Руководство по выбору линз
Введение:
Существуют различные классификации оптических линз, и как пользователю, так и инженеру необходимо оценить плюсы и минусы классификаций линз для оптимизации оптической системы. Итак, что такое линза? Оптическая линза — это прозрачный оптический элемент, который собирает или рассеивает свет, исходящий от объекта. Пропускаемый свет затем формирует реальное или виртуальное изображение объекта. Оптические линзы можно разделить на три основные категории: выпуклые и вогнутые линзы. Выпуклые линзы имеют положительное фокусное расстояние и фокусируют свет, в то время как вогнутые линзы имеют отрицательное фокусное расстояние и расширяют коллимированный световой пучок. Более подробно они классифицируются на плано-выпуклую линзу, плано-вогнутую линзу, двояковыпуклую линзу, двояковогнутую линзу, менисковую линзу, шаровую/полушаровую линзу, ахроматическую двойную линзу, цилиндрическую плано-выпуклую/плано-вогнутую линзу, стержневую линзу, асферическую линзу и др. В этой статье перечислены различные классификации линз, исследуются их характеристики и соответствующие случаи применения.
Фокусное расстояние и отношение сопряжения
Фокусное расстояние — это расстояние от оптического центра до точки, в которой световой параллельный пучок сходится на оптической оси. Выпуклая линза имеет положительное фокусное расстояние, а вогнутая — отрицательное, и фокусирует свет в виртуальной фокальной точке. Отношение сопряжения определяется как отношение расстояния от объекта (расстояние между объектом и линзой на оптической оси) к расстоянию от изображения (расстояние между изображением и линзой на оптической оси). Световые лучи от объекта до изображения обратимы. Если объект расположен в фокусной точке линзы, отношение сопряжения становится бесконечным, а если объект расположен на двойном фокусном расстоянии, изображение формируется также на двойном фокусном расстоянии, что дает отношение сопряжения 1:1.
Примечание: Возможно, вам будет интересно узнать больше о базовых концепциях, связанных с выбором линз, таких как поле зрения (FOV), искажение изображения, сферическая аберрация и кома. Смотрите наш Учебник по выбору линз. Или, если вы ищете справочник по выбору материалов подложек, смотрите наш Руководство по выбору материалов для оптических подложек.
Таблица 1. Типы линз и коэффициенты сопряжения
Плано-выпуклая линза:
Плано-выпуклая (PCX) линза — это оптическая линза с одной плоской и одной выпуклой поверхностью, имеющая положительное фокусное расстояние. Она используется для сбора и фокусировки коллимированного света, коллимирования света от точечного источника или уменьшения фокусного расстояния группы линз. По сравнению с двояковыпуклыми линзами, плано-выпуклые линзы имеют две неидентичные стороны и поэтому лучше всего работают при бесконечном абсолютном отношении сопряжения (расстояние до объекта : расстояние до изображения). Однако плано-выпуклые линзы также значительно уменьшают сферические аберрации, когда абсолютное отношение сопряжения превышает 5:1. Для отношений сопряжения ниже 5:1 рекомендуется использовать плано-выпуклые линзы парами или двояковыпуклую линзу. Плано-выпуклые линзы в основном применяются для монохроматического света, например лазеров; плано-выпуклая линза часто используется для фокусировки параллельного света или преобразования точечных источников света в параллельный свет. При использовании линзы для фокусировки коллимированного света коллимированный свет должен падать на выпуклую поверхность линзы.
Плано-вогнутая линза:
Плано-вогнутая линза — это линза с одной плоской и одной вогнутой стороной. Плано-вогнутая линза имеет отрицательное фокусное расстояние, которое рассеивает световой пучок. Поэтому её можно использовать для расширения пучка, проецирования света и увеличения фокусного расстояния оптической системы. Плано-вогнутые линзы часто применяются в галилеевых расширителях пучка, а также как компоненты для увеличения фокусного расстояния оптического прибора или для компенсации сферической аберрации, улучшая качество изображения. Когда абсолютное отношение сопряжения больше 5:1 (то есть абсолютное значение расстояния до объекта к расстоянию до изображения), плано-вогнутая линза является лучшим типом отрицательной линзы для уменьшения сферической аберрации, комы и искажений. При применении для рассеивания коллимированного светового пучка, выпуклая поверхность должна быть обращена к источнику света (или, другими словами, плоская сторона должна быть направлена к фокальной плоскости, которую вы намерены модулировать), чтобы свет постепенно преломлялся, а сферическая аберрация уменьшалась максимально.
Двояковыпуклая линза:
Двояковыпуклая линза, также известная как двойная выпуклая линза, — это оптическая линза с двумя сферическими поверхностями, имеющими одинаковые радиусы кривизны. Основные применения двояковыпуклых линз включают модуляцию лазерного луча, фокусировку света и получение изображений. Двояковыпуклые линзы имеют положительное фокусное расстояние и собирают коллимированный свет в точку. При абсолютном конечном отношении сопряжения, равном или близком к 1:1, рекомендуются двояковыпуклые линзы. Когда расстояние до объекта и расстояние до изображения равны по абсолютному значению, двояковыпуклые линзы являются лучшим выбором для отношений сопряжения в диапазоне от 1:5 до 5:1. В противном случае предпочтительнее использовать плано-выпуклые линзы, так как их асимметричная форма помогает уменьшить сферическую аберрацию. Фокусное расстояние двояковыпуклых линз можно вычислить по формуле: f = (R₁ * R₂) / ((n - 1) * (R₂ - R₁)). Их кривизны с обеих сторон равны, и их часто используют для сбора света от точечного источника или передачи изображений в другие оптические системы. Поскольку расстояние до объекта и расстояние до изображения равны или приблизительно равны, искажения можно свести к минимуму.
Двояковогнутая линза:
Двояковогнутая линза, или двойная вогнутая линза, — это оптическая линза с двумя внутрь изогнутыми сферическими поверхностями одинаковых радиусов кривизны. Двойная вогнутая линза имеет отрицательное фокусное расстояние и рассеивает коллимированный световой пучок к виртуальной фокусной точке (то есть точке, в которой линии продолжения расходящегося светового луча пересекаются на стороне объекта вогнутой линзы), а также увеличивает фокусное расстояние группы линз. Применения двояковогнутых линз разнообразны: они включают расходимость коллимированных или сфокусированных световых пучков, модуляцию диаметра пучка (например, в галилеевых расширителях пучка), а благодаря отрицательному фокусному расстоянию двояковогнутые линзы могут также использоваться для коррекции сферической аберрации оптических систем. Благодаря своей симметричной структуре двойная вогнутая линза работает лучше всего, когда отношение сопряжения (расстояние до объекта : расстояние до изображения) близко или равно 1:1. В таких случаях искажения, сферическая/хроматическая аберрация и кома могут быть компенсированы за счёт равновесия линз. В то же время, если требуемое увеличение меньше 1/5 или больше 5, лучшей альтернативой будет плано-вогнутая линза.
Менисковая линза:
Менисковая линза, или выпукло-вогнутая линза, — это оптическая линза, состоящая из одной вогнутой и одной выпуклой поверхности, при этом радиусы кривизны обеих сторон различны. В зависимости от этого менисковые линзы делятся на два типа: положительные менисковые линзы и отрицательные менисковые линзы. Положительная менисковая линза более изогнута с выпуклой стороны, чем с вогнутой, и её толщина по краям больше, чем в центре, что обеспечивает положительное фокусное расстояние. В противоположность этому, отрицательная менисковая линза более изогнута с вогнутой стороны, чем с выпуклой, а её центральная толщина больше, чем по краям, что даёт отрицательное фокусное расстояние. Положительные менисковые линзы собирают свет и используются для уменьшения фокусного расстояния при совместном использовании с другими линзами, а также для увеличения числовой апертуры (NA) существующих оптических модулей без существенного увеличения сферической аберрации. Эти свойства особенно полезны в оптических приборах для повышения разрешения, а также при фокусировке лазеров для уменьшения диаметра светового пятна при достаточно широкой ширине падающего пучка, обеспечивая дифракционно-ограниченную производительность и более высокую точность при лазерной обработке. Отрицательная менисковая линза рассеивает свет и работает противоположно положительной менисковой линзе — увеличивает фокусное расстояние, уменьшает числовую апертуру оптических систем и расширяет пучки. Менисковые линзы часто используются как корректирующие линзы, а также могут применяться в качестве конденсаторов пучка в осветительных системах. Кроме того, менисковые линзы с соответствующей толщиной способны эффективно устранять хроматическую аберрацию.
Ахроматический двойной объектив:
Ахроматический двойной объектив — это массивный оптический элемент, часто состоящий из двух склеенных вместе выпуклой и вогнутой одиночных линз, изготовленных из различных оптических стекол с компенсирующими дисперсионными свойствами. Ахроматический двойной объектив обладает характерной способностью значительно уменьшать хроматическую аберрацию в оптическом модуле. (Хроматическая аберрация — это смещение показателей преломления, вызванное разными длинами волн света, когда падающий свет состоит из многокрасочного излучения; результатом этого является размытие пятен на фокальной плоскости.) С помощью ахроматических двойных объективов также возможно корректировать сферическую аберрацию и коматическую аберрацию, расположенную на оси.
Плоско-выпуклая/вогнутая цилиндрическая линза:
Плоско-выпуклая/вогнутая цилиндрическая линза по сути представляет собой параллелепипед с выпуклой или вогнутой поверхностью, и, соответственно, положительной эффективной длиной фокусировки. Основная функция плоско-выпуклой цилиндрической линзы — конденсировать или расходить матрицу лазерных пучков и изменять аспектное отношение изображения. Будучи плоской версией плоско-выпуклой/вогнутой линзы, такая цилиндрическая линза показывает лучшие результаты при бесконечных сопряжённых расстояниях (здесь мы имеем в виду абсолютное значение, и эффективность резко снижается при значениях меньше 5:1). Главное отличие плоской PCX/PCV линзы от цилиндрической PCX/PCV состоит в том, что первая рассеивает свет в двух измерениях, а вторая расширяет световой пучок только в одном измерении.
Главное свойство плоско-выпуклых/вогнутых цилиндрических линз — преобразование двумерного светового пучка в линейный лазерный луч, что широко используется в различных областях, таких как сопряжение с входом-щелью лазерных диодов, изменение аспектного отношения изображения, лазерные сканеры, красители лазеров, спектроскопия и приём энергии в линейных детекторах. Плоско-выпуклая/вогнутая цилиндрическая линза может как изменять аспектное отношение изображения, так и формировать линейное изображение из точечного источника света. Плоско-выпуклая цилиндрическая линза часто применяется для сбора коллимированных световых пучков с целью формирования тонкой линии.
Ещё одно важное применение плоско-выпуклых/вогнутых цилиндрических линз — анаморфное формирование пучка, которое заключается в коррекции эллипсообразного лазерного пучка, исходящего из лазерного диода, в круглый пучок. Эллиптический пучок возникает из-за прямоугольного апертурного отверстия Френеля и является нежелательным, так как приводит к увеличению площади пучка, большему расходу мощности, неравномерности и плохому гауссовому профилю пучка. Пара плоско-выпуклых/вогнутых цилиндрических линз может использоваться для преобразования эллиптического пучка в круглый. В ходе испытаний такая пара линз располагается перпендикулярно друг другу, как показано на рисунке. По результатам можно сделать вывод, что применение пары плоско-выпуклых/вогнутых цилиндрических линз для округления эллиптического пучка обеспечивает высокую пропускную способность, сбалансированную форму и ослабление астигматизма.
Шаровые и полушаровые линзы:
Шаровые линзы — это особая форма двояковыпуклых линз, которые наследуют форму шара (то есть имеют полностью сферические поверхности), изготовленные из одного материала с оптической прозрачностью в интересующем диапазоне длин волн. Основное назначение шаровых линз — коллимация и сопряжение света с оптическими волокнами (например, сопряжение лазера с волокном, сопряжение волокно с волокном), а также другие универсальные применения в миниатюрной оптике (например, для считывания штрихкодов, сенсоров или в качестве объективов и т. п.). Шаровые линзы также можно рассматривать как заготовки для изготовления асферических линз. Одним из преимуществ шаровой линзы является её короткое заднее фокальное расстояние (Back Focal Length, BFL), что сокращает расстояние от оптической системы до волокна и особенно полезно, когда пространство для установки ограничено. Компактные размеры также позволяют снизить производственные затраты. Кроме того, шаровая линза обладает осевой симметрией вращения, что упрощает выравнивание и позиционирование.
Полушаровые линзы — это разновидность шаровых линз, получаемая путем простого разрезания шаровой линзы пополам. Благодаря плоской поверхности, облегчающей установку, полушаровые линзы идеально подходят для применения в более компактных конструкциях.
Стрежневые линзы:
Стрежневые линзы — это оптические линзы в форме круглого стержня, которые фокусируют коллимированные лучи в одном измерении. Свет передается вдоль окружности линзы, поэтому боковые поверхности стержневых линз подвергаются точной полировке, в то время как две плоские торцевые поверхности не участвуют в оптической обработке, но при необходимости могут быть также отшлифованы. Применения стержневых линз включают коллимацию расходящихся лучей, линейное фокусирование и инверсию изображения между объективом и окуляром в жестком эндоскопе (медицинском приборе для наблюдения внутри человеческого тела). Стрежневая линза также может использоваться в качестве световода (оптического элемента, передающего свет между плоскими торцами с помощью полного внутреннего отражения).
Асперическая линза:
Асперическая линза — это оптическая линза с геометрией несферической оптической поверхности (то есть радиус кривизны изменяется в зависимости от расстояния от оптической оси). Уникальная особенность асперической линзы — минимизация сферических аберраций. Сферические аберрации, присущие сферическим линзам, возникают из-за различий в оптических путях: фокальные точки лучей, проходящих ближе к оптической оси, смещены вперёд по сравнению с лучами, попадающими на края сферической линзы, что приводит к размытию изображения и увеличению диаметра пятна. По сравнению со сферическими линзами, асперические линзы значительно снижают сферические аберрации, что улучшает разрешающую способность изображения и уменьшает диаметр пятна в несколько раз по сравнению с сферическими линзами. Асперическая линза допускает больший числовой апертурный диаметр (низкое f-число), что увеличивает светопропускание и обеспечивает более высокую энергетическую эффективность. Включение асперических линз в оптические модули также позволяет уменьшить количество элементов без необходимости в дополнительной оптике для коррекции сферических аберраций, обеспечивая компактный и упрощённый дизайн.
Tags: Руководство по выбору линз