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?yàn)樵缭?15世紀(jì)胡克已經(jīng)發(fā)明顯微鏡用來觀察細(xì)胞，說其現(xiàn)代是因?yàn)殡S著各種新興技術(shù)出現(xiàn)，如計(jì)算機(jī)技術(shù)等，各種新型顯微技術(shù)如共焦顯微技術(shù)、近場(chǎng)光學(xué)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(rèn)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(xì)節(jié)，被廣泛應(yīng)用到生產(chǎn)生活的各個(gè)領(lǐng)域，是研究微觀領(lǐng)域的首選工具。例如，在材料學(xué)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(xué)領(lǐng)域，各種細(xì)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(cè)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(gè)組件負(fù)責(zé)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(xué)元件，其作用是得到物體放大的實(shí)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(jiǎn)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(dāng)光線通過顯微鏡時(shí)，物鏡的折射式設(shè)計(jì)能讓光學(xué)元件將光線折射或彎曲。每個(gè)光學(xué)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(jī)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(xué)配置。

反射物鏡則是完全通過給鏡片的表面鍍金屬膜，使得光纖并不通過鏡片折射，而是在表面直接反射，從而讓光線傳輸或聚焦，相對(duì)于折射物鏡具有一些獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。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(duì)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(jiǎn)單，容易加工制作，易于擴(kuò)展到大口徑尺寸。

基于以上優(yōu)點(diǎn)，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(dú)特的無色差性質(zhì)，反射物鏡在需要雙波長(zhǎng)操作的情況下表現(xiàn)得尤其出色，例如對(duì)準(zhǔn)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(jì)量與顯微鏡、半導(dǎo)體晶圓檢測(cè)、光學(xué)顯微鏡、光刻、薄膜測(cè)量、激光光束傳輸系統(tǒng)、激光鉆孔和蝕刻、產(chǎn)品打標(biāo)、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(jiǎn)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。

該系統(tǒng)由一個(gè)小直徑的“輔助”鏡子和一個(gè)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，用于光纖的反射。這些基于鏡面的物鏡有兩種配置：用于聚焦應(yīng)用的遠(yuǎn)場(chǎng)校正物鏡和用于成像應(yīng)用的有限遠(yuǎn)矯正物鏡。

無限遠(yuǎn)矯正反射物鏡：

準(zhǔn)直光（例如激光源）通過主鏡的中心孔徑進(jìn)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(gè)激光源聚焦到單個(gè)點(diǎn)的經(jīng)濟(jì)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(yuǎn)矯正反射物鏡：

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

最早提出施瓦茲物鏡模型時(shí)，解決的是無限遠(yuǎn)物體成像的問題，采用的是兩片球面反射鏡。無限遠(yuǎn)校正施瓦茲物鏡首次由德國(guó)科學(xué)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(yuǎn)系統(tǒng)，不同于其他折射式的望遠(yuǎn)鏡，但因其對(duì)較寬光譜均有很好成像而在天文觀測(cè)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(dú)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(duì)有限遠(yuǎn)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，有限遠(yuǎn)校正施瓦茲物鏡模型仍然采用的是兩片球面反射鏡。而隨著非球面的出現(xiàn)以及發(fā)展，為獲得更好的成像質(zhì)量以及更靈活的結(jié)構(gòu)，Head提出了非球面反射物鏡模型，兩片反射鏡采用非球面，而球面施瓦茲物鏡模型是非球面系數(shù)為零的反射物鏡模型的一個(gè)特例。

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(jìn)行選擇。

光譜范圍：

反射物鏡的光路傳輸效果來自于在內(nèi)部?jī)蓚€(gè)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(biāo)準(zhǔn)版配有鍍鋁膜，提供了從紫外到遠(yuǎn)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(shí)，以及擴(kuò)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。

遮蔽：

反射物鏡最大的缺點(diǎn)在于次鏡對(duì)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(duì)應(yīng)的像位于主鏡一側(cè)，成像光束經(jīng)過系統(tǒng)時(shí)，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(xué)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(duì)系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)存在嚴(yán)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(shí)保持13%。

傳輸波前誤差：

傳輸波前誤差是波前進(jìn)入和離開系統(tǒng)時(shí)的差異，鏡片制造的最新進(jìn)展使高精度表面的生產(chǎn)和測(cè)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(biāo)準(zhǔn)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。

蓋玻片矯正：

在觀察細(xì)菌、細(xì)胞培養(yǎng)物、血液等流體材料時(shí)，有必要使用蓋玻片，以保護(hù)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(jìn)行適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)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(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化。

通常，它列在無窮大符號(hào)（表示物鏡是無限共軛或無窮大校正設(shè)計(jì)）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(huì)出現(xiàn)很明顯有球差（不同角度的光線沒有會(huì)聚在同一高度）從而降低成像的對(duì)比度和分辨率。

虹科反射物鏡能夠根據(jù)客戶試用的蓋玻片數(shù)值進(jìn)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)。

管長(zhǎng)：

這個(gè)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(biāo)準(zhǔn)，大多數(shù)復(fù)合顯微鏡采用德國(guó)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或DIN標(biāo)準(zhǔn)，DIN標(biāo)準(zhǔn)從物鏡法蘭到目鏡法蘭的距離為 160mm，當(dāng)然還有其他管長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)。有限遠(yuǎn)可直接通過延長(zhǎng)鏡筒與相機(jī)/目鏡相連。

∞對(duì)應(yīng)無限遠(yuǎn)光學(xué)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(xué)元件引入光路中。因此，可以在復(fù)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(zhǎng)的光或阻擋不需要的波長(zhǎng)，否則會(huì)干擾設(shè)置。

使用無限共軛設(shè)計(jì)的另一個(gè)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(huì)改變物鏡倍率。通常，需要借助管透鏡來聚焦光線至相機(jī)或目鏡。在選擇合適的物鏡和目鏡時(shí)，必須注意顯微鏡的管長(zhǎng)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(zhǎng)進(jìn)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(zhǎng)適配參數(shù)，從而應(yīng)用于多種不同規(guī)格的顯微鏡。

虹科反射物鏡

虹科反射物鏡共有6種標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)，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。

審核編輯黃昊宇