Асферические и сферические линзы: углубленное сравнение

Линзы лежат в основе каждой оптической системы — от микроскопов и камер до проекторов и автомобильных фар. Выбор между сферическими и асферическими линзами оказывает глубокое влияние на производительность системы, стоимость и сложность. Эта статья раскрывает их основные различия и показывает, когда каждый тип является оптимальным выбором.

A сферическая линзаособенности одной или двух поверхностей, которые являются сегментами сферы. Общие формы включают би-выпуклые, би-вогнутые, плоско-выпуклые и плоско-вогнутые типы.

Согласно закону Снелла, лучи преломляются на изогнутых поверхностях. Поскольку кривизна постоянна, лучи, находящиеся дальше от оптической оси, изгибаются иначе, чем центральные лучи, что вызывает сферическую аберрацию: периферийные лучи не сходятся в той же фокусной точке, что и осевые лучи, ухудшая резкость и контраст.

Асперическая линза имеет по крайней мере одну несферическую поверхность — часто описываемую полиномиальными или свободноформенными уравнениями, такими как конические сечения или члены высших порядков.

Настраивая профиль поверхности, асферические линзы направляют как центральные, так и крайние лучи к общему фокусу, эффективно устраняя сферическую аберрацию. Их сложные формы также могут смягчать коматозность и астигматизм при правильной оптимизации.

Увеличивается с диаметром объектива и размером диафрагмы, что приводит к размытию ореола вокруг точки изображения.

Хроматическая аберрация, кома и астигматизм часто требуют дополнительных элементов линз (например, ахроматических двойных линз) для коррекции.

Инженерные профили поверхности направляют все лучи к одной и той же фокусной точке, обеспечивая превосходную резкость от края до края.

Хотя в первую очередь они предназначены для сферической аберрации, асферические поверхности могут быть адаптированы для уменьшения комы и астигматизма, упрощая многокомпонентные конструкции.

Приемлемо в системах с малой диафрагмой, где доминирует дифракция; производительность быстро падает с увеличением диафрагмы.

Поддерживайте высокие значения функции передачи модуляции (MTF) даже при больших диафрагмах, обеспечивая четкие, контрастные изображения.

Ограниченные остаточными аберрациями и дифракцией; мелкие детали могут быть потеряны в конструкциях с широкой диафрагмой или коротким фокусным расстоянием.

Вблизи теоретического предела дифракции, обеспечивая субмикронное разрешение в микроскопии и высокоточные измерения.

Дисперсия в первую очередь является свойством материала. Асферики не изменяют хроматическую производительность, но системные конструкции с меньшим количеством элементов могут снизить накопительную дисперсию.

Плавка стекла → резка заготовок → сферическая шлифовка → полировка → покрытие.

Материалы, амортизация оборудования, труд; выигрывает от экономии на масштабе.

Высокоточная генерация ЧПУ, формование стекла, ионно-лучевая обработка.

Сложные траектории инструментов, более длительное время цикла, прототипирование инструментов; амортизированные на больших объемах, затраты снижаются.

Простые увеличительные стекла, недорогая оптика в игрушках и базовые веб-камеры.

Часто сочетается с ахроматическими или менисковыми элементами для коррекции аберраций.

Быстрое увеличение и широкоугольные объективы, требующие минимальных аберраций.

Микроскопы, литографические шаговые машины — где субмикронная точность обязательна.

Компактная оптика для VR/AR гарнитур, волоконно-оптические компоненты, прецизионная лазерная фокусировка.

Сферические линзы остаются экономически эффективными и простыми для нужд с низкой и средней производительностью. Асферические линзы, хотя и более дорогие за единицу, обеспечивают непревзойденную точность изображения и позволяют упростить систему. Подбирая выбор линз в соответствии с требованиями приложения — балансируя бюджет, оптическую производительность и форм-фактор — дизайнеры могут добиться оптимальных результатов везде, от потребительских камер до передовых научных инструментов.