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什么是非球面透鏡,有哪些�(yōu)勢?

2024-05-17 派大�

什么是非球面透鏡,有哪些優(yōu)勢?


非球面透鏡是一種折射面為非球面的曲面的透鏡,通常可分成簡單曲面(如拋物面)和�(fù)合曲面兩�。與球面透鏡相比�面透鏡表面是回�(zhuǎn)對稱的球面表�,即從透鏡的中心到邊緣具有恒定的曲��非球面透鏡表面為回�(zhuǎn)對稱的不是球面的表面,即符合特定表達式的回轉(zhuǎn)對稱的且表面是光滑連續(xù)的表靀�


 濾光片

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非球面透鏡具有更佳的曲率半�,可以維持良好的像差修正,以獲得所需的性能。這種透鏡可以消除球面畸變,通過�(yōu)化曲面形狀有效減少或消除邊緣處的畸�,使圖像邊緣的物體變形或扭曲得到更好的矯正�

 

其次,非球面透鏡可以提高光束的聚焦能力,根據(jù)需要定制曲面形狀以將光線聚焦到更小的斑點�。這使得非球面透鏡在激光聚�、光通信等領(lǐng)域中非常有用。此�,非球面透鏡還可以提供更平坦的光�,即使在離軸角度較大的情況下也能獲得良好的成像質(zhì)�。這使得非球面透鏡在照明系�(tǒng)、投影儀等領(lǐng)域中有廣泛的�(yīng)��

 非球面透鏡在手機鏡頭和數(shù)碼相機中的應(yīng)用

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非球面透鏡的另一個重要特點是其可以實�(xiàn)多焦點功�,通過�(diào)整曲面形狀將不同波長的光線聚焦到不同的焦點�。這對于一些需要同時處理多個波長的�(yīng)用,如光譜成像和光譜測量等是非常有用��

 

在光�(xué)�(shè)計上,非球面透鏡的曲率半徑隨著中心軸而變化,用以改進光�(xué)品質(zhì),減少光�(xué)元件,降低設(shè)計成�。通過�(diào)整曲面常�(shù)和非球面系數(shù),非球面透鏡可以最大限度地消除球差,實�(xiàn)更小的光�(xué)系統(tǒng),并提高系統(tǒng)的穩(wěn)定��

 

光學(xué)系統(tǒng)中采用的非球面有三大類:第一類是軸對稱非球面,如回轉(zhuǎn)圓錐曲面、回�(zhuǎn)高次曲面;第二類是具有兩個對稱面的非球面,如柱面、復(fù)曲面;第三類是沒有對稱性的自由曲面。非球面透鏡的表達式可以有多種形式,通常用于描述其非球面的形狀。以下是一些常見的非球面透鏡表達式:

 

圓錐曲面表達式:

這是最常用的非球面表達式之一,它基于圓錐曲面并迭加一系列的高次多項式。表達式形式如下�

圓錐曲面表達式

其中,z是垂直于光軸的坐標,r 是到光軸的徑向距�,c 是頂點曲率(c=1/R,其� R 是頂點曲率半徑),k 是圓錐系�(shù),A2i 是第 2i 次非球面系數(shù)�

 

2. 二次曲面表達式:

二次曲面表達式

另一種常見的非球面表達式是基于二次曲�,它可以具有離心� e 和頂點曲� p。表達式形式如下�

其中,b = e^2是離心率 e 的平方�

 

3. 多項式表達式�

可以使用多項式來直接描述非球面的形狀。例如,一個簡單的多項式表達式可以是:

多項式表達式

其中,Ai 是各項系�(shù)�



4. Zernike多項式:

在某些高級應(yīng)用中,可能會使用Zernike多項式來描述非球面形狀。Zernike多項式在光學(xué)�(shè)計和測試中常用于表示和評估波前畸��


非球面透鏡的加工制造方法包括精密玻璃成�、金剛石車削和注塑成型等。精密玻璃成型是將玻璃材料加熱至高溫并壓入非球面模具中,然后逐漸冷卻至室溫以形成透鏡。金剛石車削則使用單點金剛石刀具對透鏡進行加工,以獲得高精度的表面光潔度和形狀精度。注塑成型則是將熔融塑料注入非球面模具中以生�(chǎn)塑料非球面透鏡�

 (上)非球面透鏡激光準直示意(下)將激光耦合到光纖中的應(yīng)用

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非球面透鏡的優(yōu)�

非球面透鏡相較于球面透鏡具有多個顯著的�(yōu)�,這些�(yōu)點使其在多個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)�。以下是非球面透鏡的主要優(yōu)點:

1.成像�(zhì)量更高:非球面透鏡能夠根據(jù)光線入射的位置和角度進行對焦,從而提高成像的清晰度和分辨�。而球面透鏡在邊緣部分和離軸區(qū)域容易產(chǎn)生像�,導(dǎo)致圖像模糊或失真�

2.消除色差:非球面透鏡通過�(yōu)化透鏡的曲率和厚度分布,能夠降低或消除色差。球面透鏡由于球面形狀的限�,難以消除色�,而非球面透鏡則能更好地實�(xiàn)光的各色成分在焦點上的聚焦�

3.尺寸更小、重量更輕:在實�(xiàn)相同功能時,非球面透鏡可以采用更薄更輕量的�(shè)�,使光學(xué)系統(tǒng)更加緊湊和便��

4.廣闊的折射率�(diào)節(jié)范圍:非球面透鏡具有更廣闊的折射率調(diào)節(jié)范圍,可以用來糾正眼睛的屈光不正問題,如近視、遠視等�

5.更好的像差修正:非球面透鏡具有更佳的曲率半�,可以維持良好的像差修正,以獲得所需的性能。這使得非球面透鏡在攝影鏡頭中能夠校正眾多的“像差”,提高成像�(zhì)��

6.寬廣視野和平坦光場:非球面透鏡通過�(yōu)化曲面形狀,能夠在離軸角度較大的情況下仍然保持良好的成像質(zhì)量,提供更為寬廣的視野和平坦的光�。這在照明系統(tǒng)、投影儀等應(yīng)用中尤為重要�

7.多焦點功能:非球面透鏡通過�(diào)整曲面形狀,實�(xiàn)了多焦點功能,即能夠?qū)⒉煌ㄩL的光線聚焦到不同的焦點上。這使得非球面透鏡在應(yīng)對不同波長的光線時具有更高的靈活��

8.�(shè)計和制造成本降低:由于非球面透鏡能夠改進光�(xué)品質(zhì)并減少光�(xué)元件,因此在�(shè)計和制造過程中可以降低成本�

 


標簽: 非球面透鏡