联合光科技（北京）有限公司 孙志远

一、背景：市场急切的需求

在光学仪器领域，传统显微镜的工作距离普遍较短，这在一定程度上限制了其在特定应用场景下的灵活性。随着科技的进步和工业需求的日益增长，市场上对于能够在物镜与样品间保持较大物理间距的同时，仍能保证高分辨率成像的显微镜需求愈发迫切。

二、长工作距离显微镜拥有良好的光学性能

针对这一技术瓶颈，我们研发团队突破传统光学设计范式，成功开发出新型长工作距离显微镜系列。此系列产品在保持微米级成像精度的前提下，将工作距离由10mm级别提升到1000mm级别。

图1 WD 550mm和910mm长工作距离显微镜

特别适用于：半导体晶圆检测（真空腔室观测），生物反应器原位观测，高温/高压环境过程监控，多层封装器件内部结构分析。

技术创新点：采用折反射式光学架构、工作距离与NA值的优化匹配设计。

产品优势特点：色差控制，反射镜对不同波长光线的反射角度一致，天然消除色差。像差校正，非球面反射镜（如抛物面、双曲面）有效抑制球差和彗差，结合多层宽带镀膜技术提升透光率。宽光谱设计，工作波段覆盖350-2000nm。最大像面18mmm，覆盖1.1"以内的芯片。

图2 WD 550mm长工作距离显微镜分辨率板实拍图

图二是，WD550mm长工作距离显微镜在实验室光线调节良好的情况下测试工作距离550mm的数据，125线对分辨完全清晰，160线对成像相对较差时，依然可以分辨。分辨率的线对计算方法如下： 

计算得出125线对代表像素4um。

二、 长工作距离显微镜的设计思路

下面通过理论依据、方案设计、实际优化，最后完成产品阐述长工作距离显微镜的设计思路，以及为什么能有优秀的光学性能。

1. 理论依据——瑞利判据

瑞利判据由瑞利勋爵提出，广泛用于光学系统（如望远镜、显微镜）中两点源的分辨能力评估，通过分辨艾里斑求得光学系统的最大分辨率。

艾里斑：凸透镜能将入射光聚焦到它的焦点上，但由于透镜口径有一定大小，光线透过时会由于波动特性会发生衍射，无法将光线聚成无限小的焦点上，而只会形成一定能量分布的光斑。中央是明亮的圆斑，周围有一组较弱的明暗相间的同心环状条纹，把其中以第一暗环为界限的中央亮斑称为艾里斑（AiryDisk）。下图为两个等光强的艾里斑从重叠到逐步分开的影像。

图3 艾里斑

瑞利判据：在实际应用中，被测物体不是一个点而是一系列物点的集合。每一个物点经过有限直径的透镜后，在像平面上都会产生文中开头提到的艾里斑，如果两个物点的艾里斑重叠到无法分辨，我们则认为这两个物点无法被分辨，图4中让两个等光强的非相干点像逐步分开，当两个点像中心间隔等于艾里斑的半径R，这样的艾里斑可以被认为是物点可以被分辨的最小尺寸，这种方式叫做瑞利判定（RayleighCriterion）。

图4 瑞利判据分辨

那么我们来计算一下按照瑞利判定，可被分辨的艾里斑的半径（也就是可以被分辨的最小尺寸）与生成这个艾里斑的光波波长的关系。图5为原理示意图。

图5 瑞利判据计算模型

中间演算过程涉及到冗长的傅里叶级数变换以及各种函数方程，最终计算结果为：

式中λ为使用光线的波长值；n为光路中透镜对介质的折射率系数；α为入射光束与透镜光轴间的夹角；NA为数值孔径代表折射率系数与入射光束与透镜光轴间夹角的积。在波长固定情况下，往往是NA值决定镜头的分辨率，NA值越大分辨率越高。

2. 长工作距离的理论设计思路

在设计增加工作距离的时，同时要保障镜头分辨率，即数值孔径（NA）的大小。

n是被测物到镜头中间介质的折射率，使用场景必然是在空气中，值为1.0003，下面也列了几种常见的介质作为科普。

图6 数值孔径几何模型

在维持数值孔径（NA）恒定的约束条件下，实现工作距离（WD）的扩展需同步增大入瞳孔径（R）。基于几何光学模型

当折射率介质(n)固定时，WD与R呈非线性正相关——WD每增加一个量级，R需以超线性比例放大以补偿光锥角度的衰减，这对光学系统的机械公差、像差校正及制造成本提出了更高要求。

要保障NA值不变的前提下，增加工作距离，同时需增大入瞳孔径。

这样满足前文所述的瑞利判据，这样从理论角度可以实现，长工作距离和高分辨的同时兼顾。

3. 长工作距离的实际设计思路

在实际光学系统设计中，入瞳孔径的尺寸无法无限增加，需综合考量工艺实现性、制造成本及系统空间布局等限制因素。基于上述约束条件，本研究最终选定4英寸（约101.6 mm）透镜作为最大口径的设计方案，以平衡光学性能（如数值孔径）与工程可行性。

在显微镜的光路设计部分，考虑到有透射式和折反射式两种思路，下面是两种方式的特点差异：

透射式显微镜特点：当前商用显微镜市场以透射式显微镜为主导类型，其核心成像机制基于透射光路设计：光源发出的照明光束穿透样本后，经由物镜与目镜的协同放大作用形成光学图像，整个光路方向始终沿透射轴延伸。这种经典光路构型因其结构成熟稳定、样本兼容性强等特点，在生物医学检测、材料分析等领域获得广泛应用。

折反射式显微镜特点：通过凹面主镜与凸面副镜的组合折叠光路，使光线在镜筒内往返两次后聚焦，再通过镜片组完成显微成像。

图7 折反射式原理简易图

两种方案对比，折反射式显微系统虽然设计的难度大，但在相同的成像条件下，体积小，结构轻盈，更好的光学性能，所以选择用折反射式光学系统设计长工作距离显微镜。

经过综合考虑透镜边缘厚度，面型加工的难易之后，经过反复优化。最后设计制作出这两款550、910mm起的长工作距离显微镜。

二、 应用场景

1. 工业制造与质量控制

半导体行业。晶体生长和集成电路的监测。可以用来实时监视晶体的生长速度和形态变化，或对集成电路生产进行在线监测。

钢铁、玻璃制造过程的监测。在生产现场就可以在钢铁、玻璃冷却定型之前就开始进行微观监测和缺陷筛选，以保证产品的质量。

2. 医疗方向

医疗手术与研究。可广泛地应用于显微外科、神经外科、骨科、眼科、皮肤病、烧伤以及五官科等医疗领域。对于动物试验，生物医学和植物学研究同样具有极大的实用性。

3. 特殊环境与复杂结构

真空/高温检测。灯泡内灯丝检测（需密封窗口）、核反应堆材料高温服役监测（如合金709在950℃下的裂纹扩展分析）。

材料微观观测。既可对样品作静态观测，又能进行动态观测，既可以使显微镜在样品上移动观测，又可以在样品处于高温、高湿、有腐蚀性气体环境下观测样品的微观变化，如：金属在高温下的热膨胀、裂变、疲劳等的实时观测。

公安司法鉴定取证。在不破坏现场的条件下，将手印、子弹痕迹、爆炸物残迹等微观痕迹直接摄录下来，从而避免因取样而对现场造成的破坏。

三、 结语

联合光科新推出的长工作距离显微镜，凭借独特的设计理念，突破了传统显微镜的距离限制，在科研与工业领域开辟了更广阔的应用场景。为高温、腐蚀性环境等极端条件提供了可靠的观测手段。其灵活性和适应性使其成为活体研究、工业检测及多模态技术集成的关键工具，为生命科学、材料创新及智能制造注入更强大的探索动力。