高精密度非球面透镜

asphericon专业生产和加工高精密度非球面透镜。优质和可重复性是我们为您开发的产品的基石-从个性化非球面镜到嵌入式光学器件和复杂系统。

在光学系统中使用非球面镜具有多个优点。在以下比较中,对非球面透镜与经典球面透镜进行了比较。非球面光学器件的优点是:

  • 球面像差校正
  • 系统小型化
  • 重量减轻

像差校正

使用球面透镜,不可避免地会出现成像误差,即所谓的球面像差(见左图)。这将导致图像略微模糊、失焦,因为光线无法会聚在光轴的同一个焦点上。光线折射程度不同,这取决于它们与光轴的距离:穿过透镜边缘的光线折射更强。非球面光学器件是旋转对称的,有一个或多个非球面偏离球体形状。随着离光轴距离的增加,表面的曲率半径也随之改变。这些特性允许光线会聚在一点并校正球面像差。得益于现代生产技术,asphericon即使进行批量生产也能制造出最高精密度的非球面透镜。

光学系统尺寸和重量的减小

关于光学设计,使用非球面可以减小光学系统尺寸。有时可以用一个非球面透镜代替需要多个球面透镜的应用。高像差校正值使得这成为可能。通过去除单个光学器件,整个系统变得更加紧凑,并且可以减轻整体重量。在光束扩展中可以找到光学系统缩小的说明性例子。单片扩束镜a|BeamExpander的每个元件只有一个非球面透镜。由于无焦特性,各个单片也可以串联。这允许光束扩展范围内的高度变化。与开普勒望远镜和伽利略望远镜等传统系统相比,总长度缩短了50%,同时保持了相同的放大率和质量。对于具体应用,下文以10倍放大率显示了上述三个光学系统。结果:使用非球面系统,整体尺寸减少了50%。此外,该系统的工作完全受衍射限制,即使在组合多达5个a|BeamExpander时也是如此。

由于球体形状不同,需要对旋转对称非球面透镜进行更复杂的描述。通常可用以下公式描述非球面透镜表面轮廓。

 

\( z(h) = \frac {h^2}{R(1+\sqrt{1-(1+k) \frac{h^2}{R^2})}} + \sum_{i=2}^{n} A_{2i} h^{2i}\)

z=表面垂度
h=垂直于光轴的距离(入射高度)
r=半径
k=圆锥常数
A2i =校正多项式的非球面系数

如果旋转对称非球面的相应非球面系数为零,则认为得到的表面轮廓是圆锥形。根据圆锥常数k,以下圆锥曲线之一用作面形描述:

 

圆锥常数圆锥曲线
k = 0球体
k > -1椭球体
k = -1抛物线
k < -1双曲线

 

2015年更新的ISO 10110为非球面传统描述提供了替代方案。基于正交多项式,它可以用于模拟偏转的实际差异,以得到非球面透镜的最佳拟合球面形状。新公式还包括表面商Qm,内容如下:

\( z(h) = \frac {h^2}{R[1+\sqrt{1- \frac{h^2}{R^2}]}} + (\frac{h}{h_0})^2 \frac {[1- (\frac{h}{h_0})^2]}{\sqrt{1-(\frac{h}{R})^2}} \sum_{m=0}^{N} A_m*Q_m (\frac{h^2}{h_0^2})\)

修改后的公式提供了简化表面描述的影响深远的优点。主要优点是描述表面轮廓所需的有效数字较少。另一个优点是最大垂度背离偏转偏差。这可以通过将最大系数Am乘以该系数阶的最大幅度来估计。

报道最多的三种面形缺陷是:

  • 面形误差,
  • 波纹度
  • 表面粗糙度。

它们代表真实表面与理想表面的偏差,如非球面透镜。用于描述表面轮廓的参数允许预测加工后制造的透镜轮廓的质量。高表面质量尤其可以通过高工艺稳定性来实现。

表面参数面形误差波纹度表面粗糙度
形状偏差

Form error

WavinessSurface roughness

图3:根据形状和偏差类型比较三种最常见的面形缺陷(形状误差、波纹度和表面粗糙度)

 

面形误差

面形误差描述了测试表面最低点和最高点之间的差异。打个比喻,它是指从山到谷,因此形式误差由PV值(峰谷)给出。PV值是检测非球面透镜表面最重要的表面规格之一。它是用波纹或条纹来评估。也可以将其指定为均方根或微米偏差。RMS值(均方根)描述了实际表面和目标表面之间的均方差并考虑了缺陷的面积。

波纹度

加工过程中的抛光工具可引起非球面透镜上的波纹度误差。因此,这种表面偏差特定于应用。波纹度具有比粗糙度更长的波长,这就是滤掉短波长以供检查的原因。仅低频可以通过。它通常也称为倾斜误差,在规定的长度范围内进行检查。只有当波纹度对非球面透镜的光学任务有影响时,才有必要遵循波纹度公差的规格要求。

 

表面粗糙度

表面粗糙度描述光学表面上最小的不规则性。因此,仅检查分析短波长并过滤掉低频。表面粗糙度是衡量抛光过程质量的一个尺度。非球面透镜对光学应用的影响通常具有决定性。例如,一旦高功率(如激光功率)作用于非球面透镜,高度粗糙度会导致非球面透镜更快磨损。此外,散射降低了测量结果的质量,这就是将表面粗糙度视为高质量特征的原因。在计量或航空航天等行业,这一点非常重要。表面粗糙度的确定是制造过程的一部分,特别是对于高质量的非球面透镜。

asphericon专业生产非球面透镜,包括磨削、抛光、金刚石车削和高端精整。在这个过程中,坯料经历不同加工步骤:

  • 磨削或金刚石车削整形;
  • 抛光磨削后的非球面透镜; 
  • 形状和表面检查测量;
  • 通过高端精整进行测量和加工。

磨削和抛光

坯料是已经成型的透镜,是进一步加工生产非球面透镜的原材料。在第一个工作步骤中,将坯料磨削成所需的形状。将各种磨削工具和技术用于这个复杂的过程。使用asphericon独特的CNC控制软件模拟各个工艺步骤的能力取得了前所未有的成绩,在整个过程中具有高度的灵活性和可靠性。在下文中,抛光过程是生产非球面透镜的重要部分。逐步对表面进行重新加工以达到期望的要求(例如面形偏差)。抛光可以通过加工几何形状不确定的细晶粒来完成,也可以通过化学去除来完成。抛光后透镜表面光亮,没有气孔和深度裂纹,具备所需的形状准确度和表面质量。

金刚石车削

金刚石车削工艺是非球面透镜整形的一种替代加工方法。单晶金刚石用于加工透镜表面。与磨削工具相比,这种工具更小,更精细。凭借其高硬度,可对透镜进行超精密加工,从而提高表面质量。除了由塑料制成的非球面透镜之外,还可以通过金刚石车削加工有色金属、镍磷层、晶体和红外玻璃。

非球面透镜后续测量用于检查形状和表面,以检测和校正任何偏差。根据加工状态和准确度,可对非球面透镜进行触觉和光学或非接触测量。asphericon的非球面透镜和其他光学器件的全表面精密测量包括:

  • 直径达260mm的触觉测量方法
  • 最大420mm的全表面非接触测量
  • 非接触中心厚度测量
  • 粗糙度测量Ra<0.5nm RMS,测量范围最大为1x1mm
  • 自由曲面、形状和位置公差、粗糙度测量
  • 支座、嵌入式非球面透镜和完整系统的测量/位置检查
  • 共焦3D缺陷表征

 

触觉测量

利用触觉测量方法,用探针扫描光学元件的表面。确定扫描表面部分和测量对象的标称表面之间的高度差。然后用软件分析和评估高度差的确定数据。精确确定表面轮廓需要刚性接触探针系统和尽可能恒定的探针球接触压力。更复杂的触觉测量设备包括3D坐标测量系统和形状测试仪Mahr MFU,这两种设备asphericon均在使用。

干涉测量

更常见的是用于测试非球面的干涉测量方法。干涉仪基于干涉原理,即两个相干光波(测试光束和参考光束)的叠加。产生了用于评估光学表面的特征干涉条纹图案。干涉条纹是由测试波相对于参考波的相移引起的强度差异。这意味着非球面透镜与理想形状的表面偏差变得可见。为了测量非球面透镜,有时还需要计算机生成全息图(CGH)来生成非球面参考波前。这种测量在相移测量方法中重复进行,参考面有几次偏移,得到待测非球面透镜的全表面误差图。asphericon自2017年以来一直使用MarOpto TWI 60测量系统,该系统被视为光学计量和测量领域的先驱,无需CGH。现代干涉仪使用不同倾斜的波前进行测量,从而可在几秒钟内检查非球面透镜和自由曲面。

生产非球面透镜的最后一道工序是高端精整。这作为更精密表面处理的最终校正步骤。asphericon开发的ION-Finish™技术(=使用聚焦离子束对光学表面进行精确加工)和磁流变抛光技术(简称MRF,是一种使用磁流变流体的机械抛光工艺,由磁性颗粒、抛光剂和水组成)能够在平坦表面上实现λ/600 RMS的准确度,即使在批量生产中也是如此。此外,asphericon还提供Ångström抛光,一种粗糙度值为5 Å(Rq根据ISO 10110)的非球面工艺。基于CNC制造,这种精整是完全自动控制的,特别推荐用于高激光功率应用中的光学加工。

非球面透镜的使用主要基于其相对于球面透镜的优点。最大优势是可获得更好成像特性的像差校正。

例如,目前的望远镜几乎都是非球面的,尤其是那些直径较大的望远镜。非球面元件也用于变焦镜头。与球面透镜的应用相比,不仅减小了系统尺寸,而且还提高了成像质量。

对于恒星观测以及航空航天工业,都可以使用非球面透镜。例如,哨兵4号卫星中包含非球面光学元件。如在太空中使用,光学器件不仅需要具备优异的光学性能,还必须能够承受极端的环境条件。您可在此处了解关于哨兵4号的更多信息。

另一个应用领域是激光束整形,例如生成平顶光束轮廓。在具有用于平顶光分布的两个非球面透镜的光束整形系统中,第一个透镜用于重新分配入射激光束(高斯分布),以便在一定距离处实现均匀的强度分布。第二个透镜对光束进行准直,因此产生了特征性平顶分布。这些非球面应用在材料加工(例如金属切割)和医疗应用(例如眼科)中很受关注。在我们的博客中可以找到非球面透镜激光束整形和其他应用示例的详细描述。

眼科成像仪器程序也适用于非球面透镜。它们嵌入在特殊的仪器中,支持眼睛预防性和术后检查、治疗和诊断,例如使用裂隙灯或眼底照相机进行眼底检查。除了高分辨率成像外,非球面透镜保证了眼科观察系统更紧凑的设计以及良好的成像质量。

在制造业、质量控制或机器人等工业领域,需要高质量的摄像系统。这些系统都配备了透镜(以非球面透镜为基础)。即使在最困难的条件下,如持续使用下的高温下,镜片也必须能够耐受。其任务是将物体散射的光聚焦到光敏传感器上。通过几个不同的流程步骤,将重要的数据传输到目的地。

市场上非球面透镜相对较新的应用是计量领域。它们的使用可以显著减少Fizeau透射球中使用的透镜总数并增加测量范围。另一个优点:由于使用了的透镜数量更少,透射球体也明显更轻。有关非球面透镜在透射球体中的使用信息,请查阅非球面Fizeau透镜参考资料。

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