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导读

从成像系统到照明系统，从可见光到红外波段，非球面透镜在光学、成像和光子学行业的各个方面发挥着越来越重要的作用。

非球面概述

与传统球面透镜相比，非球面透镜具有独特的优势。与球面不同，非球面具有不同的局部曲率半径。旋转对称的非球面的定义通常涉及表面矢状面（相对于平面或球面表面形状的量度），以偶次非球面为例，非球面多项式为：

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当非球面系数为零时，这时的非球面为二次曲线面（圆锥面），圆锥面的形状取决于圆锥系数k的大小与符号。

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非球面功效

非球面从中心到外围逐渐发生曲率变化，从而实现更复杂的形状，从而有效地校正光学像差，有助于最大限度地减少光学系统中的球面像差、彗差、散光和畸变等像差。优化非球面的系数和曲率半径，可以显著提高镜头的光学性能。非球面透镜的采用是现代光学设计中的一种普遍策略，可以采用更紧凑的形式实现镜头的卓越性能。

在光学系统中使用非球面透镜有以下优点：镜头更紧凑、透镜数量更少、成像质量更好、聚光能力更强（光圈可以更大）。

球差校正

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非球面透镜最重要的特征之一是能够校正球差。球差存在于所有球面透镜中，如平凸透镜或双凸透镜。通过修改曲率半径和优化非球面系数，非球面透镜可以确保所有入射光线都汇聚到一个焦点。最大限度地减少球面像差，提高图像质量。

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焦距25mm F1球面透镜与非球面透镜的性能对比（587.6nm）

球面透镜轴上光学弥散斑直径710.01μm

非球面透镜轴上光学弥散斑直径71.43μm

像质提升

在设计中使用非球面透镜可以改善像差校正能力，获得出色的成像质量，以81.5mm焦距的f/2三片式物镜为例，所有球面设计与第一表面是非球面设计的对比，两种设计焦距、f/#、视场、玻璃类型和总系统长度均相同。该表比较了 486.1nm、587.6nm 和656.3nm 处同轴和离轴准直多色光线在20%对比度下的调制传递函数（MTF）。具有非球面的三片式物镜在所有视场角下都表现出显着改善的成像性能。

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三片式物镜结构形式

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球面/非球面设计像质提升对比

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减少元件数量

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基于非球面透镜的卓越的像差控制能力，与采用传统球面透镜的设计相比，它允许光学设计人员使用更少的光学元件实现高性能的系统。这种元件数量的减少简化了装配过程，减小了系统尺寸和重量，并最大限度地减少了可能发生内部反射的表面，在提高系统光通量的同时避免了杂散光的引入。

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尽管非球面透镜可能看起来比球面透镜更复杂，但单个非球面透镜能够替代光学组件中的多个球面透镜。这种替代导致最终系统更简单、更紧凑、重量更轻。这种优势在变焦镜头中更加明显。

非球面公差

表面精度

表面精度是测量预期形状与所需形状的相似程度。有许多方法可以测量和定义表面精度和发生的误差。根据误差在零件表面上的频率，这些误差可以分为三类：形状误差、波纹度和表面粗糙度。形状误差或不规则性低频变化或较大规模的误差。它们是非球面最重要和最常指定的表面准则。这些误差直接影响非球面的整体形状和精度，是关键考虑因素。形状误差通常由以波或条纹测量的峰谷误差及其均方根RMS来表示。波纹度是一种涉及表面轮廓的中频变化的误差，会影响曲面的整体平滑度和精度。在制造球面光学器件时进行的全孔径抛光中，这些误差很少发生，波纹度仅针对非球面处理。波纹度通常被定义为指定扫描长度上的斜率误差。在很多场合，镜片可能不会受到波纹度的显著影响，只有当波纹度公差对您的特定应用有影响时，指定波纹度公差才至关重要。由于增加了测试，在增加额外的镜头要求时，成本可能会增加。表面粗糙度与表面纹理的高频变化或不规则性有关。它是衡量光学表面抛光的光滑度或质量的指标。这些偏差可能是微观的，会影响表面的整体光滑度或粗糙度。表面粗糙度也会影响光散射和表面承受高激光功率的能力。需要注意的是，表面粗糙度的测量涉及在微观尺度上量化峰谷之间的高度差异。由于分析表面粗糙度可能非常耗时，因为它需要非常特殊的测试，因此最好仅在必要时指定表面粗糙度。

半径误差

半径误差是一种特定类型的形状误差，是指曲面的实际半径与预期或指定半径之间的偏差或差异。这是系统最常见且通常最容易容忍的错误，因为它通常通过调整焦点位置来纠正。半径误差通常通过评估设计半径与曲面实际半径之间的差值来测量，确保其精确度和准确性。

非球面制造

精密玻璃成型

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精密玻璃成型是一种先进的制造工艺，涉及将光学玻璃芯加热到高温，使其表面具有足够的延展性，以符合非球面模具。复杂的模具由极其耐用的材料制成，以确保表面始终如一的光滑，在玻璃成型中起着举足轻重的作用。模具的几何形状经过精心设计，考虑到任何潜在的玻璃收缩，以实现所需的非球面形状。

虽然由于材料选择和几何形状所需的精确性，创建模具的初始投资会产生大量的启动成本，但随后的生产收益是可观的。一旦模具完善，与传统的非球面透镜制造方法相比，每个透镜的单位成本显着降低。这使得精密玻璃成型成为大批量生产的非常可行的选择，在光学玻璃制造领域提供了具有成本效益和高效的解决方案。

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精密玻璃成型

精密抛光

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机械磨抛加工非球面透镜的生产历来涉及每个透镜的单独研磨和抛光。尽管几十年来，逐个制造这些镜片的基本过程基本保持不变，但制造技术取得了重大进步，尤其是在精密抛光领域。这些进步提高了通过这种生产方法可达到的精度水平。

在精密抛光中，使用通常为平方毫米的微小接触区域来研磨和抛光非球面形状。这些微小的接触区域在空间上进行调整，以在计算机控制的精密抛光过程中塑造非球面轮廓。

对于需要更高质量抛光的情况，采用磁流变精加工（MRF）工艺。MRF 使用类似的小面积工具完善表面，该工具可以快速调整去除率以纠正轮廓中的误差。与标准抛光技术相比，MRF可以精确控制去除位置和高去除率，确保了在更短的时间内进行高性能精加工，它与许多其他制造方法相比，每个镜头通常都需要一个独特的模具，而精密抛光则使用标准工具。这一特性使其成为原型制作和中小批量生产的首选，在多功能性和效率方面具有实际优势。

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计算机控制精密抛光

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磁流变整理（MRF）

金刚石车削

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类似于研磨和抛光，允许逐个生产单个镜片。然而，单点金刚石车削（SPDT）使用的工具比精密抛光工具小得多，从而产生具有增强光洁度和形状精度的表面特征。SPDT有其局限性，它不适合成型玻璃。此外，SPDT还可用于制作用于玻璃和聚合物成型工艺的金属模具。

模塑聚合物非球面

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在模制聚合物非球面领域，该技术从标准球面开始，例如消色差透镜。然后将该表面压在非球面模具内的一层薄薄的光敏聚合物上，最终产生非球面表面。这种方法对于需要额外性能的大批量精密应用特别有利，并且数量分担了初始模具成本。聚合物成型中使用的非球面模具是通过SPDT使用玻璃球面透镜制造的。透镜表面和注入的聚合物在室温下进行压缩和紫外固化，从而形成非球面透镜。室温下的成型过程最大限度地减少了模具中产生的应力，从而降低了模具成本，并促进了模具材料的制造。然而，聚合物层的厚度对在产生的非球面中可实现的非球面偏离程度施加了限制。此外，该聚合物缺乏玻璃的耐久性，因此该方法对于暴露在恶劣环境中的表面不太理想。

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模塑聚合物成型

注塑

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注塑成型在优化零件成本、模具复杂性和精度方面具有优势。在此过程中，熔融塑料被注入非球面模具中，与玻璃相比，经过特殊处理以克服塑料固有的热不稳定性和压力敏感性。虽然塑料镜片的耐刮擦性可能低于玻璃镜片，但它们的轻质特性、易于成型以及与安装功能的兼容性使其成为创建统一光学元件的有利选择。尽管高质量光学塑料的选择有限，但成本和重量优势往往会影响塑料非球面透镜的设计选择。压缩成型可以来成型塑料非球面，其中预热的塑料材料在压下上半部分之前被放置在模具的开放下半部分，有效地压缩塑料以符合模具的形状。压缩成型特别适用于对复杂结构细节至关重要的透镜，如菲涅尔透镜和透镜阵列。注塑和压缩成型技术可以独立应用，也可以组合应用，组合方法通常称为压印。尽管光学塑料的选择受到限制，但在成本和重量方面的优势可能会引导某些设计采用塑料非球面透镜。

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注塑非球面透镜

生产非球面透镜的方法有多种，每种方法都有其独特的优点和局限性。光学工程师需要理解非球面制造技术，并根据镜头应用、性能要求、开发成本、样品成本、生产零件成本和项目时间表选择最合适的方法。非球面透镜的材料选择受波长要求和制造成本等因素的影响。下面总结了与每种制造工艺兼容的材料。

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非球面检测

非球面表面质量的关键方法和技术

接触式轮廓测量

在接触式轮廓测量中，细探头或测针在镜头表面追踪路径，然后将其运动传输到记录和分析设备。当探头在波峰和波谷上移动时，会记录高度的变化，并且可以阐明表面粗糙度。接触式轮廓仪主要受探头尺寸的限制。

光学轮廓测量

光学轮廓测量是轮廓测量的另一种形式，其中使用激光或替代光源代替探头。从理论上讲，光学轮廓测量可以非常有效，并且可以检测到小至纳米的粗糙点。在实践中，光线到表面的方向至关重要，需要仔细控制环境。表面能够有效地反射光线也很重要。光学轮廓测量的类型包括拼接干涉测量、计算机全息、色度共聚焦传感和多波长干涉测量。

拼接干涉

测量

该方法涉及对非球面的子部分进行分段相移干涉测量。从这些干涉测量中收集的信息可以通过计算机分析进行组合，并记录和消除错误。缝合干涉测量法是一种非常有效但成本高昂的测定表面粗糙度的方法。在测量包含陡峭斜坡或几何形状与球体截然不同的非球面时，它的效果较差。

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计算机全息

测量

使干涉仪适应非球面的另一种方法是计算机生成的全息图，干涉仪传输元件上的球形波前由计算机生成的全息图修改，以创建与光学表面轮廓相匹配的新非球面波前。计算机通过在基板上制造图案来做到这一点，该图案用于衍射波前并创建零参考波。计算机生成的全息图计量是测量非球面偏离斜率高的非球面的唯一方法。

数字全息测量必须为每个非球面创建一个新的 CGH，这使得这种方法仅适用于大批量生产。CGH干涉测量也不能用于具有拐点的非球面，如果光学器件曲率半径需要准确的数据，则需要额外的测量。

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色度共聚焦

传感

在色度共聚焦传感中，色度笔发出的白色光源照亮表面。不同波长的光将聚焦在不同的轴向差处，这种色差可用于确定光学器件的表面轮廓，返回传感器的光波长用于确定每个点到光学元件的距离，从而表征光学非球面的高低起伏的形状。