1，技術(shù)原理

非球面透鏡，曲率半徑隨著中心軸而變化，用以改進(jìn)光學(xué)品質(zhì)，減少光學(xué)元件，降低設(shè)計(jì)成本。非球面透鏡相對于球面透鏡具有獨(dú)特的優(yōu)勢，因此在光學(xué)儀器、圖像、光電子工業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，例如數(shù)碼相機(jī)、CD播放器、高端顯微儀器。

非球面透鏡一般定義如下：
 

Z，旋轉(zhuǎn)對稱軸
s，徑向距離
C ，弧度（曲率半徑的倒數(shù)）
k，曲面常數(shù)（K=0 球面；k > -1 橢圓面；K=-1 拋物面；k< -1 雙曲面）
A4 A6 A8，高次非球面系數(shù)

隨著非球面透鏡的普及，更為準(zhǔn)確的描述如下：



Cbfs，最佳擬合曲率
ρ，徑向距離
u = ρ/ρmax
Qmcon，正交基非球面系數(shù)
am，歸一化

非球面透鏡最大特點(diǎn)是曲率半徑隨著中心軸不斷變化，而不像球面透鏡是個(gè)常數(shù)（如圖1）。 非球面透鏡曲率半徑變化的設(shè)計(jì)用以改進(jìn)光學(xué)品質(zhì)。

圖 1，非球面透鏡和球面透鏡的表面輪廓比對

2，對比優(yōu)勢

a 球差校準(zhǔn)

非球面透鏡用以替換球面透鏡，最顯著的優(yōu)勢在于可以修正球面透鏡在準(zhǔn)直和聚焦系統(tǒng)中所帶來的球差。通過調(diào)整曲面常數(shù)和非球面系數(shù)，非球面透鏡可以最大限度的消除球差。如圖2，右圖非球面透鏡（光線匯聚到同一點(diǎn)，提供光學(xué)品質(zhì)），基本上消除了左圖球面透鏡所產(chǎn)生的球差（光線匯聚到不同點(diǎn)，導(dǎo)致成像模糊）。

圖 2，球面透鏡和非球面透鏡在匯聚系統(tǒng)中的品質(zhì)差異

 

圖 3，三透鏡光學(xué)系統(tǒng)

圖3，采用三片球面透鏡，增大有效焦距，用于消除球差。但是，一片非球面透鏡（高數(shù)值孔徑，短焦距）就可以實(shí)現(xiàn)，并且簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)和提供光的透過率。

b 系統(tǒng)優(yōu)勢

非球面透鏡簡化了光學(xué)工程師為了提高光學(xué)品質(zhì)所涉及的元素，同時(shí)提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。例如在變焦系統(tǒng)中，通常情況下10片或者更多的透鏡被采用（附加：高的機(jī)械容差，額外裝配程序，提高抗反射鍍膜），然而1片或者2片非球面透鏡就可以實(shí)現(xiàn)類似或更好的光學(xué)品質(zhì)， 從而減小系統(tǒng)尺寸，提高成本率，降低系統(tǒng)的綜合成本。

3，成型工藝

a 精密玻璃模壓成型

圖 4，精密玻璃模壓成型

精密玻璃模壓成型，是將玻璃材料加熱至高溫而變得具有可塑性，通過非球面模具來成型，然后逐步冷卻至室溫（如圖4）。目前，精密玻璃模壓成型，不適用于直徑大于10mm的非球面透鏡。但是，新的工具、光學(xué)玻璃和計(jì)量過程，都在推動該項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展。 精密玻璃模壓成型，雖然在設(shè)計(jì)初期時(shí)成本較高（高精密的模具開發(fā)），但是模具成型后，生產(chǎn)的高品質(zhì)產(chǎn)品可以平攤掉前期的開發(fā)成本，特別適合于需要大批量生產(chǎn)的場合。

b 精密拋光成型

研磨和拋光一般適用于一次生產(chǎn)單片非球面透鏡的場合，隨著技術(shù)的提高，其精度越來越高。最為顯著，精準(zhǔn)拋光由計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制（如圖5），自動調(diào)整以實(shí)現(xiàn)參數(shù)優(yōu)化。如果需要更高品質(zhì)的拋光，磁流變拋光（magneto-rheological finishing）將被采用（如圖6）。磁流變拋光相對于標(biāo)準(zhǔn)拋光而言，具有更高的性能和更短的時(shí)間。精密拋光成型，需要專業(yè)的設(shè)備，目前是樣品制作和小批量試樣的首要選擇。


圖 5，計(jì)算機(jī)控制拋光


圖 6，磁流變拋光（Magneto-Rheological Finishing）

c 混合成型

混合成型，以球面透鏡為基底，通過非球面模具在球面透鏡表面壓鑄并采用紫外光固化上一層高分子聚合物的非球面體。混合成型，一般采用消色差球面透鏡為基底，表面壓鑄一層非球面，用以實(shí)現(xiàn)同時(shí)消除色差和球差。圖7是混合成型非球面透鏡的制造工藝流程?；旌铣尚头乔蛎嫱哥R， 適用于需要附加特性（同時(shí)消除色差和球差），大批量制造的場合。


圖 7，混合成型非球面透鏡制造工藝流程

d 注塑成型

除了玻璃材質(zhì)的非球面透鏡，還存在塑料材質(zhì)的非球面透鏡。塑料成型，是將熔融的塑料注射入非球面模具中。相對于玻璃，塑料的熱穩(wěn)定性和抗壓性較差，需要經(jīng)過特別處理，以得到類似的非球面透鏡。然而，塑料非球面透鏡最大的特點(diǎn)是成本低、重量輕、易成型，廣泛應(yīng)用于光學(xué)品質(zhì)適中、熱穩(wěn)定性不敏感、抗壓力不大的場合。

4，選擇依據(jù)

各種類型的非球面透鏡，都有其自身的相對優(yōu)勢。因此針對不同的應(yīng)用場合，選擇合適的產(chǎn)品就現(xiàn)得很重要。主要的考慮因素，包括：批量、品質(zhì)和成本。

a 精密玻璃成型非球面透鏡， 具有批量化生產(chǎn)和熱穩(wěn)定性高的特點(diǎn)，適合于批量大、品質(zhì)高、熱穩(wěn)定性高的場合
b 精密拋光成型非球面透鏡，具有制樣周期短和不需要模具的特點(diǎn)，適合于樣品制作和小批量試樣的場合
c 混合成型非球面透鏡，具有球差和色差同時(shí)校準(zhǔn)的特點(diǎn)，適合于寬光譜、批量大、品質(zhì)高的場合
d 塑料成型非球面透鏡，具有成本低和重量輕的特點(diǎn)，適合于批量大、品質(zhì)適中、熱穩(wěn)定性不高的場合

需要定制非球面透鏡時(shí)（沒有標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品或者庫存產(chǎn)品不足），開發(fā)成本、試樣成本、批量化價(jià)格、交貨周期等因素都要考慮在內(nèi)。