傳(chuan) 統的光學係統設計通常利用透鏡的折射特性，但是對於(yu) 需要在廣泛的激光波長範圍內(nei) 實現多光譜成像的應用，基於(yu) 透鏡的係統就明顯無法勝任了。相比之下，反射光學係統不但能夠解決(jue) 大功率多光譜傳(chuan) 輸，而且還能有效降低係統複雜度，節約成本。

在激光聚焦和多光譜成像應用中，折射式鏡頭的麵型設計麵臨(lin) 著兩(liang) 大主要挑戰：挑戰之一是散射，事實上這也是每種介質的固有特性，波長決(jue) 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(hui) 有差異。複合鏡頭可以解決(jue) 這個(ge) 問題——通過選擇各種不同的材料做成鏡頭，由於(yu) 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，這種方法隻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，其光學透射範圍也會(hui) 受到各種鏡片的化學性質和固有特性的限製。

因此，這便導致了折射係統的第二個(ge) 缺點：吸收。在大功率激光聚焦係統中，即使是很小一部分的光能量被吸收，就可能導致鏡頭嚴(yan) 重損壞。傳(chuan) 統的解決(jue) 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(liang) 種解決(jue) 方案並不能互相補足。在折射係統中，由於(yu) 波段變寬，鍍膜所能夠達到的高透射率性能大大降低。因此對於(yu) 一個(ge) 傳(chuan) 統的鏡頭係統來說，要麽(me) 需要限製光譜範圍，要麽(me) 限製激光功率，這兩(liang) 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(chan) 過程中檢測和修理平板顯示。用可見光掃描整個(ge) 平板表麵，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(hui) 對準缺陷部位進行融化。對於(yu) 服務於(yu) 該應用的單獨光學係統，其必須在紅外波段和可見光波段有著很高的透射率。而且，係統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(you) 良的透射性能，如此複雜且要求苛刻的光學係統也會(hui) 非常昂貴。因此，已經實施的解決(jue) 方案就是使用兩(liang) 組複合物鏡。第一組複合物鏡用於(yu) 可見光掃描，通常結合氦氖激光器光斑通過係統透射用於(yu) 準直目的。當氦氖激光光斑指向缺陷部位時，透鏡係統的電動控製台就會(hui) 移動到此處，然後用近紅外光來代替可見光路並進行激光去除。

因為(wei) 需要多重鏡頭組、電動調整台等，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(yu) 可見光鏡頭不能夠同時聚焦在相同的平麵，因此係統的準直非常重要，以確保激光燒蝕正常工作。

如果采用反射光學係統，則隻需要幾個(ge) 光學元件就能滿足該應用需求，因為(wei) 反射係統不受波長約束。反射係統不會(hui) 產(chan) 生散射；聚焦隻與(yu) 幾何麵型有關(guan) 係，因此不需要用多種元件進行校正。反射光路通過係統（取決(jue) 於(yu) 反射鏡的反射率）與(yu) 波長有關(guan) ，但是波長對其產(chan) 生的影響並不大。金屬反射膜的光譜範圍有10μm、20μm等，不同的材料有著不同的反射率，從(cong) 而允許反射鏡處理從(cong) 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(nei) 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，同時在其餘(yu) 波段不會(hui) 對係統的性能產(chan) 生影響。

典型的反射係統隻有幾個(ge) 光學元件：一個(ge) 主鏡用來聚焦，一個(ge) 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(ge) “三腳架”固定，並用一個(ge) 鏡筒來固定整個(ge) 光學係統（見圖1）。由於(yu) 這種反射係統簡化了光路，因此與(yu) 折射係統相比，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(wei) 通過反射鏡的反射，係統的光軸發生變化，從(cong) 而減少了係統的長度。

圖1：僅(jin) 采用兩(liang) 個(ge) 反射鏡就能夠進行廣域光譜成像，同時沒有色差。

例如，在麵板檢測以及維修時， 反射係統的優(you) 點能夠得到很好的體(ti) 現：隻需要一個(ge) 鏡頭就能夠代替折射係統的兩(liang) 個(ge) 鏡頭，不需要安裝電動移位台器件，體(ti) 積得到進一步縮小，降低了成本，並能夠提高產(chan) 能，因為(wei) 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係統調整變得更加簡單，比折射係統的投資回報率高出了許多。

設計考量

在多光譜應用中，反射光學係統比折射光學係統更易於(yu) 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係統還是可以調整的係統。固定版物鏡在工廠生產(chan) 的時候就已調整到最佳狀態，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，由於(yu) 固定版物鏡安裝要比可調整版更結實可靠，即使從(cong) 適當的位置跌落或掉落也不會(hui) 影響其使用。

圖2：固定版反射式物鏡用於(yu) 調焦，大功率藍色激光束應用於(yu) 生物醫療方麵能簡化係統、使得係統更牢固、更緊湊。

固定版鏡頭非常適用於(yu) 環境惡劣的工業(ye) 應用，在安裝時不需要調整。為(wei) 了詳細說明這種物鏡，開發人員必須知道變化距離——要麽(me) 無窮遠或特殊的管長，以及蓋玻片厚度。一旦布置好後，以後就不需要再進行調整了。

調整版反射物鏡可通過一個(ge) 或兩(liang) 個(ge) 參數來調整：鏡筒長度可調，或校正由於(yu) 蓋玻片的厚度變化而導致的球差（見圖3）。通常隻有鏡頭本身發生改變時才進行調整，但是，當主鏡和附鏡之間的距離發生變化時，也需要進行調整。廠商通常在出貨前會(hui) 將光學性能調整到最佳狀態，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係統中，可通過鏡筒長度和蓋玻片厚度進行調整，然後固定。

圖3：可調整式反射物鏡能使開發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(mai) 反射式物鏡時都需要注意一些關(guan) 鍵點。其中最主要的是二級反射鏡以及三角座為(wei) 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係統，降低光束質量。三角座的三個(ge) 腿可導致衍射效應，采用四腳直行設計時情況更為(wei) 嚴(yan) 重。四腿對稱設計各個(ge) 腳都會(hui) 導致衍射效應，而且會(hui) 相互疊加。三腿彎曲設計會(hui) 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(ge) 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，應用範圍廣，但卻並不是大功率輸出激光器的最佳選擇。在與(yu) 高功率激光配套使用時，需要考慮膜層的損傷(shang) 閾值。有些廠商可以根據用戶的要求定製。

反射式物鏡可用於(yu) 多種應用領域，如激光退火或鑽孔，可將可見光波長與(yu) 紅外功率傳(chuan) 輸兩(liang) 者相結合。使用一套光學係統就可測量波長為(wei) 190nm到1μm薄膜的厚度。隻要 在傳(chuan) 感器的響應範圍之內(nei) ，成像係統可涵蓋各種波長範圍而不需要添加任何光學元件。