光学元件加工技术

第一章光学理论分析光学系统是由透镜组合而成，本章主要叙述光的基本原理，透镜的几何光学成像理论，以及像差的问题，当中并以光学厂实际生产的镜头为例子，辅以印证理论。1-1基本原理光是自然界的产物，以下就光的特性以及物理量加以说明。1-1.1可见光可见光是电磁波谱之一部份，人的眼睛可视为是电磁波接收器，工作于此波段并依此定义出可见光。在光学中常用奈米(nanometer；1nm=1×10-9m)为波长单位，图1-1显示可见光中心区域波长约为550nm，颜色为黄绿色。视力灵敏曲线在长波长及短波长处渐趋近于轴。一般定视力灵敏度降至其最大值的1%处为极限，两极限的波长值分别约为430nm和690nm。在此限度外之辐射若强度够的话，眼睛仍能探测到；若强度弱时，在许多物理实验中可用照相底片或感光灵敏之电子探测器代替人眼。因光同时具有波和粒子的特性，一般物理现象的解释则采用适性策略：对于光的行进以电磁波解释，对于光的吸收与辐射，则以粒子特性来处理。一般基础光学依光的性质和实验结果分为三类：1.几何光学：将光视为粒子处理，但考虑的是整体特性表现，亦即对光的描述是用光线（ray）的集合－光束（lightbeam），以及物点、像点等概念。2.量子光学：将光视为粒子处理，但探讨的是各别粒子本质。3.波动光学：将光视为电磁波处理，本领域又称物理光学。本论文研究的对象是精密光学组件，因此以几何光学为应用基础。1-1.1光源和光速物体本身能发光的，如太阳、火焰、电灯、雷射称为光源（luminoussource）。藉由光源照射物体而反射光线，方能使我们感觉物体的存在。光线可看做是由许多光子（photon）所组成，至于光束则是由许多光线汇集而成的光束线。光在真空中，具有最大的速度，用符号c代表光在真空中的速度，是自然界的常数：c=299,792.5km/s≒30万公里/秒。1-1.2光度与照度光源的发光强度称为光度（luminousintensity）。以鲸油脂制成的蜡烛，每小时燃烧120格冷（1grain≒0.0648克），所发出的光度，定为一国际烛光。光源每单位时间所辐射出来的能量，为此光源之辐射通量，只有某小部份（波长从400nm到700nm）的辐射通量能使人眼感觉其存在，此部份的辐射通量称之为光通量（luminousflux），单位为流明（lumen）。一标准烛光的光源，在一立体弧度角内所通过的光通量，称为一流明。物体被照射时，在与光线垂直的表面上，单位面积所受到的光通量称为照度（illuminance），单位为流明/公尺2。1-1.3光的直线传播在均匀的介质中，光前进的方式是以直线的方式而行，早期的针孔像机（pinholecamera）利用针孔成像的原理装成，足以证明光是直线前进的，观察像面上所成的像，是上下颠倒并且左右相反，像高与针孔至像面距离成正比关系，没有像差问题，且有相当程度的景深效果，如此看来针孔像机近似完美的光学系统，但是针孔非常地小，亮度却是一大问题，且分辨率将受限于绕射极限。1-1.4折射率光学中折射率是一个非常重要的量，用符号n表示。介质折射率的大小定义成光在真空中的速度与光在介质速度中的比值n＝cv，………………………………………….（1-1.1）式中n表示折射率，c表真空中之光速，v表光在介质中之速度。光在水中的速度是光速的四分之三，所以水的折射率约为1.3，而一般光学玻璃的折射率约为1.5，至于空气n～1。折射率还有一个特性，介质中的折射率会随着光波波长而改变，这种关系也就是引起色散（dispersion）现象的原因。1-1.5光程光程（opticalpath简称op）也是光学中一个非常重要的量，对一个均匀介质而言，它的定义是介质折射率n与实际光线所行走路径s的乘积op＝ns。…………………………………………（1-1.2）若光所经过的是由m种不同折射率所构成的均匀介质层，那么光从1到m层介质的光程计算就应该是各层介质的折射率与实际路径乘绩的总和为op＝1mi=∑nisi。…………………………………….1-1.3）如果光是在非均匀性的介质中行走，介质折射率就是一个位置的函数，光程计算相当于由起点(a)到终点(b)经过了多个不同折射率的介质层op＝ban∫(s)ds。……………………………………（1-1.4）1-1.6色散由于折射率是波长的函数n(λ)，所以当一束复色光经折射后，因各单色光的折射率各不相同，造成折射方向有所差异，这种现象称为色散。色散能力ξ表示式如下ξ＝1FDnncn??………………………………………..（1-1.5）式中Fn表蓝光（λ＝486.13nm）在介质n的折射率，nc表红光（λ＝656.27nm）在介质n的折射率，以及Dn表黄光（λ＝589.29nm）在介质n的折射率。然而对于一般玻璃而言，?值约在0.012~0.05之间，数值较小使用上不方便，反而其倒数较常用来衡量介质的色散能力，一般称?值倒数为Abbe数（Abbenumber）VdVd≡1v＝1DFnnnc??……………………………………..（1-1.6）Vd值约介于20~80之间，此值越小表示色散愈大。1-1.7光学玻璃用于制造成透镜等光学组件的玻璃，特别讲究纯度和均匀度等性质，所以称为光学玻璃。描述光学玻璃有两个重要的参数为折射率Nd与Abbe数VD。有了ND值及VD值，那么光学玻璃的光学特性就几乎完全掌握了。光学玻璃之材质务必兼顾到光学性质，物理性质，及化学性质。现分别叙述如下：性能分为a.光学性质：折射率、色散率、着色度。b.物理性质：比重。c.机械性质：硬度(耗损率)、冲击、弯曲率。d.热性质：转移点、软化点、线膨胀系数。e.电气性质：使用波长。f.化学性质：耐水性、耐酸碱性、耐风化性。特性有a.耐水性、耐酸碱性良好，即化学性质稳定。b.一般而言，折射率高者，耐酸性差，耐水性好，普遍来说材质含铅，所以比重较重。相反地，折射率低者，耐酸性好而耐水性差，比重较轻。c.研磨之难易度视光学玻璃被水侵蚀之快慢而定，耐水性差最易研磨，而耐水性良好即难研磨。d.耐化学性差之光学玻璃，较易研磨，但研磨面较易产生云雾霉状，或腐蚀。品质定义为a.依折射率与色散率而分，其种类共有两百多种。b.光学上之均匀性。c.光学公差，折射率△Nd：±0.00001~0.0001，色散率△Vd：±0.2~0.05%。d.脉纹、气泡与偏心。1-2光的波动性质反射与折射是透镜成像的理论基础，用几何光学便可解释，但考虑绕射等性质时，需用波动概念，应用干涉原理，可以检查镜片的表面精度，所以本节将叙述光的波动性质。1-2.1反射与折射图1-2显示空气中有一光束照于水面上，在水表面上产生反射现象，当其进入水中即发生折射，入射光与法线的夹角为入射角θi，反射光与法线的夹角为反射角θr，固定入射光的折射角度为?t，但改变波长，折射角度会随波长之增加而增加，短波长之光线偏折较大之角度，有较小折射角，图中θ1表示红光（R），θ2表示绿光（G），θ3表示蓝光（B）之折射角度。反射与折射定律定义为入射、反射与折射光在法线两侧，且与法线都在同一平面上。入射角与折射角遵守斯涅尔（Snell）定律nsinqi=n'sinqt。……………………………………..（1-2.1）而入射角等于反射角qi=qr，入射光束在光滑的表面会产生反射，但如在粗糙的表面则会产生漫射（diffusereflection）现象，大半由于漫射之故，我们才能看到周围不发光的物体。1-2.2干涉（Interference）肥皂泡沫、油膜和其它薄膜的色彩是由于光的干涉所产生。图1-3显示一均匀之薄膜，厚度为t，折射率为n。今有一单色光照射在薄膜上，其入射角为i，则有一部份光被薄膜之上表面反射，进入观察点，另一部份光折射进入薄膜，被下表面反射，同样进入观察点，此两束光所经过之路程不同，进入薄膜之光线多走了2a（如图所示）距离，但光在薄膜中之传播速率较空气中慢，故薄膜内单位长度之波数较空气中多，所以薄膜中2a之距离，相当于空气中2na之距离，此称为光程长度，而光程长度差的大小决定光的干涉情况。假设入射角i=0，则a=t（薄膜厚度），对一厚度为t之薄膜，其经上、下两表面反射后，在回至空气的两束光线，其光程长度差连同相改变λ/2之和为Y=2nt＋l。……………………………………………….（1-2.2）若此值为波长之整数倍，则有建设性干涉，而呈现明亮区，若此值为半波长之奇整数倍，则有破坏性干涉，而呈黑暗区。上面是薄膜所反射的光之干涉情况，另外还有透过薄膜之光的干涉情况，如下图图1-3显示一均匀之薄膜，厚度为t，折射率为n。今有一单色光照射在薄膜上，其入射角为i，则有一部份光被薄膜之上表面反射，进入观察点，另一部份光折射进入薄膜，被下表面反射，同样进入观察点，此两束光所经过之路程不同，进入薄膜之光线多走了2a（如图所示）距离，但光在薄膜中之传播速率较空气中慢，故薄膜内单位长度之波数较空气中多，所以薄膜中2a之距离，相当于空气中2na之距离，此称为光程长度，而光程长度差的大小决定光的干涉情况。假设入射角i=0，则a=t（薄膜厚度），对一厚度为t之薄膜，其经上、下两表面反射后，在回至空气的两束光线，其光程长度差连同相改变λ/2之和为Y=2nt＋2l。……………..……………………………..（1-2.2）若此值为波长之整数倍，则有建设性干涉，而呈现明亮区，若此值为半波长之奇整数倍，则有破坏性干涉，而呈黑暗区。上面是薄膜所反射的光之干涉情况，另外还有透过薄膜之光的干涉情况，如下图图1-4光束a连续穿过薄膜之两表面，光束b穿过薄膜之前，经上、下两表面各反射一次。光束a不经反射，故其波形与入射光相同，光束b经两次由薄膜至空气之反射，故波形亦不颠倒，故透过厚度为t之薄膜的两光束，仅有光程长度差，而无相改变，假设入射角i=0或甚小时，则光程长度差为Y=2nt。…………………………………………………（1-2.3）同样的，若光程长度差为波长之整数倍，则两光束有建设性干涉，若此光程长度差为半波长之奇整数倍，则产生破坏性干涉。自薄膜反射之两光束比经薄膜透射之两光束多一相改变，即Y比Y’多λ/2，故自薄膜上面见到的干涉条纹与自薄膜下面见到的干涉条纹正好相反。1-2.3衍射（Diffraction）绕射是光在障碍物附近，如狭缝边缘的弯曲现象，镜头光学设计的performance有一定的极限，即受限于绕射的现象，称为绕射极限。图1-5为入射波经过狭缝宽度a＝λ时，狭缝外围产生亮度，即为绕射现象，当a/?趋近于0时绕射现象益趋显著，减少狭缝宽度a时绕射波变大，所以在实际光学系统中的孔径，如果小到某一程度，就会产生绕射现象。由于绕射与干涉同样会产生条纹，但是条纹并不相同，表3是干涉条纹与绕射条纹之比较。1-3薄透镜系统在光学的应用上，光学曲面比光学平面的应用要广泛的多，因为光学曲面除了和光学平面一样会造成光线方向的改变外，还能使光束产生发散（diverge），或会聚（converge）的现象，因而有不同的成像方式。光学系统最常使用的组件，是将一块透明玻璃相对的两面磨成球面，一般统称为透镜(lens)，此外也可将透明塑料材料制成非球面透镜，透镜分类如下：1.凸透镜(convexlens)，透镜中间部分较四周边缘厚者称之，图1-6。图1-6凸透镜形状a.双凸透镜b.平凸透镜c.月凸透镜2.凹透镜(concavelens)，透镜中间部分较四周边缘薄者称之，图1-7。1-3.1成像公式图1-7凹透镜形状a.双凹透镜b.平凹透镜c.月凹透镜我们先对公式中所用到的符号加以定义及解释：1.光线由左射向右，曲面左侧之距离定为负，右侧为正。2.曲率（curvature）中心在曲面右侧者，其半径为正号。3.若出射或入射于曲面的光线，转向法线（normal）为逆时钟方向，则该角度定义为负。4.一般定光轴方向为z轴，像高方向为y轴，x轴则与本文表面垂直。虽然薄透镜的厚度可以忽略不计，但基本上它仍然是由两个单一球面，中间夹着透明材料组成，所以对这样的系统成像就相当于做了两次单一球面成像，物对于