非球面透镜在激光准直方向的应用

联合光科

什么是非球面透镜
光学系统中最常用的球面透镜是指透镜表面是回转对称的球面表面，即从透镜的中心到边缘具有恒定的曲率。而非球面透镜则是透镜表面为回转对称的不是球面的表面，即符合特定表达式的回转对称的且表面是光滑连续的表面。

光学系统中采用的非球面有三大类：第一类是轴对称非球面，如回转圆锥曲面、回转高次曲面；第二类是具有两个对称面的非球面，如柱面、复曲面；第三类是没有对称性的自由曲面。

   

图1  （左）非球面透镜示意图  （右）非球面透镜

最常用的非球面表达式是一个圆锥曲面作为基准面再迭加一系列的高次多项式构成，表达式为：

如图1所示，式中r为离非球面轴的径向距离，z为相应的垂直距离，c=1/R为顶点曲率，R为顶点曲率半径，k表示圆锥系数，为第n次非球面系数；如图2所示，不同值代表不同的圆锥曲线形式。

图2 不同的二次曲面系数对应的曲面类型

非球面透镜的优点

球面透镜无论是否存在任何的测量误差和制造误差，都会出现球差。而非球面透镜最显著的优点便是它能够通过对圆锥常数和非球面系数进行调整、优化，以最大限度地减小像差，如图3所示，展示了一个带有显著球差的球面透镜，和一个几乎没有任何球差的非球面透镜，相比而言，单片非球面透镜获得了更好的像质。

   

图3  （上）球面透镜球差示意图   （下）非球面透镜消球差

相比于常规的通过增加镜片数量来校正球差的方法，非球面透镜能够实现用更少的透镜数来实现更好的像差校正，例如，一般使用十个或更多透镜的变焦镜头，可以使用一两个非球面透镜来替换五六个球面透镜，实现相同或更高的光学效果，从而降低系统的长短和复杂性。

另外，使用更多的光学元件的光学系统，往往对机械公差有严格要求，且会增加额外的校准步骤，以及更多的增透膜要求，从而降低系统的整体实用性。因此，光学系统中非球面透镜的使用（虽然非球面透镜价格相比F数等同的单片透镜和双胶合透镜贵），将会降低整体系统的成本。

总的来说，光学系统中合理采用非球面透镜，在实现光学系统小型化、轻型化、多功能化等方面具有不可替代的地位。


非球面透镜在激光准直方面的应用

非球面透镜在光学系统中扮演着非常重要的角色。例如，我们接触到的最多的手机镜头、相机镜头、超短焦投影仪等，这类复杂系统中多是通过使用多片非球面和球面镜组合来对系统像差进行优化设计，没有形成标准化产品。

   

图4 非球面透镜在手机镜头和数码相机中的应用

非球面镜的另一类重要应用是在激光准直、聚焦、激光器与光纤耦合方面。从激光器中直接出来的光束通常为高斯光束，而实际应用中，如光学测量、激光医疗、激光加工等领域，需要对激光光束进行准直、聚焦、均匀化等整形。常规的通过球面透镜准直的方法，通常需要至少2片透镜。

由于激光是单波长的光源，球差往往是阻碍单个球面透镜聚焦或准直光时获得衍射极限性能的因素，而单片的非球面透镜对于球差的优化完美地解决这个问题，因此，常用于对光纤或激光二极管的输出光进行准直、将激光耦合到光纤中等。

   

图5  （上）非球面透镜激光准直示意 （下）将激光耦合到光纤中的应用

非球面透镜在用于激光准直时，平坦的表面即曲率半径较大的一面（有时为平面）应该朝向激光光源，如图6所示，假设光源发散角为θ，准直后所需光束直径为Φ，则可以计算出适于本系统的非球面透镜的焦距为：

其次，还应满足光源的数值孔径（NA）需小于非球面透镜的数值孔径（NA）。

例如，波长为650nm激光二极管，发射角度为30°，准直后光束直径为3mm，则所需非球面透镜焦距

，其次，激光二极管，根据以上数据，可从联合光科非球面透镜产品中挑选出编号为140175的产品满足准直要求。

图6  激光准直非球面透镜的参数确定

非球面透镜产品

在工业加工、光学测量、实验室研究等领域，常用的激光光源和光纤光源的波长、发散角、准直光束直径等参数是较为明确的，因此，联合光科也针对这些应用设计和生产了一系列性能优异的精密抛光的大直径非球面透镜和精密模压玻璃非球面透镜，在激光准直、聚焦、激光器与光纤耦合等领域有广泛应用。

​表1  联合光科非球面透镜产品