長(zhǎng)工作距離顯微鏡的設(shè)計(jì)思路
下面通過理論依據(jù)、方案設(shè)計(jì)、實(shí)際優(yōu)化，最后完成產(chǎn)品闡述長(zhǎng)工作距離顯微鏡的設(shè)計(jì)思路，以及為什么能有優(yōu)秀的光學(xué)性能。
1.理論依據(jù)——瑞利判據(jù)
瑞利判據(jù)由瑞利勛爵提出，廣泛用于光學(xué)系統(tǒng)（如望遠(yuǎn)鏡、顯微鏡）中兩點(diǎn)源的分辨能力評(píng)估，通過分辨艾里斑求得光學(xué)系統(tǒng)的最大分辨率。
艾里斑：凸透鏡能將入射光聚焦到它的焦點(diǎn)上，但由于透鏡口徑有一定大小，光線透過時(shí)會(huì)由于波動(dòng)特性會(huì)發(fā)生衍射，無(wú)法將光線聚成無(wú)限小的焦點(diǎn)上，而只會(huì)形成一定能量分布的光斑。中央是明亮的圓斑，周圍有一組較弱的明暗相間的同心環(huán)狀條紋，把其中以第一暗環(huán)為界限的中央亮斑稱為艾里斑（AiryDisk）。下圖為兩個(gè)等光強(qiáng)的艾里斑從重疊到逐步分開的影像。
圖3 艾里斑
瑞利判據(jù)：在實(shí)際應(yīng)用中，被測(cè)物體不是一個(gè)點(diǎn)而是一系列物點(diǎn)的集合。每一個(gè)物點(diǎn)經(jīng)過有限直徑的透鏡后，在像平面上都會(huì)產(chǎn)生文中開頭提到的艾里斑，如果兩個(gè)物點(diǎn)的艾里斑重疊到無(wú)法分辨，我們則認(rèn)為這兩個(gè)物點(diǎn)無(wú)法被分辨，圖4中讓兩個(gè)等光強(qiáng)的非相干點(diǎn)像逐步分開，當(dāng)兩個(gè)點(diǎn)像中心間隔等于艾里斑的半徑R，這樣的艾里斑可以被認(rèn)為是物點(diǎn)可以被分辨得最小尺寸，這種方式叫瑞利判定（RayleighCriterion）
圖4 瑞利判據(jù)分辨
那么我們來(lái)計(jì)算一下按照瑞利判定，可被分辨的艾里斑的半徑（也就是可以被分辨的最小尺寸）與生成這個(gè)艾里斑的光波波長(zhǎng)的關(guān)系。圖5為原理示意圖。
圖5 瑞利判據(jù)計(jì)算模型
中間演算過程涉及到冗長(zhǎng)的傅里葉級(jí)數(shù)變換以及各種函數(shù)方程，最終計(jì)算結(jié)果為：
公式中λ為使用光線的波長(zhǎng)值；n為光路中透鏡對(duì)介質(zhì)的折射率系數(shù)；α為入射光束與透鏡光軸間的夾角；NA為數(shù)值孔徑代表折射率系數(shù)與入射光束與透鏡光軸間夾角的積。在波長(zhǎng)固定情況下，往往是NA值決定鏡頭的分辨率，NA值越大分辨率越高。
2.長(zhǎng)工作距離的理論設(shè)計(jì)思路
在設(shè)計(jì)增加工作距離的時(shí)，同時(shí)要保障鏡頭分辨率，即數(shù)值孔徑（NA）的大小。
n是被測(cè)物到鏡頭中間介質(zhì)的折射率，使用場(chǎng)景必然是在空氣中，值為1.0003，下面也列了幾種常見的介質(zhì)作為科普。
介質(zhì) | 折射率 （n） | 典型應(yīng)用 |
空氣 | 1.0003 | 普通光學(xué)系統(tǒng)參考基準(zhǔn) |
水 | 1.333 | 水浸物鏡、水下成像 |
玻璃 | 1.52-1.95 | 顯微鏡載玻片、光纖芯 |
浸油 | 1.515 | 油浸物鏡 （如NA=1.4） |
鉆石 | 2.417 | 高色散光學(xué)元件 |
表4 幾種常見的介質(zhì)
圖6 數(shù)值孔徑幾何模型
在維持?jǐn)?shù)值孔徑（NA）恒定的約束條件下，實(shí)現(xiàn)工作距離（WD）的擴(kuò)展需同步增大入瞳孔徑（R）。基于幾何光學(xué)模型
當(dāng)折射率介質(zhì)(n)固定時(shí)，WD與R呈非線性正相關(guān)——WD每增加一個(gè)量級(jí)，R需以超線性比例放大以補(bǔ)償光錐角度的衰減，這對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的機(jī)械公差、像差校正及制造成本提出了更高要求。
要保障NA值不變的前提下，增加工作距離，同時(shí)需增大入瞳孔徑。
這樣滿足前文所述的瑞利判據(jù)，這樣從理論角度可以實(shí)現(xiàn)，長(zhǎng)工作距離和高分辨的同時(shí)兼顧。
3.長(zhǎng)工作距離的實(shí)際設(shè)計(jì)思路
在實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，入瞳孔徑的尺寸無(wú)法無(wú)限增加，需綜合考量工藝實(shí)現(xiàn)性、制造成本及系統(tǒng)空間布局等限制因素。基于上述約束條件，本研究最終選定4英寸（約101.6 mm）透鏡作為最大口徑的設(shè)計(jì)方案，以平衡光學(xué)性能（如數(shù)值孔徑）與工程可行性。
在顯微鏡的光路設(shè)計(jì)部分，考慮到有透射式和折反射式兩種思路，下面是兩種方式的特點(diǎn)差異：
透射式顯微鏡特點(diǎn)：當(dāng)前商用顯微鏡市場(chǎng)以透射式顯微鏡為主導(dǎo)類型，其核心成像機(jī)制基于透射光路設(shè)計(jì)：光源發(fā)出的照明光束穿透樣本后，經(jīng)由物鏡與目鏡的協(xié)同放大作用形成光學(xué)圖像，整個(gè)光路方向始終沿透射軸延伸。這種經(jīng)典光路構(gòu)型因其結(jié)構(gòu)成熟穩(wěn)定、樣本兼容性強(qiáng)等特點(diǎn)，在生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)、材料分析等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。
折反射式顯微鏡特點(diǎn)：通過凹面主鏡與凸面副鏡的組合折疊光路，使光線在鏡筒內(nèi)往返兩次后聚焦，再通過鏡片組完成顯微成像。
圖7 折反射式原理簡(jiǎn)易圖
兩種方案對(duì)比，折反射式顯微系統(tǒng)雖然設(shè)計(jì)的難度大，但在相同的成像條件下，體積小，結(jié)構(gòu)輕盈，更好的光學(xué)性能，所以選擇用折反射式光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)長(zhǎng)工作距離顯微鏡。
經(jīng)過綜合考慮透鏡邊緣厚度，面型加工的難易之后，經(jīng)過反復(fù)優(yōu)化。最后設(shè)計(jì)制作出這兩款550、910mm起的長(zhǎng)工作距離顯微鏡。
長(zhǎng)工作距離顯微鏡創(chuàng)新點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)點(diǎn)
圖1 WD 550mm和910mm長(zhǎng)工作距離顯微鏡
技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)：采用折反射式光學(xué)架構(gòu)、工作距離與NA值的優(yōu)化匹配設(shè)計(jì)。
產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)：色差控制，反射鏡對(duì)不同波長(zhǎng)光線的反射角度一致，天然消除色差。像差校正，非球面反射鏡（如拋物面、雙曲面）有效抑制球差和彗差，結(jié)合多層寬帶鍍膜技術(shù)提升透光率。寬光譜設(shè)計(jì)，工作波段覆蓋350-2000nm。最大像面18mmm，覆蓋1.1"以內(nèi)的芯片。
型號(hào) | 放大 倍數(shù) | NA | 工作 距離 | 分辨率 (um) |
2× M PLAN APO | 2× | 0.06 | 34 mm | 5 μm |
10× M PLAN APO | 10× | 0.28 | 34 mm | 1 μm |
1× M PLAN APO VIS | 1× | 0.025 | 13.0 mm | 11.0 μm |
2× M PLAN APO VIS | 2× | 0.055 | 34.0 mm | 5.0 μm |
5× M PLAN APO VIS | 5× | 0.15 | 44.85 mm | 2.5 μm |
表1 工作距離相對(duì)較長(zhǎng)的顯微物鏡參數(shù)
對(duì)焦距離 （mm） | 放大 倍率 | 分辨率 （um） | 景深 （um） |
550 | 2.74 | 4.6 | 745 |
700 | 2.25 | 5.6 | 694 |
1000 | 1.64 | 7.6 | 661 |
1300 | 1.28 | 9.8 | 660 |
1500 | 1.11 | 11.3 | 670 |
表2 WD 550mm長(zhǎng)工作距離顯微鏡的詳細(xì)性能數(shù)據(jù)
圖2 WD 550mm長(zhǎng)工作距離顯微鏡分辨率板實(shí)拍圖
圖二是，WD550mm長(zhǎng)工作距離顯微鏡在實(shí)驗(yàn)室光線調(diào)節(jié)良好的情況下測(cè)試工作距離550mm的數(shù)據(jù)，125線對(duì)分辨清晰，160線對(duì)成像相對(duì)較差時(shí)，依然可以分辨。分辨率的線對(duì)計(jì)算方法如下：
計(jì)算得出125線對(duì)代表像素4um。
對(duì)焦距離 （mm） | 放大 倍率 | 分辨率 （um） | 景深 （mm） |
910 | 1.67 | 6.0 | 0.3 |
1300 | 1.55 | 8.3 | 0.35 |
2000 | 0.79 | 12.7 | 1.3 |
4000 | 0.39 | 25.3 | 4 |
10000 | 0.16 | 66.3 | 18 |
表3 WD910mm長(zhǎng)工作距離顯微鏡的詳細(xì)性能數(shù)據(jù)
應(yīng)用場(chǎng)景
1.工業(yè)制造與質(zhì)量控制
半導(dǎo)體行業(yè)：半導(dǎo)體晶圓檢測(cè)（真空腔室觀測(cè)），晶體生長(zhǎng)和集成電路的監(jiān)測(cè)?？梢杂脕?lái)實(shí)時(shí)監(jiān)視晶體的生長(zhǎng)速度和形態(tài)變化，或?qū)呻娐飞a(chǎn)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)。
鋼鐵、玻璃制造過程的監(jiān)測(cè)。在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)就可以在鋼鐵、玻璃冷卻定型之前就開始進(jìn)行微觀監(jiān)測(cè)和缺陷篩選，以保證產(chǎn)品的質(zhì)量。
2.醫(yī)療方向
生物反應(yīng)器原位觀測(cè)，醫(yī)療手術(shù)與研究。可廣泛地應(yīng)用于顯微外科、神經(jīng)外科、骨科、眼科、皮膚病、燒傷以及五官科等醫(yī)療領(lǐng)域。對(duì)于動(dòng)物試驗(yàn)，生物醫(yī)學(xué)和植物學(xué)研究同樣具有極大的實(shí)用性。
3.特殊環(huán)境與復(fù)雜結(jié)構(gòu)
真空/高溫檢測(cè)：
燈泡內(nèi)燈絲檢測(cè)（需密封窗口）、核反應(yīng)堆材料高溫服役監(jiān)測(cè)（如合金709在950℃下的裂紋擴(kuò)展分析），高溫/高壓環(huán)境過程監(jiān)控。
材料微觀觀測(cè)。既可對(duì)樣品作靜態(tài)觀測(cè)，又能進(jìn)行動(dòng)態(tài)觀測(cè)，既可以使顯微鏡在樣品上移動(dòng)觀測(cè)，又可以在樣品處于高溫、高濕、有腐蝕性氣體環(huán)境下觀測(cè)樣品的微觀變化，如：金屬在高溫下的熱膨脹、裂變、疲勞等的實(shí)時(shí)觀測(cè)。
公安司法鑒定取證。在不破壞現(xiàn)場(chǎng)的條件下，將手印痕跡、爆炸物殘跡等微觀痕跡直接攝錄下來(lái)，從而避免因取樣而對(duì)現(xiàn)場(chǎng)造成的破壞。
聯(lián)合光科新推出的長(zhǎng)工作距離顯微鏡，憑借獨(dú)特的設(shè)計(jì)理念，突破了傳統(tǒng)顯微鏡的距離限制，為生命科學(xué)、材料創(chuàng)新及智能制造注入更強(qiáng)大的探索動(dòng)力，歡迎大家咨詢！
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