非球面透镜可让光学系统设计人员提高分辨率，减少所需的透镜元件数量，并提高系统的光通量。与传统透镜的球面相比，其复杂的非球面校正了更多的球面和更高阶的像差。然而，非球面通常具有比球面透镜更陡的表面角，这在沉积光学涂层时引入了独特的挑战。
由陡峭的非球面引起的涂层效应可能会增加不需要的反射，并改变透镜的光谱性能。然而，仔细关注涂层材料和沉积参数可以将这些影响降至最低。了解透镜陡度对涂层性能的影响有助于光学系统设计者选择适合其应用的涂层。
答案很简单：因为您可以在保持高性能的同时。透镜的f/#与其衍射极限光斑尺寸之间存在直接关系，这意味着如果透镜具有较小的f/#或较大的数值孔径，则理论上可以实现较小的聚焦光斑尺寸。然而，在实践中，降低f/#以提高衍射极限分辨率会引入更大的球面像差，这最终会降低分辨率。因此，传统的球面透镜必须在最小化衍射极限分辨率和最小化像差之间进行权衡。
图1非球面透镜的球面像差校正使其能够降低F/#，并在不降低球面像差性能的情况下实现更小的衍射限制焦点。然而，需要陡峭的透镜表面来达到这些低f/#。所示的所有点图具有相同的比例，并且为200μm X 200μm。
非球面透镜的复杂表面可以校正球面像差，使其能够降低f/#，同时仍能将光线聚焦到衍射受限的光斑。图1在一个示例中说明了这一点。左边的图像显示球面透镜移动到更小的f/#。当它们的衍射极限光斑尺寸减小时，由于引入了更大的球面像差，实际获得的光斑尺寸增加。然而，右边的图像显示，在相同的f/#s下，非球面能够保持衍射限制的性能，导致更小的光斑尺寸。这提高了系统性能，但是实际透镜表面的陡度增加，以便以更尖锐的角度聚焦光。这就是为什么非球面透镜通常具有比球面透镜更陡峭的表面。需要注意的一点是，图1显示了一些小于衍射极限的光斑尺寸，因为该模拟是基于几何射线跟踪，而不是使用物理光学传播。当然，实际的聚焦光斑尺寸将不会小于衍射极限。
由于陡峭的非球面，引入了两个主要挑战：沉积效应和入射角（Aoi）效应。
图2沉积效应描述了涂层如何向曲面边缘变薄，而在中心变厚。
沉积效应是发生在镀膜室内部的问题，与光学器件的几何形状有关。它导致沉积涂层的厚度随透镜直径而变化。当沉积原子的蒸汽流到达光学器件上时，如果光学器件是平坦的，则涂层将具有平坦、均匀的厚度（图2）。然而，由于曲面的面积大于具有相同直径的平面的面积，质量守恒要求涂层朝向表面的边缘变得更薄。中心的厚度将与平面上的厚度相同。透镜的曲面越陡，沉积效果越明显。涂层越薄，光谱性能向较长波长移动得越多，导致透镜边缘与中心的光谱性能不同。
图3Aoi效应描述了与朝向中心的光线相比，照射曲面透镜边缘的准直光线将遇到更陡的入射角。
Aoi效应发生在最终应用中，如图3所示，其中，与透镜中心相比，入射到透镜上的准直光线朝向边缘的入射角更大。同样，对于具有较陡表面的透镜，这种效果更加明显。显然，沉积效应和Aoi效应都影响作为直径函数的性能，因为透镜边缘的光线将以较高的角度入射到涂层的较薄区域上。为了简化讨论，我们将忽略这两种效应的卷积，并分别对其进行评估。透镜边缘处较大的入射角也导致光谱性能向较长波长偏移。
图4半径为12.5mm后平均反射率的增加表明沉积和Aoi效应导致损失和光通量降低。
前面提到，沉积和Aoi效应将光谱性能移动到更长的波长，但它们也会导致不需要的反射，这会降低所需波长范围内的透镜通过量。作为示例，将针对具有50mm直径、30mm焦距、曲面上的简单MgF2（氟化镁）涂层和n-SF6衬底的平凸非球面来分析这些效应。如果已知透镜处方，则可以通过光学设计软件（如ZEMAX OpticStudio）计算出照射和离开透镜的光线的入射角。图4示出了作为透镜半径的函数的不需要的反射的增加。在图中，“S1 ”是非球面，而“S2 ”是平面。显示了425–625 nm波长范围内的平均反射。对于半径约为0-12.5 mm（对应于约0-30°的入射角）的情况，沉积和Aoi效应的影响最小。然而，在较大的半径和较陡的角度下，平均反射率显著增加，这导致透镜通量的损失。沉积和Aoi效应都非常显著地影响性能，除了在透镜的平坦侧上不存在的沉积效应（图4左侧的“R_平均_S2 ”）。注意，超过12.5mm，沉积效应导致反射比Aoi效应更急剧地增加。
不同的涂层设计受沉积和Aoi效应的影响不同。图5比较了Edmund Optics®不同类型的涂层受到的影响。一个有趣的发现是，一些在低入射角下表现更好的涂层对角度更敏感，并且在较高的半直径下不需要的反射急剧增加。例如，当仅使用小百分比的透镜通光孔径（CA）时，代表标准宽带抗反射的名为“STD BBAR ”的涂层具有非常低的反射率，但是反射率在靠近透镜边缘处急剧增加。因此，最初看起来不会提供更高透射率的涂层（如MgF2）可能是更好的选择。
图5当仅使用透镜的一小部分通光孔径（CA）时，一些具有低反射率的涂层对透镜表面的陡度更敏感，导致朝向透镜边缘的通过量更差。因此，具有更均匀反射率的选项（如MgF2）可能是更好的选项。（术语：QW：四分之一波长，STD：标准，BBAR：宽带抗反射，REDEXT：红色扩展，以及DEG：度）
对于选择最佳涂层或光学元件，没有一种放之四海而皆准的方法。镀膜和透镜制造商可以操纵许多不同的参数，以平衡不同规格的透镜。
原文始发于微信公众号（韵翔光电）：镀膜非球面透镜面临的挑战
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