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瞭解光學規格
Edmund Optics Inc.

瞭解光學規格

製造規格 | 表面規格 | 材料規格

在元件或系統的整個設計和製造過程中,都會利用光學規格,以決定元件或系統符合特定效能需求的特性。光學規格實用的原因有二:一是指定可接受的關鍵參數限制,用於規範系統效能;二是指定製造時應投入的資源量(亦即時間和成本)。

光學系統可能遭遇規格過低或過高的問題;這兩者都會造成不必要的資源支出。如果並未妥善定義所有必要參數,就會造成規格過低,導致效能不彰。如果系統定義過於緊密,沒有考量光學或機械需求的任何變化,就會造成規格過高,導致成本增加或提升製造難度。

為了瞭解光學規格,首先必須掌握光學規格的意義。由於光學規格持續增加,為了簡單起見,請考量透鏡反射鏡窗鏡最常見的製造、表面及材料規格。此外濾光片偏振器稜鏡分光鏡光柵光纖也共用其中許多的光學規格,所以瞭解最常見的規格,是瞭解幾乎所有光學產品的理想基礎。

製造規格

直徑公差

圓形光學元件的直徑公差,可提供可接受的直徑值範圍。這項製造規格不一,取決於製造光學元件特定光學工場的技術和能力。雖然直徑公差不會對光學元件本身的光學效能造成任何效應,不過這是非常重要的機械公差,如果光學元件需要安裝在任何支撐架上,就需要列入考量。舉例來說,如果光學透鏡直徑與標稱值不符,則機械軸與光學軸在安裝組件中就可能轉移,導致出現偏心情況(圖 1)。一般的製造直徑公差為:一般品質為 +0.00/-0.10 mm、精密品質為 +0.00/-0.050 mm,高品質為 +0.000/-0.010 mm。

Decentering of Collimated Light
圖 1: 平行光偏心

中心厚度公差

光學元件的中心厚度(特別是透鏡),是指在中心測量所得的元件材料厚度。中心厚度是跨越透鏡機械軸測量所得,定義為確切位於透境外緣之間的軸。透鏡中心厚度變化可能影響光學效能,因為中心厚度和曲率半徑將決定光線通過透鏡的光學路徑長度。一般的製造中心厚度公差為:一般品質為 +/-0.20 mm、精密品質為 +/-0.050 mm,高品質為 +/-0.010 mm。

曲率半徑

曲率半徑的定義為光學元件頂點與曲率中心之間的距離。曲率半徑可能是正值、零或負值,需視表面為凸、平或凹而定。瞭解曲率半徑有助於判定光線通過透鏡反射鏡的光學路徑長度,不過曲率半徑也是判定表面屈光度的重要因素。曲率半徑的製造公差一般為 +/-0.5%,不過在精密應用最低可達 +/-0.1%,如果需要超高品質,則為 +/-0.01%。

定心

透鏡定心(也就是共軸或偏心)是以光束偏差 δ 的方式所定義(公式 1)。得知光束偏差後,就可利用簡單的關聯計算出楔形角 W(公式 2)。透鏡偏心量是指機械軸距離光學軸的實體轉移程度。透鏡機械軸就是單純的透鏡幾何軸,依據透鏡的外部柱面定義。透鏡光學軸依據光學表面定義,是連接表面曲率中心的線條。進行共軸測試時,會將透鏡置於夾具環上並施加壓力。在透鏡所施加的壓力,會自動讓第一表面的曲率中心位在夾具環的中心,並與旋轉軸對齊(圖 2)。沿著此旋轉軸引導的平行光,將通過透鏡在焦平面後方聚焦。以旋轉夾具環的方式讓透鏡旋轉時,透鏡的任何偏心將造成聚焦光束發散,並在後方焦平面描繪出半徑 Δ 的圓形(圖 1)。

Test for Centration
圖 2: 共軸測試

 

(1)$$ \delta = \frac{\Delta}{f} $$

 

(2)$$ W = \frac{\delta}{ \left( n - 1 \right)} $$

 

其中 W 為楔形角度,通常以弧分為單位回報,而 n 則是折射率。

平行能力

平行能力說明兩個表面彼此之間的平行程度,可有效協助指定窗鏡偏振器等平行表面有利於系統效能的元件;這是因為平行能夠盡可能減少畸變,以免降低影像或光線品質。一般公差範圍在 5 弧分至幾弧秒之間。

角度公差

稜鏡分光鏡等元件中,表面之間的角度對光學效能至關重要。角度公差一般是以準直儀組件測量;準直儀的光源系統會發射平行光。準直儀會環繞光學表面旋轉,直到產生的菲涅耳反射回到準直儀之中,並在檢測表面頂端產生光斑為止。這樣可驗證平行光束是否完全以法向入射到達表面。接下來整個準直儀組件會環繞光學元件旋轉,前往下一個光學表面,並重複進行相同程序。圖 3 顯示測量角度公差的一般準直儀設定。兩個測量位置之間的角度差異,用於計算兩個光學表面之間的公差。角度公差可達到數弧分的程度,最低則可達到數弧秒。

Autocollimator Setup Measuring Angle Tolerance
圖 3: 測量角度公差的準直儀設定

斜邊

玻璃角落非常脆弱,因此在搬運或安裝元件時,保護玻璃角落非常重要。保護玻璃角落最常見的方式,就是將邊緣製作為斜邊。斜邊可作為保護倒角,預防邊緣缺口。斜邊是以其面的寬度和角度定義(圖 4)。

Bevel on an Optical Lens
圖 4: 光學透鏡上的斜邊

斜邊最常切割為 45°,面的寬度則是由光學元件直徑判定。如果是微型透鏡或微型稜鏡等直徑小於 3.00mm 的光學元件,一般並不會製作斜邊,因為可能會在過程中產生邊緣缺口。另外有一點很重要,在曲率半徑小的情況下,例如直徑 ≥ 0.85 x 曲率半徑的透鏡,由於透鏡表面與邊緣之間具有大角度,因此不需要斜邊。至於所有其他直徑,最大的面寬度請參閱表 1。

表 1:斜邊公差
直徑斜邊最大面寬度
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

通光孔徑定義為必須符合規格的光學元件直徑或尺寸。如果在規格範圍之外,製造商就不保證光學元件能夠遵循其中載明的規格。由於製造限制的緣故,幾乎不可能製造出完全等於光學元件直徑或長度乘寬度的通光孔徑。一般的透鏡通光孔徑請參閱表 2。

Graphic Indicating Clear Aperture and Diameter of a Filter
圖 5: 以圖形顯示濾光片的通光孔徑及直徑

 

表 2:通光孔徑公差
直徑通光孔徑
3.00mm – 10.00mm 90% 直徑
10.01mm - 50.00mm 直徑 – 1mm
≥ 50.01mm 直徑 – 1.5mm

 

表面規格

表面品質

光學表面的表面品質用於說明外觀,並包括刮痕、凹陷或刺孔等瑕疵。在大部分情況下,前述表面瑕疵純粹為外觀瑕疵,不會對系統效能造成重大影響,不過可能導致系統小幅度損失光通量,並略微增加散射光。不過特定表面對這類效應更加敏感,例如:(1) 影像平面的表面,因為瑕疵位於焦點,以及 (2) 具有高度屈光度的表面,因為瑕疵可能造成增加吸收能量,導致光學元件損壞。表面品質最常見的規格,是以 MIL-PRF-13830B 說明的刮痕刺孔規格。刮痕的指定方式,是在接受控制的照明條件下,將表面刮痕與一組標準刮痕進行比較。因此刮痕指定並不是說明刮痕本身,而是依據 MIL 規格與標準化刮痕進行的比較。不過刺孔指定確實與刺孔或表面的小型凹痕直接相關。刺孔指定的計算方式,是將以微米為單位的刺孔直徑除以 10。一般將 80-50 的刮痕刺孔規格視為標準品質,60-40 為精密品質,20-10 則為高精密品質。請在此進一步瞭解表面品質

表面平整度

表面平整度是一種類型的表面準確度規格,測量反射鏡窗鏡稜鏡平面透鏡等平整表面的偏離程度。偏離程度可利用光學平板玻璃加以測量;光學平板玻璃是高品質、高精密的平整參考表面,用於比較測試項目的平整度。如果將受測光學元件的平整表面置於光學平板玻璃的對面,就會顯示條紋,可透過其形狀指出接受檢測光學元件的表面平整度。如果條紋間距相等、筆直且平行,則接受測試的光學表面就至少與參考光學平板玻璃一樣平整。如果條紋彎曲,則兩條虛擬線條之間的條紋數量,就代表平整度誤差;前述虛擬線條一條正切至條紋中央,另一條則通過相同條紋的末端。平整度偏離程度通常是以波值 (λ) 計算,也就是測試來源波長的倍數。一個條紋相當於 ½ 的波。1λ 平整度為一般等級,λ/4 平整度為精密等級,λ/20 則為高精密等級。

屈光度

屈光度是一種表面精度規格,適用於彎曲的光學表面,或具有屈光度的表面。其測試方法類似於平整度,也就是將彎曲表面與高度校正曲率半徑的參考表面進行比較。干涉的條紋圖案依據兩個表面之間氣隙所引起的相同干涉原理,說明測試表面與參考表面之間的偏離程度(圖 6)。與參考品之間的偏離程度,將會產生一系列的環,也就是所謂的牛頓環 (Newton’s Rings)。環的數量越多,偏離程度就越高。深色或淺色環的數量(不是淺色及深色的總和)相當於誤差波數的兩倍。

Figure 6: Power error tested by comparing to a reference surface or using an interferometer
圖 6: 比較參考表面或使用干涉儀以測試屈光度誤差。

屈光度誤差與下列公式的曲率半徑誤差有關,其中 ∆R 為半徑誤差、D 為透鏡直徑、R 為表面半徑,而 λ 則為波長(一般為 632.8nm):

(3)$$ \text{Power Error} \left[ \text{waves or } \lambda \right] = \frac{\Delta \, R \, D^2 }{8 \, R^2 \, \lambda} $$

不規則度

不規則度是一種表面精度規格,說明表面形狀與參考表面形狀之間的偏離程度,可透過與屈光度相同的測量方式取得。不規則度代表在比較測試表面與參考表面時,所形成環狀條紋的球形度。如果表面屈光度超過 5 個條紋,就很難偵測 1 個條紋以下的小型不規則度。因此常見的實務作法,是以大約 5:1 的屈光度與不規則度比例指定表面。如需更多光學平板玻璃的詳細資訊,以及如何解讀測試表面平整度、屈光度及不規則度的條紋圖案,請參閱光學平板玻璃

表面光度

表面光度也稱為表面粗糙度,是在表面測量小規模的不規則度;這通常是拋光製程期間不幸產生的副產品。粗糙表面的磨損速度比平滑表面更快,而且可能不適合部分應用,特別是具有雷射或產生高熱的應用,因為可能會在小型裂縫或瑕疵之中產生成核作用。表面光度的製造公差範圍包括一般品質的 50Å RMS、精密品質的 20Å RMS,以及高品質的 5Å RMS。

材料規格

折射率

介質的折射率是指真空中光速與介質中光速的比率。一般的玻璃折射率在 1.4 - 4.0 之間;可見光玻璃的折射率範圍,比紅外線最佳化玻璃的折射率範圍低。例如 N-BK7(熱門的可見光玻璃)的指數為 1.517,而(熱門的 IR 玻璃)折射率則為 4.003。如需更多資訊瞭解紅外線材料,請參閱適合紅外線 (IR) 應用的正確材料。光學玻璃的折射率是重要屬性,因為光學玻璃的屈光度,是由表面的曲率半徑,以及表面兩側介質折射率的差異所得出。非同質性是由玻璃製造商指定,說明玻璃中折射率的變異情形。非同質性是依據不同等級指定,其中等級與非同質性為逆相關,也就是等級增加,非同質性就會下降(表 3)。

表 3:非同質性規格
非同質性等級折射率允許變異最大值
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

阿貝數

另一項玻璃的材料屬性為阿貝數,用於量化玻璃的色散量。阿貝數是材料在 f (486.1nm)、d (587.6nm) 及 c (656.3nm) 波長的折射率函數(公式 3),

(4)$$ v_d = \frac{n_d - 1}{n_f - n_c } $$

 

一般的阿貝數數值為 25 – 65。玻璃阿貝數如果超過 55(色散較少)就視為冕牌玻璃,而阿貝數低於 50(色散較多)的玻璃則視為火石玻璃。由於色散緣故,玻璃折射率會隨波長而有所不同。其中最值得注意的後果,就是實際上系統的焦距長度,會隨不同的光線波長而略有不同。如需更多詳細資訊瞭解折射率及阿貝數等重要材料規格,請參閱光學玻璃

雷射損傷閾值

雷射損傷閾值是指表面在受損之前,每區域所能承受的最高雷射功率。本項數值提供給脈衝雷射及連續波 (CW) 雷射。雷射損傷閾值是非常重要的反射鏡材料規格,因為反射鏡比任何其他光學元件更常搭配使用雷射產品;不過任何雷射級的光學元件都會提供閾值。舉例來說,如果摻鈦藍寶石雷射反射鏡的損傷閾值等級為 0.5 J/cm2(在 150 飛秒脈衝及 100kW/cm2 CW 情況下),就代表反射鏡能夠承受高重複飛秒脈衝雷射每平方公分 0.5J 的能量密度,或是高功率 CW 雷射每平方公分 100kW 的能量密度。如果雷射集中在較小區域,就必須進行適當考量,確保整體閾值不會超過指定數值。

雖然還有一系列其他的製造、表面及材料規格,瞭解最常見的光學規格可大幅減少困惑。由於透鏡反射鏡窗鏡濾光片偏振器稜鏡分光鏡光柵光纖共用各種不同屬性,因此瞭解以上元件如何彼此關聯以及對整體效能的影響方式,有助於選擇最理想的元件,以便整合至各種光學、成像或光電應用。

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