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Tout Savoir sur les Lentilles Asphériques
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Tout Savoir sur les Lentilles Asphériques

Pour commencer : Avantages d'une Lentille Asphérique

Lentilles Asphériques

Correction de l'Aberration Sphérique

L'avantage le plus notable des lentilles asphériques est leur capacité à corriger l'aberration sphérique. L'aberration sphérique provient de l'utilisation d'une surface sphérique pour focaliser ou collimater la lumière. En d'autres termes, toutes les surfaces sphériques souffrent d'une aberration sphérique indépendamment des erreurs d'alignement ou de fabrication et, par conséquent, une surface non sphérique ou asphérique, est nécessaire pour la corriger. En corrigeant les coefficients asphériques et la constante conique, une lentille asphérique peut être optimisée pour annuler au maximum les aberrations. Examinons par exemple la Figure 2 qui montre une lentille sphérique présentant une aberration sphérique importante par rapport à une lentille asphérique qui n'a pratiquement aucune aberration sphérique. Dans une lentille sphérique, l'aberration sphérique provoque la focalisation des rayons de la lumière incidente à différents points, ce qui créé un flou. Dans une lentille asphérique, la lumière se focalise à un même point, ce qui créé pratiquement aucun effet de flou et améliore la qualité d'image.

Pour avoir une meilleure idée de la différence dans la performance de focalisation entre une lentille asphérique et une lentille sphérique, prenons un exemple quantitatif de deux lentilles comparables, avec des diamètres de 25 mm et des distances focales de 25 mm (lentilles f/1). Le tableau suivant compare la taille de spot ou la taille du flou, des rayons lumineux monochromatiques collimatés à 587,6 nm, sur l'axe (angle de l'objet 0°) et hors de l'axe (angles de l'objet 0,5° et 1,0°). Étant donné qu'une taille de spot plus petite indique une meilleure performance, il est évident que la lentille asphérique produit une qualité d'image bien meilleure que celle donnée par une lentille sphérique identique.

L'Aberration Sphérique d'une Lentille Sphérique Comparée à l'Absence d'Aberration Sphérique d'une Lentille Asphérique
Figure 1: L'Aberration Sphérique d'une Lentille Sphérique (gauche) Comparée à l'Absence d'Aberration Sphérique d'une Lentille Asphérique (droite)
Angle de l'Objet (°) 0,0 0,5 1,0
Taille du Spot Sphérique (μm) 710,01 710,96 713,84
Taille du Spot Asphérique (μm) 1,43 3,91 8,11

Avantages Supplémentaires sur la Performance

Bien qu'il existe différentes techniques pour corriger les aberrations provoquées par des surfaces sphériques, aucune n'égale les performances d'imagerie et la flexibilité apportées par les lentilles asphériques. Une autre technique utilisée consiste cependant à augmenter le nombre f/# par « l'arrêt » de la lentille. Même si cela peut augmenter la qualité d'image, cela réduit aussi la quantité du flux de lumière dans le système, ce qui donne lieu à une adaptation entre les deux.

Par ailleurs, lorsque vous utilisez des lentilles asphériques, une correction supplémentaire de l'aberration permet d'obtenir un rendement élevé (faible f/#, grande ouverture numérique) des systèmes tout en maintenant une bonne qualité d'image. Cependant, il se peut que l'image se dégrade légèrement dans un système à ouverture encore plus élevée même si les pertes comparées à un système sphérique y sont minimales. Prenons l'exemple d'un système avec une distance focale de 81,5 mm, un triplet f/2 (Figure 3) constitué de trois lentilles de surfaces sphériques ou le même triplet avec une asphère et deux lentilles sphériques. Les deux conceptions utilisent les mêmes caractéristiques de type de verre, distance focale effective, champ de vision, f/# et longueur totale. Le tableau suivant compare quantitativement la fonction de transfert de modulation (MTF) à 20% de contraste des rayons lumineux polychromatiques collimatés, sur axe et hors axe, à 486,1 nm, 587,6 nm, et 656,3 nm. Le triplet avec une surface asphérique, montre une augmentation de la performance d'imagerie sous tous les angles du champ, indiquée par des valeurs de résolution tangentielle et sagittale élevées, par des facteurs aussi élevés que quatre par rapport au triplet qui ne possède que des surfaces sphériques.

Lumière Polychromatique à travers un Triplet
Figure 2: Lumière Polychromatique à travers un Triplet
Angle de l'Objet (°)Sur Toutes les Surfaces SpériquesSur la Première Surface Asphérique
Tangentiel (lp/mm)Sagittal (lp/mm)Tangentiel (lp/mm)Sagittal (lp/mm)
0,0 13,3 13,3 61,9 61,9
7,0 14,9 13,1 31,1 40,9
10,0 17,3 14,8 36,3 41,5

Avantages du Système

Les lentilles asphériques permettent aux concepteurs optiques de corriger les aberrations en utilisant moins d'éléments que avec les optiques sphériques traditionnelles car elles leur apportent une plus grande correction de l'aberration par rapport à l'utilisation de plusieurs surfaces optiques sphériques. Par exemple, dans les objectifs zoom qui utilisent généralement dix lentilles ou plus, une ou deux lentilles asphériques peuvent remplacer quelques lentilles sphériques de manière à obtenir des résultats optiques semblables ou meilleurs, de réduire le coût global de production, tout en réduisant la taille du système.

Un système optique comportant plus d'éléments est susceptible d'affecter défavorablement les paramètres optiques et mécaniques du système général, et contribuer à des tolérances mécaniques plus chères, à des procédures d'alignement supplémentaires, et à des besoins de traitements anti-reflet accrus. Tous ces éléments peuvent au final diminuer l'utilité totale du système en raison d'un besoin de composants de support accrus. Par conséquent, l'intégration des lentilles asphériques (quoique plus chères que des singulets et doublets f/# similaires) peut effectivement réduire l'ensemble des coûts de conception du système.

Anatomie d'une Lentille Asphérique

Une lentille asphérique, également appelée asphère, est une optique à symétrie de révolution, dont le rayon de courbure varie radialement depuis son centre. Elle améliore la qualité d'image, réduit le nombre d'éléments nécessaires, et réduit les coûts de conception. Des caméras numériques et lecteurs CD aux objectifs microscopes en passant par les microscopes à fluorescence hauts de gamme, les lentilles asphériques se développent dans toutes les facettes des secteurs de l'optique, de l'imagerie, et de la photonique en raison des avantages distincts qu'elles offrent par rapport aux optiques sphériques traditionnelles.

Les lentilles asphériques ont été traditionnellement définies avec un profil de surface (déclivité/sagittal) donné par l'Équation 1 :

(1)$$ Z\left(s\right)= \frac {Cs^2}{1+\sqrt{1-\left(1+k\right)C^2s^2}}+A_4 s^4+A_6 s^6+A_8 s^8  + \, ...$$

Où :
Z = déclivité/sagittal de la surface parallèle à l'axe optique
s = distance radiale depuis l'axe optique
C = courbure, inverse du rayon
k = constante conique
A4, A6, A8...= 4ième, 6ième, 8ième… ordre des termes asphériques

Lorsque les coefficients asphériques sont nuls, la surface asphérique en résultant est considérée comme conique. Le tableau qui suit montre comment la surface conique réelle générée, dépend de la grosseur et du symbole de la constante conique k.

Constante ConiqueSurface Conique
k = 0 Sphère Sphère
k > -1 Ellipse Ellipse
k = -1 Parabole Parabole
k < -1 Hyberbole Hyberpole

La caractéristique géométrique la plus importante des lentilles aspheriques est que le rayon de courbure change avec la distance depuis l'axe optique, contrairement à une sphère qui présente un rayon constant (Figure 1). Cette forme distinctive permet aux lentilles asphériques d'offrir une meilleure performance optique par rapport aux surfaces sphériques standard.

Comparaison entre les Profils de Surface Sphérique et Asphérique
Figure 3: Comparaison entre les Profils de Surface Sphérique et Asphérique

Over the past few years, two other definitions that use orthogonal terms have gained in popularity called Q-type aspheres. These Q-type aspheres, Qcon and Qbfs allow designers more control over the optimization of the aspheres by using orthogonal coefficients and generally reduce the terms needed for manufacturing the asphere.

Comment sont-elles produits ? Différents types de Lentilles Asphériques

Moulage de Verre de Précision

Le moulage de verre de précision est une technique de fabrication dans laquelle le cœur des verres optiques sont chauffés à des températures élevées jusqu'à ce que la surface devienne suffisamment malléable pour être pressée dans un moule asphérique (Figure 4). Après le refroidissement des noyaux à la température ambiante, ces derniers gardent la forme du moule. La création du moule entraîne des coûts de démarrage initiaux élevés, car il doit être précisément fabriqué à partir d'un matériau très résistant, capable de garder une surface lisse et qu'il doit tenir compte de toute contraction des coeurs de verre, de manière à obtenir la forme asphérique désirée. Cependant, une fois le moule terminé, le coût supplémentaire de chaque lentille est inférieur à celui des techniques de fabrication standard, ce qui en fait un excellent choix pour toute production de volume élevé.

Plateforme du Moulage de Verre de Précision
Figure 4: Plateforme du Moulage de Verre de Précision

Polissage de Précision

Le meulage et le polissage d'une lentille asphérique a été à un moment, la technique de fabrication standard, mais les avancées technologiques qui ne cessent de croître, permettent maintenant d'atteindre des niveaux de précision jamais égalés auparavant. Le polissage de précision contrôlé par ordinateur (Figure 5) notamment, corrige automatiquement les paramètres de blocage de l'outil pour polir de larges zones nécessitant le plus de polissage. Si un polissage de qualité supérieure est nécessaire, la finition magnéto-rhéologique (MRF) est utilisée pour finaliser la surface (Figure 6). La technologie MRF offre des performances de finition élevées en un temps plus court que les techniques de polissage standard, en raison de son contrôle précis de la position d'abalation et son taux d'ablation élevé. Tandis que des techniques de fabrication plus spécialisées nécessitent des moules spécialisés, le polissage utilise un outillage standard qui en fait le choix principal pour le prototypage et la production en faible quantité.

Polissage Contrôlé par Ordinateur
Figure 5: Polissage Contrôlé par Ordinateur
Finition Magnéto-Rhéologique
Figure 6: Finition Magnéto-Rhéologique (MRF)

 

Moulage Hybride

Le moulage hybride commence par une surface sphérique standard, comme une lentille achromatique, qui est ensuite pressée sur une couche mince de photopolymère dans un moule asphérique, pour donner le résultat net d'une surface asphérique. La technique utilise un moule asphérique rectifié au diamant et une lentille achromatique en verre (même si d'autres types de singulets ou de doublets peuvent être utilisés). Une injection de photopolymère est introduite dans le moule asphérique, contre laquelle la lentille achromatique est pressée. Les deux surfaces sont compressées et durcies aux UV à température ambiante pour donner une lentille achromatique asphérisée qui associe les propriétés optiques des parties constituantes : correction de l'aberration chromatique et sphérique. La Figure 7 présente le processus de création d'une lentille hybride. Le moulage hybride est utile dans des applications de précision de gros volumes pour lesquelles une performance supplémentaire est nécessaire et la quantité peut justifier ces coûts d'outillage initiaux.

Technique du Moulage Hybride
Figure 7: Technique du Moulage Hybride

Moulage Plastique

Il existe, en plus des techniques de fabrication du verre mentionnées ci-dessus, une technique unique pour le plastique. Le moulage en plastique consiste à injecter du plastique fondu dans un moule asphérique. Étant donné que le plastique n'est pas aussi thermiquement stable et résistant à la pression que le verre, il doit être traité spécialement de manière à créer une lentille asphérique comparable. Néanmoins, le plastique offre des avantages car il est léger, facile à modeler, et peut être intégré à un support pour créer une seule pièce. Alors que la sélection d'un plastique de qualité optique est limitée, les avantages en matière de coût et de poids conduisent parfois les concepteurs vers des lentilles asphériques en plastique.

Sélectionner la Bonne Lentille Asphérique

Vu que toutes les applications n'utilisent pas les mêmes lentilles, le choix de lentilles asphériques appropriées est une décision importante. Les principaux facteurs déterminants sont le volume et le coût. Une fois que ces derniers sont ont été décidés, il est facile de choisir le bon produit asphérique.

Bien que les composants asphériques en stock soient prêts à être livrés immédiatemment ou sous des délais très courts, ils sont uniquement disponibles dans certaines tailles, distances focales et options de traitement. Si les produits standard ne vous suffisent pas, envisagez la fabrication asphérique personnalisée pour un prototypage, une pré-fabrication ou pour de grandes quantités.

TypeAvantage
Verre de Précision Moulé Idéal pour des besoins de production en grande quantité, en raison d'une production rapide de nombreuses lentilles et du faible coût de l'entretien de l'outillage.
Poli avec Précision Idéal pour les besoins de prototypage ou à faible volume, en raison d'un court délai d'exécution, d'un outillage spécial et d'une configuration minimum.
Hybride Moulé Idéal pour les applications multi-spectrales en raison de la correction des aberrations sphériques et chromatiques.
Plastique Moulé Idéal pour la production en grande quantité en tant qu'alternative aux lentilles asphériques en verre à faible coût, sensible au poids.

Fabrication Asphère sur Mesure

 CommercialPrécisionHaute Précision
Gamme de Diamètre 10 – 150 mm 10 – 150 mm 10 – 150 mm
Tolérance Diamètre +0/-0,100 mm +0/-0,025 +0/-0,010
Erreur Asphérique (P-V) 3 μm 1 μm <0,06 μm*
Rayon Vertex (Asphère) ±0,5% ±0,1% ±0,05%
Sag 25 mm max 25 mm max 25 mm max
Erreur de pente typique 1 μm pro 1 mm window 0.35μm pro 1 mm window 0.15μm per 1 mm window
Centrage (Déviation Faisceau) 3 arcmin 1 arcmin 0.5 arcmin
Tolérance Épaisseur Centrale ±0,100 mm ±0,050 mm ±0,010 mm
Qualité de Surface (Scratch Dig) 80–50 40–20 10–5
Métrologie pour Surfaces Asphériques Profilométrie (2D) Profilométrie (2D & 3D) Interferométrie

* 1/10th wave at 632.8nm, limited by design and/or metrology

Guide de Sélection pour les Lentilles Asphériques

Guide de Sélection pour les Lentilles Asphériques
Lentilles Asphériques de Précision — Polies

Asphères de Précision TECHSPEC à Silice Fondue

Nos lentilles asphériques polies sont idéales pour les applications les plus demandées. Conçues pour offrir de hautes ouvertures numériques tout en créant des spots à la limite de diffraction.

  • Disponibles dans l’UV, Visible et l’IR
  • Variété de Traitements Disponibles
  • Données Complètes pour une Facilité d’Intégration en Applications OEM
Produits en Stock
Lentilles Asphériques de Précision — Moulées
Lentilles Asphériques Moulées de Précision

Nos lentilles asphériques moulées sont idéales pour des applications volumiques, incluant la collimation diode laser, lecteurs de code barre, et stockage de données optiques.

  • Micro Asphères (Diamètres de 2 - 10 mm)
  • Nombreux Traitements Standard Disponibles
  • Substrats en Verre et Platique Disponibles
Produits en Stock
Lentilles Asphériques — Couleur Corrigée

Lentilles Achromatiques Asphérisées TECHSPEC

Nous offrons de nombreuses lentilles asphériques permettant la correction des aberrations sphériques et chromatiques. Ces familles de lentilles sont idéales en applications nécessitant une performance de focalisation proche de la limite de diffraction sur une vaste plage de longueurs d’ondes.

  • Achromats Asphérisés Combinant des Doublets en Verre avec des Asphères en Plastique
  • Asphères Hybrides Combinant des Propriétés Réfractives et Diffractives
Produits en Stock
Lentilles Asphériques Infrarouges

Lentilles Asphériques IR en Séléniure de Zinc

Allant des petites asphères moulées pour une utilisation avec des Lasers à Cascade Quantique, aux asphères en Germanium et en Séléniure de Zinc, nous offrons des solutions pour toutes applications se trouvant dans le spectre infrarouge.

  • Disponibles en Diamètres de 5,5 à 50,8 mm
  • Conceptions Hybrides Disponibles pour une Meilleure Performance
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