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行业应用 | 优可测白光干涉仪在光学镜片领域的应用

2023年11月16日

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随着科学技术的发展，光学镜片广泛应用于人们的日常生活。提高光学镜片的产品质量与性能对提升现代光学产业的竞争力起着至关重要的作用，而要提高光学镜片的产品质量与性能，不仅要依靠先进的加工技术，更离不开精密检测技术。表面粗糙度、面形、曲率半径等参数是影响光学镜片品控与性能的重要因素，选择一种精度高、速度快、操作简便的检测方法，能够帮助降低光学镜片的报废率，进一步提升光学镜片产业的竞争力与核心技术。

一、光学镜片的分类


按照镜片的形状，可分为球面镜片和非球面镜片两大类。

1、球面镜片是指一面是球面、另外一面是平面，或者是内外两面都为球面的镜片。球面镜一般分为凹面镜和凸面镜。球面镜片会有像差的现象发生，因此，能减少、补足、矫正像差和畸变的非球面镜片应运而生。

2、非球面镜片是由多像高次方程决定面形上各点的半径均不相同的镜片，镜片表面的曲率不是完全圆形的。这种镜片在光学系统中可以通过校正多种像差来提高成像质量，扩大视场和提高光学系统的性能，从而提高光学系统的鉴别能力。一个或者几个非球面镜片可以替代很多个球面镜片，以此来降低产品制作成本，简化产品制作流程和结构，并在一定程度上降低光学产品的重量。目前非球面已经渐渐成为光学产品中应用最广泛的光学元件之一。

  • 非球面技术一般应用于高端摄像头、天文望远镜、精密显微镜、光学测量仪器等光学仪器中，使其成像更加清晰、准确。
  • 在半导体激光器和光纤通信领域中，非球面技术可以提高光束的聚焦和耦合效率，提高设备的性能和稳定性。
  • 在医疗器械领域中，非球面透镜可以实现激光束的精确定位和聚焦，提高激光手术的准确性和安全性；还可以应用于人工晶体、眼镜镜片等医疗器械制造中，提高视力矫正的效果和舒适度。
  • 在航天航空领域中，非球面透镜可以提高卫星、望远镜等空间光学设备的成像精度和稳定性，适应极端的空间环境。在飞机、导弹等航空器件中，非球面技术还可以提高光学导引系统的性能，提高导航和制导的准确性。



二、光学镜片的精密测量需求


表面粗糙度是指表面具有较小间距和微小谷峰的不平度。表面粗糙度越小，则表示物体表面越光滑。Sa是指取样面积内“所有波峰波谷的轮廓偏距绝对值的算术平均值”。

面形是指光学镜片表面的形状和曲率。不同的面形会对光线的传播和聚焦产生不同的影响。在光学领域中，光学表面面形质量的指标一般为PV值，也叫峰谷值，一般表示透镜的实际表面与理想球面之间的偏差，是一种较为全面的表面误差指标。一般来说，PV值越小，表示物体表面越平整，加工质量越高。
曲率半径指的是光学镜片的顶点与曲率中心之间的距离，是光学元件研发和生产的一个重要参数。通过曲率半径的精密测量，可以确定光线穿过镜片时的光学路径长度，以此帮助研发、生产与品控监测各个阶段的参数需求。
为了达到光学镜片预期的精度标准，在光学镜片的加工过程中会进行多次精密测量与修形，检测是否符合产品质量标准，通过多次迭代磨削、研磨、抛光等手法，提高光学镜片的产品精度、质量与性能。因此，精密测量是光学镜片产品研发、生产、制造中不可缺失的一步。


（1）超光滑加工元件：
在精密光学领域，一般把Ra值＜0.3nm的元件称为超光滑（超滑）元件。在光学系统中，超光滑加工元件凭借极低的表面粗糙度和无损表面的特点，有效减少光的散射。
下面是超光滑透镜的表面粗糙度的测量案例：


（2）微透镜：

微透镜是一种常见的微型光学元件，在光学系统中用于聚、发散光辐射。微透镜阵列是由多个微透镜组成的阵列结构，不单单具备传统透镜的聚焦、成像等基本功能，还有着集成度高、单元尺寸小的优点。这种结构可以实现对光线的高效控制和处理，广泛应用于光学通信、光学成像、激光加工等领域。
下面是微透镜矩阵的表面粗糙度、曲率半径、面形PV值的测量案例：


（3）菲涅尔透镜：
菲涅尔透镜，也被称为螺纹透镜，其镜片表面上，一面是光滑的，另一面则刻有一系列由小到大的同心圆。这种同心圆纹理是根据光的干涉、扰射、相对灵敏度以及接收角度的要求而设计的。
菲涅尔透镜的应用非常广泛，常被应用于精密光学、高分子材料、机械加工、航空航海、红外探测、智能电子产品、聚光聚能、新能源光伏等领域。
下面是菲涅尔透镜曲率半径、面形PV值测量案例：


（4）柱面镜：
柱面镜是一种特殊的非球面透镜，具有改变成像尺寸大小等特殊的光学性能，可以有效减小色差与球差，广泛应用于各种光学产品之中。随着科学技术的发展，对柱面镜零件的要求也越来越高，此时精密测量技术就起到了关键作用。
下面是柱面镜的曲率半径、面形PV值的测量案例：


（5）凹面镜、凸面镜：
凹面镜是指用球面的内侧做反射面的球面镜，凸面镜是指用球面的外侧做反射面的球面镜。凹面镜对光线起到汇聚作用，常应用于卫星天线、雷达、灯具、望远镜等产品；凸面镜对光线起到发散作用，常应用于需要扩大视野的产品中，如转弯镜、广角镜等。
下面是凹面镜表面粗糙度、面形PV值测量案例：


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