50×近红外长工作距离显微物镜光学设计

周宇 李维平 邓然 邵文挺

摘  要：为了解决现有近红外显微物镜工作距离短、放大倍数低的问题，文章利用光学软件ZEMAX设计了一款放大倍数为50、工作距离长14.1mm、数值孔径为0.45、无限共轭距的近红外显微物镜。通过在光学结构库ZEBASE中选择光学结构，在软件中合理的设置操作数，来对该物镜进行优化，最终得到一款具有工作距离长、放大倍数高、数值孔径较大、波长范围广、各项成像指标接近衍射极限的物镜。

关键词：长工作距离;显微物镜;无限共轭距;近红外

中图分类号：O439         文献标志码：A         文章编号：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

显微物镜被广泛应用在激光微纳加工设备及激光微束系统上[1-3]，在应用过程中，很多时候需要具有工作距离长、数值孔径大、波长覆盖可见光波段和近红外波段的需求。近年来国内学者进行了很多研究。其中，在可见光波段，薛金来等人设计了数值孔径为0.75，半视场为6.39°的平场复消色差显微物镜，各项成像指标接近衍射极限[4];在近红外波段，周恩源等人设计了一套工作波长为785～815nm，数值孔径为0.9，像方视场为22.5mm，放大倍率为 40×的近红外平场复消色差显微物镜，在经过公差分析后满足了生产要求[5]。在众多学者的研究中，我们发现，长工作距离且覆盖可见光及近红外波段的高倍显微物镜鲜少有人进行研究，长工作距离的显微物镜在使用過程中，可有效扩大物镜与待观察物体之间的距离，防止在激光加工过程中高温粒子对物镜的损伤。由此，本文针对上述需求设计了一款用于在可见光波段同轴观察，近红外（1064nm）激光加工用的长工作距离高倍显微物镜。

1 设计参数

根据客户需求及使用场景，我们所确定的近红外长工作距离显微物镜参数如下：工作距离大于14mm，数值孔径为0.45，焦距为4mm（与焦距为200mm的管镜配合，实现50倍放大），波长为1064nm及可见光波段，观察视野为Φ0.46mm，齐焦距离为95mm。整个系统采用反向设置。

根据公式

式中y为半视野高度，f为焦距，ω为半视场角，我们可以计算出显微物镜的半视场角为3.29°，在这里我们将半视场角度设置为3.45°。

2 光学设计

2.1 初始结构选取

一般光学系统设计有两种设计思路，第一种是采用PW法，第二种是缩放法。其中PW法采用的是按照初级像差理论来求取系统的初始结构，这种方法一般适用于初级像差系统，对于存在高级像差的大相对孔径系统，我们按照第二种思路来进行设计，也就是在光学结构数据库ZEBASE中找到一个视场角、数值孔径优于设计要求的结构作为我们光学系统的初始结构[6]。由于需要校正整个可见光波段以及1064nm波长的光，因此使用多个双胶合透镜进行消色差设计，另外采用三胶合镜片用来实现复消色差，初始结构光路见图1所示。

2.2 优化过程

在选取初始结构后，各项指标不能满足系统参数要求，因此需要对系统进行缩放，采用的是焦距缩放，将系统的焦距缩放至4mm，其次设置好波长、视场角、入瞳等参数。在优化前一定要通过多重结构操作数将入瞳的孔径设置为变量。

具体设置过程如下：

（1）将所有的透镜曲率半径及厚度设置为可变;

（2）将所有玻璃材料设置为替代，注意，在设置玻璃替代前要排除玻璃库中已废弃的玻璃材料以及不适合在激光加工条件下使用的玻璃材料;

（3）打开优化设置向导，使用默认评价函数中点列图以及均方根来优化;

（4）设置好各个透镜厚度以及各透镜之间的空气间隔范围;

（5）在ZEMAX软件中，我们通过REAB操作数来控制系统的数值孔径，此值设置为-0.5;

（6）使用EFFL操作数来控制焦距，此值设置为4;

（7）使用REAY操作数来控制像方视野，此值设置为0.23;

（8）使用TTGT操作数来控制工作距离，此值设置为14;

（9）使用TOTR操作数以及OPLT操作数控制齐焦距离，此值设置为95。

在软件优化过程中，我们先着重控制各个波长视场下的球差和彗差，当弥散斑优化到5μm左右的时候，将评价函数设置为波前差以及PTV来优化，这样的评价方式对于接近衍射极限的系统来说是合理的。当优化一段时间没有进展的时候，我们可以通过控制REAB的值，来使数值孔径逐渐减小并接近0.45，在这个过程中可以通过RSCH来减小弥散斑，还可以通过REAY以及DIFF操作数组合来控制色差。根据光学传递函数（MTF曲线）以及点列图来分析像质，不断调整操作数的权重来优化系统，直到最终达到设计指标要求。一般认为，在软件中直接使用控制像差的操作数会极大的破坏系统像差的平衡，导致优化效率下降。因此會使用能够控制各个波长对应的像高操作数来减小色差。

2.3 设计结果

经过对初始结构的设置与优化，最终得到一个满足设计指标的光学系统，系统中关键参数：总长为92mm，NA为0.465，像方视野为Φ0.474mm，工作距离为14.104mm，焦距为4mm。光学系统见图2所示。

结构参数见表1所示。

2.4 结果分析

显微物镜在光学设计上需要将成像指标接近衍射极限，为此选用合适的评价方法极为重要。本文使用的评价方法是MTF曲线，弥散斑半径、波前差，具体成像指标见图3～图5所示。

MTF曲线广泛被应用于成像光学系统的评价上，显微物镜可以在激光加工过程中使用转折镜进行可见光波段的同轴观察，来实时监测加工效果。通过图3，可以判断显微物镜在600Lp/mm处MTF值达到0.383，这样的分辨率完全能够用于成像观察系统。点列图一方面可以方便的判断系统的艾里斑半径，另一方面也可有效判断弥散斑尺寸是否达到衍射极限。

式中σ为分辨率，k1为工艺因子，一般取值为0.61，λ为测试波长，一般取值为0.55μm，NA为数值孔径，我们可以算出分辨率为0.7194μm。通过图4，各个视场下的弥散斑RMS半径已经在艾里斑之内，说明弥散斑的参数已经达到衍射极限。一个平面在经过光学系统成像以后会变为一个存在波峰和波谷的表面，一般认为，光学系统的波峰和波谷与理想平面之间的差值小于λ/4，就可判定为理想光学系统，根据图5显示的结果，波前函数值小于λ/4，达到了理想光学系统的标准。

2.5 公差分析

显微物镜的公差主要体现在元件公差、材料公差、装配公差。作为一个接近衍射极限的物镜，再给出上述公差后，还要在添加补偿器，作为调节由公差带来的像质下降的手段，本文将光学系统的第3面和第17面的厚度作为补偿器，公差分析的测试波长为632.8nm。

通过与镜片加工厂商的沟通，确定了一套符合加工要求的公差参数以及补偿器参数，见表2～表5。

3 结论

本文设计了一款用于可见光波段观察，近红外激光加工用的长工作距离显微物镜，通过与焦距为200mm的管镜配合，可以实现50倍的放大。通过使用ZEMAX软件对光学系统各类像差的优化与公差分析，得到了一个像质接近衍射极限且能够生产的光学系统。

参考文献：

[1]李岩，张书练，孟祥旺，等.激光微束细胞操作系统[J].激光技术，2001（02）：90-94.

[2]王卫京，周新颖，刘文军.利用飞秒激光烧蚀加工金属掩模板[J].科技信息（科学教研），2007（21）：148-150.

[3]巫殷忠，黄燕华，尹强，等.高厚度薄膜-泡沫平面调制靶的飞秒激光微加工[J].强激光与粒子束，2011，23（03）：685-688.

[4]薛金来，巩岩，李佃蒙.N.A.0.75平场复消色差显微物镜光学设计[J].中国光学，2015，8（06）：957-963.

[5]周恩源，刘丽辉，刘岩，等.近红外大数值孔径平场显微物镜设计[J].红外与激光工程，2017，46（07）：188-194.

[6]陈新锦.带校正环的物镜光学设计[J].光学仪器，2016，38（03）：233-237+261.