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非球面透镜技术的基础知识
光学人生,你的精彩人生!
球面透镜是指从透镜的中心到边缘具有恒定的曲率,而非球而透
镜则是从小心到边缘之曲率连续发生变化。在摄影镜头中,为了保证
光学性能,必须校正众多的“像差”。若仅仅用球面透镜来校正,则
对应镜头的技术要求需要有许多透镜组合。仆巳对于特殊的高级镜头,
汉仅用球面透镜有时不能使像差校正到用户满意的程度。
光学设计中的计算公式:
1,技术原理
非球面透镜,曲率半径随着中心轴而变化,用以改进光学品质,
减少光学元件,降低设计成本。非球面透镜相对于球面透镜具有独特
的优势,因此在光学仪器、图像、光电子工业得到了广泛的应用,例
如数码相机、CD播放器、高端显微仪器。
2,对比优势
a球差校准
非球面透镜用以替换球面透镜,最显著的优势在于可以修正球面
透镜在准直和聚焦系统中所带来的球差。通过调整曲面常数和非球面
系数,非球面透镜可以最大限度的消除球差。非球面透镜(光线汇聚
到同一点,提供光学品质),基本上消除了球面透镜所产生的球差
(光线汇聚到不同点,导致成像模糊)。
采用三片球面透镜,增大有效焦距,用于消除球差。但是,一片
非球面透镜(高数值孔径,短焦距)就可以实现,并且简化系统设计
和提供光的透过率。
b系统优势
非球面透镜简化了光学工程师为了提高光学品质所涉及的元素,
同时提高了系统的稳定性。例如在变焦系统中,通常情况下10片或者
更多的透镜被采用(附加:高的机械容差,额外装配程序,提高抗反
射镀膜),然而1片或者2片非球面透镜就可以实现类似或更好的光
学品质,从而减小系统尺寸,提高成本率,降低系统的综合成本。
3,成型工艺
a精密玻璃模压成型
精密玻璃模压成型,是将玻璃材料加热至高温而变得具有可塑性,
通过非球面模具来成型,然后逐步冷却至室温。目前,精密玻璃模压
成型,不适用于直径大于10mm的非球面透镜。但是,新的工具、光
学玻璃和计量过程,都在推动该项技术的发展。精密玻璃模压成型,
虽然在设计初期时成本较高(高精密的模具开发),但是模具成型后,
生产的高品质产品可以平摊掉前期的开发成本,特别适合于需要大批
量生产的场合。
b精密抛光成型
研磨和抛光一般适用于一次生产单片非球面透镜的场合,随着技
术的提高,其精度越来越高。最为显著,精准抛光由计算机进行控制,
自动调整以实现参数优化。如果需要更高品质的抛光,磁流变抛光
(magneto-rheologicalfinishing)将被采用。磁流变抛光相对于标
准抛光而言,具有更高的性能和更短的时间。精密抛光成型,需要专
业的设备,目前是样品制作和小批量试样的首要选择。
c混合成型
混合成型,以球面透镜为基底,通过非球面模具在球面透镜表面
压铸并采用紫外光固化上一层高分子聚合物的非球面体。混合成型,
一般采用消色差球面透镜为基底,表面压铸一层非球面,用以实现同
时消除色差和球差。图7是混合成型非球面透镜的制造工艺流程。混
合成型非球面透镜,适用于需要附加特性(同时消除色差和球差),
大批量制造的场合。
d注塑成型
除了玻璃材质的非球面透镜,还存在塑料材质的非球面透镜。塑
料成型,是将熔融的塑料注射入非球面模具中。相对于玻璃,塑料的
热稳定性和抗压性较差,需要经过特别处理,以得到类似的非球面透
镜。然而,塑料非球面透镜最大的特点是成本低、重量轻、易成型,
广泛应用于光学品质适中、热稳定性不敏感、抗压力不大的场合。
4,选择依据
各种类型的非球面透镜,都有其自身的相对优势。因此针对不同
的应用场合,选择合适的产品就现得很重要。主要的考虑因素,包括:
批量、品质和成本。
a精密玻璃成型非球面透镜,具有批量化生产和热稳定性高的特
点,适合于批量大、品质高、热稳定性高的场合
b精密抛光成型非球面透镜,具有制样周期短和不需要模具的特
点,适合于样品制作和小批量试样的场合
c混合成型非球面透镜,具有球差和色差同时校准的特点,适合于
宽光谱、批量大、品质高的场合
d塑料成型非球面透镜,具有成本低和重量轻的特点,适合于批
量大、品质适中、热稳定性不高的场合
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