Двоякоконические линзы

Биконвексная линза, или двоякоконическая линза, - это оптическая линза с двумя сферическими поверхностями с идентичными радиусами кривизны. Биконвексные линзы имеют положительные фокусные расстояния и сходят коллимированный свет в точку. Их использование включает, но не ограничивается, модуляцию и фокусировку лазерных лучей и оптических приборов. Биконвексные линзы рекомендуются в ситуациях, когда абсолютное конечное конъюгированное отношение равно 1:1 или близко к 1:1. Это происходит, когда абсолютное значение расстояния до объекта и расстояния до изображения равно или близко, что означает, что конъюгированное отношение находится в диапазоне от 1:5 до 5:1 (в противном случае, планоконические линзы более предпочтительны), функционируя для минимизации сферических, комы и искажений.

Hangzhou Shalom EO предлагает индивидуальные биконвексные линзы из различных материалов, включая объединенный кремний, BK7/N-BK7, BaF2, CaF2, MgF2, Ge, ZnSe, сапфир и другие. Рабочие длины волн охватывают ультрафиолетовый до инфракрасный спектр. Варианты индивидуального покрытия включают необработанные подложки, широкополосное антиотражательное покрытие (BBAR), охватывающее определенный диапазон длин волн, V-покрытие, обеспечивающее более низкое отражение в более узком диапазоне, и покрытия MgF2 AR. Спецификации, такие как диаметры, фокусные расстояния и число f/ биконвексных линз, могут быть адаптированы по вашему запросу, а поверхностные неровности могут составлять обычные λ/4 или λ/8, если требуется более высокая точность. На страницах Shalom EO также представлен большой выбор стандартных биконвексных линз из N-BK7 и ультрафиолетового объединенного кремня.

Заметки о применении:

1. Формула для вычисления фокусного расстояния двоякоконической линзы: 1/f=(n-1)(1/r1-1/r2), где f - фокусное расстояние двоякоконической линзы, n - показатель преломления, а r1 и r2 - радиусы кривизны двух сферических сторон.

Учебное пособие по выбору линз:

Различаются различные классификации оптических линз, и как пользователь, так и инженер, необходимо оценить плюсы и минусы классификаций линз, чтобы оптимизировать оптическую систему. Сначала, что такое линза? Оптическая линза - это прозрачный оптический компонент, который собирает или расходит свет, излучаемый периферийным объектом. Передаваемый свет затем формирует реальное или виртуальное изображение объекта. Оптические линзы можно разделить на три основные категории: собирающие линзы и рассеивающие линзы. Собирающие линзы имеют положительное фокусное расстояние и фокусируют свет, в то время как рассеивающие линзы имеют отрицательное фокусное расстояние и расширяют параллельный пучок света. Дополнительно разделив, их можно классифицировать на планоконвексные линзы, планоконкавные линзы, двоякоконические линзы, двоякоконусные линзы, менискусные линзы, линзы шаровые/половинные шаровые, ахроматические двойные линзы, цилиндрические планоконвексные линзы/планоконкавные линзы, стержневые линзы, асферические линзы и т. д. В этой статье перечислены различные классификации линз, исследуются их характеристики и соответствующий контекст для их использования.

Фокусное расстояние и конъюгированное отношение

Фокусное расстояние - это расстояние от оптического центра до точки, где параллельный световой пучок сходится на оптической оси. У выпуклой линзы положительное фокусное расстояние, а у вогнутой линзы - отрицательное фокусное расстояние, и она фокусирует свет в виртуальную фокусную точку. Конъюгированное отношение определяется как отношение расстояния до объекта (расстояние между объектом и линзой на оптической оси) и расстояния до изображения (расстояние между изображением и линзой на оптической оси). Световые пути от объекта к изображению обратимы. Объект, помещенный в фокусной точке линзы, приводит к бесконечному конъюгированному отношению, в то время как объект, помещенный вдвое дальше от фокусного расстояния, создает изображение, образованное вдвое дальше от фокусного расстояния, что дает конъюгированное отношение 1:1.

Примечание: Вам может быть интересно узнать больше о базовых концепциях, связанных с выбором линз, таких как Поле зрения (FOV), Искажение изображения, Сферическая аберрация и Кома: Сферические аберрации и т. д. Смотрите наше Учебное пособие по выбору линз для получения дополнительной информации. Или если вы ищете справочник по выбору материалов подложки, ознакомьтесь с нашим Руководством по выбору оптических материалов подложки.

Таблица 1. Типы линз и конъюгированные отношения

Планоконвексная линза:

Планоконвексная (PCX) линза - это оптическая линза с одной плоской поверхностью и одной выпуклой поверхностью, имеющая положительное фокусное расстояние. Она используется для сбора, фокусировки коллимированных лучей, коллимации света из точечного источника или уменьшения фокусного расстояния оптической системы. В сравнении с двоякоконическими линзами, планоконвексные линзы имеют две неравные стороны и поэтому лучше всего подходят для бесконечного абсолютного конъюгированного отношения (расстояние до объекта: расстояние до изображения). Однако планоконвексные линзы всё же снижают сферические аберрации до довольно низкого уровня, когда абсолютное конъюгированное отношение больше 5:1. Для конъюгированных отношений менее 5:1 рассмотрите использование планоконвексных линз в парах или двоякоконической линзы. Планоконвексные линзы в основном используются для монохроматического света, такого как лазеры; они часто используются для сведения параллельного света или преобразования точечных источников света в параллельный свет. При использовании линзы для фокусировки коллимированных лучей, коллимированный свет должен проецироваться на изогнутую поверхность линзы.

Планоконкавная (PCV) линза:

Планоконкавная линза - это линза с одной плоской стороной и одной вогнутой стороной. У планоконкавной линзы отрицательное фокусное расстояние, которое расходит пучок лучей. Поэтому она может использоваться для расширения пучка, проецирования света и увеличения фокусного расстояния оптической системы. Планоконкавные линзы часто включаются в галилеевские оптические расширители пучка, а также как компоненты для увеличения фокусного расстояния оптического инструмента или для компенсации сферической аберрации, улучшая качество изображения. Когда абсолютное конъюгированное отношение больше 5:1 (то есть абсолютное значение расстояния до объекта: расстояние до изображения), планоконкавная линза является лучшим типом отрицательной линзы для снижения сферической аберрации, комы и искажений. Когда применяется для расхода коллимированного светового пучка, изогнутая поверхность должна быть направлена к источнику света (или, другими словами, плоская сторона должна указывать на фокальную плоскость, которую вы хотите модулировать), чтобы свет изгибался плавно, и сферическая аберрация была сведена к минимуму.

Двоякоконическая линза:

Биконвексная линза, также известная как двоякоконическая линза, - это оптическая линза с двумя сферическими поверхностями, имеющими одинаковые радиусы кривизны. Основные применения биконвексных линз включают модуляцию лазерного излучения, фокусировку света и формирование изображений. У биконвексных линз положительные фокусные расстояния, и они сходят коллимированный свет в точку. Когда абсолютное конечное конъюгированное отношение равно или близко к 1:1, рекомендуются биконвексные линзы. Когда расстояние до объекта и расстояние до изображения равны в абсолютном значении, биконвексные линзы являются наилучшим вариантом для конъюгированных отношений от 1:5 до 5:1. В противном случае предпочтительнее планоконвексные линзы, так как их асимметричная форма помогает уменьшить сферические аберрации. Фокусные расстояния биконвексных линз могут быть вычислены с помощью формулы: f= (R1R2)/((n-1)(R2-R1)). Их кривизны на обеих сторонах одинаковы и часто используются для сбора света из точечного источника или передачи изображений в другие оптические системы. Поскольку расстояние до объекта и расстояние до изображения равны или приблизительно равны, искажения могут быть минимизированы.

Двоякоконусная линза:

Биконкавная линза, или двоякоконусная линза, - это оптическая линза с двумя вогнутыми сферическими поверхностями одинакового радиуса кривизны. У двоякоконусных линз отрицательное фокусное расстояние, и они расходят коллимированный световой пучок к виртуальной фокусной точке (точке, в которой продолжения линий расходящегося светового пути пересекаются на стороне объекта двоякоконусной линзы) и увеличивают фокусные расстояния линзовой группы. Применение двоякоконусных линз разнообразно, оно включает в себя расход коллимированных или сфокусированных световых пучков, и модуляцию диаметра пучка (например, галилеевские оптические расширители пучка), а также из-за их отрицательных фокусных расстояний, двоякоконусные линзы могут быть использованы для коррекции сферической аберрации оптических сборок. Из-за симметричной структуры двоякоконусная линза работает наилучшим образом, когда конъюгированное отношение (расстояние до объекта: расстояние до изображения) близко или равно 1:1. В таких ситуациях искажения, сферическая/хроматическая аберрация и кома могут быть смещены за счет равновесия линз. В то время как, когда намеренное отношение увеличения <1/5 или >5, планоконкавная линза будет лучшей альтернативой.

Менисковая линза:

Менисковая линза, или выпукло-вогнутая линза, - это оптическая линза, состоящая из одной вогнутой и одной выпуклой стороны, и две стороны имеют разные радиусы кривизны, в соответствии с которыми менисковые линзы могут быть классифицированы на два вида: положительные менисковые линзы и отрицательные менисковые линзы. Положительная менисковая линза более изогнута на стороне выпуклой части, чем на стороне вогнутой, и ее толщина на краю больше, чем в центре, что обуславливает положительное фокусное расстояние. В отличие от этого, отрицательная менисковая линза более изогнута на стороне вогнутой, чем на стороне выпуклой, и ее центральная толщина больше краевой, что приводит к отрицательному фокусному расстоянию. Положительные менисковые линзы сходят свет и используются для уменьшения фокусного расстояния при использовании в сочетании с другими линзами и увеличивают числовую апертуру (NA) существующих оптических модулей без введения значительной сферической аберрации. Эти функции весьма полезны для приборов для обработки изображений для увеличения разрешения и для фокусировки лазеров для уменьшения диаметра пятна, когда ширина падающего пучка довольно большая, обеспечивая дифракционно-ограниченную производительность и лучшую точность для лазерной обработки. Отрицательная менисковая линза рассеивает свет и действует в противоположном направлении положительной менисковой линзы, чтобы увеличить фокусное расстояние, уменьшить NA оптических сборок и расширить пучки. Менисковая линза часто используется как корректирующая линза и может также использоваться как конденсатор пучка в системе освещения. Кроме того, менисковые линзы с подходящей толщиной также могут устранять хроматическую аберрацию.

Ахроматическая дуплетная линза:

Ахроматическая дуплетная линза представляет собой массовый оптический элемент, часто состоящий из двух склеенных вогнутых и выпуклых однодиоптрических линз, изготовленных из различных оптических стеклянных материалов с компенсирующими дисперсионными свойствами. Особенностью ахроматической дуплетной линзы является минимизация хроматической аберрации в оптическом модуле (хроматическая аберрация - это сдвиг показателей преломления, возникающий из-за различных длин волн, когда источник падающего света состоит из многокрасочных излучений, что приводит к размытию пятен на фокальной плоскости). Также возможно корректировать сферическую и коматическую аберрацию по оси с использованием ахроматических дуплетных линз.

Планоконвексная/планоконкавная цилиндрическая линза:

Планоконвексная/планоконкавная цилиндрическая линза в сущности представляет собой кубоид с выступающей/вогнутой структурой, и поэтому имеет положительную эффективную длину. Основная функция планоконвексной цилиндрической линзы состоит в сжатии/расширении матрицы лазерных пучков и модуляции соотношения сторон изображения. В качестве плоской версии планоконвексной/планоконкавной линзы планоконвексная/планоконкавная цилиндрическая линза проявляет себя лучше при бесконечных конъюгированных отношениях (здесь мы говорим о абсолютном значении, и значение становится невыгодным, когда оно меньше 5:1). То, что отличает плоскую линзу PCX/PCV от цилиндрической линзы PCX/PCV, заключается в том, что первая рассеивает свет в двух измерениях, а последняя расширяет световой пучок в одном измерении.

Природа планоконвексных/планоконкавных цилиндрических линз, которая заключается в превращении двухмерного светового пучка в линейную лазерную линию, может быть использована в различных приложениях, таких как сцепление входного щели лазерных диодов, изменение соотношения сторон изображения, лазерные сканеры, красители лазеров, спектроскопии и приемники энергии в линейных детекторах. Планоконвексная/планоконкавная линза может как модулировать соотношение сторон изображения, так и создавать линейное изображение из источника точечного света. Планоконвексная цилиндрическая линза также часто используется для сбора коллимированных световых пучков для создания тонкой линии.

Еще одно важное применение планоконвексных/планоконкавных цилиндрических линз - это анаморфное формирование луча, что означает коррекцию эллиптического лазерного луча, созданного из лазерного диода, в круглый. Эллиптический лазерный луч является следствием прямоугольной френелевой апертуры и является нежелательным, потому что это означает большую площадь луча, что приводит к большему расходу энергии, меньшей однородности и плохому профилю гауссовского луча. Пару планоконвексных/планоконкавных цилиндрических линз можно использовать для круглой формировки эллиптических лучей. В ходе испытаний пара планоконвексных/планоконкавных цилиндрических линз размещается таким образом, чтобы линзы были ортогональны, как показано на рисунке. Из результатов можно сделать вывод, что использование пары планоконвексных/планоконкавных цилиндрических линз для круглой формировки эллиптического луча является высокопропускным, сбалансированным подходом с ослаблением астигматизма.

Линзы шарового и полушарового типа:

Линзы шарового типа представляют собой особую форму биконвексных линз, которые наследуют геометрию шара (что подразумевает полностью сферические поверхности), изготовленные из одного материала с оптической пропускной способностью, расположенной в интересующем диапазоне длин волн. Основная функция шаровых линз - коллимация/сцепление света для оптических волокон (например, сцепление лазера с волокном, сцепление волокон между собой), с другими универсальными возможностями использования в миниатюрной оптике (например, сканирование штрих-кодов, датчики или в качестве объективных линз и т. д.). Шаровые линзы также могут рассматриваться как предварительные формы асферических линз. Одним из преимуществ шаровой линзы является ее короткое заднее фокусное расстояние (BFL), свойство, которое сокращает расстояние от оптики до волокна и особенно полезно, когда пространство для установки ограничено, а компактные размеры могут одновременно снизить стоимость производства. Кроме того, шаровая линза является вращательно симметричной, что упрощает процесс выравнивания и позиционирования.

Полушаровые линзы являются вариантами шаровых линз, получаемых простым разрезанием шаровых линз пополам. Благодаря удобству монтажа, обеспечиваемому одной плоской поверхностью, полушаровые линзы идеально подходят для приложений, где требуются более компактные конструкции.

Линзы-стержни:

Линзы-стержни — это оптические линзы в форме круглого стержня, которые фокусируют коллимированные пучки в одно измерение. Свет передается вдоль окружности линзы, поэтому окружности линз-стержней тщательно полируются, в то время как две плоские концы не имеют значения для оптической обработки, но также могут быть отшлифованы. Линзы-стержни используются для коллимации расходящегося света, линейной фокусировки и инверсии изображения между объективом и окуляром в жестком эндоскопе (медицинском инструменте для наблюдения внутри человеческого тела). Линза-стержень также может использоваться как световод (оптический компонент, который передает свет между плоскими концами с использованием полного внутреннего отражения).

Асферическая линза:

Асферическая линза — это оптическая линза с геометрией несферической передней оптической поверхности (то есть радиус кривизны изменяется с расстоянием от оптической оси). Уникальной особенностью асферической линзы является минимизация сферических аберраций. Сферические аберрации, характерные для сферических линз, возникают из-за различий в оптических путях: фокусные точки света, ближе к оптической оси, обычно расположены дальше, чем у света, падающего на края сферических линз, что приводит к размытию изображения и увеличению диаметра пятна. По сравнению со сферическими линзами, асферические линзы обладают сферическими аберрациями, сниженными до значительной степени, что приводит к улучшению разрешения изображения и диаметров пятен на несколько порядков меньших, чем у сферических линз. Асферическая линза позволяет использовать больший числовой апертурный диапазон (низкое числовое значение f) и, следовательно, увеличивает пропускную способность света, обеспечивая более высокую эффективность. Внедрение асферических линз в модули линз также может помочь уменьшить количество элементов с исключением избыточной оптики для коррекции сферических аберраций, обеспечивая компактный и упрощенный дизайн.