傳統的光學(xué)系統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(cháng)范圍內實(shí)現多光譜成像的應用，基于透鏡的系統就明顯無(wú)法勝任了。相比之下，反射光學(xué)系統不但能夠解決大功率多光譜傳輸，而且還能有效降低系統復雜度，節約本錢(qián)。

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(zhù)兩大主要挑戰：挑戰之一是散射，事實(shí)上這也是每種介質(zhì)的固有特性，波長(cháng)決定了光束通過(guò)鏡頭的速度。散射導致不同波長(cháng)的光線(xiàn)在聚焦時(shí)，焦點(diǎn)位置會(huì )有差異。復合鏡頭可以解決這個(gè)題目--;通過(guò)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(xué)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(jiàn)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(shí)間和本錢(qián)外，其光學(xué)透射范圍也會(huì )受到各種鏡片的化學(xué)性質(zhì)和固有特性的限制。

因此，這便導致了折射系統的第二個(gè)缺點(diǎn)：吸收。在大功率激光聚焦系統中，即使是很小一部分的光能量被吸收，就可能導致鏡頭嚴重損壞。傳統的解決方案是選擇鏡頭材料以及鍍膜，以進(jìn)步對應激光波優(yōu)點(diǎn)的透射率。

不幸的是，當同時(shí)需要多譜成像和大功率激光器時(shí)，這兩種解決方案并不能互相補足。在折射系統中，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(gè)傳統的鏡頭系統來(lái)說(shuō)，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(shí)滿(mǎn)足。

多透鏡需求

突顯這種困境的潛伏本錢(qián)的一種應用是：在生產(chǎn)過(guò)程中檢測和修理平板顯示。用可見(jiàn)光掃描整個(gè)平板表面，以找有缺陷，一旦缺陷被識別出來(lái)，高功率激光束(通常由1064nm的Nd:YAG激光器輸出)就會(huì )對準缺陷部位進(jìn)行融化。對于服務(wù)于該應用的單獨光學(xué)系統，其必須在紅外波段和可見(jiàn)光波段有著(zhù)很高的透射率。而且，系統必須要將紅外光和可見(jiàn)光聚焦在相同點(diǎn)，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(xué)系統也會(huì )非常昂貴。因此，已經(jīng)實(shí)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(jiàn)光掃描，通常結合氦氖激光器光斑通過(guò)系統透射用于準直目的。當氦氖激光光斑指向缺陷部位時(shí)，透鏡系統的電動(dòng)控制臺就會(huì )移動(dòng)到此處，然后用近紅外光來(lái)代替可見(jiàn)光路并進(jìn)行激光往除。

由于需要多重鏡頭組、電動(dòng)調整臺等，因此這種方案不但本錢(qián)高昂，而且維修用度也非常高。近紅外鏡頭與可見(jiàn)光鏡頭不能夠同時(shí)聚焦在相同的平面，因此系統的準直非常重要，以確保激光燒蝕正常工作。

假如采用反射光學(xué)系統，則只需要幾個(gè)光學(xué)元件就能滿(mǎn)足該應用需求，由于反射系統不受波長(cháng)約束。反射系統不會(huì )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(jìn)行校正。反射光路通過(guò)系統(取決于反射鏡的反射率)與波長(cháng)有關(guān)，但是波長(cháng)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(zhù)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部熱源的影響，則需要特殊的激光膜層，以進(jìn)步激光波優(yōu)點(diǎn)的反射率，同時(shí)在其余波段不會(huì )對系統的性能產(chǎn)生影響。

典型的反射系統只有幾個(gè)光學(xué)元件：一個(gè)主鏡用來(lái)聚焦，一個(gè)二級反射鏡將光路進(jìn)行轉折到更有利的位置。二級反射鏡由一個(gè)“三腳架”固定，并用一個(gè)鏡筒來(lái)固定整個(gè)光學(xué)系統(見(jiàn)圖1)。由于這種反射系統簡(jiǎn)化了光路，因此與折射系統相比，能夠大幅縮減本錢(qián)，而且可以使結構變得更加緊湊，更加牢固，這是由于通過(guò)反射鏡的反射，系統的光軸發(fā)生變化，從而減少了系統的長(cháng)度。

圖1：僅采用兩個(gè)反射鏡就能夠進(jìn)行廣域光譜成像，同時(shí)沒(méi)有色差

例如，在面板檢測以及維修時(shí)， 反射系統的優(yōu)點(diǎn)能夠得到很好的體現：只需要一個(gè)鏡頭就能夠代替折射系統的兩個(gè)鏡頭，不需要安裝電動(dòng)移位臺器件，體積得到進(jìn)一步縮小，降低了本錢(qián)，并能夠進(jìn)步產(chǎn)能，由于在使用時(shí)不再需要轉換物鏡。這種簡(jiǎn)化版的光學(xué)設計同時(shí)意味著(zhù)系統調整變得更加簡(jiǎn)單，比折射系統的投資回報率高出了很多。

設計考量

在多光譜應用中，反射光學(xué)系統比折射光學(xué)系統更易于設計和實(shí)施;然而，在選擇反射式物鏡時(shí)必須要考慮以下一些因素：第一就是選擇固定的系統還是可以調整的系統。固定版物鏡在工廠(chǎng)生產(chǎn)的時(shí)候就已調整到最佳狀態(tài)，這種版本即使在震動(dòng)以及意外碰撞下也不需要重新校準(見(jiàn)圖2)。而且，由于固定版物鏡安裝要比可調整版更結實(shí)可靠，即使從適當的位置跌落或掉落也不會(huì )影響其使用。

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療方面能簡(jiǎn)化系統、使得系統更牢固、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(shí)不需要調整。為了具體說(shuō)明這種物鏡，開(kāi)發(fā)職員必須知道變化間隔——要么無(wú)窮遠或特殊的管長(cháng)，以及蓋玻片厚度。一旦布置好后，以后就不需要再進(jìn)行調整了。

調整版反射物鏡可通過(guò)一個(gè)或兩個(gè)參數來(lái)調整：鏡筒長(cháng)度可調，或校正由于蓋玻片的厚度變化而導致的球差(見(jiàn)圖3)。通常只有鏡頭本身發(fā)生改變時(shí)才進(jìn)行調整，但是，當主鏡和附鏡之間的間隔發(fā)生變化時(shí)，也需要進(jìn)行調整。廠(chǎng)商通常在出貨前會(huì )將光學(xué)性能調整到最佳狀態(tài)，帶調整說(shuō)明以及特殊部位說(shuō)明，比如調整圖片。使用者可將其安裝在系統中，可通過(guò)鏡筒長(cháng)度和蓋玻片厚度進(jìn)行調整，然后固定。

圖3：可調整式反射物鏡能使開(kāi)發(fā)應用職員通過(guò)調整光路來(lái)滿(mǎn)足特殊需求

當調整型鏡頭需要定期調整時(shí)，其可通過(guò)多重結構來(lái)調整，功能多樣。這種鏡頭為現貨供給，比如可與小于典型值長(cháng)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(mǎn)足用戶(hù)的特殊需求。

無(wú)論是固定版還是調整版，在購買(mǎi)反射式物鏡時(shí)都需要留意一些關(guān)鍵點(diǎn)。其中最主要的是二級反射鏡以及三角座為成像帶來(lái)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(guò)系統，降低光束質(zhì)量。三角座的三個(gè)腿可導致衍射效應，采用四腳直行設計時(shí)情況更為嚴重。四腿對稱(chēng)設計各個(gè)腳都會(huì )導致衍射效應，而且會(huì )相互疊加。三腿彎曲設計會(huì )避免上述缺陷，使光能透射更加均勻。

在使用反射物鏡時(shí)，另外一個(gè)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(shí)，需要考慮膜層的損傷閾值。有些廠(chǎng)商可以根據用戶(hù)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(jiàn)光波長(cháng)與紅外功率傳輸兩者相結合。使用一套光學(xué)系統就可丈量波長(cháng)為190nm到1μm薄膜的厚度。只要在傳感器的響應范圍之內，成像系統可涵蓋各種波長(cháng)范圍而不需要添加任何光學(xué)元件。