50×近紅外長工作距離顯微物鏡光學設計

周宇 李維平 鄧然 邵文挺

摘? 要：為了解決現有近紅外顯微物鏡工作距離短、放大倍數低的問題，文章利用光學軟件ZEMAX設計了一款放大倍數為50、工作距離長14.1mm、數值孔徑為0.45、無限共軛距的近紅外顯微物鏡。通過在光學結構庫ZEBASE中選擇光學結構，在軟件中合理的設置操作數，來對該物鏡進行優化，最終得到一款具有工作距離長、放大倍數高、數值孔徑較大、波長范圍廣、各項成像指標接近衍射極限的物鏡。

關鍵詞：長工作距離;顯微物鏡;無限共軛距;近紅外

中圖分類號：O439? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）29-0027-04

Abstract： In order to solve the problems of short working distance and low magnification of the existing near-infrared microscopic objective lens， a near-infrared microscopic objective lens with 50 magnification， long working distance 14.1mm， numerical aperture 0.45 and infinite conjugate distance is designed using optical software ZEMAX. By selecting the optical structure in ZEBASE optical structure library and setting reasonable operands in the software， the objective lens was optimized， and finally an objective lens with long working distance， high magnification， large numerical aperture， wide wavelength range and various imaging indexes close to the diffraction limit was obtained.

Keywords： long working distance; microscopic objective; infinitive conjugate; near infrared

引言

顯微物鏡被廣泛應用在激光微納加工設備及激光微束系統上[1-3]，在應用過程中，很多時候需要具有工作距離長、數值孔徑大、波長覆蓋可見光波段和近紅外波段的需求。近年來國內學者進行了很多研究。其中，在可見光波段，薛金來等人設計了數值孔徑為0.75，半視場為6.39°的平場復消色差顯微物鏡，各項成像指標接近衍射極限[4];在近紅外波段，周恩源等人設計了一套工作波長為785～815nm，數值孔徑為0.9，像方視場為22.5mm，放大倍率為 40×的近紅外平場復消色差顯微物鏡，在經過公差分析后滿足了生產要求[5]。在眾多學者的研究中，我們發現，長工作距離且覆蓋可見光及近紅外波段的高倍顯微物鏡鮮少有人進行研究，長工作距離的顯微物鏡在使用過程中，可有效擴大物鏡與待觀察物體之間的距離，防止在激光加工過程中高溫粒子對物鏡的損傷。由此，本文針對上述需求設計了一款用于在可見光波段同軸觀察，近紅外（1064nm）激光加工用的長工作距離高倍顯微物鏡。

1 設計參數

根據客戶需求及使用場景，我們所確定的近紅外長工作距離顯微物鏡參數如下：工作距離大于14mm，數值孔徑為0.45，焦距為4mm（與焦距為200mm的管鏡配合，實現50倍放大），波長為1064nm及可見光波段，觀察視野為Φ0.46mm，齊焦距離為95mm。整個系統采用反向設置。

根據公式

式中y為半視野高度，f為焦距，ω為半視場角，我們可以計算出顯微物鏡的半視場角為3.29°，在這里我們將半視場角度設置為3.45°。

2 光學設計

2.1 初始結構選取

一般光學系統設計有兩種設計思路，第一種是采用PW法，第二種是縮放法。其中PW法采用的是按照初級像差理論來求取系統的初始結構，這種方法一般適用于初級像差系統，對于存在高級像差的大相對孔徑系統，我們按照第二種思路來進行設計，也就是在光學結構數據庫ZEBASE中找到一個視場角、數值孔徑優于設計要求的結構作為我們光學系統的初始結構[6]。由于需要校正整個可見光波段以及1064nm波長的光，因此使用多個雙膠合透鏡進行消色差設計，另外采用三膠合鏡片用來實現復消色差，初始結構光路見圖1所示。

2.2 優化過程

在選取初始結構后，各項指標不能滿足系統參數要求，因此需要對系統進行縮放，采用的是焦距縮放，將系統的焦距縮放至4mm，其次設置好波長、視場角、入瞳等參數。在優化前一定要通過多重結構操作數將入瞳的孔徑設置為變量。

具體設置過程如下：

（1）將所有的透鏡曲率半徑及厚度設置為可變;

（2）將所有玻璃材料設置為替代，注意，在設置玻璃替代前要排除玻璃庫中已廢棄的玻璃材料以及不適合在激光加工條件下使用的玻璃材料;

（3）打開優化設置向導，使用默認評價函數中點列圖以及均方根來優化;

（4）設置好各個透鏡厚度以及各透鏡之間的空氣間隔范圍;

（5）在ZEMAX軟件中，我們通過REAB操作數來控制系統的數值孔徑，此值設置為-0.5;

（6）使用EFFL操作數來控制焦距，此值設置為4;

（7）使用REAY操作數來控制像方視野，此值設置為0.23;

（8）使用TTGT操作數來控制工作距離，此值設置為14;

（9）使用TOTR操作數以及OPLT操作數控制齊焦距離，此值設置為95。

在軟件優化過程中，我們先著重控制各個波長視場下的球差和彗差，當彌散斑優化到5μm左右的時候，將評價函數設置為波前差以及PTV來優化，這樣的評價方式對于接近衍射極限的系統來說是合理的。當優化一段時間沒有進展的時候，我們可以通過控制REAB的值，來使數值孔徑逐漸減小并接近0.45，在這個過程中可以通過RSCH來減小彌散斑，還可以通過REAY以及DIFF操作數組合來控制色差。根據光學傳遞函數（MTF曲線）以及點列圖來分析像質，不斷調整操作數的權重來優化系統，直到最終達到設計指標要求。一般認為，在軟件中直接使用控制像差的操作數會極大的破壞系統像差的平衡，導致優化效率下降。因此會使用能夠控制各個波長對應的像高操作數來減小色差。

2.3 設計結果

經過對初始結構的設置與優化，最終得到一個滿足設計指標的光學系統，系統中關鍵參數：總長為92mm，NA為0.465，像方視野為Φ0.474mm，工作距離為14.104mm，焦距為4mm。光學系統見圖2所示。

結構參數見表1所示。

2.4 結果分析

顯微物鏡在光學設計上需要將成像指標接近衍射極限，為此選用合適的評價方法極為重要。本文使用的評價方法是MTF曲線，彌散斑半徑、波前差，具體成像指標見圖3～圖5所示。

MTF曲線廣泛被應用于成像光學系統的評價上，顯微物鏡可以在激光加工過程中使用轉折鏡進行可見光波段的同軸觀察，來實時監測加工效果。通過圖3，可以判斷顯微物鏡在600Lp/mm處MTF值達到0.383，這樣的分辨率完全能夠用于成像觀察系統。點列圖一方面可以方便的判斷系統的艾里斑半徑，另一方面也可有效判斷彌散斑尺寸是否達到衍射極限。

式中σ為分辨率，k1為工藝因子，一般取值為0.61，λ為測試波長，一般取值為0.55μm，NA為數值孔徑，我們可以算出分辨率為0.7194μm。通過圖4，各個視場下的彌散斑RMS半徑已經在艾里斑之內，說明彌散斑的參數已經達到衍射極限。一個平面在經過光學系統成像以后會變為一個存在波峰和波谷的表面，一般認為，光學系統的波峰和波谷與理想平面之間的差值小于λ/4，就可判定為理想光學系統，根據圖5顯示的結果，波前函數值小于λ/4，達到了理想光學系統的標準。

2.5 公差分析

顯微物鏡的公差主要體現在元件公差、材料公差、裝配公差。作為一個接近衍射極限的物鏡，再給出上述公差后，還要在添加補償器，作為調節由公差帶來的像質下降的手段，本文將光學系統的第3面和第17面的厚度作為補償器，公差分析的測試波長為632.8nm。

通過與鏡片加工廠商的溝通，確定了一套符合加工要求的公差參數以及補償器參數，見表2～表5。

3 結論

本文設計了一款用于可見光波段觀察，近紅外激光加工用的長工作距離顯微物鏡，通過與焦距為200mm的管鏡配合，可以實現50倍的放大。通過使用ZEMAX軟件對光學系統各類像差的優化與公差分析，得到了一個像質接近衍射極限且能夠生產的光學系統。

參考文獻：

[1]李巖，張書練，孟祥旺，等.激光微束細胞操作系統[J].激光技術，2001（02）：90-94.

[2]王衛京，周新穎，劉文軍.利用飛秒激光燒蝕加工金屬掩模板[J].科技信息（科學教研），2007（21）：148-150.

[3]巫殷忠，黃燕華，尹強，等.高厚度薄膜-泡沫平面調制靶的飛秒激光微加工[J].強激光與粒子束，2011，23（03）：685-688.

[4]薛金來，鞏巖，李佃蒙.N.A.0.75平場復消色差顯微物鏡光學設計[J].中國光學，2015，8（06）：957-963.

[5]周恩源，劉麗輝，劉巖，等.近紅外大數值孔徑平場顯微物鏡設計[J].紅外與激光工程，2017，46（07）：188-194.

[6]陳新錦.帶校正環的物鏡光學設計[J].光學儀器，2016，38（03）：233-237+261.