光学镜头成像-非球面&球面技术基础知识
非球面技術
1.技术原理
非球面透镜，曲率半径随着中心轴而变化，用以改进光学品质，减少光学元件，降低设计成本。非球面透镜相对于球面透镜具有独特的优势，因此在光学仪器、图像、光电子工业得到了广泛的应用，例如数码相机、CD播放器、高端显微仪器。
非球面透镜一般定义如下：
Z，旋转对称轴
s，径向距离
C ，弧度（曲率半径的倒数）
k，曲面常数（K=0 球面；k > -1 椭圆面；K=-1 抛物面；k< -1 双曲面）
A4 A6 A8，高次非球面系数
随着非球面透镜的普及，更为准确的描述如下：
Cbfs，最佳拟合曲率
ρ，径向距离
u = ρ/ρmax
Qmcon，正交基非球面系数
am，归一化
非球面透镜最大特点是曲率半径随着中心轴不断变化，而不像球面透镜是个常数（如图1）。非球面透镜曲率半径变化的设计用以改进光学品质。
图 1，非球面透镜和球面透镜的表面轮廓比对
2.对比优势
a 球差校准
非球面透镜用以替换球面透镜，最显著的优势在于可以修正球面透镜在准直和聚焦系统中所带来的球差。通过调整曲面常数和非球面系数，非球面透镜可以最大限度的消除球差。如图2，右图非球面透镜（光线汇聚到同一点，提供光学品质），基本上消除了左图球面透镜所产生的球差（光线汇聚到不同点，导致成像模糊）。
图 2.球面透镜和非球面透镜在汇聚系统中的品质差异
图 3.三透镜光学系统
图3.采用三片球面透镜，增大有效焦距，用于消除球差。但是，一片非球面透镜（高数值孔径，短焦距）就可以实现，并且简化系统设计和提供光的透过率。
b.系统优势
非球面透镜简化了光学工程师为了提高光学品质所涉及的元素，同时提高了系统的稳定性。例如在变焦系统中，通常情况下10片或者更多的透镜被采用（附加：高的机械容差，额外装配程序，提高抗反射镀膜），然而1片或者2片非球面透镜就可以实现类似或更好的光学品质， 从而减小系统尺寸，提高成本率，降低系统的综合成本。
3.成型工艺
a.精密玻璃模压成型
图 4.精密玻璃模压成型精密玻璃模压成型，是将玻璃材料加热至高温而变得具有可塑性，通过非球面模具来成型，然后逐步冷却至室温（如图4）。目前，精密玻璃模压成型，不适用于直径大于10mm的非球面透镜。但是，新的工具、光学玻璃和计量过程，都在推动该项技术的发展。精密玻璃模压成型，虽然在设计初期时成本较高（高精密的模具开发），但是模具成型后，生产的高品质产品可以平摊掉前期的开发成本，特别适合于需要大批量生产的场合。
b.精密抛光成型
研磨和抛光一般适用于一次生产单片非球面透镜的场合，随着技术的提高，其精度越来越高。最为显著，精准抛光由计算机进行控制（如图5），自动调整以实现参数优化。如果需要更高品质的抛光，磁流变抛光（magneto-rheological finishing）将被采用（如图6）。磁流变抛光相对于标准抛光而言，具有更高的性能和更短的时间。精密抛光成型，需要专业的设备，目前是样品制作和小批量试样的首要选择。
图 5.计算机控制抛光
图 6.磁流变抛光（Magneto-Rheological Finishing）
c.混合成型
混合成型，以球面透镜为基底，通过非球面模具在球面透镜表面压铸并采用紫外光固化上一层高分子聚合物的非球面体。混合成型，一般采用消色差球面透镜为基底，表面压铸一层非球面，用以实现同时消除色差和球差。图7是混合成型非球面透镜的制造工艺流程。混合成型非球面透镜， 适用于需要附加特性（同时消除色差和球差），大批量制造的场合。
图 7.混合成型非球面透镜制造工艺流程
d.注塑成型
除了玻璃材质的非球面透镜，还存在塑料材质的非球面透镜。塑料成型，是将熔融的塑料注射入非球面模具中。相对于玻璃，塑料的热稳定性和抗压性较差，需要经过特别处理，以得到类似的非球面透镜。然而，塑料非球面透镜最大的特点是成本低、重量轻、易成型，广泛应用于光学品质适中、热稳定性不敏感、抗压力不大的场合。
4.选择依据
各种类型的非球面透镜，都有其自身的相对优势。因此针对不同的应用场合，选择合适的产品就现得很重要。主要的考虑因素，包括：批量、品质和成本。
a.精密玻璃成型非球面透镜， 具有批量化生产和热稳定性高的特点，适合于批量大、品质高、热稳定性高的场合
b.精密抛光成型非球面透镜，具有制样周期短和不需要模具的特点，适合于样品制作和小批量试样的场合
c 混合成型非球面透镜，具有球差和色差同时校准的特点，适合于宽光谱、批量大、品质高的场合
d.塑料成型非球面透镜，具有成本低和重量轻的特点，适合于批量大、品质适中、热稳定性不高的场合
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本文转自道听吴说，作者道听吴说
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