Плоско-выпуклые цилиндрические линзы

Плоско-вогнутая цилиндрическая линза - это оптическая плоско-вогнутая линза в форме колонны с положительными фокусными расстояниями, сжимающая или расширяющая свет в одном измерении (т. е. в одну тонкую линию), а не в одну точку, как в случае сферической плоско-вогнутой линзы. Плоско-вогнутые цилиндрические линзы обладают разносторонними функциональными возможностями, включая модуляцию соотношения сторон изображений путем одномерного сжатия, генерацию линейных лазерных излучений и коррекцию эллипсоидного пятна лазерного излучения в круглую форму, близкую к идеальному гауссовому профилю (формирование лазерного пучка). Эти функции могут быть использованы в различных электро-оптических инструментах, таких как лазерное сканирование, круговая поляризация лазерного луча полупроводникового лазера, оптическая метрология и спектроскопия. Как и их сферические аналоги, плоско-вогнутые цилиндрические линзы оптимизированы для бесконечных сочетаний конъюгатов и становятся неэффективными для абсолютных соотношений конъюгатов ниже 5:1.

Ханчжоу Shalom EO предлагает различные индивидуальные плоско-вогнутые цилиндрические линзы, изготовленные из материалов, включая, но не ограничиваясь, N-BK7, Фторид кремния (Fused Silica), Фторид кальция (CaF2), Фторид бария (BaF2), Фторид магния (MgF2), Селенид цинка (ZnSe) и т. д. Эти линзы подходят для обработки света, такой как формирование пучка, модуляция и генерация линейного света, и могут быть включены в лазерные сканеры, полупроводниковые лазеры, оптические метрологии и спектроскопы. Кроме того, у нас также есть 87 видов складных плоско-вогнутых цилиндрических линз (с фокусными расстояниями от 4 мм до 1000 мм), изготовленных из тщательно отжаренного стекла N-BK7 от SCHOTT. Наше обширное наличие и профессиональные консультации гарантируют, что ваши намерения будут правильно поняты, а ваши требования будут лучше организованы.

Варианты настройки покрытия для выпуклых цилиндрических линз включают необработанные подложки, многослойные антирефлексионные (BBAR) покрытия, которые эффективно снижают отражение (среднее отражение менее 0,5%) в определенном диапазоне длин волн, а также лазерные V-покрытия, обеспечивающие более высокую передачу (среднее отражение менее 0,25%) в более узком диапазоне вокруг определенной длины волны, и покрытия из MgF2 (среднее отражение менее 1,5%) с конкурентоспособной низкой ценой. Доступны как круглые, так и прямоугольные версии.

Примечания к применению:

1.Для минимизации сферической аберрации инженеры Shalom EO предлагают направлять входящие лучи света на изогнутую сторону линзы для их разбегания.

2.Формирование лазерного излучения от полупроводникового лазера

Лазерный диод (P-i-N диод) работает так, что электрический ток протекает между анодами и катодами сверху и снизу полупроводникового материала подложки внутренним образом, что приводит к излучению лазерного луча в виде эллиптической формы, подобно излучению из прямоугольного отверстия. Эллиптический луч подразумевает либо большую вертикальную, либо горизонтальную составляющую. Обе составляющие не могут быть эквивалентными. Это проблематично, потому что это уменьшает яркость, оптическую однородность и качество луча лазера на выходе. Например, если лазер используется для гравировки узоров, то эллиптические лучи снизят точность и эффективность работы в значительной степени. Проблемы также могут возникнуть из-за ослабления входной интенсивности и искажений гауссового профиля лазера после круговой коррекции.

Отличным способом исправления этой ситуации является использование пары плоско-вогнутых/вогнутых цилиндрических линз. Причиной образования эллиптической формы луча является прямоугольное отверстие, обусловленное френелевскими отражениями. Предположим, что угол между оптической осью и вертикальной осью эллипса равен θ1, а угол между оптической осью и горизонтальной осью эллипса равен θ2. При таких условиях две цилиндрические плоско-вогнутые/-вогнутые линзы, расположенные с фокусными расстояниями f2/f1 = θ1/θ2, могут преобразовать эллиптический лазерный луч в круглый. Фактически, пара цилиндрических линз обеспечивает хорошо круглый луч, сбалансированную круглую форму и качество луча с передаваемой мощностью. Кроме того, они компенсируют большую часть астигматизма луча.

Фигура 1. Круговая коррекция эллиптического лазерного луча с помощью пары плоско-вогнутых цилиндрических линз.

3. Линейное конденсирование

Обе плоско-вогнутые цилиндрические линзы и плоско-вогнутые цилиндрические линзы могут реализовать увеличение изображения точки в линию или сжатие пучка в линию. Например, плоско-вогнутая цилиндрическая линза преобразует пучок с исходным диаметром a1 на стороне объекта в тонкую линию на стороне изображения в соответствии с виртуальным фокусом, и длина линии может быть регулирована путем изменения расстояния до изображения.

Учебное пособие по выбору линз:

Различают различные классификации оптических линз, и как пользователю, так и инженеру, необходимо оценить плюсы и минусы классификаций линз, чтобы оптимизировать оптическую систему. Во-первых, 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 могут быть разделены 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 коллимированный световой пучок. Далее они могут быть классифицированы как плоско-выпуклая линза, плоско-вогнутая линза, двояковыпуклая линза, двойновогнутая линза, менискусная линза, шаровая/половинная шаровая линза, ахроматическая двойная линза, цилиндрическая плоско-выпуклая линза/плоско-вогнутая линза, стержневая линза, асферическая линза и т. д. В этой статье перечислены различные классификации линз, исследуются их характеристики и соответствующий контекст их использования.

Фокусное расстояние и коэффициент конъюгации

Фокусное расстояние - это расстояние от оптического центра до точки, где параллельный световой луч сходится на оптической оси. У выпуклой линзы положительное фокусное расстояние, а у вогнутой линзы - отрицательное, и она фокусирует свет в виртуальную фокусную точку. Коэффициент конъюгации определяется как отношение расстояния до объекта (расстояние между объектом и линзой на оптической оси) к расстоянию до изображения (расстояние между изображением и линзой на оптической оси). Световые пути от объекта к изображению обратимы. Объект, помещенный в фокусную точку линзы, дает бесконечное значение коэффициента конъюгации, в то время как объект, помещенный в два раза больше фокусного расстояния, образует изображение на расстоянии в два раза больше фокусного расстояния, что дает коэффициент конъюгации 1:1.

Замечание: Вам может понадобиться 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. См. наше Учебное пособие по выбору линз. Или если вам нужна ссылка на выбор материалов подложки, см. наш Руководство по выбору оптического подложного материала.

Таблица 1. Типы линз и коэффициенты конъюгации

Плоско-выпуклая линза:

A Plano-Convex (PCX) lens, это оптическая линза с одной плоской поверхностью и одной выпуклой поверхностью, и положительным фокусным расстоянием, используемая для сбора, фокусировки коллимированных световых пучков, коллимации света из точечного источника или уменьшения фокусного расстояния линзовой группы. В отличие от биконвексных линз, плоско-выпуклые линзы имеют две непохожие стороны и, следовательно, наилучшим образом подходят для бесконечного абсолютного коэффициента конъюгации (расстояние до объекта: расстояние до изображения). Однако плоско-выпуклые линзы все равно уменьшают сферические аберрации в значительной степени, когда абсолютный коэффициент конъюгации больше 5:1. Для коэффициента конъюгации ниже 5:1 рассмотрите использование плоско-выпуклых линз в парах или биконвексных линз. Плоско-выпуклые линзы в основном используются для монохроматического света, такого как лазеры; они часто используются для сведения параллельного света или преобразования источников света в параллельный свет. При использовании линзы для фокусировки коллимированных световых пучков коллимированный свет должен быть направлен на изогнутую поверхность линзы.

Плоско-вогнутая линза:

Плоско-вогнутая линза — это линза с одной плоской стороной и одной вогнутой стороной. У плоско-вогнутой линзы отрицательное фокусное расстояние, что расходит пучок. Поэтому ее можно использовать для расширения пучка, проецирования света и увеличения фокусного расстояния оптической системы. Плоско-вогнутые линзы часто включаются в галилеевы оптические расширители пучка, а также в качестве компонентов для увеличения фокусного расстояния оптического прибора или для балансировки сферической аберрации, что улучшает качество изображения. Когда абсолютное соотношение конъюгации больше 5:1 (то есть абсолютное значение расстояния до объекта: расстояния до изображения), плоско-вогнутая линза является лучшим типом отрицательной линзы для снижения сферической аберрации, комы и искажений. При использовании для рассеивания коллимированного светового пучка изогнутая поверхность должна быть обращена к источнику света (или, другими словами, плоская сторона должна быть направлена на фокусную плоскость, которую вы хотите модулировать), чтобы свет искривлялся плавно и сферическая аберрация уменьшалась в максимальной степени.

Биконвексная линза:

Двояковыпуклая линза, также известная как двойная выпуклая линза, представляет собой оптическую линзу с двумя сферическими сторонами, имеющими одинаковые радиусы кривизны. Основные применения двояковыпуклых линз включают модуляцию лазерного луча, фокусировку света и создание изображений. Двояковыпуклые линзы имеют положительные фокусные расстояния и собирают параллельный свет в точку. Когда абсолютное соотношение конечных конъюгатов равно или близко к 1:1, рекомендуется использовать двояковыпуклые линзы. Когда расстояние до объекта и расстояние до изображения эквивалентны в абсолютных значениях, двояковыпуклые линзы являются наилучшим выбором для конъюгатных соотношений от 1:5 до 5:1. В противном случае предпочтительнее использовать плосковыпуклые линзы, так как их асимметричные формы помогают уменьшить сферические аберрации. Фокусное расстояние двояковыпуклых линз можно рассчитать по формуле: f = (R1 * R2) / ((n-1) * (R2 - R1)). Их кривизна с обеих сторон равна, и они часто используются для сбора света от точечного источника или передачи изображений в другие оптические системы. Поскольку расстояние до объекта и расстояние до изображения эквивалентны или приблизительно эквивалентны, искажения можно минимизировать.

Двояковогнутая линза:

Двояковогнутая линза, также известная как двойная вогнутая линза, представляет собой оптическую линзу с двумя вогнутыми сферическими поверхностями одинаковых радиусов кривизны. Двойная вогнутая линза имеет отрицательное фокусное расстояние и рассеивает параллельный световой пучок к виртуальной фокальной точке (то есть точке, в которой пересекаются линии продолжения расходящихся световых путей на стороне объекта вогнутой линзы) и увеличивает фокусные расстояния группы линз. Применение двояковогнутых линз разнообразно: они используются для рассеивания параллельных или сфокусированных световых пучков, модуляции диаметра пучка (например, в галилеевых расширителях пучка), а также для коррекции сферической аберрации в оптических системах благодаря их отрицательным фокусным расстояниям.

Из-за своей симметричной структуры двояковогнутая линза лучше всего работает, когда отношение конъюгатов (расстояние до объекта: расстояние до изображения) близко к 1:1. В таких случаях искажения, сферическая/хроматическая аберрация и кома могут быть минимизированы за счет равновесия линз. Однако, когда предполагаемое соотношение увеличения <1/5 или >5, плосковогнутая линза будет лучшей альтернативой.

Объектив мениска:

Менисковая линза, также известная как выпукло-вогнутая линза, представляет собой оптическую линзу, состоящую из одной вогнутой и одной выпуклой стороны. 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 на выпуклой стороне, чем на вогнутой, и ее толщина по краям больше, чем в центре, что приводит к положительному фокусному расстоянию. В отличие от нее, отрицательная менисковая линза более изогнута на вогнутой стороне, чем на выпуклой, и ее толщина в центре больше, чем по краям, что приводит к отрицательному фокусному расстоянию.

Положительные менисковые линзы собирают свет и используются для уменьшения фокусного расстояния в сочетании с другими линзами, а также для увеличения числовой апертуры (NA) существующих оптических модулей без внесения значительных сферических аберраций. Эти функции полезны для повышения разрешения в изображающих приборах и для фокусировки лазеров с целью уменьшения диаметра пятна при широкой ширине падающего луча, обеспечивая производительность, ограниченную дифракцией, и лучшую точность для лазерной обработки.

Отрицательная менисковая линза рассеивает свет и действует противоположным образом: увеличивает фокусное расстояние, уменьшает NA оптических сборок и расширяет пучки. Менисковая линза часто используется в качестве корректирующей линзы и может применяться в качестве конденсора пучка в системах освещения. Кроме того, менисковые линзы с соответствующей толщиной могут устранять хроматическую аберрацию.

Ахроматический дублет:

Ахроматический дублет — это массовый оптический элемент, часто состоящий из двух склеенных вогнутых и выпуклых однократных линз, изготовленных из различных оптических стекол с компенсирующими дисперсионными свойствами. Ахроматический дублет обладает особенностью минимизации хроматической аберрации в оптическом модуле (хроматическая аберрация — это сдвиг показателей преломления, вызванный разными длинами волн при падении света с многоцветной радиацией, что приводит к размытию пятен на фокальной плоскости). Также возможно корректировать сферическую и коматическую аберрацию с помощью ахроматических дублетов.

Планоконвексная/планоконкавная цилиндрическая линза:

Планоконвексная/планоконкавная цилиндрическая линза, по сути, представляет собой параллелепипед с выступающей наружу/вогнутой структурой, и, следовательно, имеет положительную эффективную длину. Основная функция планоконвекской цилиндрической линзы состоит в конденсации/дисперсии матрицы лазерных лучей и модуляции соотношения сторон изображения. В качестве плоской версии планоконвексной/планоконкавной линзы планоконвексная/планоконкавная цилиндрическая линза работает лучше при бесконечных конъюгированных отношениях (здесь мы имеем в виду абсолютное значение, и значение становится невыгодным при значениях ниже 5:1). Отличие планоконвекской/планоконкавной плоской линзы от цилиндрической планоконвекской/планоконкавной линзы заключается в том, что первая рассеивает свет в двух измерениях, а вторая расширяет световой пучок в одном измерении.

Природа планоконвексных/планоконкавных цилиндрических линз, которая преобразует двумерный световой пучок в линейную лазерную линию, может быть использована в разнообразных приложениях, таких как сопряжение щели входа лазерных диодов, изменение соотношения сторон изображения, лазерные сканеры, красители для лазеров, спектроскопия и приемники энергии в линейных детекторах. Планоконвексная/планоконкавная линза может либо модулировать соотношение сторон изображения, либо создавать линейное изображение из точечного источника света. Планоконвекская 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 формы лазерного луча, созданного излучателем лазерного диода, в круглый. Эллиптический лазерный луч является следствием прямоугольного френелевского отверстия и является нежелательным, поскольку это означает большую площадь луча, что приводит к большему расходу энергии, менее однородным лучам и плохому профилю гауссовского луча. Пара планоконвексных/планоконкавных цилиндрических линз может использоваться для превращения эллиптических лучей в круглые. В ходе испытаний пара планоконвексных/планоконкавных цилиндрических линз располагается так, чтобы линзы были ортогональными, как показано на рисунке. Из результатов можно сделать вывод, что использование пары планоконвексных/планоконкавных цилиндрических линз для превращения эллиптического луча в круглый является подходом с высокой пропускной способностью, сбалансированной формой и снижением астигматизма.

Мяч и линзы с половиной мяча:

Шаровые линзы представляют собой особый вид биконвексных линз, которые имеют геометрию шара (что подразумевает полностью сферические поверхности) и изготавливаются из одного материала с оптической прозрачностью в интересующем диапазоне длин волн. Основная функция шаровых линз - это коллимация/соединение света для оптических волокон (например, сцепление лазера с волокном, сцепление волокон между собой), с другими возможностями использования в миниатюрной оптике (например, считывание штрих-кода, 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 сокращает расстояние от оптики до волокна и является исключительно полезным, когда установочное пространство довольно ограничено, а компактные размеры могут одновременно сократить стоимость производства. Кроме того, шаровая линза обладает вращательной симметрией, что облегчает выравнивание и позиционирование.

Полушаровые линзы являются вариантами шаровых линз, полученных путем простого разрезания шаровых линз пополам. Благодаря удобству монтажа, обеспечиваемому одной плоской поверхностью, полушаровые линзы идеально подходят для применений, где требуются более компактные конструкции.

Линзы стержней:

Стержневые линзы представляют собой оптические линзы в форме круглого стержня, фокусирующие параллельные лучи в одном измерении. Свет передается вдоль окружности линзы, поэтому окружности стержневых линз полированные с высокой точностью, в то время как два плоских конца имеют меньшее значение для оптической обработки, но также могут быть отшлифованы. Стержневые линзы используются для коллимации расходящегося света, линейной фокусировки и инверсии изображения между объективными и окулярными линзами в жестком эндоскопе (медицинском инструменте для наблюдения внутри человеческого тела). Стержневую линзу также можно использовать в качестве световода (оптического компонента, который передает свет между плоскими концами с использованием полного внутреннего отражения).

Асферическая линза：

Асферическая линза представляет собой оптическую линзу с геометрией не сферического оптического фронта (то есть радиус кривизны варьируется в зависимости от расстояния от оптической оси). Уникальной особенностью асферической линзы являются минимизированные сферические аберрации. Сферические аберрации, внутренние в сферических линзах, из -за различий в оптических путях фокусные точки света ближе к оптической оси имеют тенденцию быть более вперед, чем у света, падающих на краях сферических линз, что приводит к размытости изображения. и увеличение ширины пятна. По сравнению со сферическими линзами, асферические линзы демонстрируют сферические аберрации, уменьшенные в драматической степени, что приводит к увеличению разрешения изображения, и диаметры точечных средств, которые на несколько порядков меньше, чем точечный диаметр сферических линз. Асферическая линза обеспечивает большую численную апертуру (низкий F-Number) и, следовательно, увеличивает пропускную способность света, достигая более высокой эффективности мощности. Включение асферических линз в модули линзы также может помочь уменьшить количество элемента с помощью исключения чрезмерной оптики для коррекции сферических аберраций, обеспечивая компактную и упрощенную конструкцию.