有幾個光�(xué)元件：一個主鏡用來聚焦，一個二級反射鏡將光路�(jìn)行轉(zhuǎn)折到更有利的位置。二級反射鏡由一�“三腳�”固定，并用一個鏡筒來固定整個光�(xué)系統(tǒng)(見圖1)。由于這種反射系統(tǒng)簡化了光�，因此與折射系統(tǒng)相比，能夠大幅縮減本�，而且可以使結(jié)�(gòu)變得更加緊湊，更加牢�，這是由于通過反射鏡的反射，系�(tǒng)的光軸發(fā)生變�，從而減少了系統(tǒng)的長��
�1：僅采用兩個反射鏡就能夠�(jìn)行廣域光譜成�，同時沒有色�
例如，在面板檢測以及維修�� 反射系統(tǒng)的優(yōu)�(diǎn)能夠得到很好的體�(xiàn)：只需要一個鏡頭就能夠代替折射系統(tǒng)的兩個鏡頭，不需要安裝電動移位臺器件，體積得到�(jìn)一步縮�，降低了本錢，并能夠�(jìn)步產(chǎn)�，由于在使用時不再需要轉(zhuǎn)換物�。這種簡化版的光學(xué)�(shè)計同時意味著系統(tǒng)�(diào)整變得更加簡�，比折射系統(tǒng)的投資回報率高出了很多�
�(shè)計考量
在多光譜�(yīng)用中，反射光�(xué)系統(tǒng)比折射光�(xué)系統(tǒng)更易于設(shè)計和�(shí)�;然�，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�(tǒng)還是可以�(diào)整的系統(tǒng)。固定版物鏡在工廠生�(chǎn)的時候就已調(diào)整到最佳狀�(tài)，這種版本即使在震動以及意外碰撞下也不需要重新校�(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)�(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>
�2：固定版反射式物鏡用于調(diào)�，大功率�(lán)色激光束�(yīng)用于生物�(yī)療方面能簡化系統(tǒng)、使得系�(tǒng)更牢固、更緊湊
固定版鏡頭非常適用于�(huán)境惡劣的�(chǎn)�(yè)�(yīng)�，在安裝時不需要調(diào)整。為了具體說明這種物鏡，開�(fā)職員必須知道變化間隔——要么無窮�(yuǎn)或特殊的管長，以及蓋玻片厚度。一旦布置好�，以后就不需要再�(jìn)行調(diào)整了�
�(diào)整版反射物鏡可通過一個或兩個參�(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�(fā)生改變時才�(jìn)行調(diào)�，但�，當(dāng)主鏡和附鏡之間的間隔�(fā)生變化時，也需要�(jìn)行調(diào)�。廠商通常在出貨前會將光學(xué)性能�(diào)整到最佳狀�(tài)，帶�(diào)整說明以及特殊部位說�，比如調(diào)整圖�。使用者可將其安裝在系�(tǒng)�，可通過鏡筒長度和蓋玻片厚度�(jìn)行調(diào)�，然后固��
�3：可�(diào)整式反射物鏡能使開發(fā)�(yīng)用職員通過�(diào)整光路來滿足特殊需�
�(dāng)�(diào)整型鏡頭需要定期調(diào)整時，其可通過多重�(jié)�(gòu)來調(diào)�，功能多�。這種鏡頭為現(xiàn)貨供�，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��
無論是固定版還是�(diào)整版，在購買反射式物鏡時都需要留意一些關(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)�。三角座的三個腿可導(dǎo)致衍射效�(yīng)，采用四腳直行設(shè)計時情況更為�(yán)�。四腿對稱設(shè)計各個腳都會�(dǎo)致衍射效�(yīng)，而且會相互疊�。三腿彎曲設(shè)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�。這種反射物鏡采用�(biāo)�(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，需要考慮膜層的損傷閾�。有些廠商可以根�(jù)用戶的要求定��
反射式物鏡可用于多種�(yīng)用領(lǐng)�，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�(jié)�。使用一套光�(xué)系統(tǒng)就可丈量波長�190nm�1μm薄膜的厚度。只要在傳感器的響應(yīng)范圍之內(nèi)，成像系�(tǒng)可涵蓋各種波長范圍而不需要添加任何光�(xué)元件�