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硒化鋅(ZnSe)非球面透鏡

產品簡介

    硒化鋅材料對熱沖擊具有很高的承受能力,使它成為高功率CO2激光器系統中的光學材料。硬度只是多光譜級ZnS的2/3,材質較軟易產生劃痕,而且材料折射率較大,所以需要在其表面鍍制高硬度減反射膜來加以保護并獲得較高的透過率。

    非球面光學零件是一種非常重要的光學零件,常用的有拋物面鏡、雙曲面鏡、橢球面鏡等。非球面光學零件可以獲得球面光學零件無可比擬的良好的成像質量,在光學系統中能夠很好的矯正多種像差,改善成像質量,提高系統鑒別能力,它能以一個或幾個非球面零件代替多個球面零件,從而簡化儀器結構,降低成本并有效的減輕儀器重量。

鍍膜選擇:

    MgF2,UV-AR,UV-VIS ,VIS-EXT, VIS-NIR, NIR I, NIR II, Telecom-NIR,SWIR ,SWIR ,YAG-BBAR.

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產品型號產品介紹加工設備技術解答

產品簡介非球面透鏡-CN - 2材料數據ZnSe 材料數據-CN- 產品展示333鍍膜類型鍍膜材料新版材料介紹材料集合模板

生長車間生長車間13文字切割1130銑磨車間4拋光車間標題22444鍍膜車間標題114非球車間12干涉儀34

非球面

    非球面:不能用球面定義描述的面形(即不能用一個半徑確定的面形),其中有旋轉對稱的非球面和非旋轉對稱的非球面;有關于軸對稱的面形;有排列有規律的微結構陣列;有包含衍射結構的光學表面;還包含形狀各異的自由曲面。

    非球面主要指是旋轉對稱的非球面,能夠用含有非球面系數的高次多項式來表示,其中心到邊緣的曲率半徑連續發生變化。離軸非球面是旋轉對稱非球面的一部分,但其所在部分的中心軸與旋轉對稱軸有偏離。

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    非球面光學零件是一種非常重要的光學零件,常用的有拋物面鏡、雙曲面鏡、橢球面鏡等。非球面光學零件可以獲得球面光學零件無可比擬的良好的成像質量,在光學系統中能夠很好的矯正多種像差,改善成像質量,提高系統鑒別能力,它能以一個或幾個非球面零件代替多個球面零件,從而簡化儀器結構,降低成本并有效的減輕儀器重量。

    非球面光學零件在軍用和民用光電產品上的應用也很廣泛,如在攝影鏡頭和取景器、電視攝像管、變焦鏡頭、電影放影鏡頭、衛星紅外望遠鏡、錄像機鏡頭、錄像和錄音光盤讀出頭、條形碼讀出頭、光纖通信的光纖接頭、醫療儀器等中。

優點

    非球面透鏡其中所帶來的最顯著的好處,就是它能夠進行球面像差校正。球面像差是由使用球面表面來聚焦或對準光線而產生的。因此,換句話說,所有的球面表面,無論是否存在任何的測量誤差和制造誤差,都會出現球差,因此,它們都會需要一個不是球面的、或非球面的表面,對其進行校正。通過對圓錐常數和非球面系數進行調整,任何的非球面透鏡都可以得到優化,以最大限度地減小像差。例如,請參考下圖,其展示了一個帶有顯著球面像差的球面透鏡,以及一個幾乎沒有任何球差的非球面透鏡。球透鏡中所出現的球差將讓入射的光線往許多不同的定點聚焦,產生模糊的圖像;而在非球面透鏡中,所有不同的光線都會聚焦在同一個定點上,因此相較而言產生較不模糊及質量更加的圖像。

截圖20220807131832


    盡管市面上也有著許許多多不同的技術來校正由球面表面所產生的像差,但是,這些其他的技術在成像性能和靈活性方面,都遠遠不及非球面透鏡所能提供的。另一種廣泛使用的技術包括了通過“縮小”透鏡來增加f/#。雖然這么做可以提高圖像的質量,但也將減少系統中的光通量,因此,這兩者之間是存在權衡關系的。

    而在另一方面,使用非球面透鏡的時候,其額外的像差校正支持用戶在實現高光通量(低f/#,高數值孔徑)的系統設計同時,依然保持良好的圖像質量。更高的光通量設計所導致的圖像退化是可以持續的,因為一個輕微降低的圖像質量所提供的性能仍然會高于球面系統所能提供的性能。

    非球面透鏡允許光學元件設計者使用比傳統球面元件更少的光學元件數量來校正像差,因為前者為他們所提供的像差校正要多于后者使用多個表面所能提供的像差校正。例如,一般使用十個或更多透鏡元件的變焦鏡頭,可以使用一兩個非球面透鏡來替換五六個球面透鏡,并可以實現相同或更高的光學效果、降低生產成本,同時也降低系統的大小。

    運用更多光學元件的光學系統可能會對光學和機械參數產生負面影響,因而帶來更昂貴的機械公差、額外的校準步驟,以及更多的增透膜要求。以上所有的這些結果最終都會降低系統的整體實用性,因為用戶將必須不停地為其增加支持組件。因此,在系統中加入非球面透鏡(雖然非球面透鏡價格相比f/#等同的單片透鏡和雙合透鏡貴),實際上將會降低您的整體系統設計成本。

剖析非球面透鏡

   “非球面透鏡”此術語涵括任何不屬于球面的物件,然而我們在此處使用該術語時是在具體談論非球面透鏡的子集,即具有曲率半徑且其半徑會按透鏡中心呈現徑向改變的旋轉對稱光學元件。非球面途徑能夠改善圖像質量,減少所需的元件數量,同時降低光學設計的成本。從數字相機和CD播放器,到高端顯微鏡物鏡和熒光顯微鏡,非球面透鏡無論是在光學、成像或是光子學行業的哪一方面,其應用發展都非常迅速,這是因為相比傳統的球面光學元件而言,非球面透鏡擁有了許許多多獨特又顯著的優點。

    非球面透鏡的傳統定義如方程所示(由表面輪廓(sag)定義):

截圖20220807133650


其中:
    Z = 平行于光軸的表面的表面輪廓
    s = 與光軸之間的徑向距離
    C = 曲率,半徑的倒數
    k = 圓錐常數
    A
4、A6、A8...= 第4、6、8… 次非球面系數

    當非球面系數相等于零的時候,所得出的非球面表面就相等于一個圓錐。下表顯示,所產生的實際圓錐表面將取決于圓錐常數的量值大小以及正負符號。

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    非球面透鏡最獨具特色的幾何特征就是其曲率半徑會隨著與光軸之間的距離而出現變化,相較之下,球面的半徑始終都是不變的。該特殊的形狀允許非球面透鏡提供相較于標準球面表面而言更高的光學性能。

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    在過去幾年,另兩種使用正交項且逐漸普及的定義為Q-type非球面透鏡。這類Q型非球面透鏡,Qcon以及Qbfs讓設計師能夠透過使用正交系數更好地控制非球面透鏡的優化過程,同時可降低制作非球面透鏡所需的條件。

尺寸規格

尺寸

加工

加工方法按其特點可大致分成三類:

    (1)材料去除加工法(Material RemovalProcess,簡稱MRP)是采用研磨、切削及能量束拋光等手段去除零件表面材料,使零件表面質量達到指標要求。該方法主要包括傳統的研磨拋光法以及計算機控制加工法。傳統的研磨拋光法是目前國內非球面光學零件的主要加工方法之一 

    計算機控制加工法通常包括計算機數控磨(車)削、數控研(拋)兩類。

    其中數控磨(車)削主要指數控銑磨和數控單點金剛石車削;

    數控研(拋)主要包括數控小工具研拋、應力盤研拋、離子束拋光、等離子體輔助拋光以及近幾年來剛剛發展起來的磁流變拋光、液體噴射拋光等。

    (2)變形加工法主要包括應力變形法、熱壓成形法、光學玻璃透鏡模壓成形法及光學塑料注射成形光學玻璃透鏡模壓成形法及光學塑料注射成形、鑄造成形和壓制成形等。

    (3)附加加工法是在光學元件的表面附加一層材料,使之形成所要求的非球面形狀,主要包括真空鍍膜法和復制成形法。

傳統的研磨拋光

    利用拋光盤與工件表面的相對滑動,借助拋光液及混與其中的磨料粒子與工件表面之間的機械化學和物理作用實現工件表面材料的去除。

    該方法一般首先加工該非球面的最接近球面,視非球面與最接近球面的最大偏離量確定從哪一道工序開始把球面修改成形非球面。

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非球面數控銑磨

    利用精密砂輪在數控設備上直接把毛坯銑磨成為符合面形方程要求的非球面,銑磨時切削點相對工件做理想表面形狀的掃描運動 ,可用于光學玻璃等脆硬材料的加工,銑磨結束后基本上都要經過拋光才能得到符合光學反射面要求。

單點金剛石車削技術

    加工的材料主要有:有色金屬、塑料和紅外光學晶體等。

    采用特殊刀具和工藝也可加工玻璃、鈦、鎢等材料。

    特點是生產效率高、加工精度高、重復性好。

車削刀是單點金剛石車削技術的關鍵之一

    材料:天然單晶金剛石 ,其優點:

    硬度非常高,磨損率低;

    能磨出極鋒利的刀刃,刃口半徑ρ值可以極小,能實現超薄厚度切削;

    摩擦系數小、導熱性好,產生的熱量容易散失;

    熱膨脹系數小,易于使刀具幾何形狀在加工過程中保持不變,面形精度容易控制;

    化學性質比較穩定、不易腐蝕,而且切削屑不易堆積 。

非球面的檢測方法

    1.幾何光線檢測法:

    哈特曼法、光柵法和刀口法

    2.直接的面形輪廓法

    3.干涉法

非球面鏡的應用領域:

激光應用:

    (1)非球面鏡應用于激光打標:激光打標已成為工商業環境中不可或缺的一部分。作為可靠的加工步驟,它們通過標記各種產品和生產件來實現識別和追溯。無論是圓珠筆上的公司名稱、餐具上的商標、車輛內開關裝置上的符號還是高性能光學系統上的參考編號。

成像與顯示:

    (1)非球面透鏡應用于圖像處理:圖像處理被視為各行各業的關鍵技術,用于汽車行業、科學研究、現代醫療技術或質量控制等領域。圖像處理基于特殊的相機系統,其圖像由軟件自動評估。圖像處理系統使用生成的數據來檢查和優化生產流程、識別組件、讀取代碼或引導機器。為了實現圖像處理,需要高精度的的且可以聚焦入射光而沒有球面像差的完美成像非球面鏡, 隨其緊湊的設計可實現更小的技術解決方案和最佳的圖像質量。此外,可以通過高質量的涂層工藝改進結果。這些包括所用光學器件的抗反射涂層或特定波長的濾光層??梢酝ㄟ^高端精加工工藝在非球面透鏡上進一步改進,這可以將表面的粗糙度值降至最低,從而實現更好的入射光線成像和聚焦。

    (2)非球面透鏡應用于工業激光投影:在現代工業中,激光投影系統用于將線條、點或整個輪廓投影到表面或材料上。在幾秒鐘內,可以可視化材料表面上組件的精確定位,可以顯示輪廓,或者可以執行組件的位置檢查。激光投影使生產過程更快、更靈活、更符合工人和工人的人體工程學。除了復雜的軟件單元外,激光投影還基于高精度用于聚焦的非球面透鏡,可以實現完美的圖像,它沒有球面像差并保證最佳的成像效果。

    (3)非球面透鏡應用于工業相機系統:工業相機系統用于捕捉圖像、觀察過程、將生成的數據傳輸到軟件單元,并在必要時進行存儲。最重要的部件是鏡頭。它的任務是通過鏡頭或鏡頭系統收集物體散射的光,并將圖像聚焦在光敏傳感器上。傳感器將光信號轉換為電磁輻射,并將其強度和頻率轉換為數據。數據由軟件單元評估并用于相應的過程優化或評估。工業相機系統最重要的就是鏡頭,一般來說,盡可能低的失真和最佳的成像特性是工業相機系統中功能鏡頭的重要標準。

航天工業:

    (1)非球面鏡應用于衛星相機:在地球觀測中,使用了高質量的相機系統。它們具有非常高的分辨率,可以詳細捕捉地球上的事件。為了實現此類精密相機的高分辨率,需要強大而精確的光學元件。

半導體行業:

    (1)非球面鏡應用于晶圓檢測:借助高質量的攝像系統,可以檢查晶圓表面并檢測與最佳表面的最小偏差。晶圓是方形或圓形薄盤,用作沉積電子元件的基板。晶圓用于各種領域,例如在光伏、微機械和半導體行業。對晶圓檢查的要求非常高,因為必須生成低至納米范圍的晶圓微結構的極其詳細的測量結果。高質量的光學元件構成了高性能相機系統的基礎。

安全與安保:

    (1)非球面透鏡應用于激光瞄準:激光測距儀用途廣泛。它們小巧、堅固且耐用,可集成到各種應用。在遠足、打高爾夫球、飛行安全、建筑業或狩獵時,它們是精確測量距離的完美搭檔。使用特殊的光學元件可以保證激光的準確測量,這些光學元件可確保完美的成像率并將整個系統的尺寸和重量降至最低。激光束和傳感器都需要透鏡,即所謂的發射器和接收器光學器件。其中一些鏡頭必須承受強烈的影響,如熱、濕氣和污垢。

    (2)非球面鏡應用于安全應用:光學安全應用領域不再局限于經典的觀察系統,如監控攝像機。廣泛的應用可以在包括平視顯示器和熱像儀在內的廣泛行業中實現有效的控制、監控和檢查。光學元件用于安全應用的應用領域每天都在增長。 結果是對更強大和更復雜的光學器件的需求不斷增長。光學元件必須滿足堅固耐用,必須可靠地承受日常使用。高溫差、濕度或污染不得對光學系統的成像特性和性能產生負面影響。

    (3)非球面透鏡應用于熱成像:熱成像是一種成像方法,它捕獲人體發出的熱射線并將其顯示為熱圖像在顯示器上。熱成像系統(也稱為熱成像相機)的基礎是高質量的紅外光學元件。對于經久耐用的熱成像系統,需要堅固且高質量的紅外光學元件,以完美的形式將所需的紅外線傳輸到內置檢測器。

汽車行業:

    (1)非球面鏡應用于駕駛輔助系統:在現代車輛中,大量內置攝像頭可以使用駕駛員輔助系統(ADAS,高級駕駛輔助系統)。確保提高道路交通的安全性。最先進的相機系統的基礎是高質量和堅固的光學元件,必須滿足道路交通的高要求:極熱和極冷、灰塵、濕氣和振動不得影響所用光學元件的可靠性和耐用性,必須提供始終如一的良好成像特性。

    (2)非球面透鏡應用于夜間駕駛系統:夜間駕駛系統是現代車輛特有的駕駛輔助系統。夜間駕駛系統可以通過所謂的熱成像攝像機系統實現。

    (3)非球面鏡應用于雷達系統:雷達系統(光探測和測距)用于生成周圍環境的3D圖像并確定臨時距離和速度測量值。雷達系統還用于農業、氣象學和海洋學。雷達系統及其中使用的光學器件必須能夠承受各種環境影響,例如極熱、極冷和灰塵,同時具有高度壓縮但功能強大的設計。

工業工程:

    (1)非球面透鏡應用于機器視覺:機器視覺代表工業圖像處理技術,它已發展成為生產過程自動化的重要脈沖發生器,被視為工業4.0的關鍵技術。攝像機拍攝的圖像被傳輸到圖像評估系統,該系統會處理這些信息,從而得出結論,以優化更高級別的過程控制系統對機器的使用。機器視覺基于最先進的光學技術,首先是高質量的相機系統。

    (2)非球面透鏡應用于光學質量控制:光學質量控制是指用于確定和確保生產產品質量的各種測試方法。這允許確定組件的數量,以及它們的尺寸,激光刻字的質量或表面特性。由于檢查以光學方式進行,即沒有接觸,就沒有損壞表面的風險。

生命科學:

    (1)非球面鏡應用于熒光顯微鏡:熒光顯微鏡可以進行形態學研究、納米范圍內的測量值分析以及大多數不同培養物的實時可見過程。 無論是在生物化學、生物物理學還是醫學領域,快速、詳細地檢測明亮、多彩的熒光有助于熒光顯微鏡的測量過程。

    (2)非球面透鏡應用于內窺鏡檢查:內窺鏡是一種通過目視檢查和反射隱藏體腔而用于醫療領域的光學儀器。 通過在預防性護理檢查或手術干預期間通過自然或人造身體開口引入內窺鏡,可以實現身體內部的醫學必要可視化。 另一個應用領域是工廠建設和機械工程,其中內窺鏡可用于觀察空腔,例如在機械維修方面。如今,現代內窺鏡通常配備高質量的微型相機,這些相機具有用于成像目的的內置微型鏡頭。

    (3)非球面透鏡應用于眼科手術:眼科手術是眼科的一個深入領域。 借助成像程序和最新的測量技術,及早發現眼睛內部和表面的變化可以實現快速準確的診斷。高質量的光學元件構成了術前和術后檢查成像程序的基礎。借助集成鏡頭系統的高放大倍率可以對眼底進行詳細的調查。

    (4)非球面透鏡應用于拉曼光譜:拉曼光譜可以分析氣體、液體和固體。 在這個過程中,使用單色光照射物質產生的散射光,稱為拉曼散射。拉曼光譜的目的是確定分子的振動和旋轉狀態及其成組表征,以確定材料的結構和化合物。為了獲得有用的信息,必須從光束路徑中濾除拉曼散射。

    (5)非球面鏡應用于顯微鏡:顯微鏡是觀察肉眼看不到的微小物體。高分辨率物鏡可通過待檢查的最小樣本的目鏡實現最佳圖像質量和各種放大倍率。精密的非球面鏡可以對各種結構進行快速、準確和詳細的放大。

    (6)非球面鏡應用于眼科學:眼科涉及眼睛的預防檢查、治療、診斷和術后控制。最先進的技術設備有助于快速檢測眼睛的疾病和變化,并確定治療方法。

    (7)非球面鏡應用于激光手術:激光已在現代醫學中確立為表征和治療身體變化和疾病的重要工具。 各種應用領域涵蓋從眼科到牙科的各個領域。 使用醫療激光器的基礎是精確聚焦、最佳光束集束和強大的激光保護的結合。

計量學:

    (1)非球面透鏡應用于紅外測距儀:紅外測距儀用于快速、精確地測量兩點之間的距離。

    (2)非球面鏡應用于光學計量:光學測量技術包括多種不同的測量方法。這些包括光障系統、激光距離測量、干涉測量、光學相干斷層掃描或顯微鏡。光學工業使用光學計量學,例如以干涉測量法的形式。光學測量方法通過高質量的光學元件等成為可能。隨著無成像誤差的非球面鏡的小型化趨勢,可以對越來越強大的光學器件提出非常高的要求。

    (3)非球面鏡應用于原子干涉法:高靈敏度和極其精密的儀器是復雜原子光學過程的先決條件。從光子到自由落體原子的有效相干脈沖傳輸只能通過激光束的恒定相位均勻性來實現。激光強度不均勻的結果是降低原子光學效率并降低對比度。

硒化鋅介紹

    硒化鋅材料是一種黃色透明的多晶材料, 結晶顆粒大小約為70μm, 透光范圍0.5-15μm。由化學氣相沉積(CVD)方法合成的基本不存在雜質吸收, 散射損失極低。由于對10.6μm波長光的吸收很小, 因此成為制作高功率CO2激光器系統中光學器件的首選材料。 此外在其整個透光波段內, 也是在不同光學系統中所普遍使用的材料。也用來制作全反射鏡,半反射鏡,擴束鏡,平場透鏡,中紅外鏡片,遠紅外10.6Um/CO2大小功率激光器上各種平凸透鏡,凸凹月牙切割透鏡,鍍金反射鏡,圓偏振鏡,擴束鏡,平場透鏡等。

    硒化鋅材料對熱沖擊具有很高的承受能力, 使它成為高功率CO2激光器系統中的最佳光學材料。硬度只是多光譜級ZnS的2/3, 材質較軟易產生劃痕, 而且材料折射率較大, 所以需要在其表面鍍制高硬度減反射膜來加以保護并獲得較高的透過率。在其常用光譜范圍內, 散射很低。在用做高功率激光器件時, 需要嚴格控制材料的體吸收和內部結構缺陷, 并采用最小破壞程度的拋光技術和最高光學質量的鍍膜工藝。廣泛應用于激光,醫學,天文學和紅外夜視等領域中。

硒化鋅合格指標

化學指標

化學成分主要從雜質方面對硒化鋅產品進行規定:

ZnSe:99.999% 

Cd:0.0001% Pb:0.0001% Sn:0.0001% Te:0.0001% Fe:0.0001%

Al:0.0001% In:0.0001% Ni:0.0001% Cu:0.0001% Ag:0.0001%  

總和:0.001%

    硒化鋅為由5N硒化氫和5N鋅通過化學氣相沉結(CVD)法合成的物質,合成方法本身也是個純化的過程,雜質主要考慮由硒合成的硒化氫及鋅在氣相沉積合成中帶來的雜質,其中鎘、鉛、錫、鐵、銀、鋁、銦、鎳、銅容易由鋅帶來雜質的影響,碲、鐵、銀、鎳容易由硒帶入所以對這些雜質做出要求和限制。

光學性能、熱力學、機械性能等技術指標:

    硒化鋅是一種廣泛應用于紅外夜視、激光、全反射鏡、半反射鏡等各種特征光學材料的新型材料,其優異的光學性能是由產品的光學性能、熱力學、機械性能等方面的指標決定的,硒化鋅的技術指標主要考慮硒化鋅作為一種光學材料來控制材料的指標要求

參數

     硒化鋅的用途廣泛,應用領域各不相同,折射率參數視不同要求而定,折射率的差別是通過鏡面拋光和鍍膜而實現。折射率溫度系數也叫折射率溫度變化率,一般以波長為10.6微米的光在硒化鋅溫度每變化一度時折射率的改變程度來衡量硒化鋅的折射率在不同溫度下的變化,從而確定硒化鋅的產品質量,以6.1*10-5/K為指標是綜合當今市場需求而制定的。投射率和光吸收系數均以10.6微米的波長為試驗光波長,因為在該波長條件下,光的投射和吸收能最充分反應硒化鋅光學材料的光學性能,可充分適應紅外、激光、反射等光學應用的要求。

    熱力學方面對于光學材料均以導熱系數(也叫熱傳導率)、比熱、熱膨脹系數為考量要求,硒化鋅是一種黃色透明的多晶材料,是一種光學材料,也同樣用導熱系數、比熱、熱膨脹系數作為主要的這種光學材料的要求。綜合國內外的硒化鋅的材料要求,把導熱率定為18W/m/℃,比熱定為0.356J/g/℃,熱膨脹系數定為7.57ppm/K

    機械性能是硒化鋅光學材料的特定要求。硒化鋅的理論密度為5.27g/cm3。楊氏模量為10.2Mpsi/8.9Mpsi、努氏硬度為105~120Kg/mm2滿足市場上各中用途的硒化鋅對這些指標的要求。而泊松比和密度則為該中光學材料的固有特性。

光學晶體選用

N-BK7:

    N-BK7是最常用的光學材料,從可見到近紅外(350-2000nm)具有優異的透過率,在望遠鏡、激光等領域有廣泛應用。N-BK7是制備高質量光學元件最常用的光學玻璃,當不需要紫外熔融石英的額外優點(在紫外波段具有很好的透過率和較低的熱膨脹系數)時,一般會選擇N-BK7。

紫外熔融石英:

    紫外熔融石英(JGS1,F_SILICA)從紫外到近紅外波段(185-2100nm)都有很高的透過率,在深紫外區域具有很高透過率,使其廣泛應用于紫外激光中。此外,與H-K9L(N-BK7)相比,紫外級熔融石英具有更好的均勻性和更低的熱膨脹系數,使其特別適合應用于紫外到近紅外波段,高功率激光和成像領域。

氟化鈣:

    由于氟化鈣(CaF2)在波長180nm-8um之內的透射率很高(尤其在350nm-7um波段透過率超過90%),折射率低(對于180 nm到8.0um的工作波長范圍,其折射率變化范圍為1.35到1.51)因此即使不鍍膜也有較高的透射。它經常被用做分光計的窗口片以及鏡頭上,也可用在熱成像系統中。另外,由于它有較高的激光損傷閾值,在準分子激光器中有很好的應用。氟化鈣與氟化鋇、氟化鎂等同類物質相比具有更高的硬度。

氟化鋇:

    氟化鋇材料從200nm-11um區域內透射率很高。盡管此特性與氟化鈣相似,但氟化鋇在10.0um 以后仍有更好的透過,而氟化鈣卻是直線下降的;而且氟化鋇能耐更強的高能輻射。然而,氟化鋇缺點是抗水性能較差。當接觸到水后,在500℃時性能發生明顯退化,但在干燥的環境中,它可用于高達800℃的應用。同時氟化鋇有著優良的閃爍性能,可以制成紅外和紫外等各類光學元件。應當注意:當操作由氟化鋇制作的光學元件時,必須始終佩戴手套,并在處理完以后徹底清洗雙手。

氟化鎂:

    氟化鎂在許多紫外和紅外應用中備受歡迎,是200nm-6um波長范圍內應用的理想選擇。與其它材料相比,氟化鎂在深紫外和遠紅外波長范圍尤其耐用。氟化鎂是一種強力的材料,可用于抵抗化學腐蝕、激光損傷、機械沖擊和熱沖擊。其材質比氟化鈣晶體硬,但與熔融石英比較相對較軟,并且具有輕微的水解。它的努氏硬度為415,折射率為1.38。

硒化鋅:

    硒化鋅在600nm-16um波段內具有很高透過率,常用于熱成像、紅外成像、以及醫療系統等方面。而且由于硒化鋅吸收率低,特別適用于大功率CO2激光器中。應當注意:硒化鋅材料相對較軟(努氏硬度為120),容易擦花,建議不要用于嚴酷環境。在手持、以及清潔時要加倍小心,捏持或擦拭時用力要均勻,最好帶上手套或橡膠指套,以防玷污。不能用鑷子或其它工具夾持。

硅:

    硅適合用于1.2-8um區域的近紅外波段。因為硅材料具有密度小的特點(其密度是鍺材料或硒化鋅材料的一半),在一些對重量要求敏感的場合尤為適用,特別在3-5um波段的應用。硅的努氏硬度為1150,比鍺硬,沒有鍺易碎。然而,由于它在9um處有強的吸收帶,因此并不適合用于二氧化碳激光器的透射應用。

鍺:

    鍺適合用2-16um區域的近紅外波段,很適合用于紅外激光。由于鍺具有高折射率、表面最小曲率和色差小的特性,在低功率成像系統中,通常不需要修正。但是鍺受溫度影響較為嚴重,透過率隨溫度的升高而降低,因此,只能在100℃以下應用。在設計對重量有嚴格要求的系統的時候要考慮鍺的密度(5.33g/cm3)。鍺平凸透鏡采用精密金剛石車床車削表面,這一特征使其非常適合于多種紅外線應用,包括熱成像系統、紅外線分光鏡、遙測技術和前視紅外(FLIR)領域中。

CVD 硫化鋅:

    CVD ZnS是除金剛石外,唯一透射波段覆蓋可見光到長波紅外,全波段乃至微波波段的紅外光學材料, 是目前最重要的長波紅外窗口材料(既可用作高分辨率紅外熱像系統的窗口和透鏡,也可用作“三光合 一”光窗、近紅外激光/雙色紅外復合光窗等先進軍事用途。

波段劃分

可見光 

    指能引起視覺的電磁波??梢姽獾牟ㄩL范圍在0.77~0.39微米之間。波長不同的電磁波,引起人眼的顏色感覺不同。0.77~0.622微米,感覺為紅色;0.622~0.597微米,橙色;0.597~0.577微米,黃色;0.577~0.492微米,綠色;0.492~0.455微米,藍靛色;0.455~0.39微米,紫色。 

紅外光譜(infrared spectra)

    指以波長或波數為橫坐標以強度或其他隨波長變化的性質為縱坐標所得到的反映紅外射線與物質相互作用的譜圖。按紅外射線的波長范圍,可粗略地分為近紅外光譜(波段為0.8~2.5微米)、中紅外光譜(2.5~25微米)和遠紅外光譜(25~1000微米)。對物質自發發射或受激發射的紅外射線進行分光,可得到紅外發射光譜,物質的紅外發射光譜主要決定于物質的溫度和化學組成;對被物質所吸收的紅外射線進行分光,可得到紅外吸收光譜。每種分子都有由其組成和結構決定的獨有的紅外吸收光譜,它是一種分子光譜。分子的紅外吸收光譜屬于帶狀光譜。原子也有紅外發射和吸收光譜,但都是線狀光譜。 

截圖20220708125613

紫外光譜 

    紫外光譜是分子中某些價電子吸收了一定波長的電磁波,由低能級躍近到高能級而產生的一種光譜,也稱之為電子光譜。目前使用的紫外光譜儀波長范圍是200~800nm。其基本原理是用不同波長的近紫外光(200~400nm)依次照一定濃度的被測樣品溶液時,就會發現部分波長的光被吸收。如果以波長λ為橫坐標(單位nm),吸收度 (absorbance)A為縱坐標作圖,即得到紫外光譜(ultra violet spectra,簡稱UV)。

截圖20220708125446

光學小知識

球面透鏡定義:

    把玻璃等透明物質磨成圓形薄片,使其兩表面都為曲面或有一面為平面即制成透鏡。其作用是通過它的兩個表面的折射使光束會聚或發散,以及在任何要求的位置形成物體的像。

    (1)主光軸。通過透鏡兩個球面曲率中心的直線,簡稱主軸。

    (2)光心。主軸上的一確定點,通過該點的光線射出透鏡時的光線和射入透鏡時的光線方向平行,但有側移??梢宰C明,透鏡的光心跟它的兩球面曲率中心的距離與兩曲率半徑成正比,因此,只有曲率半徑相等時,光心和透鏡中心才重合,一般情況下,光心的位置因兩球面曲率半徑的不同而有差異,并且光心不一定在透鏡內部。

    (3)副軸。即除主軸外,通過光心的其他直線都叫副軸。若透鏡厚度比兩球面的曲率半徑小得多,則叫做薄透鏡。

    (4)焦點。平行主光軸入射光束經透鏡折射后相交,或反向延長線相交的交點叫透鏡的主焦點,前者叫實焦點,后者叫虛焦點,通常用F表示,按焦點所在空間,把物方空間的焦點稱為物方焦點,又稱第一焦點,用F1表示; 把像方空間的焦點稱為像方焦點,又稱第二焦點,用F2表示。F1和F2分居透鏡兩側。

    (5)焦距。即薄透鏡中心(即光心) 到焦點的距離。第一焦距用f1表示,第二焦距用f2表示。對薄雙凸或雙凹透鏡f1=f2,所以一般只用f表示焦距。

    (6)焦平面,即通過透鏡主焦點且垂直于主光軸的平面。

    (7)副焦點。即平行于跟主光軸夾角不大的副光軸的光線經透鏡折射后會聚或發散光線的反向延長線會聚于該副軸上的一點,副焦點都在焦平面上。

透鏡比較

    雙凸:曲率越?,焦距越短。對稱特性使它的球差最?。當雙凸透鏡系統完全對稱時(1:1 放?),球差、惠差以及畸變均達到最?。凸透鏡主要?于聚焦或者像放?。

    平凸:光路中,曲??向平?光,平?朝向焦點。常被?來準直發散的光束或者復雜光路的聚焦。

    ??凸:它常跟別的透鏡配合使?以產?更長或者更短的焦距。例如將??凸透鏡放在?個平凸透鏡后以縮短焦距?不降低光學系統性能。它凹?的曲率略?于凸?的,?的是能產??個實相。

    負透鏡包括雙凹、平凹以及??凹(中?薄于邊緣)。

    雙凹透鏡,?來使光線發散和縮?像的尺?,也被?作增加光學系統的焦距和準直匯聚的光束。

    平凹透鏡,負焦距,產?虛像,可?作闊束或增?focal length 。

    ??凹透鏡,也叫凸凹透鏡,?作減少或消除透鏡間耦合時產?的附件的球差或惠差。

什么是焦距?

    焦距也稱為焦長,是光學系統中衡量光的聚集或發散的度量方式,指從透鏡中心到光聚集之焦點的距離。亦是照相機中,從鏡片光學中心到底片、CCD或CMOS等成像平面的距離。具有短焦距的光學系統比長焦距的光學系統有更佳聚集光的能力。

    凸透鏡(convex lens)能成像,一般用凸透鏡做照相機的鏡頭時,它成的最清晰的像一般不會正好落在焦點上,或者說,最清晰的像到光心的距離(像距)一般不等于焦距,而是略大于焦距。具體的距離與被照的物體與鏡頭的距離(物距)有關,物距越大,像距越小,(但實際上總是大于焦距)。

焦距



什么是透鏡的曲率半徑?

    透鏡是前后兩個表面都是彎曲形狀的,前后兩個完全的表面就相當于一個球面的一部分,那么這個球面一定有一個半徑,這個半徑就是透鏡的曲率半徑,通常分為前后表面各自的曲率半徑。

透鏡的焦距和曲率半徑關系

    對在空氣中厚度為d,曲率半徑為R1和R2的透鏡,有效焦距為:

    1/f=(n-1)[1/R1-1/R2+(n-1)d/nR1R2] 

    此處n是透鏡材料的折射率,數值1/f就是這個透鏡的光學倍率,f是焦距??梢?,透鏡材料的折射率n越小,透鏡的焦距越大。

    焦距以最常見的標示習慣,如果第一個表面的透鏡是凸透鏡,R1的數值是正值,如果是凹透鏡則是負值;如果第二個表面是凹透鏡,R2的數值是正值,如果是凸透鏡則是負值。要注意的是,即使如此,不同的作者仍可能會有不同的標示習慣。

    對一個球形曲率的鏡子,焦距等于鏡子的曲率半徑的一半。凸面鏡的焦距是正值,凹面鏡的焦距是負值。

曲率

曲率半徑介紹

    曲率半徑主要是用來描述曲線上某處曲線彎曲變化的程度,特殊的如:圓上各個地方的彎曲程度都是一樣的故曲率半徑就是該圓的半徑;直線不彎曲,和直線在該點相切的圓的半徑可以任意大,所以曲率是0,故直線沒有曲率半徑,或記曲率半徑為無窮。

    圓形半徑越大,彎曲程度就越小,也就越近似于一條直線。所以說,曲率半徑越大曲率越小,反之亦然。

    如果對于某條曲線上的某個點可以找到一個與其曲率相等的圓形,那么曲線上這個點的曲率半徑就是該圓形的半徑(注意,是這個點的曲率半徑,其他點有其他的曲率半徑)。

    也可以這樣理解:就是把那一段曲線盡可能地微分,直到最后近似為一個圓弧,此圓弧所對應的半徑即為曲線上該點的曲率半徑。

光潔度說明

表面光潔度的定義及檢測

    表面光潔度、表面粗糙度和表面平整度是三個容易相互混淆的概念。表面光潔度從嚴格意義上來說是表面粗糙度的另一稱法,但這兩者的概念還是有所區別。表面光潔度是基于人的視覺所提出來的概念,而表面粗糙度是由于元件在加工的過程中刀具與元件表面摩擦或高頻振動在光學元件表面形成微觀幾何形狀來定義的。由于光學元件表面粗糙度計算比較復雜,因此,借助光源使用肉眼觀察光學元件的光潔度更直觀的來檢測光學質量。

    隨著精密激光技術的不斷發展,對表面光潔度的要求越來越高。尤其在高功率激光系統中,光學元件的表面質量是限制其進一步發展的重要因素之一。光學元件表面質量的好壞會直接影響整個光學系統的性能,想要使光學儀器設備能更高效地工作,不僅要在加工時注意光學元件的表面質量,還要做好對成品元件的檢測工作,因此如何更好地檢測光學鏡片光潔度將成為重要指標之一。

檢測

一、表面光潔度檢驗方法

    1、中國標準規定,檢驗時應以黑色屏幕為背景,光源為36V、60W~108W的普通白熾燈泡,在透射光或反射光下用4×~10×放大鏡觀察。

    2、俄國標準規定,檢驗時光源為60W~100W的普通白熾燈泡,在透射光或反射光下觀察。檢驗像面附近的光學表面時應采用不小于6×放大鏡,檢驗Ⅰ~Ⅲ級的光學表面時應采用不大于6×放大鏡,檢驗低于Ⅳ級的光學表面時不采用放大鏡。

    3、美軍標準規定,方法1:檢驗時以磨砂玻璃為背景觀察零件,光源為40W的日光燈,放在玻璃后面3cm

處。玻璃正面放2根以上的無光澤橫條與玻璃接觸;橫條約占玻璃面積一半;方法2:40γ的日光燈的燈光透過磨砂玻璃后再透過零件,借助零件表面散射光觀察疵病。觀察時應以黑色為背景。

二、表面光潔度的定義及判定方法

    表面缺陷標準:根據美國軍方標準《MIL-O-13830B》,用兩組數字表示表面缺陷大小。例如40-20,前者限制劃痕大小,后者限制麻點大小。道子、亮路、傷、擦痕都統稱為劃痕。斑點、坑點、點子 都稱為麻點。規定長與寬的比大于4:1的為劃痕;長與寬的比小于4:1的為麻點。

圖1


    當元件的不同區域表面光潔度要求不一樣時,計算等效直徑應以區域進行,即表面質量要求高的內區域其等效直徑以內區域為準(如有效孔徑的區域);表面質量要求低的外區域計算為整體元件的等效直徑。

表面粗糙度對零件的影響主要表現在以下幾個方面:

    1、影響耐磨性。表面越粗糙,配合表面間的有效接觸面積越小,壓強越大,摩擦阻力越大,磨損就越快。

    2、影響配合的穩定性。對間隙配合來說,表面越粗糙,就越易磨損,使工作過程中間隙逐漸增大;對過盈配合來說,由于裝配時將微觀凸峰擠平,減小了實際有效過盈,降低了連接強度。

    3、影響疲勞強度。粗糙零件的表面存在較大的波谷,它們像尖角缺口和裂紋一樣,對應力集中很敏感,從而影響零件的疲勞強度。

光圈

    光圈,PV,rms,這幾個詞在光學加工中經常遇到,但不同的人有不同的理解,甚至同一個公司的人都難以達成一致的理解.

    一般評價表面面形主要有三種,光圈 局部光圈;干涉儀計算得到的 pv rms; 還有就是ISO10110-5里面的一些指標

檢測2

光圈理解為參考和被測之間的半徑差:

    樣板法時不管是平面樣板還是球面樣板,如果成圈了,那么個圈(一個條紋間隔)代表0.5個波長面形,如果干涉儀測時,如果成圈,那么分兩種情況,測平面時可以從單幅干涉圖得到光圈,但測球面時,是無法測到光圈的,就是說,干涉儀測球面時是測不出光圈的,要想得到球面的半徑差,需要配以測長裝置。因為干涉儀的標準球面鏡只提供標準球面波,而這個球面波是任意半徑的,而樣板法標準球面,提供一個半徑固定的標準球面。

上面說的是N

    第二就是像散差了,他表示光學表面和參考表面之間兩個互相垂直方向上光圈數不等所對應的偏差,兩個方向的N相減,還要看光圈的符號

    比如,橢圓形狀像散時,兩個方向N符號是相同的,馬鞍形狀像散時,兩個方向N符號是相反的

局部光圈 

    就是局部不規則度 所對應的局部偏差。主要看局部條紋偏移量和理想條紋間隔之間的比值。

    干涉儀一般測量后得到的是PV值和rms值,pv值對應的是波面 峰值和谷值之間的差,或者認為和塌邊和翹邊指和,而局部光圈呢,是塌邊和翹邊之間的最大值。單單用pv值來評價有時候很不客觀。rms是一種統計量,主要是看波面的變化緩慢,rms值反映波面可能更客觀。

    ISO 10110-5里面把干涉儀得到的波面分成 sag 和 IRR(不規則度),IRR有分為旋轉對稱和非旋轉對稱。其中對于平面來講,sag對應于半徑差,和光圈有點像,也對應于power值(只是接近),IRR 就是扣除sag后的波面,和局部光圈有點像。上面說了干涉儀測不出球面光學元件的光圈,所以干涉儀測球面只能得到IRR,要想得到sag可以通過配以測長裝置,或者用球徑儀測,然后輸入參考半徑和比較半徑,就可以算出。

    PV鏡片表面上凸凹不平的最高點和最低點的差值,而irregularity是局部光圈吧,我們考量某鏡片的局部光圈數是同一條干涉條紋不規則部分偏離規則部分的比值,但它不一定是最高點和最低點的差值,肯定小于等于!

    光圈不滿一個時,大概可分為兩種,一種是光圈變成直線了,我們習慣稱其為零個光圈.

    另一種是成弧線的,我們習慣稱其為半個光圈.

    光圈:鏡片和樣板放在一起的時候會形成干涉條紋,成圓環形。圓環的個數既是光圈數。

    PV:鏡片表面上最高點和最低點的差值。RMS:鏡片表面上那些坑坑包包差值的平均值。

鍍膜工藝

光學鍍膜概念及原理

    鍍膜是用物理或化學的方法在材料表面鍍上一層透明的電解質膜,或鍍一層金屬膜,目的是改變材料表面的反射和透射特性,達到減少或增加光的反射、分束、分色、濾光、偏振等要求。常用的鍍膜法有真空鍍膜(物理鍍膜的一種)和化學鍍膜。光學零件表面鍍膜后,光在膜層層上多次反射和透射,形成多光束干涉,控制膜層的折射率和厚度,可以得到不同的強度分布,這是干涉鍍膜的基本原理。

鍍膜

光學薄膜分類:

    增透膜:硅、鍺、硫化鋅、硒化鋅等基底較多,氟化物較為少見。

    單波長、雙波長、寬帶

    反射膜:分介質與金屬反射膜,金屬反射膜一般為鍍金加保護層。

    半反射、單波長、雙波長、寬帶

    硬碳膜 :也叫DLC膜,一般鍍在硅、鍺、硫系玻璃外表面,做保護/增透作用, 產品另一側一般要求鍍增透膜。 

    分光膜 :有些要求特定入射角情況下,可見光波段反射,紅外波段透過,多用于光譜分析中。

    45度分光片、雙色分束、偏振分束片&棱鏡

    濾光膜:寬帶、窄帶

    激光晶體膜:YAG/YV04/KTP/LBO/BBO/LIND03

    紫外膜-增透:193/248/266/308/340/355,鋁反射180-400nm 

    紅外膜:CO210.6UM/YAG2940NM/SI&GE&ZNSE&ZNS

增透膜波長選擇表

增透膜

標準可見光增透膜曲線

3333

標準紅外光增透膜曲線

222截圖20220708140017

高反射膜

金屬鏡(Metallic Mirror)

    成本較低,反射波段較寬。

    一般用于反射率要求不是特別高,但是波段很寬的應用。

    因為存在部分吸收,因此限制了其在激光領域的應用。

全介質反射鏡(Dielectric HR coatings )

    成本較高,反射波段較窄。

    反射率可以做到很高。

    反射波段范圍有限,如加大反射波段范圍,膜層鍍制難度將提高。

    膜層較厚,應力較大,存在膜層脫落風險。

截圖20220708140358截圖20220708140407

鍍膜基片

    指在什么材質上鍍膜?;淄鞘褂铆h境和用途決定。常見的鍍膜基底選擇? 如氣體分析保護金多用氟化鈣基底,普通反射鏡用浮法玻璃,激光腔鏡用硅基底,紅外濾光片多用硅鍺,可見及近紅外多是玻璃,無氧銅多是鎳和金等。

    氟化鈣,氟化鋇,氟化鎂,藍寶石,鍺,硅,硫化鋅,硒化鋅,硫系玻璃,N-BK7,熔融石英等

鍍膜材料

    附著在基底上的起到透射,反射,分光等作用的材料,可能是光學材料如硫化鋅、氟化鎂等,也可能是金屬,如鋁金等。目前成熟大批量光學鍍膜材料多是顆粒狀或是藥片狀,也有整塊晶體鍍膜靶材;金屬鍍膜材料多是絲及塊狀;基底,用途,和鍍膜指標決定用什么鍍膜材料。

鍍膜工序和設備

清洗設備:

    超聲波清洗機:指清洗和烘干一體化的,可直接裝盤鍍膜。同時這個機器必須在潔凈空間使用;

光學鏡片的超聲波清洗技術

    在光學冷加工中,鏡片的清洗主要是指鏡片拋光后殘余拋光液、黏結劑、保護性材料的清洗;鏡片磨邊后磨邊油、玻璃粉的清洗;鏡片鍍膜前手指印、口水以及各種附著物的清洗。

    傳統的清洗方法是利用擦拭材料(紗布、無塵紙)配合化學試劑(汽油、乙醇、丙酮、乙醚)采取浸泡、擦拭等手段進行手工清擦。

這種方法費時費力,清潔度差,顯然不適應現代規?;墓鈱W冷加工行業。這迫使人們尋找一種機械化的清洗手段來代替。于是超聲波清洗技術逐步進入光學冷加工行業并大顯身手,進一步推動了光學冷加工業的發展。

    超聲波清洗技術的基本原理,大致可以認為是利用超聲場產生的巨大作用力,在洗滌介質的配合下,促使物質發生一系列物理、化學變化以達到清洗目的的方法。

    當高于音波(28~40khz)的高頻振動傳給清洗介質后,液體介質在高頻振動下產生近乎真空的空腔泡,空腔泡在相互間的碰撞、合并、消亡的過程中,可使液體局部瞬間產生幾千大氣壓的壓強,如此大的壓強使得周圍的物質發生一系列物理、化學變化。

工藝流程:

  鍍膜流程

等離子增強化學氣相沉積 (PECVD):

    是借助微波或射頻等使含有薄膜組成原子的氣體電離,在局部形成等離子體,而等離子體化學活性很強,很容易發生反應,在基片上沉積出所期望的薄膜。因為利用了等離子的活性來促進化學反應,PECVD可以在較低的溫度下實現

粒子輔助


等離子輔助氣相沉積

    目前DLC膜常用制備方法。采用射頻技術(RF-PACVD)將通入的氣體(丁烷、氬氣)離化,在極板自偏壓(負)的吸引下,帶正電的粒子向基板撞擊,沉積在基板表面。

原理圖


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