光谱共焦显微镜中色散物镜材料的优化选择

　　0 引 言

　　光谱共焦显微镜(Chromatic Confocal Microscope, CCM)是从扫描共焦显微镜基础上发展起来的一种共焦显微镜。1992 年 Browne 等人将光谱深度扫描技术引入共焦显微镜，验证了光谱共焦显微镜的原理[1]。光谱共焦显微镜具有无需扫描即可测量轴向高度的特点，测量速度大大增加。之后又有不少学者对光谱共焦显微镜进行了研究，并将其发展为光谱共焦位移传感器。相比于激光三角法位移传感器，光谱共焦位移传感器对表面状况的要求更低、容许更大的倾斜角度。目前，光谱共焦技术已广泛应用到轮廓扫描、粗糙度测量、位移测量等多个方面，如用光谱共焦位移传感器代替接触式测针用于文物级唱片的声音还原[2]、测量光学平行平板和透镜的厚度[3-4]、金属薄膜的厚度和厚度分布[5]等。此外，光谱共焦位移传感器为 ISO推荐的表面纹理测量仪器之一[6]。

　　光谱共焦显微镜的测量范围和分辨力与其前端的色散物镜密切相关，因此色散物镜是光谱共焦显微镜的关键部件。与常规消色差的显微物镜不同，光谱共焦显微镜的色散物镜力求得到较大的轴向色差(AxialChromatic Aberration, ACA)，一般用折射或衍射光学元件来实现。在折射光学元件方面，有研究者使用商品显微镜配以单透镜产生轴向色散[7-8]，也有研究者设计了专门的色散物镜[9-10]。在衍射光学元件方面，研究者用衍射光学元件与透镜结合的方式产生轴向色散[11-13]。

　　在以往的研究中，使用折射光学元件得到的轴向色散与波长并非线性关系，在配以光谱仪工作时导致光谱共焦显微镜在不同波长处的灵敏度或分辨力差异较大，甚至有一倍的差异，对显微镜的性能有较大的影响。这是由于玻璃材料的折射率在可见光范围内与波长呈非线性，若物镜由单一玻璃材料组成，其轴向色散与波长为非线性关系[10]。虽然某些衍射光学元件的色散与波长之间为线性关系，但衍射光学元件必须与透镜组合消除像差，透镜的引入又会破坏衍射色散与波长间的线性关系，这点从前人的研究中也可以看出[11-13]。此外，衍射光学元件加工困难、数值孔径较小，也限制了其在光谱共焦显微镜中的使用。因此，探索如何得到轴向色散与波长成线性关系的折射物镜对光谱共焦显微镜极为重要。

　　A. Miks 等研究了利用不同玻璃材料的密接透镜得到透镜焦距与波长为线性关系的方法[14-15]，但没有给出优化选择材料的方法，致使密接透镜中个别单透镜光焦度过大(10 倍于组合光焦度)[15]，带来较大的球差，很难得到实用的设计结果。本文根据线性轴向色散理论的研究，给出了优化选择线性色散物镜材料的方法，得到最大色散的同时也有效控制了透镜的光焦度，并结合实例验证了此方法的有效性，最后给出了使用优化材料组合设计的线性色散物镜实例。