明辨是“非”，何必委曲“球”全
明辨是“非”，何必委曲“球”全
当高度近视的你去眼镜店挑选眼镜时，苗条轻盈的镜片搭配各类时尚镜框毫无压力；当你使用轻巧的广角变焦相机或者手机拍照时，细节细腻的出众画质瞬间捕获；当你使用VR/AR设备时，身临其境的逼真画面跃然眼帘，这些可都是非球面镜在大显身手呢！激光雷达、HUD抬头显示、激光加工、医用内窥镜、5G通信、红外温度测试仪……这些应用和场景或多或少都用到非球面镜，如今非球面镜已经走进了我们生活的方方面面。
1638年，Johannn Kepler把非球面在透镜上进行实验，在近、远距离获得无球差像面，从而逐渐奠定了非球面光学基础。
非球面镜是指表面由多项高次方程决定，表面上各点的半径都不相同的光学元器件。当光线入射到非球面镜面时，光线能够聚焦于一点，能消除各种像差，从而获得高质量的光学图像。具体的多项高次方程由以下给出:
该公式将表面表示成对一个锥面的偏离，Z为表面的垂度，Y为光线的高度，C为表面在光轴上的曲率，A4、A6、A8...为第4、6、8…次非球面系数，k为圆锥常数，非球面的形状跟k的关系对应如下：
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k圆锥常数 |
非球面形状 |
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k=0 |
球面 |
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k=-1 |
抛物面 |
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k<-1 |
双曲面 |
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-1<k<0 |
椭球面，焦点在光轴上 |
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k>0 |
椭球面，焦点在垂直于光轴的一条直线上 |
球面镜存在各种像差，单个球面透镜无法消除。但是单个非球面镜可以校正球差、慧差、像散、场曲等各种像差，减少光能损失，从而获得高质量的图像效果和高品质的光学特性。下面我们从单个球面镜和非球面镜实例分析它们在聚焦性能方面的差异。同样设计波长为532nm，焦距为50mm，输出的光斑对比如下：
另外，从系统设计出发，非球面镜相比于球面系统，其所设计的结构更简单、视场更大、像质更清晰。下面我们采用Cooke三分离物镜设计实例来看一看非球面镜的优异性。如下图可见，同样在视场角为30°设计环境下光学模拟出的福晶科技园区照，我们仅将三片透镜中的第五个面替换成非球面，就可得到边缘畸变更小，像质更清晰，接近更真实的画面。
不过，优秀如非球面镜，也难免有些镜花水月般的高冷。面形的特殊性和复杂性以及高的面形要求，造成了工业上的加工困难。福晶科技以先进的数控加工和检测技术，解决了非球面透镜和非球面柱面镜的工艺瓶颈。
非球面镜的数控加工和检测技术
福晶科技已建立起先进的高精度非球面数控加工和测试中心，具有适用于激光和精密光学应用要求的高精度非球面透镜和非球面柱面镜的设计、加工和检测能力。通过数控加工和测试中心计算机程序进行的反复的数控抛光和非接触测试，得到高精度非球面透镜和非球面柱面镜，可提供口径从φ5到φ200mm，表面质量优于20/10，表面不规则度优于λ/4的非球面标准品及定制产品。
非球面透镜
非球面数控加工中心
高精度的测量设备是高精度非球面透镜加工的“眼睛”，福晶科技加工非球面镜的精磨工序采用Taylor Hobson的PGI Optics接触式测试；抛光工序采用LuphoScan 260非接触式测试，测试口径可达φ260mm，测试精度±50nm。
PGI Optics接触式测量
LuphoScan 260非接触式测量
非球面镜的离子束加工技术
福晶科技拥有先进的IBF（离子束）加工中心，并配有高精度面形的非接触式测量设备，将非球面面形测试数据的导入计算机，软件模拟精确控制离子束在特定区域的驻留时间，能够在较短的时间内实现高性能抛光，可以得到表面不规则度优于λ/10的非球面透镜。
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