淺析—非球面光學

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淺析—非球面光學

2020-09-18

非球面光學元件

引言

球面（Sphere）光學元件是指從元件的中心到邊緣具有恒定的曲率，表面呈球狀；而非球面 (Asphere)光學元件則是從中心到邊緣之曲率連續發生變化。非球面光學元件件廣泛應用于航空機載設備、衛星、激光制導、紅外探測等領域，同時在民用光電產品上的應用也越來越普及。

一、非球面的分類

二、非球面的優勢

下圖對比了平行單色光通過球面透鏡和非球面透鏡所產生的聚焦光點，球面透鏡由于球差導致成像點模糊，而非球面透鏡的成像點非常清晰。因此非球面透鏡可用于替代球面透鏡組來校正像差，例如一般使用十片透鏡的變焦鏡頭，可以使用一兩個非球面透鏡來替換五六個球面透鏡，可實現相同或更高的光學效果、降低生產成本，同時也能實現系統輕量化、小型化。而且減少透鏡數量的光學系統也會減少系統對機械公差、額外的校準步驟，以及增透鍍膜膜要求，提高系統的整體實用性和降低整體系統設計成本。

光學系統中采用非球面元件，可以提高系統的性能，減少光學元件的數量，從而減輕儀器的質量，減小體積，緊湊結構。因此常應用于大視場、大孔徑，像差要求高，結構要求小，或有特殊要求的光學系統中，非球面光學元件因其優良的光學性能而日益成為一類非常重要的光學元件。

三、非球面的制造工藝

目前用于非球面光學元件的加工方法主要有：

1）表面材料去除法：數控銑磨拋光成型法、離子束拋光法、磁流變拋光法、液體噴射拋光法等；

2）改變材料形狀法：玻璃熱壓成型法、注塑成型法、熱沉降和固化成型法等；

3）附加材料法：真空鍍膜復制成型法、混合成型法等。

其中超精密數控銑磨和拋光適用于一次生產單片非球面透鏡的場合，隨著制造技術的提高，其加工精度越來越高。經計算機控制的精密拋光技術能夠自動調整工具駐留參數以便進行精確拋光。其他制造技術一般需要一款特別的模具，而每款透鏡均具有其獨特的模具，但是數控銑磨和拋光卻使用標準工具，因此能成為原型制造以及低量生產應用的首要選擇。

四、福特科的非球面光學元件

福特科的超精密非球面銑磨拋光設備及非球面通用加工指標。