Cases

什么是非球面透镜光学系统中最常用的球面透镜是指透镜表面是回转对称的球面表面，即从透镜的中心到边缘具有恒定的曲率。而非球面透镜则是透镜表面为回转对称的不是球面的表面，即符合特定表达式的回转对称的且表面是光滑连续的表面。 光学系统中采用的非球面有三大类：第一类是轴对称非球面，如回转圆锥曲面、回转高次曲面；第二类是具有两个对称面的非球面，如柱面、复曲面；第三类是没有对称性的自由曲面。      图1  （左）非球面透镜示意图  （右）非球面透镜 最常用的非球面表达式是一个圆锥曲面作为基准面再迭加一系列的高次多项式构成，表达式为： 如图1所示，式中r为离非球面轴的径向距离，z为相应的垂直距离，c=1/R为顶点曲率，R为顶点曲率半径，k表示圆锥系数，为第n次非球面系数；如图2所示，不同值代表不同的圆锥曲线形式。 图2 不同的二次曲面系数对应的曲面类型 非球面透镜的优点 球面透镜无论是否存在任何的测量误差和制造误差，都会出现球差。而非球面透镜最显著的优点便是它能够通过对圆锥常数和非球面系数进行调整、优化，以最大限度地减小像差，如图3所示，展示了一个带有显著球差的球面透镜，和一个几乎没有任何球差的非球面透镜，相比而言，单片非球面透镜获得了更好的像质。 图3  （上）球面透镜球差示意图   （下）非球面透镜消球差  相比于常规的通过增加镜片数量来校正球差的方法，非球面透镜能够实现用更少的透镜数来实现更好的像差校正，例如，一般使用十个或更多透镜的变焦镜头，可以使用一两个非球面透镜来替换五六个球面透镜，实现相同或更高的光学效果，从而降低系统的长短和复杂性。 另外，使用更多的光学元件的光学系统，往往对机械公差有严格要求，且会增加额外的校准步骤，以及更多的增透膜要求，从而降低系统的整体实用性。因此，光学系统中非球面透镜的使用（虽然非球面透镜价格相比F数等同的单片透镜和双胶合透镜贵），将会降低整体系统的成本。 总的来说，光学系统中合理采用非球面透镜，在实现光学系统小型化、轻型化、多功能化等方面具有不可替代的地位。 非球面透镜在激光准直方面的应用 非球面透镜在光学系统中扮演着非常重要的角色。例如，我们接触到的最多的手机镜头、相机镜头、超短焦投影仪等，这类复杂系统中多是通过使用多片非球面和球面镜组合来对系统像差进行优化设计，没有形成标准化产品。 图4 非球面透镜在手机镜头和数码相机中的应用 非球面镜的另一类重要应用是在激光准直、聚焦、激光器与光纤耦合方面。从激光器中直接出来的光束通常为高斯光束，而实际应用中，如光学测量、激光医疗、激光加工等领域，需要对激光光束进行准直、聚焦、均匀化等整形。常规的通过球面透镜准直的方法，通常需要至少2片透镜。 由于激光是单波长的光源，球差往往是阻碍单个球面透镜聚焦或准直光时获得衍射极限性能的因素，而单片的非球面透镜对于球差的优化完美地解决这个问题，因此，常用于对光纤或激光二极管的输出光进行准直、将激光耦合到光纤中等。  图5  （上）非球面透镜激光准直示意 （下）将激光耦合到光纤中的应用 非球面透镜在用于激光准直时，平坦的表面即曲率半径较大的一面（有时为平面）应该朝向激光光源，如图6所示，假设光源发散角为θ，准直后所需光束直径为Φ，则可以计算出适于本系统的非球面透镜的焦距为： 其次，还应满足光源的数值孔径（NA）需小于非球面透镜的数值孔径（NA）。 例如，波长为650nm激光二极管，发射角度为30°，准直后光束直径为3mm，则所需非球面透镜焦距 ，其次，激光二极管，根据以上数据，可从联合光科非球面透镜产品中挑选出编号为140175的产品满足准直要求。  图6  激光准直非球面透镜的参数确定 非球面透镜产品 在工业加工、光学测量、实验室研究等领域，常用的激光光源和光纤光源的波长、发散角、准直光束直径等参数是较为明确的，因此，联合光科也针对这些应用设计和生产了一系列性能优异的精密抛光的大直径非球面透镜和精密模压玻璃非球面透镜，在激光准直、聚焦、激光器与光纤耦合等领域有广泛应用。 ​表1  联合光科非球面透镜产品

Know More

什么是高能激光         自1960年梅曼（Maiman）发明世界第一台红宝石激光器以来，激光技术获得了突飞猛进的发展，在工业、科学研究、国防等方面获得了广泛应用。随着激光功率的提高，其工业应用范围也随之增大。        我们常说的高能激光要满足“三高”——高能、高光束质量、高效率，而且高能激光不仅仅是激光器的输出能量高，还要有相当高的功率。能量是可以用时间来积累的，而激光要能完成零件加工，在需要足够的能量密度的同时还要一定的功率密度。通常认为高能激光器输出的激光平均功率应大于10kW，持续时间达数秒，激光能量在数万焦以上。        网站“联合光科→技术中心→激光”目录下可以查阅关于激光的理论知识，包括激光产生的原理、各类激光器结构、激光锁模技术、激光放大技术等多种激光技术，欢迎访问交流：激光、光谐振腔、光放大、光脉冲。        这里我们不再赘述，重点来聊一聊高能激光的种类和特点，已发展和正在发展的高能激光器包括但不限于表1：   表1 高能激光种类和特点 类型波长优点脉冲钕玻璃激光器1.06μm位于近红外大气窗口，大气传输透过率高；波长短，衍射发散角小；储能装置大，器件效率低；虽能实现高功率，却难以做到高能量和高重复脉冲输出，发射间隔长。二氧化碳激光器10.6μm光束质量高，模式好且稳定，输出功率较大；能量转换效率高，结构简单，工艺成熟由于波长长，为了得到较小的衍射极限角，需要大发射系统。固体激光器Nd:YAG激光器1.06μm，可以选择不同激光介质得到不同的输出波长位于大气窗口内；结构紧凑、刚性好、可靠性高、寿命长；存在的问题是系统热管理和需要电能，对高能激光必须解决能源问题。半导体激光器工作介质不同波长也不同大功率半导体激光器已趋于成熟，商品化的激光器功率已达到数千瓦；光束能量分布均匀，光斑形状可以根据需要任意调节；电光转换效率高，结构紧凑，重量很轻，体积很小，便于现场应用；缺点是光束质量一般，发散度较高。自由电子激光器波长连续可调，覆盖从X光直到微波波段可以根据需要旋转输出波长；输出功率较低，但在理论上能量转换效率高，具有潜在的发展优势；需有高亮度的电子束，需要电能源大。 高能激光在焊接领域的应用         激光焊接是把激光作为加热源，利用激光的高能量密度这个特点，通过光学系统将激光束聚焦在很小的区域内，在极短的时间内使被焊接处形成一个能量高度集中的热源区，从而使被焊物熔化并形成牢固的焊点和焊缝。激光焊接系统的构成        激光焊接系统一般由激光器、光学系统、激光加工机床、保护气输送系统、控制与检测系统组成。激光器和光学系统是激光焊接系统的核心。 图1 激光焊接组成结构示意图         激光焊接要求激光器应具有较高的额定输出功率，较宽的功率调节范围，功率缓升缓降能力，工作稳定、可靠以保证焊接质量，可用于焊接的激光器有CO2激光器、YAG激光器、LD泵浦固体激光器和半导体激光器。        光学系统主要用于控制光束质量，包括扩束系统、光束传输系统、聚焦系统。光学系统包含了多种高损伤阈值、高精度的球面镜、非球面镜、平面镜等多种透镜和反射镜。        激光焊接设备中的扩束系统采用的是多倍激光扩束镜，如2.5倍扩束镜，扩束镜通过将主光路输出的激光束进行准直、扩束后，可将原有的输出激光光斑扩大至原来的2.5倍，使光束模式更好；        经过扩束准直后的激光光束先经过导光反射镜，被反射到加工平台，再由聚焦镜片将激光束聚焦到能量最为集中的精细光束，从而瞬间达到理想的能量密度，进行焊接加工。 激光焊接发生的反应       …

Know More

太赫兹简介        随着研究人员对太赫兹波研究的深入，太赫兹技术也在探索阶段不断前进，取得了诸多成果，同时也吸引了越来越多学者的广泛关注。对于刚刚步入此领域的研究人员，太赫兹波及相关技术还是相对陌生的，本文我们就来探讨太赫兹技术和产品。    太赫兹波        太赫兹波 ( Terahertz Wave，THz 波) ，是电磁波谱上一段比较特殊的频带，通常认为太赫兹波是频率介于0.1 ~10.0 THz之间，波长范围在30um~3mm之间的电磁波。如图1，太赫兹波位于电磁波谱中微波和红外光之间，兼具电子学和红外光子学的特征，有着光电融合的跨界特性。  图1 太赫兹频段示意图   太赫兹波技术及应用        太赫兹频谱区域由于研究理论的不完善，和缺乏高效的太赫兹辐射源、探测器及功能器件，不像微波和红外的研究那样深入和完善。随着太赫兹频谱资源的开发利用，太赫兹波谱技术、太赫兹成像技术、太赫兹通信技术在近几年取得了显著的成就。    太赫兹波谱技术        太赫兹光谱技术能够提供分子的基本结构信息，太赫兹光谱包含了丰富的物理和化学信息，也覆盖了电子材料的低能激励现象、液体分子振动等激励现象。图2为3种常见的太赫兹光谱技术。     图2 (a)经典反射式THz时域光谱系统 (b)时间分辨的THz光谱系统     (c) THz发射光谱系统   太赫兹成像技术        太赫兹成像是利用太赫兹波的高透性、无损性及大多数物质在太赫兹波段都有指纹谱等特性，把成像样品的透射谱或反射谱的信息进行处理、分析，得到样品的太赫兹图像。         太赫兹成像技术包括：太赫兹时域逐点扫描成像、太赫兹实时焦平面成像、太赫兹波计算机辅助层析成像、连续波成像、近场成像等。    图3 (a)THz实时焦平面成像系统 (b)太赫兹焦平面近场成像     (c) 太赫兹连续波成像系统…

Know More

光学显微镜简介 光学显微镜是是人们用以观察微小物体和认识微观世界的重要手段和工具，也是人们从事光学精密测量、分析微观组织、观察细微结构、开展微型工艺等必不可少的科学仪器。最简单的光学显微镜包含一个用来放大样品的成像系统和一个照射样品的照明系统。但大多数光学显微镜都要更复杂，在显微镜内部和其物镜目镜里，还包含了很多严格控制尺寸大小的高精度镜头。 图1 显微镜光路示意图 在使用显微镜时，我们总是希望能得到清晰明亮的图像，这就需要显微镜的各项光学技术参数达到一定的标准，并且要求在使用时，必须根据实际情况来协调各参数的关系。只有这样，才能充分发挥显微镜应有的性能，得到满意的显微成像效果。显微物镜是显微成像系统的重要组成部分，它很大程度上决定了显微镜的放大倍数和分辨率，显微镜和显微物镜主要有以下光学技术参数： 放大倍率显微镜整体系统的放大倍率为目镜和物镜的放大倍率的乘积，放大倍率通常是以一个数值和“x”表示，如10x、20x、50x等； 数值孔径NA数值孔径是显微物镜最主要的技术参数，它是一个无量纲量，用来衡量物镜接收角的范围，用以衡量该系统能够收集的光的角度范围。数值孔径NA是透镜与物体之间介质的折射率n和半孔径角θ的正弦之乘积，即 NA = n × sinθ   图2 显微物镜孔径示意图 分辨率显微镜的分辨率是指能被显微镜清晰区分的两个物点的最小间距，计算公式为 σ = λ / NA 其中σ为最小分辨距离，λ为光线的波长，NA为物镜的数值孔径。 工作距离物镜的工作距离指物镜底面到样品表面的距离。在物镜数值孔径一定的情况下，工作距离短则孔径角大。 物镜的基本类型 显微物镜是光学显微镜最关键的零件，也是最难设计和装配的零件，物镜是由一系列透镜组装而成，物镜的成像质量直接决定了显微镜系统的性能。在选择合适的物镜时，除了放大倍率、数值孔径等上述提到的技术指标外，了解正确的像差校正也是极为重要的。显微物镜按照像差校正情况不同可以分为消色差物镜、复消色差物镜、平场消色差物镜、平场复消色差物镜等。 消色差物镜（Achromatic objective）它是实验室最常用的物镜，外壳上常有“Ach”字样，它针对蓝光（486nm）和红光（656nm）两种波长进行色差校正，同时对546nm波长的光进行球差校正。消色差透镜是单色光应用的最佳选择。 复消色差物镜（Apochromatic objective）复消色差物镜外壳上标有“Apo”字样，要求能够在三种波长区域（红色、蓝色和黄色）中校正色差。此外，它们也能够提供二到三种波长的球差校正，而且通常具有较高的数值孔径和较长的工作距离，因此光学结构更为复杂，且通常需要采用特种玻璃或萤石等材料制作。复消色差物镜非常适合用于白光应用中。 平场物镜（Plan Objective）消色差/复消色差物镜一般在大放大倍率时，会出现场曲问题，即像场不再是平面而是发生弯曲，平场物镜即在物镜设计时通过对场曲进行校正，提高边缘视场像差，使得曲面场变成平面。平场物镜外壳上标有“Plan”字样。 无限远共轭&有限远共轭无限远共轭、有限远共轭指的是显微物镜的物面与像面这两个共轭面而言的。如图3a所示，有限远共轭显微物镜，从样品散射的光被物镜汇聚到一点，然后通过目镜成像；而无限远共轭显微物镜，如图3b所示，离开物镜后孔径的光线会被准直，在成像应用中需要一个镜筒透镜将物镜准直后的光聚焦在传感器上。无限远共轭显微物镜外壳上标有“∞”字样。 图3  a有限远共轭物镜   b无限远共轭物镜 无限远共轭物镜与有限远共轭物镜相比，优势在于，可以在无限远共轭物镜和镜筒透镜之间插入偏振片、滤波片等，而无需改变光束传播方向。物镜镜筒上印有大部分物镜的规格，用户在使用时可以轻松辨别，以联合光科推出的无限远校正长工作距离显微物镜为例，了解下标识所代表的含义。 图4 典型显微物镜规格标识 无限远校正长工作距离显微物镜应用 无限远校正长工作距离平场复消色差物镜代表当今显微镜生产最高水平，在半导体、电子、冶金等行业中得到越来越广泛的使用，其凭借优异的成像质量，超长的工作距离，大数值孔径等特点，广泛应用于激光微纳加工、激光微束系统、亮场工业检测等多种场合。 激光微束操作系统中的应用激光微束操作系统可以在基因工程中实现非接触细胞操作，系统中“光镊”和“光刀”则依靠高质量的显微物镜实现。 图5 在激光微束操作系统中的应用 飞秒激光微纳加工中的应用飞秒激光微纳加工往往是在极小的空间、极短的时间和极端的物理条件下对物质进行加工的，使用无限共轭长工作距离、复消色差设计的显微物镜可以将激光束聚焦到接近衍射极限，从而获得很高的能量密度，使脉冲中心很小的区域的能力超过烧蚀阈值，实现比焦点还小的特征结构。 图6  在飞秒激光微纳加工中的应用 工业检测中的应用无限共轭长工作距离显微物镜在工业微观形貌检测上也有广泛应用，图7是在共聚焦显原理的轮廓仪中的应用，可以实现3D形貌的检测和关键尺寸的测量。 图7 在工业微观形貌检测中的应用 无限远校正长工作距离显微物镜产品简介 联合光科技（北京）有限公司推出的2X、5X、10X、20X、50X、100X的长工作距离显微物镜，其光谱波长范围是400-700nm，该物镜采用平场复消色差设计，其可对红光、蓝光和黄光进行校正，具有工作距离长、数值孔径大等特点，这些物镜被广泛应用到亮场工业检测、教育科研等领域。

Know More

前文中提到的现代玻璃材料科学之父——奥托·肖特在蔡司面前其实是小辈。1840年代，卡尔·蔡司已经成为有名的透镜制作者，而这一时期肖特还没有出生。1851年出生的肖特和蔡司差着一代人的年纪，他们是如何从忘年交一步步发展成光学领域商业伙伴，这得从老大哥卡尔·蔡司说起。        1816年9月11日，卡尔·蔡司出生于离耶拿不远的魏玛市。1838至1845年间，蔡司辗转于多个城市，边打工边学习，扩充自己在物理、数学和机械方面的知识。1845年他回到耶拿开办了一家机械作坊制作透镜，此即为今天蔡司公司的前身。        蔡司直到1847年才制造出一种只用单片透镜的简易型显微镜，但这批显微镜卖得不太好，毕竟蔡司先生30多岁了，也要买房买车养家养孩子，所以蔡司开始动脑筋研发新产品。1857年蔡司开发的新产品——复合式显微镜 Stand I 型上市，并在图林根工业展览会上获得金奖，被认为是德国最佳的科学仪器。Stand I 型大卖，蔡司也有了资金积累，这个时候蔡司认为要想从产品上继续突破，就要从显微成像的基础科学研究出发，消除诸如球差、像散和视野弯曲等光学缺陷。       早在18世纪，切斯特·穆尔·霍尔（Chester Moor Hall）发现燧石玻璃的色散明显大于冕牌玻璃，使用冕牌玻璃做凸透镜，燧石玻璃做凹透镜，并将两块透镜拼在一起。冕牌和燧石玻璃对不同波长光的折射率比例是不一样的（A、B、C分别对应于红、绿、蓝）。通过选择合适的拼接角度，可以将冕牌玻璃红和蓝两种边缘色散光重新完全会聚在一起，这种复合透镜就能在很大程度上消除色差，这就是早期的消色差透镜技术。 图：白光在a燧石玻璃和b冕牌玻璃中的色散情况 图：早期的消色差复合透镜        时间到了1870年代，恩斯特·阿贝教授已经作为合伙人与蔡司一同专注于解决显微成像系统中消除色差和二级光谱问题（复消色差）。根据阿贝博士的理论研究，只有得到两种玻璃，色散不同但相对色散比例（A:B:C）相符时，才能消除“二级光谱”。这一时期蔡司公司已经能够制作出当时最优秀的透镜系统，但是要攻克二级光谱问题（复消色差）的瓶颈在于没有相匹配的光学玻璃材料。         幸运的是，阿贝博士认识肖特，对！就是上文中提到的现代玻璃材料科学之父。肖特的重要突破是率先发明了硼硅酸盐玻璃，发现燧石玻璃中引入硼酸后，蓝紫区光谱收缩，使相对色散比例（A:B:C）与冕牌玻璃匹配，这种新型玻璃的出现铺平了通往高性能显微镜的道路。1886年，蔡司发布了全新的物镜系列——复消色差物镜（apochromatic objective），为现代高性能光学成像奠定了可靠的基础，具有里程碑的意义。  图：蔡司早期LOGO就是一个消色差复合透镜示意图         这种复消色差物镜，在显微应用中有广阔的使用场景，目前能供应高品质长工作距离平场复消色差显微物镜（LWD M Plan Apo）的公司主要是Z家，M家和O家德日系光学企业，但货期较长。联合光科为业内客户准备了2X、10X、20X、50X、100X的长工作距离显微物镜，这些物镜被广泛应用到亮场工业检测、教育科研等领域，最关键的是有现货！有现货！有现货！ 

Know More