傳統(tǒng)的光學系統(tǒng)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(xiàn)多光譜成像的應用，基于透鏡的系統(tǒng)就明顯無法勝任了。相比之下，反射光學系統(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)復雜度，節(jié)約成本。
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(zhàn)：挑戰(zhàn)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問題——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成本外，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(tǒng)的第二個缺點：吸收。在大功率激光聚焦系統(tǒng)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(tǒng)的解決方案是選擇鏡頭材料以及鍍膜，以提高對應激光波長處的透射率。
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(tǒng)中，由于波段變寬，鍍膜所能夠達到的高透射率性能大大降低。因此對于一個傳統(tǒng)的鏡頭系統(tǒng)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
突顯這種困境的潛在成本的一種應用是：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，以找出缺陷，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(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，系統(tǒng)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(yōu)良的透射性能，如此復雜且要求苛刻的光學系統(tǒng)也會非常昂貴。因此，已經(jīng)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(tǒng)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(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進行激光去除。
因為需要多重鏡頭組、電動調整臺等，因此這種方案不但成本高昂，而且維修費用也非常高。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(tǒng)的準直非常重要，以確保激光燒蝕正常工作。
如果采用反射光學系統(tǒng)，則只需要幾個光學元件就能滿足該應用需求，因為反射系統(tǒng)不受波長約束。反射系統(tǒng)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(tǒng)（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，從而允許反射鏡處理從紫外(150nm)到短波紅外(20μm)波段的光。如果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，以提高激光波長處的反射率，同時在其余波段不會對系統(tǒng)的性能產生影響。
典型的反射系統(tǒng)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(tǒng)（見圖1）。由于這種反射系統(tǒng)簡化了光路，因此與折射系統(tǒng)相比，能夠大幅縮減成本，而且可以使結構變得更加緊湊，更加牢固，這是因為通過反射鏡的反射，系統(tǒng)的光軸發(fā)生變化，從而減少了系統(tǒng)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(tǒng)的優(yōu)點能夠得到很好的體現(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，體積得到進一步縮小，降低了成本，并能夠提高產能，因為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(tǒng)調整變得更加簡單，比折射系統(tǒng)的投資回報率高出了許多。
設計考量
在多光譜應用中，反射光學系統(tǒng)比折射光學系統(tǒng)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(tǒng)還是可以調整的系統(tǒng)。固定版物鏡在工廠生產的時候就已調整到最佳狀態(tài)，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?shù)奈恢玫浠虻袈湟膊粫绊懫涫褂谩?/p>
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(yī)療方面能簡化系統(tǒng)、使得系統(tǒng)更牢固、更緊湊。
固定版鏡頭非常適用于環(huán)境惡劣的工業(yè)應用，在安裝時不需要調整。為了詳細說明這種物鏡，開發(fā)人員必須知道變化距離——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(shù)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(fā)生改變時才進行調整，但是，當主鏡和附鏡之間的距離發(fā)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(tài)，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(tǒng)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(fā)應用人員通過調整光路來滿足特殊需求。
無論是固定版還是調整版，在購買反射式物鏡時都需要注意一些關鍵點。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(tǒng)，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。#p#分頁標題#e#
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(jù)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(tǒng)就可測量波長為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(tǒng)可涵蓋各種波長范圍而不需要添加任何光學元件。
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