虹科分享|反射物镜：无色差成像聚焦利器

顾名思义，显微就是将微小的物显现出来，它是一门古老又现代的技术。说其古老是因为早在 15 世纪胡克已经发明显微镜用来观察细胞，说其现代是因为随着各种新兴技术出现，如计算机技术等，各种新型显微技术如共焦显微技术、近场光学显微技术等又赋予了显微新的含义。各种显微技术把人类的认知领域从宏观拓展到微观领域，从毫米尺度拓展到微米、纳米尺度。

显微镜因其能够观察肉眼无法观察到的细节，被广泛应用到生产生活的各个领域，是研究微观领域的首选工具。例如，在材料学领域，显微镜是观察材料表面最直接、最有效的工具；在生物工程及医学领域，各种细胞、组织分析及病理诊断等都离不开显微镜；尤其在精密加工、精密检测及精密装配等领域，显微镜更是必不可少。

在显微镜中的组成中，有两个组件负责提高整体系统的放大倍率，分别是物镜和目镜。物镜是最靠近物体的光学元件，其作用是得到物体放大的实像，并将其反射到目镜，它是显微镜最重要的部分。其类型可以简单根据原理的不同分为折射式物镜与反射式物镜。折射物镜是最常用于显微镜中的物镜类别。当光线通过显微镜时，物镜的折射式设计能让光学元件将光线折射或弯曲。每个光学元件的表面都镀有增透膜，其作用是减少背部反射，并改善整体光通量。折射物镜常用于需要极高分辨率的机器视觉应用中。折射物镜具有多种类型，每种类型都使用不同的光学配置。

折射物镜的结构

反射物镜则是完全通过给镜片的表面镀金属膜，使得光线并不通过镜片折射，而是在表面直接反射，从而让光线传输或聚焦。

相对于折射物镜，反射物镜具有一些独特的优势：首先，反射物镜是无色差的，既没有轴向色差也没有横向色差；其次，理论上反射物镜可以应用于任意的波谱范围，其前提是该波段有对应的反射膜，而折射系统却受限于材料在不同谱段的透过率及折射率；另外，反射球面产生的像差要小于折射透镜产生的像差；并且，反射成像系统结构简单，容易加工制作，易于扩展到大口径尺寸。

反射物镜的结构

基于以上优点，反射物镜被广泛应用在传统的显微镜和光束传输系统。凭借独特的无色差性质，反射物镜在需要双波长操作的情况下表现得尤其出色，例如对准可见光束以使用 IR 或 UV 光束激光器。

其他用途包括：FT-IR 显微镜、紫外计量与显微镜、半导体晶圆检测、光学显微镜、光刻、薄膜测量、激光光束传输系统、激光钻孔和蚀刻、产品打标、激光泵浦、热成像显微镜等。

反射物镜的分类

通常称具有两片共球心反射球面组成的物镜结构为施瓦兹物镜（Schwarzschild Objective，简称 SO）。施瓦兹物镜结构是最早应用于显微研究领域的反射物镜，反射显微技术的后续发展都是在施瓦兹物镜结构基础上开展的。总的说来，反射物镜的系统由一个小直径的“辅助”镜子和一个带有中心孔径的大直径“主”镜子组成，由蜘蛛支架固定到位，主镜和副镜表面涂布有镀金涂层，用于光线的反射。这些基于镜面的物镜有两种配置：用于聚焦应用的无限远矫正反射物镜和用于成像应用的有限远矫正反射物镜。

无限远矫正反射物镜

无限远矫正反射物镜（右）将准直光（例如激光源）通过主镜的中心孔径进入物镜，并在其指定的工作距离处聚焦。这种配置提供了一种将宽带或多个激光源聚焦到单个点的经济方法。一种常见的应用是聚焦红外 （IR） 或紫外 （UV） 激光器（例如 Nd：YAG 激光器），其中包含可见参考光束。

有限远矫正反射物镜

有限远矫正反射物镜（左）是成像应用的理想选择。它们是一种简单的解决方案，不需要使用任何额外的聚焦光学元件。这种基于有限共轭镜的配置可提供出色的分辨率，通常可以与传统的折射显微镜物镜互换使用。无限远校正反射物镜可用于成像应用，只需增加一个管透镜，并具有将光束操纵光学元件引入光束路径的灵活性。

最早提出施瓦兹物镜模型时，解决的是无限远物体成像的问题，采用的是两片球面反射镜。无限远校正施瓦兹物镜首次由德国科学家卡尔施瓦兹于 1905 年在一篇论文中提出。此物镜首先被用于望远系统，不同于其他折射式的望远镜，但因其对较宽光谱均有很好成像而在天文观测研究中有着重要的应用。其后该结构被应用于显微领域，在光谱显微镜、X 射线等领域发挥着独特作用。

随着需求的发展以及研究的不断深入，Shealy、Hoover、Artyukov 等提出了针对有限远校正成像的施瓦兹物镜模型，并在 X 射线研究等领域得到广泛应用。现在，只有为数不多的几家公司能够制造反射物镜，提供有限远矫正和无限远矫正的类型，以及不同的放大倍数等型号，满足客户的应用需求。

反射物镜的特征参数

除了常规的物镜参数，比如放大倍数、数值孔径、焦距、工作距离等，反射物镜还有一些特征参数，在使用前需要根据匹配的显微镜以及应用需求来进行选择。

01

管长

这个参数指的是物镜和目镜之间的距离，与显微镜有关。显微镜目前制造都有符合一定标准，大多数复合显微镜采用德国工业标准或DIN标准，DIN 标准从物镜法兰到目镜法兰的距离为 160mm，当然还有其他管长标准。有限远可直接通过延长镜筒与相机/目镜相连。∞对应无限远光学系统，物镜和观察头之间近乎于平行光，允许将滤光片、偏振片和分光镜等光学元件引入光路中。因此，可以在复杂的系统中执行额外的图像分析。例如，在物镜和镜筒透镜之间添加滤光片可以查看特定波长的光或阻挡不需要的波长，否则会干扰设置。使用无限共轭设计的另一个好处是能够根据特定的应用需求改变放大倍率，增加或减少镜筒焦距会改变物镜倍率。通常，需要借助管透镜来聚焦光线至相机或目镜。在选择合适的物镜和目镜时，必须注意显微镜的管长参数，两种系统的物镜不能相互兼容，以确保从前者投射的图像通过后者正确成像。虹科反射物镜能够根据客户使用的显微镜管长进行镜头参数的出厂设置。特别的是，36X，52X与74X的反射物镜具有调节功能，能够自由调整物镜的管长适配参数，从而应用于多种不同规格的显微镜。

02

光谱范围

反射物镜的光路传输效果来自于在内部两个镜子表面涂镀的金属膜，根据膜种类的不同，其光谱响应范围与聚光能力也有区别。

比如虹科反射物镜标准版配有镀铝膜，提供了从紫外到远红外的最宽光谱覆盖范围，约250um~10um，但限制在低功率使用。而在需要高功率时，以及扩展紫外波段，可以选择DUV铝膜，可用于190~10um。除此以外，还有更高反射率（更低光损耗）的金膜可供选择。

03

遮蔽

反射物镜最大的缺点在于次镜对成像光束的遮挡，遮挡不仅造成系统成像能量的降低，更重要的是影响系统的成像质量。反射物镜遮挡模型，物体位于次镜一侧，而物体所对应的像位于主镜一侧，成像光束经过系统时，次镜的存在遮挡了中心的光束，只有边缘光束参与成像，这就造成光学系统中低频段传递信息能力降低。在物方数值孔径不变的情况下，物体与次镜之间的距离越大，遮挡面积越小。

系统的遮挡对系统调制传递函数存在严重影响，遮挡越大，系统调制传递函数在中低频段越低，成像质量也就越差。因此为了使具有遮挡的成像系统具有更好的成像质量，应该尽量减小遮挡比。虹科反射物镜能够保持遮挡比≤25%，最优遮挡比在36X时保持13%。

04

传输波前误差

传输波前误差是波前进入和离开系统时的差异，镜片制造的最新进展使高精度表面的生产和测试成为可能，从而创建更好的校正系统。例如，虹科反射物镜能够保证标准线路上的λ/14 RMS透射波前和高性能线路上的λ/4 P-V透射波前。这种低波前误差允许反射物镜具有衍射限制或近衍射限制的性能。

05

盖玻片矫正

在观察细菌、细胞培养物、血液等流体材料时，有必要使用盖玻片，以保护被检查物体和显微镜组件免受污染。盖玻片或玻璃显微镜载玻片改变了光从物体折射到物镜的方式。因此，物镜需要进行适当的光学校正，以产生最高质量的图像。这就是为什么物镜表示一系列盖玻片厚度，并针对其进行了优化。

通常，它列在无穷大符号（表示物镜是无限共轭或无穷大校正设计）之后，范围从零（无盖玻片校正）到0.17mm。如果用了不合适的盖玻片，则会出现很明显有球差（不同角度的光线没有会聚在同一高度）从而降低成像的对比度和分辨率。

虹科反射能够根据客户使用的盖玻片数值进行镜头参数的出厂设置。特别的是，36X，52X与74X的反射物镜具有调节功能，能够根据具体使用的盖玻片厚度，自由调整物镜的盖玻片矫正参数。

虹科反射物镜

虹科反射物镜共有6种标准型号（覆盖最广泛的放大倍数选择），也可根据需求定制。所有反射物镜均符合 RoHS 指令 2002/95/EC、2011/65/EU 和 205/863 的要求。