光学元件的中心偏差(一) 定义与术语

来源:光行万里 发布时间:2024-01-23 00:00:00 浏览量:1679

光学元件的中心偏差(一) 定义与术语

1  引言

光学元件的中心偏差,是透镜类光学元件非常重要的一项指标,也是影响光学系统成像的重要因素。如果镜片本身存在较大的中心偏差,那么即使它的表面面形加工的特别好,在应用到光学系统里时,仍然无法获得预期的像质,所以,对光学元件的中心偏差的概念、测试与控制方法进行讨论,是非常有必要的。然而,关于中心偏差的定义和术语非常的多,使得多数朋友对这一指标的理解并不是非常透彻,实际中,容易误解和混淆,因此,我们从本节开始,将围绕球面、非球面、柱面透镜元件中心偏差的定义,测试方法来进行系统性的介绍,以帮助大家更好的认识、理解这一指标,从而在实际工作中能更好的改善产品的质量。

2 与中心偏差相关的术语

为了描述中心偏差,我们有必要对以下常识的术语定义有个前期的了解。

1、光轴

它是一个理论轴,一个光学元件或者光学系统关于其光轴是旋转对称的,对于球面透镜而言,光轴是两个球面球心的连线。

2、基准轴

它是光学元件或系统选定的一个轴,它可以做为元件装配时的参考。基准轴是用来标注、检验和校正中心偏差的一条确定的直线,该直线应该体现系统的光轴。

3、基准点

它是基准轴与元件表面的交点。

4、球面的倾斜角

在基准轴与元件表面的交点位置,表面法线与基准轴的夹角。

5、非球面的倾斜角

非球面的旋转对称轴与基准轴的夹角大小。

6、非球面表面的横向距离

非球面的顶点与基准轴的距离。

3 中心偏差的相关定义

球面表面的中心偏差,是用光学表面基准点的法线与基准轴的夹角来度量,即球面的倾斜角,此夹角称为面倾角,用希腊字母χ表示,如下图所示:

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非球面表面的中心偏差,由非球面的倾斜角χ和非球面表面的横向距离d来表示,如下图所示:

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值得注意的是,在评价单透镜元件的中心偏时,需要首先选定一个面做为基准面,来评价另一个表面的中心偏差。

另外,实际中,还可以用其它一些参数,来表征或者评估元件中心偏差的大小,包括:

1、边缘跳动量ERO,英文为Edge run-out,当元件调正的时候,其边缘一圈的跳动量越大,说明中心偏差越大。

2、边厚差ETD,英文为Edge thickness difference,有时候也会用t来表示,当元件的边厚差较大时,其中心偏差也会偏大。

3、总跳动量TIR,可以翻译为像点总跳动量或者示数总跳动量,英文为Total image run-out或者Total indicated run-out.

在早期的惯用定义中,中心偏差也会用球心差C或者偏心差c来表征,

球心差,用大写字母C表示(有时也用小写字母a来表示),定义为透镜外圆的几何轴与光轴在透镜曲率中心处的偏离程度,单位为毫米,这个术语曾经长期以来做为中心偏差的定义来使用,迄今为止仍然会有厂家在沿用。该指标一般用反射式定心仪来做测试。

偏心差,用小写字母c来表示,是被检光学零件或组件的几何轴在节面上的交点与后节点的距离(这个定义实在是太晦涩了,我们没必要去强求理解),在数值上,偏心差等于透镜绕几何轴旋转时焦点像跳动圆的半径值,它通常用透射式定心仪来做检验。

4 各个参数间的换算关系

1、面倾角χ与球心差C、边厚差△t的关系

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对于有中心偏差的表面,其面倾角χ与球心差C、边厚差t的关系为:

           χ  = C/R  = t/D

其中,R为球面的曲率半径D为球面的全口径大小。

2、面倾角χ与偏心差c的关系

当存在中心偏差时,平行光束经透镜折射后将有偏向角δ=(n-1) χ,光束汇聚点在焦平面上,形成偏心差c。因此,偏心差c与中心偏的关系为:

         C = δ lf’ = (n-1) χ. lF

上式中,lF为透镜的像方焦距。值得注意的是,本文讨论的面倾角χ,单位是弧度,如果要转换成角分或者角秒为单位,则要乘以对应的转换系数。


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