Двояковогнутые линзы

Двояковогнутые линзы, или двояковыпуклые линзы, являются оптическими линзами с двумя вогнутыми сферическими поверхностями, и радиусы кривизны равны на обеих сторонах. Двояковыпуклая линза имеет отрицательное фокусное расстояние и разводит коллимированный световой пучок к виртуальной фокусной точке (то есть точке, в которой продолжения линий расходящегося светового пути пересекаются на стороне объекта двояковогнутой линзы). Применение двояковогнутых линз разнообразно, охватывая расхождение коллимированных или сфокусированных световых пучков и модуляцию диаметра пучка (например, в Галилеевских расширителях пучка), и из-за их отрицательного фокусного расстояния двояковогнутые линзы также могут применяться для компенсации сферической аберрации оптических сборок. Из-за симметричной структуры двояковогнутая линза наилучшим образом работает, когда соотношение конъюгатов (расстояние объекта: расстояние изображения) близко или равно 1:1. В таких ситуациях искажение, сферическая/хроматическая аберрация и кома могут быть скомпенсированы в результате равновесия линз.

Ханчжоу Shalom EO предлагает индивидуальные двояковогнутые линзы из различных материалов, включая Плавленый кварц, BK7/N-BK7, BaF2, CaF2, MgF2, Ge, ZnSe, Сапфир и другие оптические материалы. Рабочие длины волн линз охватывают широкий диапазон от УФ-до ИК-лучей. Индивидуальные варианты покрытий включают непокрытые подложки, многослойные антиотражающие (BBAR) покрытия, которые существенно снижают отражение (среднее отражение ниже 0,5%) в определенном диапазоне длин волн, и V-покрытие, которое обеспечивает более высокую передачу (среднее отражение ниже 0,25%) в более узком диапазоне, а также недорогие антиотражающие покрытия MgF2 (среднее отражение ниже 1,5%). Различные диапазоны длин волн передачи покрытий могут быть выбраны в соответствии с вашими требованиями. Спецификации, такие как диаметры (доступные от 0,8 мм до 300 нм), фокусные расстояния и число f/ двояковыпуклых линз, могут быть адаптированы по вашему запросу, а поверхностные неровности могут быть стандартными λ/4, или λ/8, если требуется более высокая точность. Кроме того, мы также предлагаем складские двояковогнутые линзы из N-BK7 и двояковогнутые линзы из Плавленого кварца.

Примечания по применению:

Двояковогнутая линза разводит коллимированный световой пучок в соответствии с виртуальной фокусной точкой на той же стороне, что и объект, поэтому ее фокусные расстояния считаются отрицательными. Формула для расчета фокусного расстояния двояковогнутой линзы может быть выражена как 1/f=(n-1)[1/r1-1/r2+(n-1)d/nr1r2], где f - фокусное расстояние двояковогнутой линзы, n - показатель преломления, r1, r2 - радиусы кривизны, а d - толщина линзы.

Руководство по выбору линз:

Различные классификации оптических линз помогают пользователям и инженерам оценить достоинства и недостатки классификаций линз с целью оптимизации оптической системы. Сначала, что такое линза? Оптическая линза - это прозрачный оптический компонент, который собирает или рассеивает свет, излучаемый периферийным объектом. Передаваемый свет затем формирует реальное или виртуальное изображение объекта. Оптические линзы можно разделить на три основных категории: собирающие линзы и рассеивающие линзы. Собирающие линзы имеют положительное фокусное расстояние и фокусируют свет, тогда как рассеивающие линзы имеют отрицательное фокусное расстояние и расширяют коллимированный световой пучок. Далее они могут быть подразделены на плоско-собирающую линзу, плоско-рассеивающую линзу, двояковогнутую линзу, двояковыпуклую линзу, линзу мениск, сферическую линзу/половину сферической линзы, ахроматическую двойную линзу, цилиндрическую плоско-собирающую линзу/плоско-рассеивающую линзу, стержневую линзу, асферическую линзу и т. д. В этой статье перечислены различные классификации линз, исследуются их характеристики и подходящий контекст для их использования.

Фокусное расстояние и сопряжение

Фокусное расстояние - это расстояние от оптического центра до точки, в которой параллельный световой пучок сходится на оптической оси. У собирающей линзы положительное фокусное расстояние, а у рассеивающей - отрицательное, и она фокусирует свет в виртуальную фокусную точку. Конъюгатное отношение определяется как отношение расстояния до объекта (расстояния между объектом и линзой на оптической оси) и расстояния до изображения (расстояния между изображением и линзой на оптической оси). Световые пути от объекта к изображению обратимы. Объект, помещенный в фокусную точку линзы, приводит к бесконечному конъюгатному отношению, в то время как объект, помещенный вдвое дальше от фокусного расстояния, приводит к образованию изображения на вдвое большем расстоянии, что дает конъюгатное отношение 1:1.

Note: Вы могли бы заинтересоваться изучением основных концепций, связанных с выбором линз, таких как Поле зрения (FOV), Изображение искажения, Сферическая аберрация и Кома: Сферические аберрации и т. д. См. наше Руководство по выбору линз. Или если вас интересует справочник по выбору материалов подложки, обратитесь к нашему Руководству по выбору оптических материалов подложки.

Таблица 1. Типы линз и конъюгатные отношения

плоско-выпуклая линза：

Плоско-выпуклая (PCX) линза - это оптическая линза с одной плоской поверхностью и одной выпуклой поверхностью, имеющая положительное фокусное расстояние. Она используется для сбора, фокусировки коллимированных световых лучей, коллимации света от точечного источника или сокращения фокусного расстояния группы линз. По сравнению с двояковыпуклыми линзами, плоско-выпуклые линзы имеют две неравные стороны и, следовательно, наилучшим образом работают с бесконечным абсолютным конъюгатным соотношением (расстояние до объекта: расстояние до изображения). Однако плоско-выпуклые линзы все же снижают сферические аберрации в довольно низкой степени, когда абсолютное конъюгатное соотношение превышает 5:1. Для конъюгатного отношения ниже 5:1 рассматривайте использование плоско-выпуклых линз в парах или двойной двояковыпуклой линзы. Плоско-выпуклые 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 световых лучей коллимированные лучи должны быть направлены на изогнутую поверхность линзы.

Плано вогнутая линза:

Плоско-вогнутая линза - это линза с плоской стороной и вогнутой стороной. У плоско-вогнутой линзы отрицательная фокусное расстояние, которое расходит пучок лучей. Поэтому ее можно использовать для расширения пучка, проецирования света и увеличения фокусного расстояния оптической системы. Плоско-вогнутые линзы часто включаются в галилейские расширители пучка, а также как компоненты для увеличения фокусного расстояния оптического прибора или для компенсации сферической аберрации, улучшая качество изображения. Когда абсолютное отношение конъюгированных значений больше 5:1 (то есть абсолютное значение расстояния до объекта: расстояния до изображения), плоско-вогнутая линза - лучший тип отрицательной линзы для уменьшения сферической аберрации, комы и искажений. При применении для расхода коллимированного светового пучка изогнутая поверхность должна быть обращена к источнику света (или, другими словами, плоская сторона должна указывать на фокальную плоскость, которую вы собираетесь модулировать), чтобы свет изгибался плавно и сферическая аберрация была сведена к минимуму.

Биконвексная линза

Биконвексная линза, также известная как двояко выпуклая линза, является оптической линзой с двумя сферическими поверхностями, имеющими одинаковые радиусы кривизны. Основные применения биконвексных линз включают модуляцию лазерного излучения, фокусировку света и создание изображений. У биконвексных линз положительные фокусные расстояния, и они сходят коллимированный свет к точке. Когда абсолютное отношение конечных конъюгированных значений равно или близко к 1:1, рекомендуется использовать биконвексные линзы. Когда расстояние до объекта и расстояние до изображения примерно равны в абсолютных величинах, биконвексные линзы являются лучшим вариантом для отношений конъюгированных значений между 1:5 и 5:1. В противном случае предпочтительнее использовать плоско-вогнутые линзы, поскольку их асимметричная форма помогает уменьшить сферические аберрации. Фокусные расстояния биконвексных линз можно рассчитать с помощью формулы: f = (R1 * R2) / ((n-1) * (R2-R1)). Их кривизна на обеих сторонах равна и часто используется для сбора света из точечного источника или передачи изображений другим оптическим системам. Поскольку расстояние до объекта и расстояние до изображения равны или приблизительно равны, искажения могут быть минимизированы.

Биконкавная линза：

Двояко вогнутая линза, также известная как двойная вогнутая линза, представляет собой оптическую линзу с двумя вогнутыми сферическими поверхностями одинакового радиуса кривизны. У двойной вогнутой линзы отрицательное фокусное расстояние, и она расходит коллимированный световой пучок к виртуальной фокусной точке (то есть точке, в которой продолжение линий расходящегося пути света пересекается на стороне объекта вогнутой линзы) и увеличивает фокусное расстояние группы линз. Применения двояко вогнутых линз разнообразны и включают разведение коллимированных или сфокусированных световых пучков, модуляцию диаметра пучка (например, галилейские расширители пучка) и из-за их отрицательных фокусных расстояний, двояко вогнутые линзы также могут применяться для коррекции сферической аберрации оптических сборок. Благодаря своей симметричной структуре двойная вогнутая линза лучше всего работает, когда отношение конъюгированных значений (расстояние до объекта: расстояние до изображения) близко к 1:1. В таких ситуациях искажение, сферическая/хроматическая аберрация и кома могут быть скомпенсированы в результате равновесия линз. В то время как, когда предполагаемое отношение увеличения <1/5 или >5, плоско-вогнутая линза будет лучшей альтернативой.

Менисковая линза :

Менисковая линза, или выпукло-вогнутая линза, представляет собой оптическую линзу, состоящую из одной вогнутой и одной выпуклой стороны, и обе стороны имеют разные радиусы кривизны, в зависимости от которых менисковые линзы можно разделить на два типа: положительные менисковые линзы и отрицательные менисковые линзы. Положительная менисковая линза более изогнута с выпуклой стороны, чем с вогнутой стороны, и ее край имеет большую толщину по сравнению с центральной толщиной, что приводит к положительному фокусному расстоянию. В отличие от этого, отрицательная менисковая линза более изогнута с вогнутой стороны, чем с выпуклой стороны, и ее центральная толщина больше краевой толщины, что приводит к отрицательному фокусному расстоянию. Положительные менисковые линзы сходят свет и используются для уменьшения фокусного расстояния в сочетании с другими линзами, а также для увеличения числовой апертуры (NA) существующих оптических модулей без введения значительной сферической аберрации. Эти функции весьма полезны для инструментов изображения для увеличения разрешения и для фокусировки лазеров для уменьшения диаметра пятна при достаточно большой ширине входного луча, обеспечивая дифракционно-ограниченную производительность и лучшую точность для лазерной обработки. Отрицательная менисковая линза рассеивает свет и функционирует в противоположном направлении по сравнению с положительной менисковой линзой, чтобы увеличить фокусное расстояние, уменьшить числовую апертуру оптических сборок и расширить пучки. Менисковые линзы часто используются в качестве корректирующих линз и также могут быть использованы в качестве конденсатора пучка в системах освещения. Кроме того, менисковые линзы с подходящей толщиной также могут устранять хроматическую аберрацию.

Ахроматическая дублетная линза:

Ахроматический дублетный объектив - это объемный оптический элемент, часто состоящий из двух цементированных вогнутых и выпуклых однократных линз, изготовленных из различных оптических стекол с компенсацией дисперсионных свойств. Ахроматический дублетный объектив обладает характерной особенностью минимизации хроматической аберрации в оптическом модуле (хроматическая аберрация - это сдвиг показателей преломления, возникающий из-за различных длин волн при наличии многоканального источника света, в результате чего происходит размытие точек на фокусной плоскости). Также возможно корректировать сферическую и каматическую аберрации на оси с использованием ахроматических дублетных линз.

Плано выпуклый/вогнутый цилиндрический линзу:

Плоско-выпуклая/вогнутая цилиндрическая линза, по сути, является кубоидом с выступающей/вогнутой структурой, и, следовательно, имеет положительную эффективную длину. Основная функция плоско-выпуклой цилиндрической линзы заключается в конденсации/раздвигании матрицы лазерных лучей и модуляции соотношения сторон изображения. В качестве плоской версии плоско-выпуклой/вогнутой линзы, плоско-выпуклая/вогнутая цилиндрическая линза лучше работает при бесконечных сочетаниях (здесь мы имеем в виду абсолютное значение, и значение становится неудовлетворительным, когда оно ниже 5:1). То, что отличает плоскую PCX/PCV и цилиндрическую PCX/PCV, заключается в том, что первая расходит свет в двух измерениях, а вторая расширяет пучок света только в одном измерении.

Природа плоско-выпуклых/вогнутых цилиндрических линз, которая преобразует двумерный световой пучок в линейную лазерную линию, может быть использована в различных областях, таких как сопряжение входного щели лазерных диодов, изменение соотношения сторон изображения, лазерные сканеры, красительные лазеры, спектроскопии и приемники энергии в линейных детекторах. Плоско-выпуклая/вогнутая линза может как модулировать соотношение сторон изображения, так и создавать линейное изображение из источника света в виде точечного луча. Цилиндрическая линза PCX также часто используется для сбора коллимированных световых пучков с целью создания тонкой линии.

Еще одним важным применением плоско-выпуклых/вогнутых цилиндрических линз является анаморфное формирование луча, которое заключается в коррекции эллиптического формата лазерного луча, создаваемого лазерным диодом, в круглый формат. Эллиптический лазерный луч является следствием прямоугольного апертуры Френеля и не желателен, поскольку это означает большую площадь пучка, что приводит к потере большего количества энергии, менее однородному освещению и плохому профилю гауссового луча. Пара плоско-выпуклых/вогнутых цилиндрических линз может быть использована для круглой формировки эллиптических лучей. Во время теста пара плоско-выпуклых/вогнутых цилиндрических линз располагается так, чтобы линзы были ортогональными, как показано на рисунке. Из результатов можно сделать вывод, что использование пары плоско-выпуклых/вогнутых цилиндрических линз для превращения эллиптического луча в круглый является подходом с высокой пропускной способностью, сбалансированной формой и снижением астигматизма.

Шаровая и полушаровая линзы:

Ball Lenses представляют собой специальную форму биконвексных линз, которые имеют геометрию шара (что подразумевает полностью сферические поверхности), изготовленные из одного материала с оптической пропускной способностью, находящейся в интересующем диапазоне длин волн. Основная функция шаровых линз - это коллимация/сопряжение света с оптическими волокнами (например, сопряжение лазера с волокном, сопряжение волокон между собой), с другими универсальными возможностями, такими как встраивание в миниатюрную оптику (например, сканирование штрих-кодов, датчики или в качестве объективов 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), что позволяет сократить расстояние от оптики до волокна и особенно полезно, когда установочное пространство довольно ограничено, а компактные размеры могут одновременно снизить стоимость производства. Кроме того, шаровая линза обладает вращательной симметрией, что облегчает выравнивание и позиционирование.

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

Стержневые линзы:

Родовые линзы - это оптические линзы в форме круглого стержня, фокусирующие коллимированные пучки в одно измерение. Свет передается вдоль окружности линзы, поэтому окружности родовых линз тщательно полируются, в то время как два плоских конца не имеют значения для оптической обработки, но их тоже можно шлифовать. Применение родовых линз включает коллимацию расходящегося света, линейное фокусирование и инверсию изображения между объективом и окулярными линзами в жестком эндоскопе (медицинский инструмент для наблюдения внутри человеческого тела). Родовую линзу также можно использовать в качестве световода (оптического компонента, который передает свет между плоскими концами с помощью полного внутреннего отражения).

Асферическая линза:

Асферическая линза - это оптическая линза с геометрией несферической оптической поверхности (то есть радиус кривизны изменяется с расстоянием от оптической оси). Уникальной особенностью асферической линзы является минимизация сферических аберраций. Сферические аберрации, встречающиеся в сферических линзах из-за различий в оптических путях, вызывают смещение фокусных точек света, ближе к оптической оси, что приводит к размытию изображения и увеличению диаметра точки. По сравнению со сферическими линзами, асферические линзы обладают значительно сниженными сферическими аберрациями, что приводит к улучшению разрешения изображения и диаметру точки, который на несколько порядков меньше, чем у сферических линз. Асферическая линза позволяет использовать большую числовую апертуру (низкий f-номер), что увеличивает пропускную способность света и достигает более высокой эффективности мощности. Включение асферических линз в модули объективов также может помочь сократить количество элементов за счет исключения избыточной оптики для коррекции сферических аберраций, обеспечивая компактный и упрощенный дизайн.