反射光學元件助力多光譜成像系統(tǒng)

2013-08-03 admin1

傳統(tǒng)的光學系統(tǒng)設(shè)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(nèi)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)約本錢。


在激光聚焦和多光譜成像應用中,折射式鏡頭的面型設(shè)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(zhì)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題目--;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本錢外,其光學透射范圍也會受到各種鏡片的化學性質(zhì)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,以進步對應激光波優(yōu)點的透射率。


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任性能大大降低。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

突顯這種困境的潛伏本錢的一種應用是:在生產(chǎn)過程中檢測和修理平板顯示。用可見光掃描整個平板表面,以找有缺陷,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(jié)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往除。


由于需要多重鏡頭組、電動調(diào)整臺等,因此這種方案不但本錢高昂,而且維修用度也非常高。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。


假如采用反射光學系統(tǒng),則只需要幾個光學元件就能滿足該應用需求,由于反射系統(tǒng)不受波長約束。反射系統(tǒng)不會產(chǎn)生散射;聚焦只與幾何面型有關(guān)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(guān),但是波長對其產(chǎn)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,從而答應反射鏡處理從紫外(150nm)到短波紅外(20μm)波段的光。假如需要極高的反射率以避免激光內(nèi)部熱源的影響,則需要特殊的激光膜層,以進步激光波優(yōu)點的反射率,同時在其余波段不會對系統(tǒng)的性能產(chǎn)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(zhuǎn)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,能夠大幅縮減本錢,而且可以使結(jié)構(gòu)變得更加緊湊,更加牢固,這是由于通過反射鏡的反射,系統(tǒng)的光軸發(fā)生變化,從而減少了系統(tǒng)的長度。

 

反射光學元件助力多光譜成像系統(tǒng)

 

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,降低了本錢,并能夠進步產(chǎn)能,由于在使用時不再需要轉(zhuǎn)換物鏡。這種簡化版的光學設(shè)計同時意味著系統(tǒng)調(diào)整變得更加簡單,比折射系統(tǒng)的投資回報率高出了很多。


設(shè)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(shè)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(diào)整的系統(tǒng)。固定版物鏡在工廠生產(chǎn)的時候就已調(diào)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(diào)整版更結(jié)實可靠,即使從適當?shù)奈恢玫浠虻袈湟膊粫绊懫涫褂谩?/p>

 

反射光學元件

 

圖2:固定版反射式物鏡用于調(diào)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)境惡劣的產(chǎn)業(yè)應用,在安裝時不需要調(diào)整。為了具體說明這種物鏡,開發(fā)職員必須知道變化間隔——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(diào)整了。


調(diào)整版反射物鏡可通過一個或兩個參數(shù)來調(diào)整:鏡筒長度可調(diào),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(diào)整,但是,當主鏡和附鏡之間的間隔發(fā)生變化時,也需要進行調(diào)整。廠商通常在出貨前會將光學性能調(diào)整到最佳狀態(tài),帶調(diào)整說明以及特殊部位說明,比如調(diào)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(diào)整,然后固定。

 

可調(diào)整式反射物鏡能使開發(fā)應用職員通過調(diào)整光路來滿足特殊需求

 

圖3:可調(diào)整式反射物鏡能使開發(fā)應用職員通過調(diào)整光路來滿足特殊需求


當調(diào)整型鏡頭需要定期調(diào)整時,其可通過多重結(jié)構(gòu)來調(diào)整,功能多樣。這種鏡頭為現(xiàn)貨供給,比如可與小于典型值長度的鏡筒和蓋玻片厚度配套使用,不需要添加其他配件及額外用度就能夠滿足用戶的特殊需求。


無論是固定版還是調(diào)整版,在購買反射式物鏡時都需要留意一些關(guān)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(zhì)量。三角座的三個腿可導致衍射效應,采用四腳直行設(shè)計時情況更為嚴重。四腿對稱設(shè)計各個腳都會導致衍射效應,而且會相互疊加。三腿彎曲設(shè)計會避免上述缺陷,使光能透射更加均勻。


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(lǐng)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(jié)合。使用一套光學系統(tǒng)就可丈量波長為190nm到1μm薄膜的厚度。只要在傳感器的響應范圍之內(nèi),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。