非球面透镜.doc

球面与非球面的区别光学透镜的镜面通常是制成球面状的，从透镜中心到周边有一定的曲率，这种透镜称为球面透镜。非球面透镜的镜面则是从透镜中心到周边曲率作连续变化的，非球面透镜又有单面非球面和双面非球面两种。 现代相机镜头要求较高的光学性能、需要校正多种像差。前面已讲到，由球面透镜组成的镜头，是采用多片透镜的组合来克服像差的。这种由球面透镜组成的镜头，会不同程度地存在一定的“球差”。采用非球面透镜组成的镜头则能有效地克服“球差”。非球面透镜组成的镜头，其优点包括如下四个方面：一是能理想地克服球差，可以制成大口径高像质镜头；二是能全向提高镜头的成像质量；三是能减少镜头的透镜片数；四是可以减少镜头的长度，有利于镜头小型化，参见图12。所谓球面和非球面，主要是针对镜头（各种相继、显微镜等镜头）、眼镜（包括隐形眼镜）的镜片几何形状而言，即球面镜片与非球面镜片。二者在几何形状上的差别决定了它们在平行的入射光的折射方向上产生差异，从而影响其成像效果的好坏。球面镜片，其镜片呈球面的弧度，其横切面亦呈弧状。当不同波长的光线，以平行光轴入射后镜片上不同的位置时，在菲林平面（与镜片中心和镜片焦点联机相垂直的、通过焦点的平面）上不能聚焦成一点，而形成像差的问题，影响影像的质素，例如出现清晰度下降和变形等现象。一般普通镜头是采用球面镜片组成的。为解决这一成像问题，可以透过在镜身内增加镜片以作为对像差的矫正，但此举可能会引起反效果，进一步削弱影像质素，因为额外的镜片，除增加光线在镜身内反射的机会，引起耀光现象外，亦会增加镜头的体积和重量。非球面镜片，其镜片并非呈球面的弧度，而是镜片边绿部份被削去少许，其横切面呈平面状。当光线入射到非球面镜面时，光线能够聚焦于一点，亦即菲林平面上，以消除各种象差。例如耀光现象在球面镜使用大光圈会比细光圈下拍摄来得严重，但若然加入非球面镜便可将耀光情况大大降低；又例如影像呈现变形(枕状或桶状)，乃因镜头内的光线没有适当折射而产生，以变焦镜为例，短焦距时通常是桶状变形而变焦至长焦距时则为枕状变形，若采用非球面镜，则可以改善这方面的像差。引用非球面镜技术，对生产大光圈、高倍数变焦、以至极端广角及远摄的镜头最为有利，影像质素因像差的减少而有所提高，镜身体积亦有缩小。现时市面有不少镜头生产商均表示旗下部份焦距的镜头采用了非球面镜片，以至轻便变焦相机(例如28至90mm、38至105mm等)都采用非球面镜设计，以提高影像质素。非球面镜制作的难处在于它的几何尺寸的设计和几何尺寸的精密控制，目前这方面的技术日本最为先进。当前非球面镜的加工主要由两种方式：一类是采用高精密度研磨技术（手工或机械）对球面镜片进行再加工；一类是用高精度的模具进行压模或注塑方式直接制作非球面镜。非球面光学零件塑料成型技术 光学塑料成型技术是当前制造塑料非球面光学零件的先进技术，它包括注射成型、铸造成型和压制成型等技术。光学塑料注射成型技术主要用来批量生产直径为100毫米以下的非球面透镜光学零件，也可制造微型透镜阵列。而铸造和压制成型技术主要用于制造直径为100毫米以上的非球面透镜光学零件。塑料非球面光学零件由于具有重量轻、成本低，光学零件和安装部件可以注塑成为一个整体从而节省装配工作量，以及耐冲击性能好等优点，在军事、摄影、医学、工业等领域有着非常广阔的应用前景。例如，在美国AN/AVS6型飞行员微光夜视眼镜中就采用了9块非球面塑料透镜。另外，在AN/PVS7步兵微光夜视眼镜、HOT夜视眼镜、“铜斑蛇”激光制导炮弹导引头和其它光电制导导引头、激光测距机、军用望远镜以及各种照相机的取景器中也都采用了非球面塑料透镜。美国TBE公司在制造某种末制导自动导引头用非球面光学零件时，曾对几种光学塑料透镜成型技术做过经济分析对比，认为采用注射成型技术制造非球面塑料光学透镜费效比最佳。注射成型技术注射成型法是将经过加热成为流体的定量的光学塑料注射到不锈钢模具中，在加热加压条件下成型，后经冷却固化后，打开模具便可获得所需要的光学塑料零件的一种非球面光学塑料透镜加工技术。该技术的关键环节是模具，由于光学塑料模压成型的工作温度要求较低，所以对模具的要求相对要比对玻璃模压成型用模具的要求低一些。非球面模具超精密加工相当困难，通常加工都是首先在数控（NC）机床上将模具坯件面磨削成近似非球面，然后用范成精磨法逐步提高非球面的面形精度和表面粗糙度，最后再用抛光法加工成所要求的面形精度和表面粗糙度。然而，由于数控机床的加工精度较低，在模具加工过程中还需对模具反复地进行检测和修改，逐步提高模具的精度，因而使模具的成本费用提高。为改变这种状况，现在模具加工改用刚性好、分辨率高的计算机数控（CNC）超精密非球面加工机床和非球面均匀抛光机进行。首先用计算机数控超精密非球面加工机床，将模坯加工成面形精度达0.1微米的非球面，然后用抛光机在保持非球面面形精度不变的条件下均匀地进行轻抛光，大约抛去0.01微米的厚度，使模具表面的粗糙度得到提高。下面介绍一种由日本人研究开发的浇口密封成型法高精度塑料光学透镜注射成型技术。1.浇口密封成型法的原理浇口密封成型法，是一种向加热至树脂转化温度以上的金属模具中注射熔融的树脂（注入量应是：冷却结束后打开模具时的树脂的压力刚好等于大气的压力的量）后迅速将浇口密封，等温度和压力均匀后，在相对容积一定、温度-压力均匀条件下，缓缓冷却至树脂的热变形温度以下后，打开模具取出压型成品的成型方法。首先，以大约130兆帕的高压将高温熔融的树脂注射到模具中，在高温（T1）条件下将浇口密封。密封在模具中的树脂压力在均匀化的过程中降至30兆帕（此时的温度为比树脂转化温度高一些的某一温度T2）。此时只要模具单体能够保持其合模力就不要打开模穴，从树脂注入开始，经过一定的时间后，就可从压型机的合模装置上将单体模具取下。单体模具经过缓缓冷却后才能开模取出压型成品。浇口密封成型法的关键问题在于注射到模具中的300左右高温的熔融树脂如何以130兆帕的压力将浇口密封死。其作法是，在注射树脂之前，先将一个小球放置到金属模具的浇口部。当向模具中注射熔融树脂时，小球受到树脂的挤压就会从浇口部向靠近模穴的一侧移动，这时在浇口部通往模穴的地方就会出现间隙，被注射的熔融树脂便可从此间隙中流入到模穴中。当注射成型机停止向模穴中高压注射树脂后，由于压差的原因，注射的树脂瞬间会发生逆流现象，浇口部的小球就会被这种逆流的树脂又从靠近模穴的一侧推向模具的浇口处。此时小球凭借高压的树脂所产生的挤压力将模具浇口堵死，完成浇口密封工作。2.浇口密封成型法的成型工序浇口密封成型法的成型工序分4步进行：（1）加热工序。由金属模具的外部进行传热加热。从成型品的取出温度开始，到树脂转化温度止，用很短的时间进行加热升温，并使热度做到均匀化。（2）成型工序。向模具的模穴内注射熔融树脂，待放置在模具浇口部的小球将模具浇口密封后，对金属模具进行保温，使温度、压力达到均匀化。（3）缓冷工序。利用自行保持合模力的机构，一边维持和模状态一边把压型模具从压型机上取下来。采用自然空气冷却或是强制空气冷却的方式，以每分钟12的速度，对取下的单体压型模具徐徐冷却降温。（4）取出工序。从压型模具中取出成型品。由于压型模具早已从压型机上取下，这时只要取下自行保持合模力的机构就能打开型模取出成型品。由于模具内的树脂的压力相当于大气的压力，所以只要打开突出分型面的部分，不需要推出装置成型品就能离模。3.浇口密封成型法的特征浇口密封成型法的关键要素是金属模具的温度和注射充填条件（徐徐降温冷却结束时的树脂压力刚好等于大气压力的条件）。因此，即使是压型形状和体积不同的压型品，也无需改变注射时和冷却结束时的金属模具的温度，只要能充分地保证有足够的时间使温度压力能达到均匀化，并保持缓