虹科分享|反射物鏡：無色差成像聚焦利器

顧名思義，顯微就是將微小的物顯現(xiàn)出來，它是一門古老又現(xiàn)代的技術(shù)。說其古老是因為早在 15 世紀胡克已經(jīng)發(fā)明顯微鏡用來觀察細胞，說其現(xiàn)代是因為隨著各種新興技術(shù)出現(xiàn)，如計算機技術(shù)等，各種新型顯微技術(shù)如共焦顯微技術(shù)、近場光學顯微技術(shù)等又賦予了顯微新的含義。各種顯微技術(shù)把人類的認知領(lǐng)域從宏觀拓展到微觀領(lǐng)域，從毫米尺度拓展到微米、納米尺度。

顯微鏡因其能夠觀察肉眼無法觀察到的細節(jié)，被廣泛應(yīng)用到生產(chǎn)生活的各個領(lǐng)域，是研究微觀領(lǐng)域的首選工具。例如，在材料學領(lǐng)域，顯微鏡是觀察材料表面最直接、最有效的工具；在生物工程及醫(yī)學領(lǐng)域，各種細胞、組織分析及病理診斷等都離不開顯微鏡；尤其在精密加工、精密檢測及精密裝配等領(lǐng)域，顯微鏡更是必不可少。

在顯微鏡中的組成中，有兩個組件負責提高整體系統(tǒng)的放大倍率，分別是物鏡和目鏡。物鏡是最靠近物體的光學元件，其作用是得到物體放大的實像，并將其反射到目鏡，它是顯微鏡最重要的部分。其類型可以簡單根據(jù)原理的不同分為折射式物鏡與反射式物鏡。折射物鏡是最常用于顯微鏡中的物鏡類別。當光線通過顯微鏡時，物鏡的折射式設(shè)計能讓光學元件將光線折射或彎曲。每個光學元件的表面都鍍有增透膜，其作用是減少背部反射，并改善整體光通量。折射物鏡常用于需要極高分辨率的機器視覺應(yīng)用中。折射物鏡具有多種類型，每種類型都使用不同的光學配置。

折射物鏡的結(jié)構(gòu)

反射物鏡則是完全通過給鏡片的表面鍍金屬膜，使得光線并不通過鏡片折射，而是在表面直接反射，從而讓光線傳輸或聚焦。

相對于折射物鏡，反射物鏡具有一些獨特的優(yōu)勢：首先，反射物鏡是無色差的，既沒有軸向色差也沒有橫向色差；其次，理論上反射物鏡可以應(yīng)用于任意的波譜范圍，其前提是該波段有對應(yīng)的反射膜，而折射系統(tǒng)卻受限于材料在不同譜段的透過率及折射率；另外，反射球面產(chǎn)生的像差要小于折射透鏡產(chǎn)生的像差；并且，反射成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，容易加工制作，易于擴展到大口徑尺寸。

反射物鏡的結(jié)構(gòu)

基于以上優(yōu)點，反射物鏡被廣泛應(yīng)用在傳統(tǒng)的顯微鏡和光束傳輸系統(tǒng)。憑借獨特的無色差性質(zhì)，反射物鏡在需要雙波長操作的情況下表現(xiàn)得尤其出色，例如對準可見光束以使用 IR 或 UV 光束激光器。

其他用途包括：FT-IR 顯微鏡、紫外計量與顯微鏡、半導體晶圓檢測、光學顯微鏡、光刻、薄膜測量、激光光束傳輸系統(tǒng)、激光鉆孔和蝕刻、產(chǎn)品打標、激光泵浦、熱成像顯微鏡等。

反射物鏡的分類

通常稱具有兩片共球心反射球面組成的物鏡結(jié)構(gòu)為施瓦茲物鏡（Schwarzschild Objective，簡稱 SO）。施瓦茲物鏡結(jié)構(gòu)是最早應(yīng)用于顯微研究領(lǐng)域的反射物鏡，反射顯微技術(shù)的后續(xù)發(fā)展都是在施瓦茲物鏡結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上開展的?？偟恼f來，反射物鏡的系統(tǒng)由一個小直徑的“輔助”鏡子和一個帶有中心孔徑的大直徑“主”鏡子組成，由蜘蛛支架固定到位，主鏡和副鏡表面涂布有鍍金涂層，用于光線的反射。這些基于鏡面的物鏡有兩種配置：用于聚焦應(yīng)用的無限遠矯正反射物鏡和用于成像應(yīng)用的有限遠矯正反射物鏡。

無限遠矯正反射物鏡

無限遠矯正反射物鏡（右）將準直光（例如激光源）通過主鏡的中心孔徑進入物鏡，并在其指定的工作距離處聚焦。這種配置提供了一種將寬帶或多個激光源聚焦到單個點的經(jīng)濟方法。一種常見的應(yīng)用是聚焦紅外 （IR） 或紫外 （UV） 激光器（例如 Nd：YAG 激光器），其中包含可見參考光束。

有限遠矯正反射物鏡

有限遠矯正反射物鏡（左）是成像應(yīng)用的理想選擇。它們是一種簡單的解決方案，不需要使用任何額外的聚焦光學元件。這種基于有限共軛鏡的配置可提供出色的分辨率，通常可以與傳統(tǒng)的折射顯微鏡物鏡互換使用。無限遠校正反射物鏡可用于成像應(yīng)用，只需增加一個管透鏡，并具有將光束操縱光學元件引入光束路徑的靈活性。

最早提出施瓦茲物鏡模型時，解決的是無限遠物體成像的問題，采用的是兩片球面反射鏡。無限遠校正施瓦茲物鏡首次由德國科學家卡爾施瓦茲于 1905 年在一篇論文中提出。此物鏡首先被用于望遠系統(tǒng)，不同于其他折射式的望遠鏡，但因其對較寬光譜均有很好成像而在天文觀測研究中有著重要的應(yīng)用。其后該結(jié)構(gòu)被應(yīng)用于顯微領(lǐng)域，在光譜顯微鏡、X 射線等領(lǐng)域發(fā)揮著獨特作用。

隨著需求的發(fā)展以及研究的不斷深入，Shealy、Hoover、Artyukov 等提出了針對有限遠校正成像的施瓦茲物鏡模型，并在 X 射線研究等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)在，只有為數(shù)不多的幾家公司能夠制造反射物鏡，提供有限遠矯正和無限遠矯正的類型，以及不同的放大倍數(shù)等型號，滿足客戶的應(yīng)用需求。

反射物鏡的特征參數(shù)

除了常規(guī)的物鏡參數(shù)，比如放大倍數(shù)、數(shù)值孔徑、焦距、工作距離等，反射物鏡還有一些特征參數(shù)，在使用前需要根據(jù)匹配的顯微鏡以及應(yīng)用需求來進行選擇。

01

管長

這個參數(shù)指的是物鏡和目鏡之間的距離，與顯微鏡有關(guān)。顯微鏡目前制造都有符合一定標準，大多數(shù)復合顯微鏡采用德國工業(yè)標準或DIN標準，DIN 標準從物鏡法蘭到目鏡法蘭的距離為 160mm，當然還有其他管長標準。有限遠可直接通過延長鏡筒與相機/目鏡相連。∞對應(yīng)無限遠光學系統(tǒng)，物鏡和觀察頭之間近乎于平行光，允許將濾光片、偏振片和分光鏡等光學元件引入光路中。因此，可以在復雜的系統(tǒng)中執(zhí)行額外的圖像分析。例如，在物鏡和鏡筒透鏡之間添加濾光片可以查看特定波長的光或阻擋不需要的波長，否則會干擾設(shè)置。使用無限共軛設(shè)計的另一個好處是能夠根據(jù)特定的應(yīng)用需求改變放大倍率，增加或減少鏡筒焦距會改變物鏡倍率。通常，需要借助管透鏡來聚焦光線至相機或目鏡。在選擇合適的物鏡和目鏡時，必須注意顯微鏡的管長參數(shù)，兩種系統(tǒng)的物鏡不能相互兼容，以確保從前者投射的圖像通過后者正確成像。虹科反射物鏡能夠根據(jù)客戶使用的顯微鏡管長進行鏡頭參數(shù)的出廠設(shè)置。特別的是，36X，52X與74X的反射物鏡具有調(diào)節(jié)功能，能夠自由調(diào)整物鏡的管長適配參數(shù)，從而應(yīng)用于多種不同規(guī)格的顯微鏡。

02

光譜范圍

反射物鏡的光路傳輸效果來自于在內(nèi)部兩個鏡子表面涂鍍的金屬膜，根據(jù)膜種類的不同，其光譜響應(yīng)范圍與聚光能力也有區(qū)別。

比如虹科反射物鏡標準版配有鍍鋁膜，提供了從紫外到遠紅外的最寬光譜覆蓋范圍，約250um~10um，但限制在低功率使用。而在需要高功率時，以及擴展紫外波段，可以選擇DUV鋁膜，可用于190~10um。除此以外，還有更高反射率（更低光損耗）的金膜可供選擇。

03

遮蔽

反射物鏡最大的缺點在于次鏡對成像光束的遮擋，遮擋不僅造成系統(tǒng)成像能量的降低，更重要的是影響系統(tǒng)的成像質(zhì)量。反射物鏡遮擋模型，物體位于次鏡一側(cè)，而物體所對應(yīng)的像位于主鏡一側(cè)，成像光束經(jīng)過系統(tǒng)時，次鏡的存在遮擋了中心的光束，只有邊緣光束參與成像，這就造成光學系統(tǒng)中低頻段傳遞信息能力降低。在物方數(shù)值孔徑不變的情況下，物體與次鏡之間的距離越大，遮擋面積越小。

系統(tǒng)的遮擋對系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)存在嚴重影響，遮擋越大，系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)在中低頻段越低，成像質(zhì)量也就越差。因此為了使具有遮擋的成像系統(tǒng)具有更好的成像質(zhì)量，應(yīng)該盡量減小遮擋比。虹科反射物鏡能夠保持遮擋比≤25%，最優(yōu)遮擋比在36X時保持13%。

04

傳輸波前誤差

傳輸波前誤差是波前進入和離開系統(tǒng)時的差異，鏡片制造的最新進展使高精度表面的生產(chǎn)和測試成為可能，從而創(chuàng)建更好的校正系統(tǒng)。例如，虹科反射物鏡能夠保證標準線路上的λ/14 RMS透射波前和高性能線路上的λ/4 P-V透射波前。這種低波前誤差允許反射物鏡具有衍射限制或近衍射限制的性能。

05

蓋玻片矯正

在觀察細菌、細胞培養(yǎng)物、血液等流體材料時，有必要使用蓋玻片，以保護被檢查物體和顯微鏡組件免受污染。蓋玻片或玻璃顯微鏡載玻片改變了光從物體折射到物鏡的方式。因此，物鏡需要進行適當?shù)墓鈱W校正，以產(chǎn)生最高質(zhì)量的圖像。這就是為什么物鏡表示一系列蓋玻片厚度，并針對其進行了優(yōu)化。

通常，它列在無窮大符號（表示物鏡是無限共軛或無窮大校正設(shè)計）之后，范圍從零（無蓋玻片校正）到0.17mm。如果用了不合適的蓋玻片，則會出現(xiàn)很明顯有球差（不同角度的光線沒有會聚在同一高度）從而降低成像的對比度和分辨率。

虹科反射能夠根據(jù)客戶使用的蓋玻片數(shù)值進行鏡頭參數(shù)的出廠設(shè)置。特別的是，36X，52X與74X的反射物鏡具有調(diào)節(jié)功能，能夠根據(jù)具體使用的蓋玻片厚度，自由調(diào)整物鏡的蓋玻片矯正參數(shù)。

虹科反射物鏡

虹科反射物鏡共有6種標準型號（覆蓋最廣泛的放大倍數(shù)選擇），也可根據(jù)需求定制。所有反射物鏡均符合 RoHS 指令 2002/95/EC、2011/65/EU 和 205/863 的要求。