Асферическая линза или асфера (часто обозначается как ASPH на окулярах) — это линза , профили поверхности которой не являются частями сферы или цилиндра . В фотографии сборка линзы , включающая асферический элемент, часто называется 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 многолинзовую систему. Полученное устройство меньше и легче, а иногда и дешевле, чем многолинзовая конструкция. [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 корректорная пластина Шмидта , используемая в камерах Шмидта и телескопах Шмидта-Кассегрена . Небольшие формованные асферы часто используются для коллимации диодных лазеров .
Асферические линзы также иногда используются для очков . Асферические линзы для очков обеспечивают более четкое зрение, чем стандартные линзы «лучшей формы», в основном при взгляде в направлениях, отличных от оптического центра линзы. Более того, уменьшение эффекта увеличения линзы может помочь с рецептами, которые имеют разную силу в двух глазах ( анизометропия ). Независимо от оптического качества, они могут давать более тонкую линзу, а также меньше искажать глаза зрителя, как их видят другие люди, создавая лучший эстетический вид. [2]
Хотя в принципе асферические поверхности могут иметь самые разные формы, асферические линзы часто проектируются с поверхностями формы
где предполагается, что оптическая ось лежит в направлении z , а — прогиб — z-компонента смещения поверхности от вершины , на расстоянии от оси. Коэффициенты описывают отклонение поверхности от аксиально-симметричной квадратичной поверхности, заданной и .
Если все коэффициенты равны нулю, то — радиус кривизны , а — коническая постоянная , измеренная в вершине (где ). В этом случае поверхность имеет форму конического сечения , вращающегося вокруг оптической оси, форма которого определяется соотношением :
Вышеприведенное 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 альтернативой, которая иногда используется, являются различные уравнения, использующие «Q-полиномы», где коэффициенты ортогональны друг другу. [4]
Небольшие стеклянные или пластиковые асферические линзы могут быть изготовлены методом формования, что позволяет производить дешевые массовые изделия. Благодаря своей низкой стоимости и хорошим характеристикам формованные асферические линзы обычно используются в недорогих потребительских камерах , камерофонах и проигрывателях компакт-дисков. [1] Они также обычно используются для коллимации лазерных диодов и для соединения света в оптические волокна и из них .
Более крупные асферы изготавливаются путем шлифования и полировки . Линзы, изготовленные с помощью этих методов, используются в телескопах , проекционных телевизорах , системах наведения ракет и научно-исследовательских приборах. Их можно изготовить путем точечного контактного контурирования примерно до правильной формы [5], которая затем полируется до ее 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 изготавливать путем полировки небольшим инструментом с податливой поверхностью, которая соответствует оптике, хотя точный контроль формы и качества поверхности затруднен, и результаты могут меняться по мере износа инструмента.
Алмазная токарная обработка с одной точкой — это альтернативный процесс, в котором управляемый компьютером токарный станок использует алмазный наконечник для непосредственной резки нужного профиля на куске стекла или другом оптическом материале. Алмазная токарная обработка медленная и имеет ограничения по материалам, на которых она может использоваться, а также по точности и гладкости поверхности, которые могут быть достигнуты. [5] Она особенно полезна для инфракрасной оптики.
Для улучшения точности и качества поверхности полированной поверхности можно использовать несколько методов «финишной обработки». К ним относятся ионно-лучевая обработка, абразивные струи воды и магнитореологическая обработка , при которой для удаления материала с поверхности используется струя жидкости, направляемая магнитным полем. [5]
Другой метод изготовления асферических линз заключается в нанесении оптической смолы на сферическую линзу для формирования композитной линзы асферической формы. Также была предложена плазменная абляция.
Несферическая кривизна асферической линзы может быть также создана путем смешивания сферической кривизны с асферической путем шлифования кривизны вне оси. Двойная вращающаяся осевая шлифовка может использоваться для стекла с высоким индексом, которое нелегко поддается центробежному формованию, как линза из смолы 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 методов гранильной обработки .
Стандарты выдачи рецептурных очковых линз не одобряют использование кривизн, отклоняющихся от определенных фокусных расстояний. Множественные фокусные расстояния принимаются в виде бифокальных , трифокальных , вариофокальных и цилиндрических компонентов для астигматизма .
Технология измерения играет решающую роль в производстве асферических линз. В зависимости от процесса изготовления и состояния обработки различают различные задачи измерения:
Различают тактильные, т. е. касательные, и бесконтактные методы измерения. Решение о том, какой метод использовать, зависит от точности, а также от состояния производства.
Тактильное измерение в основном используется между двумя шлифовальными операциями для контроля формы асферики и для корректировки следующей операции. Зонд-калибр профиля используется для измерения сечения по поверхности линзы. Симметрия вращения линз означает, что сочетание нескольких из этих профилей обеспечивает достаточно точное знание формы линзы. Любое повреждение поверхности линзы, вызванное наконечником зонда, будет устранено на последующих этапах. [6]
Интерферометры используются при измерении чувствительных или полированных поверхностей. Наложением опорного луча на луч, отраженный от измеряемой поверхности, создаются карты ошибок, известные как интерферограммы, которые представляют собой полное отклонение формы поверхности.
Компьютерно-генерируемые голограммы (CGH) представляют собой метод интерферометрического определения отклонения линзы от номинальной геометрии. Они генерируют асферический волновой фронт в целевой форме и, таким образом, позволяют определять отклонения линзы от целевой формы в интерференционном изображении. CGH должны изготавливаться специально для каждого тестового образца и поэтому экономичны только для серийного производства.
Другая возможность — интерферометрическое измерение асферических поверхностей в подобластях с минимальными отклонениями от наиболее подходящей сферы и последующее объединение подизмерений в полноповерхностную интерферограмму. Они очень гибки по сравнению с CGH и также подходят для производства прототипов и небольших серий. [7]
Как и другие линзы для коррекции зрения , асферические линзы можно разделить на выпуклые и вогнутые.
Выпуклые асферические кривизны используются во многих пресбиопических вариофокальных линзах для увеличения оптической силы над частью линзы, помогая в задачах, требующих близкого расстояния, таких как чтение. Часть для чтения представляет собой асферическую «прогрессивную аддидацию». Кроме того, при афакии или крайней гиперметропии могут быть назначены асферические линзы с высокой положительной силой, но эта практика устаревает, заменяясь хирургическими имплантатами интраокулярных линз . Многие выпуклые типы линз были одобрены регулирующими органами, регулирующими рецепты.
Вогнутые асферические линзы используются для коррекции высокой близорукости . Они не продаются в оптических аптеках, а должны быть специально заказаны с инструкциями от специалиста по подбору очков, подобно тому, как протезы изготавливаются индивидуально для каждого человека.
Диапазон оптических сил линз, доступных оптикам для выдачи рецептов, даже в асферической форме, практически ограничен размером изображения, формируемого на сетчатке . Линзы с высоким отрицательным значением создают изображение настолько маленьким, что его форма и очертания неразличимы, обычно около −15 диоптрий , в то время как линзы с высоким положительным значением создают настолько большой туннель изображения, что объекты, кажется, появляются и исчезают в уменьшенном поле зрения, обычно около +15 диоптрий.
В рецептах как для дальнозоркости , так и для близорукости кривая линзы становится более плоской к краю стекла, [8] за исключением прогрессивных добавок для чтения при пресбиопии , где бесшовные вариофокальные части изменяются в сторону прогрессивно большей плюсовой диоптрии . Высокие отрицательные асферические линзы для миопов не обязательно нуждаются в прогрессивных добавочных частях, поскольку конструкция кривизны линзы уже прогрессирует в сторону меньшей минусовой/большей плюсовой диоптрии от центра линзы к краю. Высокие положительные асферические линзы для гиперметропов прогрессируют в сторону меньшей плюсовой диоптрии на периферии. Асферическая кривизна на высоких плюсовых линзах шлифуется на передней стороне линзы, тогда как асферическая кривизна высоких минусовых линз шлифуется на задней стороне линзы. Прогрессивные добавочные части для чтения для плюсовых линз также шлифуются на передней поверхности линзы. Смешанная кривизна асферических линз уменьшает скотому , кольцевое слепое пятно.
.jpg/1280px-Mobile_phone_camera_lens_module,_3D_X-ray_microscopy_(30033111412).jpg)
Асферические элементы часто используются в объективах камер. Это часто обозначается аббревиатурой ASPH в названиях таких изделий.
Ибн Сахл , арабский физик X века, выяснил, что комбинация сферических и параболических поверхностей, которая теперь известна как анакластическая линза или асферическая линза, фокусирует свет с минимальной аберрацией. [9]
Ранние 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 формы, придуманной Декартом для этой цели, известно как декартов овал . Линзы Висбю, найденные в сокровищах викингов на острове Готланд, датируемых 10 или 11 веком, также являются асферическими, но демонстрируют широкий спектр качеств изображения, начиная от похожих на современные асферические линзы в одном случае и заканчивая худшими, чем сферические линзы, в других. [10] Происхождение линз неизвестно, как и их назначение (они могли быть сделаны как ювелирные изделия, а не для получения изображений). [10]
Фрэнсис Сметвик изготовил первые высококачественные асферические линзы и представил их Королевскому обществу 27 февраля 1667/8 г. [ 11] Телескоп, содержащий три асферических элемента, по мнению присутствующих, «превосходил [обычный, но очень хороший телескоп] по качеству, охватывая больший угол и представляя объекты более точно в их соответствующих пропорциях, а также выдерживая большую апертуру, свободную от цветов». [11] Асферические очки для чтения и зажигательные очки 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.ф /1.2нормальный объектив для использования на 16-мм кинокамерах в 1956 году. [12] Этот объектив получил большое признание в отрасли в свое время. Асферические элементы были созданы с использованием техники полировки мембраны.
Оптическое качество системы линз можно проверить в оптической или физической лаборатории с использованием апертур стенда, оптических труб, линз и источника. Рефракционные и отражательные оптические свойства можно свести в таблицу как функцию длины волны, чтобы приблизительно оценить производительность системы; также можно оценить допуски и ошибки. Помимо фокальной целостности, системы асферических линз можно проверить на аберрации перед развертыванием.
Использование интерферометров стало стандартным методом тестирования оптических поверхностей. Типичное тестирование интерферометра проводится для плоских и сферических оптических элементов. Использование нуль-корректора в тесте может удалить асферическую составляющую поверхности и позволить тестирование с использованием плоского или сферического эталона.
Трилобиты , одни из самых ранних типов животных со сложными глазами, имели линзы с двумя асферическими элементами. [13]
Медиа, связанные с асферическими линзами на Wikimedia Commons
