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Asphericon非球面镜的生产工艺、测量和应用实例

作者:维尔克斯  时间:2022-9-16 10:25:54

非球面透镜相对于球面透镜的优点

非球面透镜相对于球面透镜的优点有球面像差校正、系统小型化、重量减轻,这些优点使得非球面透镜的成像性能和成像质量比球面透镜更好。

像差校正

使用球面透镜,会不可避免出现成像误差,即所谓的球面像差,这导致图像略微模糊、失焦,因为光线无法会聚在光轴的同一个焦点上。非球面光学元件是旋转对称的,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。


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,使整个系统变得更加紧凑,并且可以减轻整体重量。


二、非球面轮廓

最常见的三种面形缺陷是:面形误差、波纹度、表面粗糙度。

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。

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。它是指从山到谷,因此形状误差是由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)描述了实际和目标表面之间的均方差,同时考虑到缺陷的面积。

表面粗糙度

表面粗糙度描述了光学表面上最小的不规则性。表面粗糙度是抛光工艺质量的一个维度。非球面透镜对光学应用的影响通常是决定性的。例如,一旦高功率(如激光功率)作用于非球面透镜,高粗糙度就会导致非球面透镜磨损得更快。此外,散射会降低测量结果的质量,这就是为什么低表面粗糙度被认为是高质量特征的原因。


三、asphericon为高精密度光学器件的生产设立了标准

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。

磨削

坯料已经是成形的透镜,是生产非球面透镜的进一步工艺的起始材料。在第一个工作步骤中将毛坯磨削以使其具有所需的形状。各种磨削工具和技术用于这种复杂的过程。

抛光

抛光是指利用机械、化学或电化学的作用,使工件表面粗糙度降低,以获得光亮、平整表面的加工方法。是利用抛光工具和磨料颗粒或其他抛光介质对工件表面进行的修饰加工。抛光工艺是非球面透镜生产中的重要环节,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)。

高端精整

非球面透镜生产中的最后一个加工步骤是高端精整,这是更精密表面处理的最后一步校正步骤,使得表面更精准。



五、非球面透镜应用实例

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。

另一个应用领域是激光整形,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。



五、非球面透镜的测量

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<0.5nmRMS,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

使用触觉测量方法,用探头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。然后通过软件分析和评估确定的高度差异数据。刚性接触式探头系统和尽可能恒定的探头球接触压力是精确确定表面轮廓所必需的。

干涉测量

干涉测量是最常见用于非球面表面的方法。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到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的全息图(CGH)来生成非球面参考波前。在相移测量方法中重复进行这种测量,参考表面有几次偏移,从而产生要测量的非球面透镜的全表面误差图。

干涉

物理学中,干涉(interference)是两列或两列以上的波在空间中相遇时发生叠加或抵消从而形成新的波形的现象。






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