光學(xué)濾光片生產(chǎn)規(guī)格參數(shù)
在元件或系統(tǒng)的設(shè)計和生產(chǎn)過程中利用光學(xué)參數(shù)規(guī)格可使該元件或系統(tǒng)精確達(dá)到特定的性能要求,尤其是光學(xué)濾光片,光學(xué)參數(shù)規(guī)格非常有用,原因有以下兩點: 首先,它們可以指定決定系統(tǒng)性能的可接受的關(guān)鍵參數(shù)限值;其次,它們能夠確定應(yīng)花在生產(chǎn)上的資源的數(shù)量(即時間和成本)。
光學(xué)系統(tǒng)的參數(shù)規(guī)格過低或過高都會影響其性能,從而造成不必要的資源浪費。如果未正確設(shè)定所有必要的參數(shù),則會導(dǎo)致規(guī)格過低,從而使性能降低。 如果過于嚴(yán)格地定義系統(tǒng)參數(shù)而不考慮光學(xué)或機(jī)械要求中的任何變化,則會導(dǎo)致規(guī)格過高,從而使成本和生產(chǎn)難度增加。
為了了解光學(xué)規(guī)格,首先弄清楚它們的含義是非常重要的。 為了簡化日益繁多的數(shù)字,請考慮為透鏡、 反射鏡和窗口片使用最常用的生產(chǎn)規(guī)格、表面規(guī)格和材料規(guī)格。 濾光片、偏振片、棱鏡、分光鏡、光柵也具有許多這類光學(xué)規(guī)格,因此了解最常用的規(guī)格將為 您了解幾乎所有光學(xué)產(chǎn)品的規(guī)格提供最堅實的基礎(chǔ)。
一、生產(chǎn)規(guī)格
直徑公差
圓形光學(xué)元件的直徑公差提供了一個可接受的直徑值范圍。 此生產(chǎn)規(guī)格會因制作光學(xué)產(chǎn)品的某些光學(xué)加工公司的技術(shù)水平和能力而有所不同。雖然直徑公差不會對光學(xué)產(chǎn)品本身的光學(xué)性能產(chǎn)生任何影響,但如果要在任何一種固定器上安裝光學(xué)產(chǎn)品,則它是您必須考慮的一種非常重要的機(jī)械公差。 例如,如果透鏡的直徑與其標(biāo)稱值存有偏差,則有可能使已安裝的組件中的機(jī)械軸偏離光學(xué)軸,從而導(dǎo)致光的偏心(圖1)。 通常,直徑的生產(chǎn)公差為:+0.00/-0.10 mm表示一般質(zhì)量,+0.00/-0.050 mm表示精密質(zhì)量,+0.000/-0.010 mm則為高質(zhì)量.
圖1: 平行光的偏心
中心厚度公差
光學(xué)元件(最典型的是透鏡)的中心厚度,測量的是光學(xué)元件中心部分的材料厚度。中心厚度是通過透鏡的機(jī)械軸來測量的,該機(jī)械軸是作為透鏡外部邊緣之間的軸來定義的。 透鏡中心厚度的變化會影響光學(xué)性 能,這是因為中心厚度及其曲率半徑會決定光線穿過透鏡的光學(xué)路徑長度。通常,中心厚度的生產(chǎn)公差為: +/-0.20 mm表示一般質(zhì)量,+/-0.050 mm表示精密質(zhì)量,+/-0.010 mm則為高質(zhì)量.
曲率半徑
曲率半徑是指光學(xué)元件的頂點與曲率中心之間的距離。該半徑可以為正值、零或負(fù)值,具體要取決于該表面是凸面、平面還是凹面。如果知道曲率半徑值,則可以確定光線穿過透鏡或反射鏡的光學(xué)路徑長度,同時還對表面功率起著重要的決定作用。 曲率半徑的生產(chǎn)容差通常為+/-0.5,但在精確應(yīng)用中也可低至+/-0.1%,或在需要極高的質(zhì)量情況下為+/-0.01%。
h3>中心
透鏡的中心也稱為向心性或離心性,是根據(jù)光束偏差Δ(方程式1)而指定的。一旦給定了光束偏差,則可以通過一種簡單的關(guān)系來計算楔角W(方程式2)。 透鏡的離心量是機(jī)械軸與光學(xué)軸物理偏離的距離。透鏡的機(jī)械軸僅為透鏡的幾何軸,是由其外部的柱面來定義的。 透鏡的光學(xué)軸是由光學(xué)表面來定義的,它是連接各表面曲率中心的線。要進(jìn)行向心性測試,請將透鏡置于茶杯中,對其施壓。 對透鏡施加的壓力會自動聚集在茶杯中心第一個表面的曲率中心,并且該中心還會與 旋轉(zhuǎn)軸對齊(圖2)。沿著此旋轉(zhuǎn)軸射入的平行光將會穿過透鏡,到達(dá)后焦平面的焦點處。當(dāng)透鏡隨著茶杯的旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)時,透鏡中的任何離心性都會使聚焦光束分散,并在后焦平面形成一個半徑為 Δ 的圓軌跡(圖1)。
圖2: 中心度測量
(1)、
(2)、
其中W表示楔角,通常報告為弧分,n表示折射率。
平行度
平行度描述的是兩個平行表面之間的相互關(guān)系。它在指定窗口片和偏振片等元件時很有用,其中平行表面是提高系統(tǒng)性能的理想平面,這是因為它們可以最大限度地減少畸變,否則該畸變會降低圖像或光的 質(zhì)量。通常,該容差范圍從5弧分直至幾弧秒。
角度公差
在棱鏡和分光鏡等元件中,各表面之間所產(chǎn)生的角度對光學(xué)產(chǎn)品的性能具有重要的影響。角度公差通常使用準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡組件進(jìn)行測量,其光源系統(tǒng)會發(fā)射平行光。 準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡將圍繞光學(xué)產(chǎn)品的表面進(jìn)行旋轉(zhuǎn),直至所產(chǎn)生的菲涅爾反射回到該表面,在檢測的表面頂部產(chǎn)生一個光點。這就驗證了平行光束正好垂直入射到該表面。然后,整個準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡組件會繞著光學(xué)產(chǎn)品旋轉(zhuǎn)至下一個光學(xué)表面,并且會重復(fù)此過程。圖3顯示了用于測量角度公差的通用準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡設(shè)置??梢允褂脙蓚€測量位置之間的角度差來計算兩個光學(xué)表面的公差。 角度公差的范圍可以從幾弧分降至幾弧秒。
圖3: 用于測量角度公差的自準(zhǔn)直儀
倒角
玻璃角非常易碎,因此,在處理或安裝元件時保護(hù)好它們非常重要。保護(hù)這些玻璃角的最常用方法是將這些邊緣斜切成倒角。倒角可作為保護(hù)槽來防止邊緣出現(xiàn)缺口。它們由其表面的寬度和角度來定義(圖4)。
圖4: 光學(xué)透鏡上的倒角
倒角的最常見切割角度為45°,并且該表面寬度是由光學(xué)產(chǎn)品的直徑來確定的。 其直徑小于3.00mm的光學(xué)產(chǎn)品(如微透鏡或微棱鏡)通常不需要切成倒角,這是因為很可能會在切削的過程中產(chǎn)生邊緣缺口。值得注意的是,對于很小的曲率半徑,例如,當(dāng)透鏡的直徑大于等于0.85 x曲率半徑時,無需切成倒角,這是因為透鏡表面和邊緣之間會形成很大的角度。對于所有其他直徑,表1提供了最大的表面寬度。
表1:倒角公
直徑 | 倒角的最大表面寬度 |
3.00mm- 5.00mm | 0.1mm |
5.01mm -25.4mm | 0.25mm |
25.41mm -50.00mm | 0.3mm |
50.01mm - 75.00mm | 0.4mm |
通光孔徑
通光孔徑是指光學(xué)元件的直徑或必須滿足各種規(guī)格的光學(xué)元件的尺寸。除通光孔徑以外,制造商并不能確保光學(xué)產(chǎn)品符合指定的規(guī)格。由于生產(chǎn)的限制,實際上是不可能生產(chǎn)出完全等同于光學(xué)產(chǎn)品的直徑或長乘以寬的通光孔徑。表2顯示了透鏡的一般通光孔徑。
圖5: 此圖列出了濾光片的通光孔徑和直徑
表2:通光孔徑公差
通光孔徑 | 直徑 |
3.00mm -10.00mm | 90% 直徑 |
10.01mm - 50.00mm | 直徑 -1mm |
≥50.01mm | 直徑 -1.5mm |
二、表面規(guī)格
表面質(zhì)量
光學(xué)表面的質(zhì)量用來衡量光學(xué)產(chǎn)品表面特性,并且涵蓋了一些劃痕和坑點等瑕疵。這些表面的大部分瑕疵純粹是表面上的瑕疵,并不會對系統(tǒng)性能產(chǎn)生很大的影響,雖然,它們可能會使系統(tǒng)通光量出現(xiàn)微小的下滑,使散射光出現(xiàn)更細(xì)微的散射。然而,有些表面會對這些影響更敏感,如:(1)圖像平面的表面,因為這些瑕疵會產(chǎn)生聚焦,以及(2)具有高功率級別的表面,因為這些瑕疵會增加能量吸收并毀壞光學(xué)產(chǎn)品。表面質(zhì)量最常用的規(guī)格是由MIL-PRF-13830B說明的劃痕和坑點規(guī)格。通過將表面的劃痕與在受控的照明條件下提供的一系列標(biāo)準(zhǔn)劃痕進(jìn)行對比,來確定劃痕名稱。因此,劃痕名稱不是描述其實際的劃痕,而是根據(jù)MIL規(guī)格將其與標(biāo)準(zhǔn)的劃痕進(jìn)行比較。然而,坑點名稱直接與表面的點或小坑有關(guān)。坑點名稱是通過以微米計的坑點直徑除以10來計算的,通常劃痕坑點規(guī)格在80至50之間將視為標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量,在60至40之間為精確質(zhì)量,而在20至10之間將視為高精度質(zhì)量。
表面平面度
p>表面平面度是一種測量表面精度的規(guī)格類型,它用于測量反射鏡、窗口片、棱鏡或平光鏡等平面的偏差。您可以使用光學(xué)平晶來測量此偏差,該平晶是一種高質(zhì)量、高精度的參考平面,用于比較試樣的平滑度。當(dāng)所測試的光學(xué)產(chǎn)品的平面靠著光學(xué)平晶放置時,會出現(xiàn)條紋,其形狀表示所檢測的光學(xué)產(chǎn)品的表面平滑度。如果這些條紋間隔相等,并且是平行的直線,那么被檢測的光學(xué)表面至少像參考光學(xué)平晶一樣平展。如果條紋是彎曲的,則兩個虛線(一個虛線與條紋中點相切,另一個虛線穿過同一個條紋的端點)之間的條紋數(shù)量會指出平滑度錯誤。平滑度的偏差通常是按波紋值(λ)來測量的,它們是由多個波長的測試源組成。一個條紋對應(yīng)/12的波長。平滑度為1λ,則表示一般的質(zhì)量級別;平滑度為λ/4,則表示精確的質(zhì)量級別;平滑度為λ/20,表示高精度的質(zhì)量級別。
光圈數(shù)
光圈數(shù)是一種測量表面精確性的規(guī)格類型,它適用于彎曲的光學(xué)表面或帶有功率的表面。光圈數(shù)的測試類似于平面度測試,會將曲面與具有高校準(zhǔn)的曲率半徑的參考面進(jìn)行比較。使用這兩個表面空隙所產(chǎn)生的相同干涉原則,條紋的干涉圖樣用于描述測試表面與參考表面之間的偏差。與參考件產(chǎn)生的偏差將會產(chǎn)生一系列的圓環(huán),稱為牛頓環(huán)。呈現(xiàn)的環(huán)越多,偏差越大。暗環(huán)或亮環(huán)的數(shù)量,而不是暗環(huán)和亮環(huán)兩者的總數(shù),等于波長誤差的2倍。
不規(guī)則度
不規(guī)則度是一種測量表面精確性的規(guī)格類型,它描述的是表面形狀與參考表面形狀之間的偏差。不規(guī)則度的測量方式與光圈數(shù)相同。規(guī)則度是指將測試表面與參考表面進(jìn)行比較形成的球形的圓形條紋。當(dāng)表面的光圈數(shù)超過5個條紋時,將很難檢測到小于1個條紋的小型不規(guī)則形狀。因此,通常的做法是指定表面的光圈數(shù)與不規(guī)則度的比率,使其大約為5:1。
表面加工
表面加工也稱為表面粗糙度,用于測量表面的一些小型不規(guī)則度。它們通常是因拋光工藝所引起的不良后果。粗糙表面往往要比光滑表面更加耐磨,并且可能不適用于某些應(yīng)用,特別是在使用激光或過熱環(huán)境的應(yīng)用中,這是因為成核位置有可能出現(xiàn)細(xì)微的破裂或瑕疵。表面加工的生產(chǎn)容差為50?RMS時表示一般質(zhì)量,在20? RMS時表示精確質(zhì)量,而在5? RMS時表示高質(zhì)量。
三、材料規(guī)格
折射率
某種介質(zhì)的折射率是指光在真空中的速度與光在介質(zhì)中的速度之比。玻璃的折射率范圍一般在1.4-4.0之間,與針對紅外線優(yōu)化的玻璃相比,可視玻璃的折射率范圍要小一些。例如,N-BK7(一種通用的可視玻璃)的折射率為1.517,然而鍺(一種通用的紅外玻璃)的折射率為4.003。光學(xué)玻璃的折射率是一種重要屬性,因為光學(xué)表面的功率是從表面的曲率半徑和表面任意一側(cè)上的介質(zhì)折射率之差得來的。玻璃制造商指定的不均勻性是指玻璃折射率的變化。不均勻性是根據(jù)不同的等級來指定的,其中等級和不均勻性是互為相反關(guān)系的,隨著等級的增加,不均勻性則會減少(表3)。
表3:不均勻性規(guī)格
不均勻性規(guī)格
不均勻性等級折射率的最大可變化范圍
0 | +/- 50 x 10-6 |
1 | +/- 20 x 10-6 |
2 | +/- 5 x 10-6 |
3 | +/- 2 x 10-6 |
4 | +/- 1 x 10-6 |
5 | +/- 0.5 x 10-6 |
色散系數(shù)
玻璃的另一種材料屬性是色散系數(shù),用于量化玻璃呈現(xiàn)的色散量。它是材料在f (486.1nm)、d (587.6nm) 和c (656.3nm)波長時的折射率(方程式3)。
(3)、
色散系數(shù)值的范圍通常在25至65之間。當(dāng)玻璃的色散系數(shù)大于55(較小色散)時,會將該玻璃視為冕牌玻璃,而那些色散系數(shù)小于50(較多色散)的玻璃會視為火石玻璃。由于色散性,玻璃的折射率會因波長而有所不同。色散產(chǎn)生的最顯著結(jié)果就是系統(tǒng)的焦距會因不同的光波長而稍有不同。 h3>激光損傷閾值
激光損傷閾值是指激光損傷前每一區(qū)域的表面可耐受的最大激光功率量。脈沖激光和連續(xù)波(CW)激光都具有相應(yīng)的激光損傷閾值。激光損傷閾值是反射鏡的一個非常重要的材料規(guī)格,這是因為它們與激光產(chǎn)品而不是任何其他光學(xué)產(chǎn)品一同使用,然而,任何激光級光學(xué)產(chǎn)品將提供閾值。例如,考慮一下Ti:藍(lán)寶石激光反射鏡的損傷額定閾值為0.5 J/cm2 @ 150飛秒脈沖和100kW/cm2 CW。這就說明反射鏡每平方厘米可耐受的高重復(fù)飛秒脈沖激光射入的能量密度為0.5J,或每平方厘米可耐受的大功率CW 激光射入的能量密度為100kW。如果激光束集中在更小的區(qū)域內(nèi),則必須考慮采取相應(yīng)的措施以確保整體閾值不超過指定的值。雖然具有一系列的其他生產(chǎn)規(guī)格、表面規(guī)格和材料規(guī)格,但如果了解了最常用的光學(xué)規(guī)格,則可以顯著地避免混淆。透鏡、反射鏡、窗口片、濾光片、偏振片、棱鏡、分光鏡、光柵、and 光纖共同具有各種屬性,因此,了解它們之間的關(guān)系以及它們將如何影響整體系統(tǒng)性能,將有助于您選擇最佳的元件以集成到光學(xué)、成像或光電子應(yīng)用中。