Асферическая линза - Aspheric lens

Асферическая двояковыпуклая линза.

Асферическая линза или ASPhere (часто называют ASPH на глаз штук) представляет собой линзу , чьи профили поверхности не являются участки в области или цилиндра . В фотографии узел объектива, который включает в себя асферический элемент, часто называют асферическим объективом .

Более сложный профиль поверхности асферы может уменьшить или устранить сферическую аберрацию, а также уменьшить другие оптические аберрации, такие как астигматизм , по сравнению с простой линзой . Одна асферическая линза часто может заменить гораздо более сложную систему с несколькими линзами. В результате получается устройство меньше и легче, а иногда и дешевле, чем конструкция с несколькими линзами. Асферические элементы используются в конструкции многоэлементных широкоугольных и светосильных обычных линз для уменьшения аберраций. Они также используются в сочетании с отражающими элементами ( катадиоптрическими системами ), такими как асферическая пластина корректора Шмидта, используемая в камерах Шмидта и телескопах Шмидта – Кассегрена . Маленькие формованные сферы часто используются для коллимации диодных лазеров .

Асферические линзы также иногда используются для очков . Асферические линзы для очков обеспечивают более четкое зрение, чем стандартные линзы «наилучшей формы», в основном при взгляде в других направлениях, кроме оптического центра линзы. Более того, уменьшение эффекта увеличения линзы может помочь с рецептами, которые имеют разную силу на 2 глаза ( анизометропия ). Не связанные с оптическим качеством, они могут дать более тонкую линзу, а также меньше искажать глаза зрителя, как это видят другие люди, создавая лучший эстетический вид.

Профиль поверхности

Хотя в принципе асферические поверхности могут принимать самые разные формы, асферические линзы часто конструируются с поверхностями формы

{\ displaystyle z (r) = {\ frac {r ^ {2}} {R \ left (1 + {\ sqrt {1- (1+ \ kappa) {\ frac {r ^ {2}} {R ^) {2}}}}} \ right)}} + \ alpha _ {4} r ^ {4} + \ alpha _ {6} r ^ {6} + \ cdots,}

где оптическая ось предполагается лежащей в направлении z , а - прогиб - z-компонента смещения поверхности от вершины на расстоянии от оси. Коэффициенты описывают отклонение поверхности от аксиально-симметричной квадратичной поверхности, определяемой и . ${\ Displaystyle г (г)}$ ${\ displaystyle r}$ ${\ displaystyle \ alpha _ {я}}$ ${\ displaystyle R}$ ${\ displaystyle \ kappa}$

Если коэффициенты равны нулю, то есть радиус кривизны , и это коническая постоянная , измеренная в вершине (где ). В этом случае поверхность имеет форму конического участка, вращающегося вокруг оптической оси, форма которого определяется : ${\ displaystyle \ alpha _ {я}}$ ${\ displaystyle R}$ ${\ displaystyle \ kappa}$ ${\ displaystyle r = 0}$ ${\ displaystyle \ kappa}$

${\ displaystyle \ kappa}$	Коническое сечение
${\ Displaystyle \ каппа <-1}$	гипербола
${\ displaystyle \ kappa = -1}$	парабола
${\ Displaystyle -1 <\ каппа <0}$	эллипс (поверхность - вытянутый сфероид )
${\ displaystyle \ kappa = 0}$	сфера
${\ displaystyle \ kappa> 0}$	эллипс (поверхность - сплюснутый сфероид )

Вышеупомянутое уравнение страдает сильной корреляцией между коэффициентами первого члена и полиномиальными членами. Это приводит к сильным расхождениям при подгонке уравнения к асферической поверхности. Следовательно, альтернативой, которая иногда используется, являются различные уравнения, использующие «Q-полиномы», в которых коэффициенты ортогональны друг другу.

Производство

Поперечное сечение пластины корректора Шмидта , обычной асферической линзы

Небольшие стеклянные или пластмассовые асферические линзы можно изготавливать путем литья под давлением, что позволяет производить дешевое массовое производство. Из-за их низкой стоимости и хороших характеристик формованные сферы обычно используются в недорогих потребительских камерах , телефонах с камерой и проигрывателях компакт-дисков. Они также обычно используются для коллимации лазерных диодов и для ввода света в оптические волокна и из них .

Асферы большего размера получают шлифованием и полировкой . Линзы, изготовленные с помощью этих технологий, используются в телескопах , проекционных телевизорах , системах наведения ракет и инструментах для научных исследований. Они могут быть сделаны путем точечного контурирования до примерно правильной формы, которая затем полируется до окончательной формы. В других конструкциях, таких как системы Шмидта, пластина асферического корректора может быть изготовлена с помощью вакуума для деформации оптически параллельной пластины в кривую, которая затем полируется «плоско» с одной стороны. Асферические поверхности также могут быть изготовлены путем полировки с помощью небольшого инструмента с податливой поверхностью, которая соответствует оптике, хотя точный контроль формы и качества поверхности затруднен, и результаты могут измениться по мере износа инструмента.

Одноточечная алмазная токарная обработка - это альтернативный процесс, при котором на токарном станке с компьютерным управлением используется алмазный наконечник для прямой резки нужного профиля на кусок стекла или другого оптического материала. Алмазное точение является медленным и имеет ограничения по материалам, на которых его можно использовать, а также по точности и гладкости поверхности, которые могут быть достигнуты. Это особенно полезно для инфракрасной оптики.

Для повышения точности и качества полированной поверхности можно использовать несколько методов «финишной обработки». К ним относятся чистовая обработка ионным пучком , абразивные водяные струи и магнитореологическая отделка , при которой для удаления материала с поверхности используется магнитная струя жидкости.

Другой способ изготовления асферических линз заключается в нанесении оптической смолы на сферическую линзу с образованием композитной линзы асферической формы. Предлагалась также плазменная абляция.

Притирочный инструмент на шпинделе под линзой и монтажный инструмент на втором шпинделе (повернутый наружу) используют шаг, чтобы удерживать показанную линзу вогнутой стороной вниз.

Несферическая кривизна асферической линзы также может быть создана путем наложения сферической кривизны на асферическую путем шлифования кривизны вне оси. Шлифовка с двумя вращающимися осями может использоваться для стекла с высоким показателем преломления, которое нелегко формовать вращением, как линзы из полимера CR-39 . Такие методы, как лазерная абляция, также могут использоваться для изменения кривизны линзы, но качество полировки полученных поверхностей не так хорошо, как при использовании лапидарной техники.

Стандарты отпуска линз для очков по рецепту не рекомендуют использовать кривизну, которая отклоняется от определенных фокусных расстояний. Множественные фокусные расстояния принимаются в форме бифокальных очков , трифокальных очков , вариофокальных линз и цилиндрических компонентов для астигматизма .

Метрология

Измерительная техника играет решающую роль в производстве асферических линз. В зависимости от производственного процесса и статуса обработки различают различные измерительные задачи:

форма асферы
отклонение формы поверхности
ошибка наклона
толщина центра
грубость

Различают тактильные, т. Е. Прикосновения, и бесконтактные методы измерения. Решение о том, какой метод использовать, зависит не только от точности, но и от состояния производства.

Тактильное измерение

Тактильное измерение в основном используется между двумя операциями шлифования, чтобы контролировать форму сферы и регулировать следующую операцию. Зонд для измерения профиля используется для измерения сечения поверхности линзы. Симметрия вращения линз означает, что комбинация нескольких из этих профилей обеспечивает достаточно точное знание формы линзы. Любое повреждение поверхности линзы, вызванное наконечником зонда, будет устранено на последующих этапах.

Бесконтактное измерение

Интерферометры используются при измерении чувствительных или полированных поверхностей. Путем наложения опорного луча на луч, отраженный от измеряемой поверхности, создаются карты ошибок, известные как интерферограммы, которые представляют отклонение формы поверхности во всем поле.

Компьютерная голограмма (CGH)

Компьютерные голограммы (CGH) представляют собой метод интерферометрического определения отклонения линзы от номинальной геометрии. Они генерируют асферический волновой фронт в форме мишени и, таким образом, позволяют определять отклонения линзы от формы мишени на интерференционном изображении. CGH должны изготавливаться специально для каждого объекта испытаний, и поэтому они экономичны только для серийного производства.

Интерферометрические измерения

Другой возможностью является интерферометрическое измерение сфер в подобластях с минимальными отклонениями от наиболее подходящей сферы и последующее объединение дополнительных измерений в интерферограмму всей поверхности. Они очень гибкие по сравнению с CGH, а также подходят для производства прототипов и небольших серий.

Офтальмологические применения

Вогнутые асферы в оправе для очков . «Минусовые» оптические силы линз уменьшают тестовое изображение и улучшают фокусировку в центре линз. Также видны отражения от неасферических передних поверхностей.

Как и другие линзы для коррекции зрения , асферические линзы можно разделить на выпуклые и вогнутые.

Выпуклые асферические изгибы используются во многих пресбиопических линзах с переменным фокусным расстоянием для увеличения оптической силы над частью линзы, помогая в задачах с близорукостью, таких как чтение. Часть чтения представляет собой асферическое «прогрессивное добавление». Кроме того, при афакии или крайней дальнозоркости могут быть прописаны асферические линзы повышенной мощности, но эта практика становится устаревшей и заменяется хирургическими имплантатами внутриглазных линз . Многие выпуклые линзы одобрены регулирующими органами, регулирующими рецепты.

Вогнутые асферы используются для коррекции миопии высокой степени . Они не доступны для приобретения в оптических диспансерах, а должны быть специально заказаны с инструкциями у практикующего подгонки, подобно тому, как протез настраивается индивидуально.

Диапазон силы линзы, доступной оптикам для раздачи рецептов, даже в асферической форме, практически ограничен размером изображения, формируемого на сетчатке . Линзы с высоким минусом приводят к тому, что изображение становится настолько маленьким, что форма и форма не различимы, обычно около -15 диоптрий , в то время как линзы с высоким плюсом создают такой большой туннель изображения, что кажется, что объекты появляются и исчезают из уменьшенного поля зрения, обычно около +15 диоптрий.

В рецептах как для дальнозоркости, так и для близорукости кривая линзы сглаживается к краю стекла, за исключением прогрессивного считывания, добавляемого для пресбиопии , когда бесшовные варифокальные части меняются в сторону все более и более диоптрийной диоптрии . Асферы с большим минусом для миопов не обязательно требуют прогрессивного добавления частей, потому что конструкция кривизны линзы уже прогрессирует в сторону уменьшения диоптрийной силы меньше-минус / больше-плюс от центра линзы к краю. Асферы с высоким плюсом для гиперметропии прогрессируют в сторону меньшего плюс на периферии. Асферическая кривизна линз с высоким плюсом шлифуется на передней стороне линзы, тогда как асферическая кривизна линз с высоким минусом шлифуется на задней стороне линзы. Части считывания с прогрессивным увеличением для линз plus также притираются к передней поверхности линзы. Смешано кривизна aspheres уменьшает скотому , кольчатое слепое пятно.

Объективы фотоаппаратов

Canon EF 24-105 f / 4L IS USM имеет три асферических элемента, выделенных зеленым на схеме.

Модуль объектива камеры мобильного телефона

Асферические элементы часто используются в объективах фотоаппаратов. Это часто обозначается аббревиатурой ASPH в названиях таких продуктов.

История

16-миллиметровый асферический широкоугольный объектив Elgeet Golden Navitar и реклама 1950-х годов.

В 984 году Ибн Сахл впервые открыл закон преломления , обычно называемый законом Снеллиуса , который он использовал для определения формы анакластических линз, фокусирующих свет без геометрических аберраций.

Ранние попытки создания асферических линз для коррекции сферической аберрации были предприняты Рене Декартом в 1620-х годах и Христианом Гюйгенсом в 1670-х годах; поперечное сечение формы, разработанной Декартом для этой цели, известно как декартов овал . В объективах Висих найдены в сокровищах викингов на острове Готланд , начиная с 10 - го или 11 - го века также асферические, но демонстрирует широкий спектр качеств изображения, начиная от подобного современным aspherics в одном случае хуже , чем сферические линзы в других. Происхождение линз неизвестно, как и их предназначение (возможно, они были сделаны в качестве украшений, а не для визуализации).

Фрэнсис Сметвик изготовил первые высококачественные асферические линзы и представил их Королевскому обществу 27 февраля 1667/8 года . По мнению присутствующих, телескоп, содержащий три асферических элемента, «превосходит [обычный, но очень хороший телескоп] по качеству, принимая больший угол и более точно представляя Объекты в их соответствующих пропорциях, и выдерживая большую апертуру, свободную из цветов ". Асферические очки для чтения и горения также превзошли свои сферические аналоги.

Морицу фон Рору обычно приписывают дизайн первых асферических линз для очков. Он изобрел дизайн линз для очков, которые стали линзами Zeiss Punktal.

Первые в мире серийные асферические линзы для серийного производства были изготовлены компанией Elgeet для использования в обычных объективах Golden Navitar 12 mm f /1.2 для использования на 16-миллиметровых кинокамерах в 1956 году (см. Формат сенсора изображения ). сделка отраслевого признания в течение своего дня. Асферические элементы созданы методом мембранной полировки .

Тестирование систем асферических линз

Оптическое качество линзовой системы можно проверить в оптической или физической лаборатории с использованием лабораторных апертур, оптических трубок, линз и источника. Преломляющие и отражающие оптические свойства могут быть сведены в таблицу в зависимости от длины волны, чтобы приблизительно оценить характеристики системы; допуски и погрешности также могут быть оценены. Помимо целостности фокуса, системы асферических линз могут быть проверены на наличие аберраций перед развертыванием.

Использование интерферометров стало стандартным методом тестирования оптических поверхностей. Обычно проверка интерферометра проводится для плоских и сферических оптических элементов. Использование корректора нуля в тесте может удалить асферический компонент поверхности и позволить тестирование с использованием плоского или сферического эталона.

В природе

У трилобитов , одного из первых видов животных с изощренными глазами, были линзы с двумя асферическими элементами.

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки

СМИ, связанные с асферическими линзами, на Викискладе?

Languages

In other projects