一种超大数值孔径折反式光学系统的设计与应用

　　在传统的光学系统设计中,即使运用现代化的设计手段,要想设计出超大数值孔径的光学系统也决非易事。通常,大数值孔径的照相物镜需要六个透镜组元方可使其数值孔径NA达0·4~0·5(n=1);在油浸显微镜中,需用十个透镜组元方可使NA接近1·35(n=1·52)[1]。本文所研究系统采用球面与非球面的相互配合,可在真空中收聚由受激样品发出的2π立体角内的全部光辐射,并聚焦于CCD摄谱仪上,可使NA达到1·0(n=1)。从而,凭借简单的装置实现了在真空中超大数值孔径的光学系统的设计。

　　系统采取的设计方案如图1所示,它同时利用了光的折射和反射两种特性,综合应用了球面与非球面等光学元件,具有独特的耐高温性能和极高的聚光能力。因而,这个系统能够突破传统光学系统的诸多方面的局限。

　　1　聚光系统光学设计的难点

　　聚光系统要接收来自受激样品发出的2π立体角内的光辐射,并把它聚焦到CCD摄谱仪上。其设计的难点在于:由于受整套仪器设备的限制,待设计的光学系统的外形尺寸必然受到一定的约束。在明确这个系统的外形尺寸和确定利用二次旋转椭球面的内表面来全反射大角度光线后,如何确定椭球面方程?截取椭球面的哪一部分最好?这都是设计中的难点问题,尤其是后者,它不仅关系到椭球面的强度和收聚光辐射的范围,同时,还关系到各光学元件的加工难度和系统的设计资金等多方面的因素。

　　除二次旋转椭球面所涉及到的设计和加工难点之外,本系统的装配也不是轻而易举的事。譬如:为使椭球腔内的聚光折射子系统能收聚小角度范围内光辐射,并聚焦于同一CCD摄谱仪上,务必保证折反两子系统共轴并齐焦。

　　2　系统设计方法和步骤

　　2·1　系统结构形式的确定

　　这个系统设计目的是能收聚由受激样品发出的2π立体角内的光辐射。若单纯用一透镜折射系统,由于折射系统光能反射和吸收损失较高,则势必会导致该系统的数值孔径较小和系统光能量透过率低;若单纯用一二次旋转非球面来作全反射面,尽管反射镜镀膜后具有很高的反射率,如对于镀金的金属反射镜,反射率几乎为100%,但会给加工及装配带来相当大的困难,同时对红外光线会产生冷反射效应。经综合考虑,采用球面与非球面相互配合的方法来设计本系统。

　　使用被截取的部分椭球腔的内表面经镀铑后做全反射面来收聚大角度光线,用三透镜组成的聚光照明系统来收聚角度范围内的光辐射。

　　2·2　旋转椭球面的设计

　　确定选用二次旋转椭球腔的内表面镀铑后作全反射面,并根据整套设备对这个光学系统外形尺寸的需要,可初步确定:被截取的部分椭球腔的下底为78mm,上底不应超过160mm,且椭球两焦点之间的距离2c=397·4mm,亦即为该光学系统的共轭距离;同时,为兼顾考虑降低系统的加工难度、材料成本及减轻腔内折射子系统的负担,我们设计的椭球腔如上图2所示。