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(xù)發(fā)生變化。非球面光學元件廣泛應用于航空機載設備、衛(wèi)星、激光制導、紅外探測等領域，同時在民用光電產(chǎn)品上的應用也越來越普及。

1.非球面的分類

2.非球面的優(yōu)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(chǎn)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(xiàn)相同或更高的光學效果、降低生產(chǎn)成本，同時也能實現(xiàn)系統(tǒng)輕量化、小型化。而且減少透鏡數(shù)量的光學系統(tǒng)也會減少系統(tǒng)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(tǒng)的整體實用性和降低整體系統(tǒng)設計成本。

光學系統(tǒng)中采用非球面元件，可以提高系統(tǒng)的性能，減少光學元件的數(shù)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(tǒng)中，非球面光學元件因其優(yōu)良的光學性能而日益成為一類非常重要的光學元件。

3.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(shù)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(shù)控銑磨和拋光適用于一次生產(chǎn)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(jīng)計算機控制的精密拋光技術能夠自動調整工具駐留參數(shù)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(shù)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(chǎn)應用的首要選擇。