Введение
Тип линзы
Асферическая линза или асфера (часто обозначается ASPH на оптических элементах) – это линза, профиль поверхности которой не является частью сферы или цилиндра. В фотографии, объектив, включающий в себя асферический элемент, часто называют асферическим объективом. Более сложный профиль поверхности асферы может уменьшить или устранить сферическую аберрацию, а также снизить другие оптические аберрации, такие как астигматизм, по сравнению с простой линзой. Одна асферическая линза часто может заменить гораздо более сложную мультилинзовую систему. В результате получающееся устройство становится меньше и легче, а иногда и дешевле, чем мультилинзовая конструкция. Асферические элементы используются в конструкции многоэлементных широкоугольных и светосильных объективов для уменьшения аберраций. Они также используются в сочетании с отражающими элементами (катадиоптрическими системами), такими как асферическая пластина корректора Шмидта, применяемая в камерах Шмидта и телескопах Шмидта-Кассегрена. Небольшие литые асферы часто используются для коллимации диодных лазеров. Асферические линзы также иногда применяются для очков. Асферические линзы обеспечивают более четкое зрение, чем стандартные линзы "оптимальной формы", особенно при взгляде в направлениях, отличных от оптического центра линзы. Кроме того, уменьшение эффекта увеличения линзы может быть полезно при коррекции зрения, когда требуется разная оптическая сила для каждого глаза (анизометропия). Помимо оптического качества, они могут обеспечить более тонкую линзу, а также меньше искажать внешний вид глаз наблюдателя, что улучшает эстетический вид.
Производство
Небольшие стеклянные или пластиковые асферические линзы можно изготавливать методом литья, что обеспечивает дешевое массовое производство. Благодаря низкой стоимости и хорошим характеристикам, литые асферы широко используются в недорогих бытовых камерах, камерофонах и CD-плеерах. Затем их полируют до окончательной формы. В других конструкциях, таких как системы Шмидта, асферическая корректирующая пластина может быть изготовлена путем деформации оптически параллельной пластины с помощью вакуума, придавая ей кривизну, после чего она полируется до плоскости с одной стороны. Асферические поверхности также можно получать полировкой с помощью небольшого инструмента с податливой поверхностью, повторяющей форму оптики, однако точный контроль формы и качества поверхности затруднен, и результаты могут изменяться по мере износа инструмента. Одноточечная алмазная обработка – альтернативный метод, при котором компьютерный токарный станок использует алмазный резец для непосредственного вырезания требуемого профиля в стеклянной или другой оптической заготовке. Алмазная обработка является медленным процессом и имеет ограничения по используемым материалам, а также по достижимой точности и гладкости поверхности.
Измерение без контакта
Интерферометры используются для измерения чувствительных или полированных поверхностей. Путем наложения опорного луча с лучом, отраженным от измеряемой поверхности, создаются карты ошибок, известные как интерферограммы, которые отображают полное отклонение формы поверхности.
Компьютерная голограмма (КГГ)
Компьютерные голограммы (CGH) представляют собой метод интерферометрического определения отклонения линзы от её расчетной геометрии. Они генерируют асферическую волновую поверхность заданной формы, что позволяет определить отклонения линзы от этой формы по интерференционной картине. CGH необходимо изготавливать индивидуально для каждого проверяемого изделия, поэтому их использование экономически целесообразно только в серийном производстве.
Интерферометрическое измерение
Другой вариант – интерферометрическое измерение асферических поверхностей на отдельных участках с минимальными отклонениями от наилучшей сферической аппроксимации и последующее объединение этих частных измерений в полную интерферограмму поверхности. Этот метод гораздо более гибкий по сравнению с компьютерно-генерируемыми голограммами и также подходит для изготовления прототипов и небольших партий.
Офтальмологическое применение
Как и другие линзы для коррекции зрения, асферические линзы можно классифицировать как выпуклые или вогнутые. Выпуклые асферические кривизны используются во многих варифокальных линзах для коррекции пресбиопии, чтобы увеличить оптическую силу на части линзы, облегчая выполнение задач, требующих четкого зрения вблизи, таких как чтение. Читающая зона представляет собой асферическую "прогрессивную добавку". Кроме того, при афакии или высокой гиперметропии могут быть назначены асферические линзы с высокой диоптрийной силой, но эта практика постепенно устаревает и заменяется хирургической имплантацией внутриглазных линз. Многие типы выпуклых линз одобрены регулирующими органами, контролирующими выписывание рецептов. Вогнутые асферические линзы используются для коррекции высокой миопии. Они не доступны в оптиках, а должны быть заказаны индивидуально по указанию врача-офтальмолога, как и изготовление индивидуального протеза. Диапазон диоптрийных сил линз, доступных оптом для выполнения рецептов, даже в асферической форме, практически ограничен размером изображения, формирующегося на сетчатке. Линзы с высокой отрицательной силой создают настолько маленькое изображение, что невозможно различить форму и детали, обычно при −15 диоптриях и более, в то время как линзы с высокой положительной силой создают туннельное зрение, при котором объекты как бы "выскакивают" из уменьшенного поля зрения, обычно при +15 диоптриях и более. В рецептах как для дальнозоркости, так и для близорукости кривизна линзы уменьшается к краям, за исключением прогрессивных добавок для пресбиопии, где плавные варифокальные зоны постепенно переходят к большей положительной диоптрийной силе. Вогнутые асферические линзы для миопии не всегда нуждаются в прогрессивных добавках, поскольку конструкция кривизны линзы уже обеспечивает постепенный переход от отрицательной к положительной диоптрийной силе от центра к краю. Выпуклые асферические линзы для гиперметропии прогрессируют к меньшей положительной силе на периферии. Асферическая кривизна линз с высокой положительной силой шлифуется на передней поверхности линзы, а асферическая кривизна линз с высокой отрицательной силой – на задней. Прогрессивные зоны для чтения в линзах с положительной силой также шлифуются на передней поверхности линзы. Сглаженная кривизна асферических линз уменьшает скотому – кольцеобразное слепое пятно.
Объективы камер
Асферические элементы часто используются в объективах камер. Это обычно обозначается аббревиатурой ASPH в наименованиях таких объективов.
История
Ибн Сахл, арабский физик X века, обнаружил, что комбинация сферических и параболических поверхностей, ныне известная как анакластическая или асферическая линза, фокусирует свет с минимальными аберрациями. Первые попытки создания асферических линз для коррекции сферической аберрации были предприняты Рене Декартом в 1620-х годах и Христианом Гюйгенсом в 1670-х годах; поперечное сечение формы, разработанной Декартом для этой цели, известно как картезианский овал. Линзы из Висби, найденные в кладах викингов на острове Готланд, датируемых X или XI веком, также являются асферическими, но демонстрируют широкий диапазон качества изображения – от сопоставимого с современными асферическими линзами в одном случае до худшего, чем у сферических линз, в других. Происхождение этих линз и их назначение остаются неизвестными (возможно, они были изготовлены как ювелирные украшения, а не для формирования изображения). Телескоп, содержащий три асферических элемента, присутствовавшие оценили как превосходящий [обычный, но очень хороший телескоп] по качеству, захватывая больший угол обзора и отображая объекты более точно в их пропорциях, а также выдерживая большую апертуру без хроматических аберраций. Эта линза получила широкое признание в отрасли в свое время. Асферические элементы были изготовлены с использованием технологии полировки мембраной.
Испытание систем асферических линз
Оптическое качество оптической системы может быть проверено в оптической или физической лаборатории с использованием апертур, оптических труб, линз и источника света. Показатели преломления и отражения могут быть сведены в таблицу как функция длины волны для приблизительной оценки характеристик системы, а также могут быть оценены допуски и погрешности. Помимо сохранения фокуса, асферические линзы могут быть проверены на наличие аберраций перед вводом в эксплуатацию. Использование интерферометров стало стандартным методом контроля оптических поверхностей. Обычно интерферометрическое тестирование проводится для плоских и сферических оптических элементов. Использование нуль-корректора в процессе тестирования позволяет устранить асферическую составляющую поверхности и провести тестирование с использованием плоского или сферического эталона.
В природе
У трилобитов, одних из самых ранних типов животных, обладавших сложными глазами, линзы состояли из двух асферических элементов.