作者： 时间：2021-10-28
非球面变得越来越重要，并已成为许多应用领域的标准的光学组件。非球面透镜应用在具有高发光强度的照片镜头或广角镜头、内窥镜、磁镜和望远镜中，也可以在航空航天等高科技中应用。随着现代制造技术的发展，关于非球面的陈旧假设和偏见已成为非球面镜常见问题的误解。以下7点是Asphericon讨论关于非球面在其特性、精度、工艺上的误解，并说明和摒除在某些方面上存在的非球面透镜的误解。
误解1、非球面透镜的价格会随着与球面偏差的程度而增加
人们普遍认为，非球面透镜的生产成本和销售价格会随着与最佳球面的偏离程度而增加。事实上，透镜的几何形状，即与最佳拟合球体的偏差，对生产成本没有直接影响。现代生产技术在刀具选择方面为非球面光学提供了高度的灵活性，从而显着增加了更多可能性的几何形状范围。
在透镜生产成本上，除了材料和镜片直径的选择，非球面表面形状偏差和表面质量对制造成本的影响要大得多。Asphericon非球面镜在生产技术上有较高的灵活性，在非球面表面的规格上去决定了使用哪种生产和测量策略，从而决定了生产时间。这两方面来说，在非球面镜销售成本中都是值得考虑的主要因素。所以，在价格上关于非球面透镜的误解，非球面透镜的价格并不是随着与球面偏差的程度而增加
误解2、非球面不应该有变形的拐点
在某些情况下，没有拐点的镜头设计将无法实现所需的性能。长期以来，人们认为使用传统制造技术不可能产生变形，具有拐点的非球面的干涉测量会存在问题。
Asphericon得益于先进的制造技术和复杂的干涉测量算法，最小刀具的尺寸目前是生产具有拐点的几何形状的主要限制因素。目前最小局部曲率半径不应小于10mm，带拐点的非球面的生产并不比其他凹面几何形状的生产复杂。所以，在工艺上关于非球面透镜的误解，非球面的变形拐点在现代工艺技术上是可以是实现的。
图1 具有拐点的非球面的图示
误解3、功率和不规则度可以定义非球面的表面形状偏差
功率和不规则度只能定义在指定平面和球面的表面形状偏差，因为其与标称形状的偏差主要发生在旋转对称和长波误差中。非球面表面的形状需要在子孔径中制造，这意味着相对较小的研磨或抛光工具可加工部分的镜片表面，由此产生的偏差通常不是旋转对称的。因此，在Asphericon非球面镜的测量中，通常为了充分说明非球面表面质量，使用斜率偏差(RMSΔS)补充了功率和不规则度。所以，在特性上关于非球面透镜的误解，定义非球面透镜的表面形状偏差不能通过其镜片功率和不规则度来定义。
图2 R/D 0.55的a|FizeriC4非球面测量斜率偏差
误解4、非球面的干涉测量只能使用CGH进行
干涉仪被认为是球面测量的标准仪器。通过将球面参考光束与目标反射的光束叠加，可产生干涉图样，即所谓的干涉图。通过这种方式可以看到测量对象与理想球形的偏差。非球面与球面不同，因此该测量原理不能对应地用于非球面的测量，因为球面波不会在每个点上影响非球面表面的法线。在以前，干涉测量非球面的唯一方法是使用计算机生成的全息图（Computer-Generated Hologram,CGH）。CGH以标称非球面的形式形成波前，在两束光束叠加后从而产生一个干涉图，显示被测物体与该形状的偏差。CGH的测量需要为每个透镜几何形状单独制造，在非球面光学上的成本因素上是较高的。
图3 非球面干涉图
目前的测量算法和计量设备上，无需购买CGH即可实现干涉测量，如红外干涉仪等等。对于Asphericon非球面镜的表面形状测量上通常采用更多的新型的球面干涉仪，可以有效和灵活地测量非球面。所以，在特性上关于非球面透镜的误解，非球面的干涉测量可以有更多的新型方法。
误解5、高精度表面只能通过非球面来实现
对于广泛的非球面透镜生产步骤来说，往往先开始的是制造最合适的球体。非球面的形状先是通过数控磨削产生的，随后的抛光工艺和进一步的高端精加工工艺才是确保高精度表面形状的关键。使用这些工艺，即使是陡峭的非球面也能以更高精度生产。例如，对于42°的斜率，可以实现6 nm的RMSi。目前，Asphericon非球面透镜可以通过2个条纹的不规则度来生产倾斜度高达90°的镜片。所以，在工艺上关于非球面透镜的误解，高精度表面的关键因素并非非球面，而是在于高精度化的抛光工艺和加工工艺上。
图4 斜率为42°、RMSi为6 nm的a|BeamExpander非球面的透镜图和干涉图
误解6、非球面不适用于批量生产
人们可能仍然普遍认为非球面仅适用于实验室设置、研发项目或要求苛刻的应用。Asphericon通过使用最新的生产和计量技术，可以以稳定和可重复的精度连续生产非球面透镜。通过增加Asphericon非球面批量，设置成本平均分配，从而降低单价。先进的机器控制和与生产相关的测量技术可优化生产过程，从而提高产量并缩短生产时间。精密化的非球面已经在激光材料加工、医疗技术、计量学和图像处理等领域大量使用。所以，在工艺上关于非球面透镜的误解，非球面镜是可以实现批量生产的
误解7、在非球面表面上不可能达到低于Sq=5Å的粗糙度
平面和球体的全表面处理，使几埃的粗糙度不再是罕见的。在传统加工工艺上，由于非球面的不同的几何形状会使用不同的技术，而亚孔径处理会在镜头表面留下高频微结构。所以在传统加工工艺上几乎不可能在非球面上实现苛刻的、类似于平面和球面的粗糙度值。
现在由于内部控制软件和最先进的生产技术的不断发展，Asphericon可以优化制造过程，根据镜片的几何形状和材料，粗糙度为Sq=5 Å是可以达到的。Asphericon非球面Ångström抛光支持紫外线和高功率激光范围内，通过在也就是说，几乎所有Asphericon非球面表面上可实现5 Å（根据ISO 10110规定的粗糙度Sq）的最低表面粗糙度来避免杂散光。所以，在精度上关于非球面透镜的误解，非球面表面的粗糙度是可以达到Sq=5 Å的效果的。
图5 根据表面粗糙度区分各种材料
