Типы оптических асферических линз

Что такое асферическая линза?

В оптических системах наиболее часто используемые сферические линзы имеют поверхности, которые являются вращательно симметричными сферическими поверхностями, то есть они имеют постоянную кривизну от центра до края линзы. Напротив, асферические линзы имеют поверхности, которые вращательно симметричны, но не сферичны, соответствуют определенным математическим выражениям и имеют гладкие, непрерывные поверхности.

Существует три основных типа асферических поверхностей, используемых в оптических системах: первый тип-осесимметричные асферические поверхности, такие как вращательные коническая поверхность и вращательные поверхности более высокого порядка; второй тип-асферические поверхности с двумя плоскостями симметрии, такие как цилиндрические поверхности и тороидальные поверхности; третий тип-поверхности свободной формы, Которые не имеют симметрии.

Наиболее часто используемое выражение асферической поверхности строится путем взятия конической поверхности в качестве основы, а затем наложения ряда полиномов более высокого порядка. Выражение это:

[З®= \ Frac {r ^ 2}{R \ left(1 \ sqrt{1 - (1 k) \ frac{r2}{R2 }}\ right)} \ sum _{i = 2 }^{ n} A_i r ^ i]

Где:

1. ( z®)-Высота поверхности линзы на радиальном расстоянии (r ).

2. ( R)-радиус кривизны базовой сферы.

3. ( k)-коническая константа (также известная как константа эксцентриситета).

4. ( A_i)-коэффициенты полиномиальных членов более высокого порядка.

5. ( r)-радиальное расстояние от оптической оси до точки на поверхности.

Это выражение объединяет основную коническую поверхность (определяемую (R) и (k) с серией полиномиальных членов более высокого порядка (определяемых коэффициентами (A_i) для точного описания формы асферической линзы.

Преимущества асферических линз

Сферические линзы, независимо от любых погрешностей измерения или изготовления, по своей сути демонстрируют сферическую аберрацию. Наиболее заметным преимуществом асферических линз является их способность минимизировать аберрации путем регулировки и оптимизации конической постоянной и асферических коэффициентов. Как показано на рисунке 3, сферическая линза со значительной сферической аберрацией сравнивается с асферической линзой почти без сферической аберрации. Для сравнения, один асферический объектив обеспечивает лучшее качество изображения.

Иллюстрация сферической аберрации в сферической линзе

Коррекция сферической аберрации в асферической линзе

По сравнению с обычным методом коррекции сферической аберрации за счет увеличения количества линз, асферические линзы могут добиться лучшей коррекции аберрации с меньшим количеством линз. Например, зум-объектив, который обычно использует десять или более линз, может достичь тех же или более высоких оптических характеристик, заменив пять или шесть сферических линз одной или двумя асферическими линзами, тем самым уменьшая длину и сложность системы.

Кроме того, оптические системы с большим количеством оптических элементов часто имеют строгие требования к механическим допускам, что может привести к дополнительным этапам калибровки и большему количеству антибликовых покрытий, снижая общую практичность системы. Поэтому использование асферических линз в оптических системах (несмотря на их более высокую стоимость по сравнению с одноэлементными линзами и цементированными дублетами с эквивалентными F-числами) может снизить общую стоимость системы.

Таким образом, разумное использование асферических линз в оптических системах занимает незаменимую позицию в достижении миниатюризации, легкости и многофункциональности оптических систем.

Применение асферических линз при лазерной коллимации

Асферические линзы играют очень важную роль в оптических системах. Например, в сложных системах, с которыми мы часто сталкиваемся, таких как объективы смартфонов, объективы камер и ультракороткофокусные проекторы, оптимизация системных аберраций часто достигается за счет объединения нескольких асферических и сферических объективов. Эти системы обычно не являются стандартизированными продуктами.