非球面光学元件

引言

球面（Sphere）光学元件是指从元件的中心到边缘具有恒定的曲率，表面呈球状；而非球面 (Asphere)光学元件则是从中心到边缘之曲率连续发生变化。非球面光学元件广泛应用于航空机载设备、卫星、激光制导、红外探测等领域，同时在民用光电产品上的应用也越来越普及。

1.非球面的分类

2.非球面的优势

下图对比了平行单色光通过球面透镜和非球面透镜所产生的聚焦光点，球面透镜由于球差导致成像点模糊，而非球面透镜的成像点非常清晰。因此非球面透镜可用于替代球面透镜组来校正像差，例如一般使用十片透镜的变焦镜头，可以使用一两个非球面透镜来替换五六个球面透镜，可实现相同或更高的光学效果、降低生产成本，同时也能实现系统轻量化、小型化。而且减少透镜数量的光学系统也会减少系统对机械公差、额外的校准步骤，以及增透镀膜膜要求，提高系统的整体实用性和降低整体系统设计成本。

光学系统中采用非球面元件，可以提高系统的性能，减少光学元件的数量，从而减轻仪器的质量，减小体积，紧凑结构。因此常应用于大视场、大孔径，像差要求高，结构要求小，或有特殊要求的光学系统中，非球面光学元件因其优良的光学性能而日益成为一类非常重要的光学元件。

3.非球面的制造工艺

目前用于非球面光学元件的加工方法主要有：

1） 表面材料去除法：数控铣磨抛光成型法、离子束抛光法、磁流变抛光法、液体喷射抛光法等；

2） 改变材料形状法：玻璃热压成型法、注塑成型法、热沉降和固化成型法等；

3） 附加材料法：真空镀膜复制成型法、混合成型法等。

其中超精密数控铣磨和抛光适用于一次生产单片非球面透镜的场合，随着制造技术的提高，其加工精度越来越高。经计算机控制的精密抛光技术能够自动调整工具驻留参数以便进行精确抛光。其他制造技术一般需要一款特别的模具，而每款透镜均具有其独特的模具，但是数控铣磨和抛光却使用标准工具，因此能成为原型制造以及低量生产应用的首要选择。