Плоско-вогнутая цилиндрическая линза

Плосковогнутая цилиндрическая линза — это особый вид плосковогнутого оптического компонента линзы в форме столбика с одной плоской стороной и одной вогнутой стороной. Как и плосковогнутая линза, плосковогнутая цилиндрическая линза имеет вогнутую внутрь кривую, что способствует отрицательному эффективному фокусному расстоянию (EFL), и обе они работают лучше всего при бесконечных абсолютных сопряженных отношениях и становятся невыгодными, когда они ниже 5:1. Различие заключается в том, что первая рассеивает свет в двух измерениях, а вторая расширяет световой луч вдоль одномерной одинарной оси. Одной из важнейших функций плосковогнутой цилиндрической линзы является преобразование двумерных световых лучей в одномерные линии. Классическим примером может служить проецирование коллимированного лазерного луча на вогнутую сторону цилиндрической линзы, затем на стороне изображения луч будет растянут и увеличен в тонкую линию. Плосковогнутые цилиндрические линзы являются лучшими вариантами для соединения со щелевым входом и одномерного растяжения изображения. Эти плосковогнутые цилиндрические линзы занимают все больше и больше разделов на рынках, таких как лазерные сканеры, спектроскопы, лазеры на красителях, акустооптика, оптические процессоры и другие подобные приложения.

Другое применение плосковогнутых цилиндрических линз — коррекция астигматизма и эллиптической формы лазерного луча. Коллимация и округление выходного луча лазерного диода. Недостаток эллиптической формы выходного луча является интимным для лазерных диодов с краевым излучением, это спроектированная слабость, которая нежелательна для пользователей. Эллиптические лучи, вместо идеальных круглых лучей, имеют большие размеры пятна, что означает более низкую энергоэффективность. Эксперименты показывают, что использование пары ортогональных плосковогнутых цилиндрических линз приводит к округленному и сбалансированно структурированному лучу с высокими качествами луча с передаваемой мощностью. Кроме того, пара цилиндрических линз компенсировала большую часть астигматизма луча.

N-BK7 или его эквивалент, известный как H-K9L, — это боросиликатное кроновое стекло, соответствующее требованиям ROHS, с превосходными оптическими характеристиками, а стекло подвергается тонкому отжигу и полировке с жесткими допусками для соответствия жестким допускам. Наиболее привлекательными преимуществами N-BK7 являются его высокая оптическая однородность и высокая передача в спектрах VIS и NIR. Кроме того, твердость, химическая и термическая стойкость N-BK7 также примечательны, он содержит низкие уровни включений и пузырьков, поэтому N-BK7 отлично подходит для изготовления высокоточных оптических линз.

На этой странице представлены имеющиеся в наличии плосковогнутые цилиндрические линзы N-BK7 компании Hangzhou Shalom EO. Различные фокусные расстояния варьируются от -3,9 мм до -700 мм, а размеры также различаются в зависимости от ваших требований. Стандартные варианты покрытия включают в себя покрытия без покрытия, 350-650 нм, 650-1050 нм и 1050-1580 нм антибликовые покрытия для повышения пропускания субстрата линзы, в то время как индивидуальные полосы пропускания покрытия могут быть адаптированы по запросам. Благодаря непрестанной преданности и инженерному интеллекту Shalom EO заслужила кредиты среди исследователей и клиентов по всему миру. Перед отправкой цилиндрические линзы будут проходить строгую внутреннюю проверку в нашей чистой комнате с использованием интерферометров Zygo и другого оборудования, чтобы обеспечить ваш интерес.

Помимо стандартных цилиндрических линз PCV, изготовленных из N-BK7, мы также предлагаем индивидуальные плосковогнутые цилиндрические линзы, изготовленные из портфеля других материалов, включая плавленый кварц, CaF2, BaF2, MgF2, ZnSe и т. д. С покрытиями BBAR, V-покрытиями и более дешевыми покрытиями MgF2 AR.

Примечания по применению:

Рисунок 1. Плосковогнутая цилиндрическая линза

1. Чтобы минимизировать сферическую аберрацию, инженеры из Shalom EO предлагают, чтобы входящие световые лучи проецировались на изогнутую сторону линзы для расхождения.

2. Формирование диодного лазера

Лазерный диод (P-i-N-диод) с электрическим током, протекающим между анодами и катодами сверху и снизу подложки полупроводникового материала, по своей сути создает отражения поверхности Френеля, приводящие к эллиптической форме излучения лазерного луча, как если бы оно испускалось из прямоугольного отверстия. Эллиптический луч подразумевает либо большую вертикальную, либо горизонтальную составляющую. Эти два компонента не могут быть эквивалентны. Это проблематично, поскольку это снижает освещенность, оптическую однородность и качество луча лазерного выхода, например, если лазер используется для гравировки узоров, то эллиптические лучи значительно снизят точность работы и эффективность. Ослабление входной интенсивности и аберрации в профиле гауссова пучка лазеров после циркуляризации должны быть приняты во внимание.

Отличной мерой для исправления ситуации является использование пары плосковыпуклых/вогнутых цилиндрических линз. Причиной эллиптической формы пучка является прямоугольная апертура, полученная из отражений Френеля. Теперь предположим, что угол между оптической осью и вертикальной осью эллипса равен θ1, а угол между оптической осью и горизонтальной осью эллипса равен θ2. При заданном условии две цилиндрические плосковыпуклые/вогнутые линзы, расположенные и имеющие фокусные расстояния f2/f1 = θ1/θ2, могут циркуляризировать эллиптический лазерный пучок. Фактически, пара цилиндрических линз обеспечивает хорошо циркуляризированный пучок, сбалансированную циркуляризацию и качество пучка с передаваемой мощностью. В дополнение к компенсации большей части астигматизма пучка.

3. Линейное увеличение

Как плосковогнутые цилиндрические линзы, так и плосковыпуклые цилиндрические линзы могут реализовать увеличение точка-линия или конденсацию линия-точка. Например, цилиндрическая линза PCV преобразует луч с исходным диаметром a1 на стороне объекта в тонкую линию на стороне изображения в соответствии с виртуальным фокусом, а длину линии можно регулировать путем изменения расстояния до изображения.

Характеристики:

Руководство по выбору объектива:

Существуют различные классификации оптических линз, и пользователю или инженеру необходимо оценить плюсы и минусы классификаций линз, чтобы оптимизировать оптическую систему. Во-первых, что такое линза? Оптическая линза — это прозрачный оптический компонент, который сходит или рассеивает свет, излучаемый периферийным объектом. Прошедший свет затем формирует реальное или виртуальное изображение объекта. Оптические линзы можно разделить на три основные категории: выпуклые линзы 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 луч. Далее их можно разделить на плоско-выпуклые линзы, плоско-вогнутые линзы, двояковыпуклые линзы, двояковогнутые линзы, менисковые линзы, шаровые/полушаровые линзы, ахроматические дублетные линзы, цилиндрические плоско-выпуклые линзы/плоские линзы. -вогнутая линза, стержневая линза, асферическая линза и т. д. В этой статье перечислены различные классификации линз, изучены их характеристики и соответствующий контекст для их использования.

Фокусное расстояние и коэффициент сопряжения

Фокусное расстояние — это расстояние от оптического центра до точки, где параллельный световой луч сходится на оптической оси. Выпуклая линза имеет положительное фокусное расстояние, а вогнутая линза имеет отрицательное фокусное расстояние и фокусирует свет в виртуальную фокусную точку. Коэффициент сопряжения 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). Путь света от объекта к изображению обратим. Объект, помещенный в фокус линзы, приводит к бесконечному сопряженному отношению, в то время как объект, помещенный на удвоенное фокусное расстояние, приводит к образованию изображения, сформированного на удвоенном фокусном расстоянии, что дает сопряженное соотношение 1:1.

Примечание. Возможно, вы захотите узнать больше об основных понятиях, связанных с выбором объектива, таких как поле зрения (FOV), искажение изображения, сферическая аберрация и кома: сферические аберрации и т. д. см. наше руководство по выбору объектива. Или, если вы ищете информацию о выборе материалов подложки, см. наше Руководство по выбору материала оптической подложки.

Таблица 1. Типы линз и коэффициенты сопряжения

Плоско-выпуклая линза:

Плоско-выпуклая линза (PCX) — это оптическая линза с одной плоской и одной выпуклой гранью и положительным фокусным расстоянием, используемая для сбора, фокусировки коллимированных лучей, коллимации света от точечного источника или уменьшения фокусного расстояния линзы. группа. По сравнению с двояковыпуклыми линзами, плоско-выпуклые линзы имеют две неодинаковые стороны и поэтому лучше всего подходят для бесконечного абсолютного сопряженного отношения (расстояние до объекта: расстояние до изображения). Однако плоско-выпуклые линзы по-прежнему уменьшают сферические аберрации в довольно низкой степени, когда абсолютное соотношение сопряженных линз превышает 5:1. Если соотношение конъюгатов ниже 5:1, рассмотрите возможность использования плоско-выпуклых линз парами или двояковыпуклых линз. Плоско-выпуклые линзы в основном используются для монохроматического света, например лазеров; Плоско-выпуклая линза часто используется для сведения параллельного света или преобразования точечных источников света в параллельный свет. при использовании линзы для фокусировки коллимированного света коллимированный свет должен проецироваться на изогнутую поверхность линзы.

Плоско-вогнутая линза:

Плоско-вогнутая линза — это линза, у которой одна сторона плоская, а другая — вогнутая. Плоско-вогнутая линза имеет отрицательное фокусное расстояние, которое рассеивает луч. Следовательно, его можно использовать для расширения луча, проецирования света и увеличения фокусного расстояния оптической системы. Плоско-вогнутые линзы часто включаются в расширители луча Галилея, а также в качестве компонентов для увеличения фокусного расстояния оптического инструмента или балансировки сферической аберрации, улучшая качество изображения. Когда абсолютное соотношение сопряженных элементов превышает 5:1 (т. е. абсолютное значение расстояния до объектива: расстояния до изображения), плоско-вогнутая линза является лучшим типом отрицательной линзы для уменьшения сферической аберрации, комы и искажения. При применении для рассеивания коллимированного светового луча изогнутая поверхность должна быть обращена к источнику света (или, другими словами, плоская сторона должна указывать на фокальную плоскость, которую вы собираетесь модулировать), чтобы свет постепенно изгибался, а сферическая аберрация уменьшалась до максимальной. степень.

Двояковыпуклая линза:

Двояковыпуклая линза, также известная как двояковыпуклая линза, представляет собой оптическую линзу с двумя сферическими сторонами, имеющими одинаковые радиусы кривизны. Основные области применения двояковыпуклых линз включают модуляцию лазерного луча, фокусировку света и визуализацию. Двояковыпуклые линзы имеют положительное фокусное расстояние и собирают коллимированный свет в точку. Когда абсолютное конечное соотношение сопряженных линз равно или близко к 1:1, рекомендуется использовать двояковыпуклые линзы. Когда расстояние до объекта и расстояние до изображения эквивалентны в абсолютном выражении, лучшим вариантом являются двояковыпуклые линзы с соотношением сопряжений от 1:5 до 5:1. В противном случае предпочтительнее плоско-выпуклые линзы, поскольку их асимметричная форма помогает уменьшить сферические аберрации. Фокусные расстояния двояковыпуклых линз можно рассчитать по формуле: f= (R1*R2)/((n-1)*(R2-R1)). Их кривизна с обеих сторон одинакова и часто используется для сбора света от точечного источника или передачи изображения в другие оптические системы. Поскольку расстояние до объекта и расстояние до изображения эквивалентны или приблизительно эквивалентны, искажения можно свести к минимуму.

Двояковогнутая линза:

Двояковогнутая линза или Двояковогнутая линза — это оптическая линза с двумя загнутыми внутрь сферическими поверхностями одинакового радиуса кривизны. Двойная вогнутая линза имеет отрицательное фокусное расстояние и направляет коллимированный световой луч к виртуальной фокусной точке (то есть точке, в которой выносные линии расходящегося светового пути пересекаются со стороны объекта вогнутой линзы) и увеличивает фокусные расстояния. группы линз. Использование двояковыпуклых линз разнообразно, включая расхождение коллимированных или сфокусированных световых лучей и модуляцию диаметра луча (например, расширители луча Галилея), а из-за их отрицательных фокусных расстояний двояковогнутые линзы также могут применяться для коррекции сферической аберрации. оптических сборок. Благодаря своей симметричной структуре двояковогнутая линза работает лучше всего, когда соотношение сопряжений (расстояние до объекта: расстояние до изображения) близко или равно 1:1. В таких ситуациях дисторсия, сферическая/хроматическая аберрация и кома могут быть компенсированы за счет равновесия линз. Хотя, когда предполагаемый коэффициент увеличения составляет <1/5 или >5, лучшей альтернативой будет плоско-вогнутая линза.

Менисковая линза:

Менисковая линза или выпукло-вогнутая линза — это оптическая линза, состоящая из одной вогнутой и одной выпуклой сторон, причем две стороны имеют разные радиусы кривизны, в соответствии с которыми менисковые линзы можно разделить на два типа: линзы с положительным мениском и отрицательные мениски. линзы. Линза с положительным мениском более изогнута на выпуклой стороне, чем на вогнутой, а толщина ее края больше, чем толщина в центре, что способствует положительному фокусному расстоянию. Напротив, линза с отрицательным мениском более изогнута на вогнутой стороне, чем на выпуклой, а ее центральная толщина больше, чем толщина края, что способствует отрицательному фокусному расстоянию. Конвергентный свет линз с положительным мениском используется для уменьшения фокусного расстояния при использовании в сочетании с другими объективами и увеличения числовой апертуры (NA) существующих оптических модулей без внесения значительной сферической аберрации. Эти функции весьма полезны для инструментов изображения для увеличения разрешения, а также для фокусирующих лазеров для уменьшения диаметра пятна, когда ширина падающего луча довольно велика, обеспечивая производительность, ограниченную дифракцией, и лучшую точность лазерной обработки. Линза с отрицательным мениском рассеивает свет и действует совершенно противоположным образом, как линза с положительным мениском: увеличивает фокусное расстояние, уменьшает апертуру оптических узлов и расширяет лучи. Менисковую линзу часто используют в качестве корректирующей линзы, а также в качестве конденсора луча системы освещения. Кроме того, менисковые линзы соответствующей толщины также могут устранить хроматическую аберрацию.

Ахроматическая дублетная линза:

Ахроматическая дублетная линза — это объемный оптический элемент, часто состоящий из двух склеенных вогнутой и выпуклой одиночных линз, изготовленных из различных материалов оптического стекла с компенсирующими дисперсионными свойствами. Отличительной особенностью ахроматической дублетной линзы является создание минимальной хроматической аберрации в оптическом модуле (Хроматическая аберрация – это сдвиг показателей преломления, возникающий в результате разной длины волны, когда источник падающего света состоит из разноцветных излучений, следствием чего является размытие пятен на фокусном расстоянии). самолет). Также возможно исправить сферическую и осевую коматическую аберрацию с помощью ахроматических дублетных линз.

Плоская выпуклая/вогнутая цилиндрическая линза:

Плоско-выпуклая/вогнутая цилиндрическая линза по сути представляет собой кубоид с вытянутой наружу/изогнутой внутрь структурой и, следовательно, с положительной эффективной длиной. Основная функция плоско-выпуклой цилиндрической линзы — конденсировать/рассеивать матрицу лазерных лучей и модулировать соотношение сторон изображения. В качестве пластинчатой ​​версии плоско-выпуклой/вогнутой линзы плоско-выпуклая/вогнутая цилиндрическая линза работает лучше при бесконечных соотношениях сопряжений (здесь мы имеем в виду абсолютное значение, и значение становится невыгодным, когда оно ниже 5:1). Что отличает пластину PCX/PCV от цилиндрической PCX/PCV, так это то, что первая рассеивает свет в двух измерениях, а вторая расширяет световой луч в одном.

Природа плоско-выпуклых/вогнутых цилиндрических линз, которая превращает двумерный световой луч в линейную лазерную линию, может быть использована в самых разных приложениях, таких как соединение щелевого входа лазерных диодов, изменение соотношения сторон изображения, лазерные сканеры, лазеры на красителях, спектроскопии и приемники энергии в линейных детекторах. Плоско-выпуклая/вогнутая линза может либо модулировать соотношение сторон изображения, либо создавать линейное изображение из точечного источника светового луча. Цилиндрическую линзу PCX также часто используют для сбора коллимированных световых лучей для создания тонкой линии.

Еще одним важным применением плоско-выпуклых/вогнутых цилиндрических линз является анаморфное формирование луча, которое относится лишь к коррекции лазерного луча эллиптической формы, генерируемого лазерным диодом, в луч круглой формы. Эллиптический лазерный луч является следствием прямоугольной апертуры Френеля и нежелателен, поскольку это подразумевает большую площадь луча, которая тратит больше энергии, меньшую однородность и ужасный гауссов профиль луча. Пара плоско-выпуклых/вогнутых цилиндрических линз может использоваться для придания эллиптическим лучам круглой формы. Во время испытания пару плоско-выпуклых/вогнутых цилиндрических линз располагают так, чтобы линзы были ортогональны, как показано на рисунке. В результате мы можем заключить, что использование пары плоско-выпуклых/вогнутых цилиндрических линз для придания эллиптической формы луча представляет собой подход с высокой пропускной способностью, сбалансированной формы и ослаблением астигматизма.

Шаровидные и полушаровые линзы:

Шаровые линзы — это особая форма двояковыпуклых линз, которые наследуют геометрию шара (что подразумевает полностью сферические поверхности), изготовленные из одного материала с оптическим пропусканием, расположенным в интересующей области длин волн. Основной функцией шариковых линз является коллимация/соединение света для оптических волокон (например, соединение лазера с волокном, соединение волокна с волокном), а также другие универсальные возможности, которые могут быть включены в миниатюрную оптику (например, сканирование штрих-кода, датчики или в качестве объективов и т. д.). .). Шаровые линзы также можно рассматривать как заготовки асферических линз. Одним из преимуществ шаровой линзы является ее короткое заднее фокусное расстояние (BFL), особенность, которая сокращает расстояние от оптики до волокна и исключительно полезна, когда пространство для установки довольно ограничено, а компактные размеры могут одновременно снизить производственные затраты. . Кроме того, шариковая линза вращательно-симметрична, что упрощает выравнивание и позиционирование.

Полушаровые линзы — это варианты шариковых линз, полученные путем простого разрезания шариковых линз пополам. Благодаря простоте установки, обеспечиваемой одной плоской поверхностью, полусферические линзы идеально подходят для применений, где требуются более компактные конструкции.

Стержневые линзы:

Стержневые линзы — это оптические линзы в форме круглого стержня, фокусирующие коллимированные лучи в одном измерении. Свет передается по окружности линзы, поэтому окружности стержневых линз прецизионно отполированы, а два плоских конца не имеют отношения к оптической обработке, но также могут быть отшлифованы. Использование стержневых линз включает коллимацию расходящегося света, линейную фокусировку и линзы для инверсии изображения между объективом и линзами окуляра в жестком эндоскопе (медицинском инструменте для наблюдения внутри человеческого тела). Стержневую линзу также можно использовать в качестве световода (оптический компонент, который передает свет между плоскими концами с помощью полного взаимного отражения).

Асферическая линза:

Асферическая линза — это оптическая линза с геометрией несферического оптического фронта (то есть радиус кривизны меняется в зависимости от расстояния от оптической оси). Уникальной особенностью асферической линзы является минимизация сферических аберраций. Сферические аберрации, присущие сферическим линзам: из-за различий в оптических путях фокусы света, расположенного ближе к оптической оси, имеют тенденцию быть более выдвинутыми вперед, чем у света, падающего на краях сферических линз, что приводит к размытию изображения. и увеличение ширины пятна. По сравнению со сферическими линзами, асферические линзы демонстрируют значительно уменьшенные сферические аберрации, что приводит к повышению разрешения изображения и диаметру пятна, который на несколько порядков меньше диаметра пятна сферических линз. Асферическая линза обеспечивает большую числовую апертуру (низкое число f) и, следовательно, увеличивает светоотдачу, обеспечивая более высокую энергоэффективность. Включение асферических линз в линзовые модули также могло бы помочь уменьшить количество элементов за счет исключения излишней оптики для коррекции сферических аберраций, что позволит создать компактную и упрощенную конструкцию.

Аксиконы:

Аксикон или коническая линза — это оптическая линза с конической и плоской сторонами. Она определяется углами при основании (называемыми физическими углами) и углом при вершине. Принцип работы аксикона заключается в том, что он использует интерференцию для создания фокальной линии вдоль оптической оси. Аксиконы можно использовать для создания аппроксимации бездифракционного луча Бесселя, который представляет собой луч, состоящий из серии концентрических колец, имеющих одинаковую мощность, за счет преобразования коллимированного гауссова луча в ближнем поле. Хотя луч Бесселя не существует в реальной жизни, поскольку для его создания потребуется бесконечная энергия, аксиконы предлагают хороший аналог, сохраняя недифракционные свойства луча Бесселя на расстоянии, намного большем, чем аналогичный гауссовский луч. Плоско-выпуклый аксикон также можно использовать для преобразования лазерного света в кольцевую форму, взяв проекцию в дальней зоне, а толщина кольца будет составлять 1/2 диаметра падающего лазерного луча.