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出來，它是一門古老又現代的技術。說其古老是因為早在 15世紀胡克已經發明顯微鏡用來觀察細胞，說其現代是因為隨著各種新興技術出現，如計算機技術等，各種新型顯微技術如共焦顯微技術、近場光學顯微技術等又賦予了顯微新的含義。各種顯微技術把人類的認知領域從宏觀拓展到微觀領域，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，被廣泛應用到生產生活的各個領域，是研究微觀領域的首選工具。例如，在材料學領域，顯微鏡是觀察材料表面最直接、最有效的工具；在生物工程及醫學領域，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。

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，相對于折射物鏡具有一些獨特的優勢。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用于任意的波譜范圍，其前提是該波段有對應的反射膜，而折射系統卻受限于材料在不同譜段的透過率及折射率；另外，反射球面產生的像差要小于折射透鏡產生的像差；并且，反射成像系統結構簡單，容易加工制作，易于擴展到大口徑尺寸。

基于以上優點，反射物鏡被廣泛應用在傳統的顯微鏡和光束傳輸系統。憑借獨特的無色差性質，反射物鏡在需要雙波長操作的情況下表現得尤其出色，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、激光鉆孔和蝕刻、產品打標、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 構 為 施 瓦 茲 物 鏡（Schwarzschild Objective，簡稱 SO）。施瓦茲物鏡結構是最早應用于顯微研究領域的反射物鏡，反射顯微技術的后續發展都是在施瓦茲物鏡結構基礎上開展的。

該系統由一個小直徑的“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，用于光纖的反射。這些基于鏡面的物鏡有兩種配置：用于聚焦應用的遠場校正物鏡和用于成像應用的有限遠矯正物鏡。

無限遠矯正反射物鏡：

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濟方法。一種常見的應用是聚焦紅外（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：

有限共軛反射物鏡是成像應用的理想選擇。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?？梢耘c傳統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，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用。其后該結構被應用于顯微領域，在光譜顯微鏡、X射線等領域發揮著獨特作用。

隨著需求的發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射線研究等領域得到廣泛應用，有限遠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以及發展，為獲得更好的成像質量以及更靈活的結構，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為零的反射物鏡模型的一個特例。

反射物鏡的特征參數

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

光譜范圍：

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

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。

遮蔽：

反射物鏡最大的缺點在于次鏡對成像光束的遮擋，遮擋不僅造成系統成像能量的降低，更重要的是影響系統的成像質量。反射物鏡遮擋模型，物體位于次鏡一側，而物體所對應的像位于主鏡一側，成像光束經過系統時，次鏡的存在遮擋了中心的光束，只有邊緣光束參與成像，這就造成光學系統中低頻段傳遞信息能力降低。在物方數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。

系統的遮擋對系統調制傳遞函數存在嚴重影響，遮擋越大，系統調制傳遞函數在中低頻段越低，成像質量也就越差。因此為了使具有遮擋的成像系統具有更好的成像質量，應該盡量減小遮擋比。

虹科反射物鏡能夠保持遮擋比≤25%，最優遮擋比在36X時保持13%。

傳輸波前誤差：

傳輸波前誤差是波前進入和離開系統時的差異，鏡片制造的最新進展使高精度表面的生產和測試成為可能，從而創建更好的校正系統。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。

蓋玻片矯正：

在觀察細菌、細胞培養物、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，物鏡需要進行適當的光學校正，以產生最高質量的圖像。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。

虹科反射物鏡能夠根據客戶試用的蓋玻片數值進行鏡頭參數的出廠設置。特別的是，36X，52X與74X的反射物鏡具有調節功能，能夠根據具體使用的蓋玻片厚度，自由調整物鏡的蓋玻片矯正參數。

管長：

這個參數指的是物鏡和目鏡之間的距離，與顯微鏡有關。顯微鏡目前制造都有符合一定標準，大多數復合顯微鏡采用德國工業標準或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。

∞對應無限遠光學系統，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，可以在復雜的系統中執行額外的圖像分析。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，否則會干擾設置。

使用無限共軛設計的另一個好處是能夠根據特定的應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，兩種系統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客戶使用的顯微鏡管長進行鏡頭參數的出廠設置。特別的是，36X，52X與74X的反射物鏡具有調節功能，能夠自由調整物鏡的管長適配參數，從而應用于多種不同規格的顯微鏡。

虹科反射物鏡

虹科反射物鏡共有6種標準型號，也可根據需求定制。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