光学元件规格参数详解：从生产到材料的全面指南

光学元件规格参数详解：从生产到材料的全面指南

在光学元件和系统的设计与生产过程中，光学参数规格起着至关重要的作用。它们不仅能够确保元件达到特定的性能要求，还能帮助控制生产成本和资源投入。本文将详细介绍各种光学规格参数，包括生产规格、表面规格和材料规格，帮助读者更好地理解和应用这些知识。

生产规格

直径公差

圆形光学元件的直径公差定义了可接受的直径范围。虽然直径公差不会直接影响光学性能，但在安装时需要考虑这一机械公差。例如，如果透镜的直径与标称值有偏差，可能会导致机械轴偏离光学轴，从而产生光的偏心（图1）。

通常，直径的生产公差为：+0.00/-0.10 mm表示一般质量，+0.00/-0.050 mm表示精密质量，+0.000/-0.010 mm则为高质量。

中心厚度公差

光学元件的中心厚度是指元件中心部分的材料厚度。中心厚度的变化会影响光学性能，因为它与曲率半径共同决定了光线通过透镜的路径长度。通常，中心厚度的生产公差为：+/-0.20 mm表示一般质量，+/-0.050 mm表示精密质量，+/-0.010 mm则为高质量。

曲率半径

曲率半径是光学元件顶点到曲率中心的距离，可以是正值、零或负值，分别对应凸面、平面和凹面。曲率半径的生产容差通常为+/-0.5，在精确应用中可低至+/-0.1%，在需要极高精度的情况下可达到+/-0.01%。

中心度

透镜的中心度（向心性或离心性）是根据光束偏差δ（方程式1）来定义的。一旦确定了光束偏差，就可以通过简单的关系计算楔角W（方程式2）。透镜的离心量是机械轴与光学轴之间的物理偏移距离。

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

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

其中W表示楔角，通常以弧分报告，n表示折射率。

平行度

平行度描述了两个平行表面之间的关系，对于窗口片和偏振片等元件尤其重要。它有助于减少畸变，保持图像或光的质量。平行度的容差范围通常从5弧分到几弧秒。

角度公差

在棱镜和分光镜等元件中，各表面之间的角度对光学性能有重要影响。角度公差通常使用准直望远镜组件进行测量，通过观察菲涅尔反射来验证表面的垂直入射。角度公差的范围可以从几弧分降至几弧秒。

倒角

为了保护易碎的玻璃边缘，通常会在元件边缘制作倒角。倒角由其表面宽度和角度定义（图4）。常见的切割角度为45°，表面宽度根据光学产品的直径确定。

对于直径小于3.00mm的光学产品，如微透镜或微棱镜，通常不需要倒角，因为切削过程中容易产生边缘缺口。对于其他直径，表1提供了最大表面宽度的参考。

表1：倒角公差

通光孔径

通光孔径是指光学元件的有效工作区域，制造商不能保证超出通光孔径的部分符合指定规格。表2列出了透镜的一般通光孔径。

表2：通光孔径公差

表面规格

表面质量

表面质量衡量光学产品表面的瑕疵程度，包括划痕和坑点。这些瑕疵可能会影响系统通光量和散射光。表面质量通常采用MIL-PRF-13830B标准中的划痕和坑点规格。划痕名称是通过与标准划痕对比确定的，而坑点名称直接与坑点直径相关。表面质量的等级从标准质量（80至50）到高精度质量（20至10）不等。

表面平面度

表面平面度用于测量反射镜、窗口片等平面元件的偏差。通过光学平晶进行测量，条纹的形状和间隔反映了表面的平滑度。平滑度偏差通常以波纹值(λ)表示，1λ表示一般质量，λ/4表示精确质量，λ/20表示高精度质量。

光圈数

光圈数用于测量弯曲表面的精确性，通过与参考曲面的干涉条纹进行比较。光圈误差与曲率半径误差的关系由公式(3)给出：

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

不规则度

不规则度描述表面形状与理想形状的偏差。当光圈数超过5个条纹时，检测小型不规则形状变得困难，因此通常规定光圈数与不规则度的比率约为5:1。

表面加工

表面加工（表面粗糙度）衡量表面的小型不规则度，通常由抛光工艺引起。表面加工的容差从50Å RMS（一般质量）到5Å RMS（高质量）不等。

材料规格

折射率

折射率是光在真空中的速度与光在介质中的速度之比，玻璃的折射率范围一般在1.4-4.0之间。折射率的不均匀性由不同等级表示，等级越高，不均匀性越小（表3）。

表3：不均匀性规格

色散系数

色散系数量化了玻璃呈现的色散量，由公式(4)给出：

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

色散系数值的范围通常在25至65之间。色散系数大于55的玻璃称为冕牌玻璃，小于50的称为火石玻璃。

激光损伤阈值

激光损伤阈值是指激光损伤前每一区域的表面可耐受的最大激光功率量。脉冲激光和连续波激光都有相应的损伤阈值。例如，Ti：蓝宝石激光反射镜的损伤额定阈值为0.5 J/cm2@ 150飞秒脉冲和100kW/cm2CW。

总结

了解这些基本的光学规格参数对于选择合适的光学元件至关重要。透镜、反射镜、窗口片、滤光片、偏振片、棱镜、分光镜、光栅和光纤等元件都具有各自的属性，理解这些属性及其对整体系统性能的影响，有助于设计出更优化的光学、成像或光电子应用。