Асферическая линза - Aspheric lens

Асферическая двояковыпуклая линза.

An асферическая линза или же асфера (часто обозначается ASPH на наглазниках) является линза чьи поверхностные профили не являются частями сфера или же цилиндр. В фотография, а сборка линзы который включает асферический элемент, часто называется асферическая линза.

Более сложный профиль поверхности асферы может уменьшить или исключить сферическая аберрация а также уменьшить другие оптические аберрации Такие как астигматизм по сравнению с простой объектив. Одна асферическая линза часто может заменить гораздо более сложную систему с несколькими линзами. Полученное устройство меньше и легче, а иногда и дешевле, чем конструкция с несколькими линзами.^[1] Асферические элементы используются в конструкции многоэлементных широкий угол и быстро нормальные линзы для уменьшения аберраций. Также они используются в сочетании с световозвращающими элементами (катадиоптрические системы ) такие как асферический Пластина корректора Шмидта используется в Камеры Шмидта и Телескопы Шмидта – Кассегрена. Маленькие формованные сферы часто используются для коллимирующий диодные лазеры.

Асферические линзы также иногда используются для очки. Асферические линзы для очков обеспечивают более четкое зрение, чем стандартные линзы «лучшей 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.^[2]

Профиль поверхности

В то время как в принципе асферические поверхности могут принимать самые разные формы, асферические линзы часто конструируются с поверхностями формы

${\displaystyle z(r)={\frac {r^{2}}{R\left(1+{\sqrt {1-(1+\kappa ){\frac {r^{2}}{R^{2}}}}}\right)}}+\alpha _{4}r^{4}+\alpha _{6}r^{6}+\cdots ,}$ ^[3]

где оптическая ось предполагается, что лежит в z направление, и ${\displaystyle z(r)}$ это провисать- z-компонента смещение поверхности от вершина, на расстоянии ${\displaystyle r}$ от оси. Коэффициенты ${\displaystyle \alpha _{i}}$ описать отклонение поверхности от осесимметричный квадратичная поверхность указано ${\displaystyle R}$ и ${\displaystyle \kappa }$.

Если коэффициенты ${\displaystyle \alpha _{i}}$ все равны нулю, то ${\displaystyle R}$ это радиус кривизны и ${\displaystyle \kappa }$ это коническая постоянная, как измерено в вершине (где ${\displaystyle r=0}$). В этом случае поверхность имеет вид коническая секция вращается вокруг оптической оси, форма определяется ${\displaystyle \kappa }$:

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

Приведенное выше уравнение страдает от сильной корреляции между коэффициентами первого члена и полиномиальными членами. Это приводит к сильным расхождениям, когда дело доходит до подгонки уравнения к асферической поверхности. Следовательно, альтернативой, которая иногда используется, являются различные уравнения, использующие «Q-полиномы», в которых коэффициенты ортогональны друг другу.^[4]

Производство

Поперечное сечение Пластина корректора Шмидта, обычная асферическая линза

Небольшие стеклянные или пластмассовые асферические линзы можно изготавливать методом литья, что позволяет производить дешевое массовое производство. Из-за их низкой стоимости и хороших характеристик формованные асферы обычно используются в недорогих потребительских товарах. камеры, камерофоны и проигрыватели компакт-дисков.^[1] Они также обычно используются для лазерный диод коллимации, а также для ввода и вывода света оптические волокна.

Асферы большего размера производятся шлифовка и полировка. Линзы, полученные с помощью этих технологий, используются в телескопы, проекционные телевизоры, системы наведения ракет, и инструменты для научных исследований. Их можно придать контуру точечным контактом примерно нужную форму.^[5] который затем полируется до окончательной формы. В других конструкциях, таких как системы Шмидта, пластина асферического корректора может быть изготовлена ​​с помощью вакуума, чтобы деформировать оптически параллельную пластину 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.

Одноточечный алмазная токарная обработка это альтернативный процесс, в котором управляемый компьютером токарный станок использует алмазный наконечник для непосредственного вырезания нужного профиля на стекле или другом оптическом материале. Алмазное точение происходит медленно и имеет ограничения по материалам, на которых его можно использовать, а также по точности и гладкости поверхности, которые могут быть достигнуты.^[5] Это особенно полезно для инфракрасный оптика.

Для повышения точности и качества полированной поверхности можно использовать несколько методов «отделки». К ним относятся ионный пучок отделка, абразивная вода струи, и магнитореологическая отделка, в котором для удаления материала с поверхности используется струя жидкости с магнитным направлением.^[5]

Другой метод изготовления асферических линз заключается в нанесении оптической смолы на сферическую линзу с образованием композитной линзы асферической формы. Также предлагалась плазменная абляция.

Притирка инструмент на шпинделе под линзой, а монтажный инструмент на втором шпинделе (повернутый) использует подача удерживать показанную линзу вогнутой стороной вниз

Несферическая кривизна асферической линзы также может быть создана путем наложения сферической кривизны на асферическую за счет шлифования кривизны вне оси. Шлифование с двумя вращающимися осями может использоваться для стекла с высоким показателем преломления, которое нелегко формовать вращением, поскольку CR-39 смола линза. Такие методы, как лазерная абляция также может использоваться для изменения кривизны линзы, но качество полировки получаемых поверхностей не так хорошо, как при использовании гранильный техники.

Стандарты выдачи рецептурных линз для очков не рекомендуют использовать кривизну, которая отклоняется от определенных фокусных расстояний. Множественные фокусные расстояния принимаются в виде бифокальные очки, трифокальные очки, варифокальные и цилиндрические компоненты для астигматизм.

Метрология

Технологии измерения играют решающую роль в производстве асферических линз. В зависимости от производственного процесса и статуса обработки различают различные измерительные задачи:

• форма сферы
• 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.^[6]

Бесконтактное измерение

Интерферометры используются при измерении чувствительных или полированных поверхностей. Накладывая опорный пучок с пучком, отраженным от поверхности, подлежащий измерению, карты ошибок, известные как интерферограммы, которые создаются, которые представляют собой отклонение полного поля формы поверхности.

Компьютерная голограмма (CGH)

Компьютерные голограммы (CGH) представляют собой метод интерферометрического определения отклонения линзы от номинальной геометрии. Они генерируют асферический волновой фронт в форме цели и, таким образом, позволяют определять отклонения линзы от формы цели на интерференционном изображении. CGH должны изготавливаться специально для каждого объекта испытаний, 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 комбинирование дополнительных измерений с интерферограммой всей поверхности. Они очень гибкие по сравнению с CGH, а также подходят для производства прототипов и небольших серий.^[7]

Офтальмологические применения

Вогнутые асферы, вставленные в зрелище Рамка. "Минусовые" силы линз уменьшать тестовый шаблон и лучше сфокусируйте его 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 пресбиопия варифокальные линзы увеличить оптическая сила над частью линзы, помогая в близких задачах, таких как чтение. Часть чтения представляет собой асферическое «прогрессивное добавление». Также в афакия или крайний дальнозоркость, могут быть прописаны асферические линзы повышенной оптической силы, но эта практика устаревает и заменяется хирургическими имплантатами внутриглазные линзы. Многие выпуклые линзы одобрены регулирующими органами, регулирующими рецепты.

Вогнутые асферы используются для коррекции высоких миопия. Их нет в продаже в оптических диспансерах, их следует заказывать отдельно с инструкциями у практикующего подгонки, подобно тому, как протез настраивается индивидуально.

Диапазон силы линз, доступный оптикам для раздачи рецептов, даже в асферической форме, практически ограничен размером изображения, формируемого на сетчатка. Линзы с высоким минусом приводят к тому, что изображение становится настолько маленьким, что форма и форма не различимы, как правило, примерно при -15 диоптрии, в то время как линзы с высоким плюсом создают такой большой туннель изображения, что кажется, что объекты появляются и исчезают в уменьшенном поле зрения, обычно с диоптриями около +15.

В рецептах на оба дальнозоркость и близорукость, кривая линзы сглаживается к краю стекла,^[8] кроме прогрессивного чтения добавляет пресбиопия, где бесшовные варифокальные части меняются в сторону все более положительных диоптрия. Асферы с большим минусом для миопов не обязательно требуют прогрессивных добавляемых 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 плюс также притираются к передней поверхности линзы. Смешанная кривизна сфер уменьшает скотома, окольцованное слепое пятно.

Объективы камеры

Модуль объектива камеры мобильного телефона

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

История

В 984 г. Ибн Сахл впервые открыл закон преломление, обычно называется Закон Снеллиуса,^{[9][10][требуется проверка ]} которые он использовал для разработки формы анакластических линз, фокусирующих свет без геометрических аберраций.

Ранние попытки создания асферических линз для исправления сферической аберрации были предприняты Рене Декарт в 1620-х годах, а к Кристиан Гюйгенс в 1670-х гг .; поперечное сечение формы, разработанной Декартом для этой цели, известно как Декартово овал. В Линзы Visby найдены в сокровищах викингов на острове Готланд датируемые 10 или 11 веком также являются асферическими, но демонстрируют широкий спектр качеств изображения, начиная от подобных современных асферических линз в одном случае до худших, чем у сферических линз в других.^[11] Происхождение линз неизвестно, как и их назначение (возможно, они были сделаны в качестве украшений, а не для визуализации).^[11]

Фрэнсис Сметвик заземлили первые высококачественные асферические линзы и представили их Королевское общество 27 февраля, 1667/8.^[12] 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 ".^[12] Асферический чтение и горящие очки также превзошли свои сферические аналоги.^[12]

Мориц фон Рор Обычно ему приписывают дизайн первых асферических линз для очков. Он изобрел дизайн линз для очков, которые стали линзами Zeiss Punktal.

Первые в мире асферические линзы серийного производства были изготовлены компанией Elgeet для использования в Golden Навитар 12 мм ж/1.2 нормальный объектив для использования на 16-мм кинокамерах в 1956 г. (см. Формат датчика изображения.) В свое время этот объектив получил широкое признание в отрасли. Асферические элементы были созданы с использованием полировка мембраны техника.^{[нужна цитата ]}

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 как функция длины волны, чтобы приблизительно оценить характеристики системы; допуски и ошибки также могут быть оценены. В дополнение к целостности фокуса, системы асферических линз могут быть проверены на аберрации перед развертыванием.

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

В природе

Трилобиты, один из первых видов животных с изощренными глазами, имел линзы с двумя асферическими элементами.^[13]

Смотрите также

• Гипербола
• Парабола
• Прецизионное формование стекла
• Радиус закругления (оптика)

Рекомендации

1. «Что означает« асферический »или« асферический »?». Fuzhou Looklens Optics. Архивировано из оригинал 6 октября 2014 г.. Получено 15 июня, 2012.
2. Мейстер, Дэррил. «Дизайн офтальмологических линз». OptiCampus.com.
3. Прусс, Кристоф; и другие. (Апрель 2008 г.). «Тестирование асферы». Новости оптики и фотоники. 19 (4): 26. Bibcode:2008ОптПН..19 ... 24П. Дои:10.1364 / OPN.19.4.000024.
4. Форбс, Грег (2007). «Спецификация формы для осесимметричных оптических поверхностей». Опт. выражать. 15 (8): 5218–5226. Bibcode:2007OExpr..15.5218F. Дои:10.1364 / oe.15.005218. PMID  19532773.
5. Шори, Арик Б .; Голини, Дон; Кордонски, Уильям (октябрь 2007 г.). «Обработка поверхностей сложной оптики». Новости оптики и фотоники. 18 (10): 14–16.
6. «Некруглое в совершенстве - Сравнение тактильных методов измерения». asphericon GmbH. 2017-07-31. Получено 2020-11-24.
7. «Идеальная некруглость - интерферометрические измерения сфер». asphericon GmbH. 2017-08-29. Получено 2020-11-24.
8. Джали, Мо (2003). Офтальмологические линзы и дозирование. Elsevier Health Sciences. п. 178. ISBN  978-0-7506-5526-2.
9. Вольф, К. Б. (1995). «Геометрия и динамика в преломляющих системах». Европейский журнал физики. 16 (1): 14–20. Bibcode:1995EJPh ... 16 ... 14Вт. Дои:10.1088/0143-0807/16/1/003.
10. Рашед Р. (1990). «Пионер в анакластике: Ибн Саль о горящих зеркалах и линзах». Исида. 81 (3): 464–491. Дои:10.1086/355456.
11. Шмидт, Олаф; Карл-Хайнц Вильмс; Бернд Лингельбах (сентябрь 1999 г.). "Линзы Висби". Оптометрия и зрение. 76 (9): 624–630. Дои:10.1097/00006324-199909000-00019. PMID  10498003. Архивировано из оригинал 27 февраля 2012 г.
12. «Отчет об изобретении шлифовальной оптики и обжигающих стекол фигуры несферической формы, созданных перед Обществом Р.». Философские труды. 3 (33): 631–632. 1668-01-01. Дои:10.1098 / рстл.1668.0005. ISSN  0261-0523.
13. Гон, С. М. (1 сентября 2014 г.). "Глаз трилобита". www.trilobites.info. Получено 2018-10-15.