非球面透镜
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非球面透镜(Aspheric Lenses)不同于球面透镜具有恒定的曲率半径,非球面透镜的曲率半径是从中间到边
可以更好的校正球差、色差,进而提高透镜的光斑质量。通过对圆锥常数和非球面系数进行调整,使透镜得到优化,以较大限度地减小像差
,其常被用于条码扫描、激光准直、光学成像等领域。非球面透镜采用单一元件设计,有助于较大限度地减少光学系统中的透镜数量,
非球面透镜允许光学元件设计者使用比传统球面元件更少的光学元件数量来校正像差,
因为前者为他们所提供的像差校正要多于后者使用多个表面所能提供的像差校正。
光学系统中最常用的球面透镜是指透镜表面是回转对称的球面表面,即从透镜的中心到边缘具有恒定的曲率。而非球面透镜则是透镜表面为回转对称的不是球面的表面,即符合特定表达式的回转对称的且表面是光滑连续的表面。
光学系统中采用的非球面有三大类:第一类是轴对称非球面,如回转圆锥曲面、回转高次曲面;第二类是具有两个对称面的非球面,如柱面、复曲面;第三类是没有对称性的自由曲面。
非球面透镜的优点
球面透镜无论是否存在任何的测量误差和制造误差,都会出现球差。而非球面透镜最显著的优点便是它能够通过对圆锥常数和非球面系数进行调整、优化,以最大限度地减小像差,如图3所示,展示了一个带有显著球差的球面透镜,和一个几乎没有任何球差的非球面透镜,相比而言,单片非球面透镜获得了更好的像质。
非球面透镜在激光准直方面的应用
非球面透镜在光学系统中扮演着非常重要的角色。例如,我们接触到的最多的手机镜头、相机镜头、超短焦投影仪等,这类复杂系统中多是通过使用多片非球面和球面镜组合来对系统像差进行优化设计,没有形成标准化产品。
非球面镜的另一类重要应用是在激光准直、聚焦、激光器与光纤耦合方面。从激光器中直接出来的光束通常为高斯光束,而实际应用中,如光学测量、激光医疗、激光加工等领域,需要对激光光束进行准直、聚焦、均匀化等整形。常规的通过球面透镜准直的方法,通常需要至少2片透镜。
由于激光是单波长的光源,球差往往是阻碍单个球面透镜聚焦或准直光时获得衍射极限性能的因素,而单片的非球面透镜对于球差的优化完美地解决这个问题,因此,常用于对光纤或激光二极管的输出光进行准直、将激光耦合到光纤中等。