光学元件的中心偏差-柱面透镜

发布时间：

2024-06-25

1 引言

随着现代光学的发展，柱面透镜元件在光学系统中获得了越来越多的应用。在本文中，我们将对柱面元件的特点，柱面透镜中心偏差的定义和测试方法做详细的介绍，来使大家熟悉这一种相对比较特殊的元件，从而在实际中更好的应用它。

2 柱面透镜及其应用

柱面，就是从一个圆柱的外侧竖直切下来的表面，它在一个方向上有圆弧半径，剖线是一段圆弧线，而在相对垂直的方向上曲率是无穷，即剖线是一条直线。通常所说的柱面透镜，它的一个面是柱面，另一个表面是平面或者球面，常见的平凸柱面透镜如下图所示：

对于平凸透镜，它可以在光路中，将入射到表面的平行光束，汇聚成一条线，其效果如下图所示：

柱面镜因为具备在单一方向上的光束汇聚和发散的特点，因此被广泛应用在光束线状整形的场合，比如我们常见的条形码扫描设备，里面就会用到柱面透镜。常见的应用还有电影放映、传真机、医疗成像、汽车影像、激光整形等领域，都有柱面镜的身影。

除了常见的平凸、平凹、双凸或双凹透镜外，随着光学制造工艺的进步，柱面非球面也逐渐在实际中获得了应用，该类产品的柱面剖线是一个非球面，因此可以在光学系统中获得更好的成像性能。

3 柱面透镜中心偏差

我们首先了解柱面的母线与准线的概念，一个柱面，可以看作是一条直线沿着给定的圆弧线平行移动而形成的曲面，这里的直线称为柱面的母线，而圆弧面称为柱面的准线，如下图所示：

我们以一个常见的矩形柱面为例，来介绍柱面的中心偏差的产生原因。根据柱面镜三视图的特点，在一个侧视图方向观察柱面镜时，没有圆弧，因此我们称该侧视方向为无弧面方向，而从另一个侧视图观察时，就存在一个弧面，我们称该方向为弧面方向，如下图所示。

在柱面镜的制造中，不可避免的存在制造误差，表现在从各个方向观察时，存在对应的偏离。例如，从无弧面方向观察时，理想情况下，圆柱面的母线与背面的平面是平行的，然而由于制造误差，通常情况下，圆柱的母线与背面平面会有一定的楔角，如下图所示：

在弧面方向上，理想情况下，圆弧面的两侧边缘相对于背面平面是等高度的，实际中，可能会存在不等厚的情况，如下图所示，这种情况说明圆弧面有一定的偏差。

另外，在柱面透镜的制造中，会存在柱面的母线与两侧平面不平行的情况，实际的母线与理想的母线存在一定的倾斜角度，称为Twist，该误差的存在，也会影响到透镜的实际使用性能，这种情况如下图所示，在正对柱面表面观察时，母线有一定的倾斜：

综上可以看出，柱面镜的中心偏差会以多种形式存在，因此，我们有必要采用合适的手段，来测试它的中心偏差。

4 柱面透镜中心偏差的检测方法

A、打表法

从上一节的介绍中，我们可以看到，在各个方向上，都有可能存在制造误差，而这些误差，也都会间接反映到柱面透镜的边缘厚度上，因此，可以通过在透镜精磨和抛光阶段，利用百分表或千分表测试相对应位置的边缘厚度，来判断柱面透镜中心偏差的大小，这也是光学车间最常用的检测方法。在一些柱面透镜的图纸上，也常常采用定义相对应位置的厚度差大小，来约束产品的中心偏差。

B、激光照射法

除了打表法外，还可以利用激光照射法来检验柱面镜的中心偏差，其光路原理图如下图所示：

在上图中，由氦氖激光器出射的光束，通过一个带有小孔的屏后，入射至被检验的柱面透镜上，调整柱面镜的上下平移与左右平移，和两个方向的俯仰与扭转，使得透镜前后两表面的反射光点尽量反射到小孔的附近，当柱面镜的中心偏差较大时，两个反射点在屏上的相互距离会偏大，反之，当柱面镜的中心偏差比较小时，两个光点的距离也会缩短。因此，利用这一方法，取两个反射点的最小间距，就可以测量和控制柱面镜的中心偏差的大小。

C、自准直检验法

实际中，还可以通过自准直检验法来测试柱面透镜的中心偏差，目前市面上已经有相应的检测设备出售，其中，用于平凸柱面镜测试的光路图如下所示：