Асферическая линза

Тип объектива

Асферическая двояковыпуклая линза.

Асферическая линза или асфера (часто обозначаемая как ASPH на окулярах) — это линза , профили поверхности которой не являются частями сферы или цилиндра . В фотографии линзу , включающую асферический элемент, часто называют асферической линзой .

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 из нескольких линз. Полученное устройство меньше и легче, а иногда и дешевле, чем конструкция с несколькими объективами. ^[1] Асферические элементы используются в конструкции многоэлементных широкоугольных и светосильных нормальных объективов для уменьшения аберраций. Они также используются в сочетании с отражающими элементами ( катадиоптрическими системами ), такими как асферическая пластина-корректор Шмидта , используемая в камерах Шмидта и телескопах Шмидта-Кассегрена . Небольшие формованные сферы часто используются для коллимации диодных лазеров .

Асферические линзы также иногда используются для очков . Асферические очковые линзы 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 при назначении линз с разной оптической силой в двух глазах ( анизометропия ). Что не связано с оптическим качеством, они могут сделать линзу тоньше, а также меньше искажать глаза зрителя, как это видят другие люди, создавая лучший эстетический вид. ^[2]

Профиль поверхности

Хотя в принципе асферические поверхности могут принимать самые разнообразные формы, асферические линзы часто имеют поверхности 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 предполагается, что оптическая ось лежит в направлении z , а провисание — z-компонента смещения поверхности от вершины на расстоянии от оси. Коэффициенты описывают отклонение поверхности от осесимметричной квадратичной поверхности, заданной и . ${\displaystyle z(r)}$ ${\displaystyle r}$ ${\displaystyle \alpha _{i}}$ ${\displaystyle R}$ ${\displaystyle \kappa }$

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

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. Поэтому иногда используются различные уравнения, использующие «Q-полиномы», в которых коэффициенты ортогональны друг другу. ^[4]

Производство

Поперечный разрез пластины корректора Шмидта , обычной асферической линзы.

Небольшие стеклянные или пластиковые асферические линзы можно изготавливать методом литья, что обеспечивает дешевое массовое производство. Благодаря низкой стоимости и хорошим характеристикам формованные сферы обычно используются в недорогих потребительских камерах , телефонах с камерой и проигрывателях компакт-дисков. ^[1] Они также широко используются для коллимации лазерных диодов , а также для передачи света в оптические волокна и из них .

Асферы большего размера изготавливаются путем шлифовки и полировки . Линзы, изготовленные с помощью этих технологий, используются в телескопах , проекционных телевизорах , системах наведения ракет и приборах для научных исследований. Их можно изготовить методом точечной контактной обработки до примерно правильной формы ^[5] , а затем отполировать до окончательной формы. В других конструкциях, таких как системы Шмидта, асферическая корректирующая пластина может быть изготовлена ​​с использованием вакуума для искажения оптически параллельной пластины в кривую, которая затем полируется «плоско» с одной стороны. Асферические поверхности также можно получить путем полировки небольшим инструментом с податливой поверхностью, соответствующей оптике, хотя точный контроль формы и качества поверхности затруднен, и результаты могут меняться по мере износа инструмента.

Одноточечная алмазная обработка — это альтернативный процесс, при котором токарный станок с компьютерным управлением использует алмазный наконечник для прямой резки желаемого профиля на куске стекла или другого оптического материала. Алмазное точение происходит медленно и имеет ограничения по материалам, на которых его можно использовать, а также по точности и гладкости поверхности, которых можно достичь. ^[5] Это особенно полезно для инфракрасной оптики.

Для повышения точности и качества полированной поверхности можно использовать несколько методов «отделки». К ним относятся ионно-лучевая обработка, абразивная водоструйная обработка и магнитореологическая обработка , при которой 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 была предложена плазменная абляция.

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

Несферическую кривизну асферической линзы также можно создать путем плавного перехода сферической кривизны в асферическую путем шлифования кривизны вне оси. Шлифование по двум вращающимся осям можно использовать для стекла с высоким показателем преломления, которое нелегко подвергать центробежному формованию, как это делает линза из смолы CR-39 . Для изменения кривизны линзы также можно использовать такие методы, как лазерная абляция , но качество полировки полученных поверхностей не так хорошо, как при использовании гранильных методов.

Стандарты отпуска очковых линз по рецепту не поощряют использование кривизны, отклоняющейся от определенных фокусных расстояний. Множественные фокусные расстояния принимаются в виде бифокальных , трифокальных , варифокальных и цилиндрических компонентов для астигматизма .

Метрология

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

• форма сферы
• отклонение формы поверхности
• ошибка наклона
• толщина центра
• шероховатость

Различают тактильные, то есть осязательные, и бесконтактные методы измерения. Решение о том, какой метод использовать, зависит от точности, а также от состояния производства.

Тактильное измерение

Тактильные измерения в основном используются между двумя операциями шлифования для контроля формы сферы и корректировки следующей операции. Профильный датчик используется для измерения сечения поверхности линзы. Симметрия вращения линз означает, что комбинация нескольких таких 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. Путем наложения опорного луча на луч, отраженный от измеряемой поверхности, создаются карты ошибок, известные как интерферограммы, которые представляют собой отклонение формы поверхности по всему полю.

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, и поэтому они экономичны только при серийном производстве.

Интерферометрические измерения

Другая возможность — интерферометрическое измерение сфер на подобластях с минимальными отклонениями от наиболее подходящей сферы и последующее объединение подизмерений в полноповерхностную интерферограмму. Они очень гибки по сравнению с CGH, а также подходят для производства прототипов и небольших серий. ^[7]

Офтальмологическое использование

Вогнутые асферики в оправе для очков . «Минусовая» оптическая сила линз уменьшает тестовую картину и позволяет лучше сфокусироваться 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.

Выпуклая асферическая кривизна используется во многих пресбиопических вариофокальных линзах для увеличения оптической силы части линзы, помогая решать задачи вблизи, такие как чтение. Часть чтения представляет собой асферическую «прогрессивную надстройку». Также при афакии или крайней дальнозоркости могут быть назначены асферические линзы высокой плюсовой силы, но эта практика устаревает, заменяясь хирургической имплантацией интраокулярных линз . Многие выпуклые типы линз были одобрены государственными органами, регулирующими выписку рецептов.

Вогнутые асферы используются для коррекции близорукости высокой степени . Их нет в продаже в оптических диспансерах, их необходимо заказывать специально по инструкциям у практикующего специалиста, подобно тому, как протез подгоняется под конкретного человека.

Диапазон светосилы линз, доступных оптикам-оптикам для оформления рецептов, даже в асферической форме, практически ограничен размером изображения, формируемого на сетчатке . Линзы с высоким минусом создают изображение настолько маленькое, что форма и форма не различимы, обычно около -15 диоптрий , в то время как линзы с высоким плюсом создают настолько большой туннель изображений, что кажется, что объекты появляются и исчезают из ограниченного поля зрения. обычно около +15 диоптрий.

В рецептах как для дальнозоркости , так и для близорукости кривая линзы выравнивается по направлению к краю стекла, ^[8] за исключением прогрессивного чтения, добавляется при пресбиопии , когда плавные вариофокальные части изменяются в сторону постепенного увеличения плюсовой диоптрии . Асферы с высоким минусом для близорукости не обязательно нуждаются в постепенном добавлении частей, потому что кривизна линзы уже прогрессирует в направлении меньше-минус/больше-плюс диоптрийной силы от центра линзы к краю. Сферы с высоким плюсом для дальнозорких прогрессируют в сторону меньшего плюса 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. Участки для чтения с прогрессивной надстройкой для плюсовых линз также пришлифованы на передней поверхности линзы. Смешанная кривизна асферических сфер уменьшает скотому — кольцевидное слепое пятно.

Объективы камеры

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

Модуль объектива камеры мобильного телефона

Асферические элементы часто используются в объективах фотоаппаратов. На это часто указывает аббревиатура ASPH в названиях таких продуктов.

История

Снимок и реклама асферического широкоугольного объектива Elgeet Golden Navitar 16 мм, 1950-е годы.

Ибн Сахл , арабский физик X века, выяснил, что комбинация сферических и параболических поверхностей, которая сейчас известна как анакластическая линза или асферическая линза, фокусирует свет с минимальной аберрацией. ^[9]

Первые попытки создания асферических линз для исправления сферической аберрации были предприняты Рене Декартом в 1620-х годах и Христианом Гюйгенсом в 1670-х годах; поперечное сечение фигуры, придуманной Декартом для этой цели, известно как декартовский овал . Линзы Висби, найденные в сокровищах викингов на острове Готланд , датируемые 10 или 11 веком, также являются асферическими, но демонстрируют самые разнообразные качества изображения: от сходства с современными асферическими линзами в одном случае до хуже, чем у сферических линз в других. ^[10] Происхождение линз неизвестно, как и их предназначение (возможно, они были изготовлены как ювелирные изделия, а не для получения изображений). ^[10]

Фрэнсис Сметвик изобрел первые высококачественные асферические линзы и представил их Королевскому обществу 27 февраля 1667/8 года . ^[11] Присутствовавшие оценили, что телескоп, содержащий три асферических элемента, «превосходит [обычный, но очень хороший телескоп] по качеству, захватывая больший угол и более точно отображая объекты в их соответствующих пропорциях, а также выдерживая большее Диафрагма, свободная от цветов». ^[11] Асферические очки для чтения и зажигания также превзошли свои сферические эквиваленты. ^[11]

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

Первая в мире коммерческая асферическая линза массового производства была изготовлена ​​компанией Elgeet для использования в Golden Navitar 12 мм.f/1,2обычный объектив для использования на 16-мм кинокамерах в 1956 году. ^[12] В свое время этот объектив получил широкое признание в индустрии. Асферические элементы были созданы с использованием техники мембранной полировки.

Тестирование систем асферических линз

Оптическое качество системы линз можно проверить в оптической или физической лаборатории с использованием стендовых апертур, оптических трубок, линз и источника. Преломляющие и отражающие оптические свойства можно свести в таблицу в зависимости от длины волны, чтобы приблизить характеристики системы; Также можно оценить допуски и ошибки. Помимо целостности фокуса, системы асферических линз перед использованием можно проверить на наличие аберраций.

Использование интерферометров стало стандартным методом тестирования оптических поверхностей. Типичные испытания интерферометра проводятся для плоских и сферических оптических элементов. Использование корректора нуля в тесте может удалить асферическую составляющую поверхности и позволить проводить тестирование с использованием плоского или сферического эталона.

В природе

Трилобиты , один из самых ранних видов животных со сложными глазами, имели линзы с двумя асферическими элементами. ^[13]

Смотрите также

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

Рекомендации

1. «Что означает «асферический» или «асферический»?». Фучжоуская оптика Looklens. Архивировано из оригинала 6 октября 2014 года . Проверено 15 июня 2012 г.
2. Мейстер, Дэррил. «Дизайн офтальмологических линз». OptiCampus.com .
3. Прусс, Кристоф; и другие. (апрель 2008 г.). «Тестирование сфер». Новости оптики и фотоники . 19 (4): 26. Бибкод : 2008OptPN..19...24P. дои :10.1364/ОПН.19.4.000024.
4. Форбс, Грег (2007). «Спецификация формы осесимметричных оптических поверхностей». Опция Выражать . 15 (8): 5218–5226. Бибкод : 2007OExpr..15.5218F. дои : 10.1364/oe.15.005218 . ПМИД  19532773.
5. Шори, Арик Б.; Голини, Дон; Кордонски, Уильям (октябрь 2007 г.). «Поверхностная обработка сложной оптики». Новости оптики и фотоники . 18 (10): 14–16.
6. «Некруглость в совершенстве - Сравнение методов тактильных измерений» . Асферикон ГмбХ . 31 июля 2017 г. Проверено 24 ноября 2020 г.
7. «Некруглость в совершенстве - интерферометрическое измерение сфер». Асферикон ГмбХ . 29 августа 2017 г. Проверено 24 ноября 2020 г.
8. Джали, Мо (2003). Офтальмологические линзы и их дозирование. Elsevier Науки о здоровье. п. 178. ИСБН 978-0-7506-5526-2.
9. Адамс, Чарльз С.; Хьюз, Ифан Г. (13 декабря 2018 г.). Оптика F2f: от Фурье до Френеля. Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-0-19-878678-8.
10. Шмидт, Олаф; Карл-Хайнц Вильмс; Бернд Лингельбах (сентябрь 1999 г.). «Линзы Висбю». Оптометрия и наука о зрении . 76 (9): 624–630. дои : 10.1097/00006324-199909000-00019. PMID  10498003. Архивировано из оригинала 27 февраля 2012 г.
11. «Отчет об изобретении шлифовальной оптики и зажигательных очков несферической формы, произведенных до Общества Р.». Философские труды . 3 (33): 631–632. 1668-01-01. дои : 10.1098/rstl.1668.0005 . ISSN  0261-0523.
12. Прусс, Кристоф; Баер, Горан Бастиан; Шиндлер, Йоханнес; Остен, Вольфганг (20 июля 2017 г.). «Быстрое измерение сфер: интерферометрия наклонных волн». Оптическая инженерия . 56 (11): 111713. doi : 10.1117/1.OE.56.11.111713 .
13. Гон, С.М. (1 сентября 2014 г.). «Глаз трилобита». www.trilobites.info . Проверено 15 октября 2018 г.

Внешние ссылки

• СМИ, связанные с асферическими линзами, на Викискладе?