Во многих оптических системах управление лучом требуется только в одном направлении. Лазеру может потребоваться расшириться по горизонтали, сохранив при этом исходный вертикальный размер, или системе визуализации может потребоваться изменить ширину изображения, не применяя ту же оптическую мощность к его высоте. Обычная сферическая линза не может обеспечить такой избирательный контроль, поскольку ее оптическая сила действует на обе оси.

Вот почему инженеры, оценивающие использование плоско-вогнутых линз, часто сосредотачиваются на цилиндрической оптике, а не просто ищут линзу, производящую больший луч. Плоско -вогнутая цилиндрическая линза вводит отрицательную цилиндрическую оптическую силу вдоль одной оси, заставляя коллимированный луч расходиться в этом направлении, оставляя при этом ортогональную ось практически незатронутой. Правильное фокусное расстояние, материал, апертура и характеристики поверхности зависят от фактического пути луча и требований к системе.

Как плоско-вогнутая цилиндрическая линза обеспечивает одноосную расходимость

Плоско-вогнутая цилиндрическая линза имеет плоскую поверхность и вогнутую цилиндрическую поверхность. В отличие от сферической отрицательной линзы, ее оптическая сила сосредоточена в одном меридиональном направлении.

Когда коллимированный свет попадает в линзу, цилиндрическая поверхность меняет угол распространения лучей по одной оси. Лучи расходятся так, как если бы они исходили из виртуального линейного фокуса, расположенного на падающей стороне линзы. Ортогональная ось практически не получает эквивалентной цилиндрической мощности.

Это различие важно в системах формирования луча. Если лазерный луч шире в вертикальном направлении, чем в горизонтальном, можно выбрать цилиндрическую линзу, чтобы изменить только необходимую ось. Результирующий луч может приблизиться к желаемому соотношению сторон без введения ненужной оптической мощности на другую ось.

Величина расхождения тесно связана с отрицательным фокусным расстоянием объектива. Более короткое абсолютное фокусное расстояние, например -10 мм, обеспечивает более высокую оптическую силу, чем объектив с фокусным расстоянием -200 мм. Однако само по себе фокусное расстояние не определяет окончательный размер луча. Также необходимо учитывать начальный диаметр луча, расстояние распространения, положение линзы и желаемый выходной размер.

Например, луч, который должен постепенно расширяться на относительно длинном оптическом пути, может потребовать фокусного расстояния, существенно отличающегося от компактного оптического узла, где расширение должно происходить только на коротком расстоянии.

Для чего нужна плоско-вогнутая линза?

Одним из наиболее полезных применений плоско-вогнутых линз является анаморфное формирование луча. Многие лазерные источники создают эллиптические или асимметричные лучи, а не идеально круглые профили. Если коррекции требует только одна ось, цилиндрическая отрицательная линза может выборочно увеличить этот размер.

Тот же принцип применим и к сжатию одномерных изображений. В системе визуализации цилиндрическая оптическая сила может изменять геометрию изображения в одном направлении, не применяя такое же изменение увеличения к перпендикулярному направлению. Это может быть полезно, когда изображение должно быть согласовано с детектором, щелью или последующим оптическим элементом с асимметричной активной областью.

Плоско-вогнутые цилиндрические линзы также могут быть включены в системы расширения лазерного луча. Отрицательная оптическая мощность приводит к тому, что одна ось коллимированного луча расходится, что позволяет ширине луча увеличиваться во время распространения. В сочетании с другой цилиндрической или сферической оптикой эта контролируемая расходимость может стать частью более сложной системы формирования луча.

Генерация лазерных линий — еще одно применение, хотя необходимо тщательно продумать точную оптическую схему. Отрицательный цилиндрический элемент не создает фокус сходящейся линии так же, как положительная цилиндрическая линза. Вместо этого его можно использовать для расширения или изменения формы одной оси, прежде чем последующая фокусирующая оптика сгенерирует требуемую линию. В такой системе плоско-вогнутая линза является частью стадии формирования луча, а не обязательно является последним фокусирующим элементом.

Это различие помогает предотвратить распространенную ошибку выбора: выбор цилиндрической линзы в соответствии с желаемой конечной формой луча без учета того, нужна ли оптической системе положительная или отрицательная цилиндрическая оптическая сила в этом конкретном положении.

Как выбрать отрицательное фокусное расстояние

Для плоско-вогнутой цилиндрической линзы фокусное расстояние — это не просто число, напечатанное в спецификации. Он определяет силу отрицательной оптической силы и, следовательно, влияет на то, насколько быстро расходится выбранная ось.

ECOPTIK обеспечивает фокусные расстояния от -3,9 мм до -700 мм. Соответствующее значение зависит от начального диаметра луча, необходимого расширения, доступного расстояния распространения и положения других оптических компонентов.

Относительно короткое отрицательное фокусное расстояние полезно, когда требуется сильная расходимость в пределах компактного оптического пути. Более длинное отрицательное фокусное расстояние обеспечивает более слабую цилиндрическую мощность и может быть более подходящим, когда лучу необходимо постепенно расширяться на большее расстояние.

Поэтому проектирование следует начинать с требуемого размера выходного луча, а не только с диаметра линзы. Инженеры должны определить:

• Начальный размер луча по контролируемой оси

• Требуемый размер выходного луча

• Доступное расстояние для расширения луча

• Желаемое расхождение

• Расположение нижней оптики

• Требуемое соотношение сторон луча

Затем линзу можно выбрать в соответствии с отрицательным фокусным расстоянием, требуемым оптической геометрией.

Допуск по фокусному расстоянию также заслуживает внимания. ECOPTIK предлагает допуски от ±1% для требований высокой точности до ±3%. Изменение фокусного расстояния изменяет эффективную отрицательную оптическую силу и, следовательно, ожидаемую расходимость. В системе формирования луча со значительным расстоянием распространения эта разница может повлиять на размер луча на следующем оптическом элементе и потребовать дополнительной настройки или настройки.

Выбор материала для различных оптических длин волн

Выбор материала должен соответствовать рабочей длине волны, а не просто желаемым механическим размерам.

ECOPTIK предлагает плоско-вогнутые цилиндрические линзы из таких материалов, как N-BK7/H-K9L, плавленый кварц (UVFS) и CaF₂.

N-BK7/H-K9L обычно рассматривается для оптических систем видимого и ближнего инфракрасного диапазона, где его диапазон передачи и установленные оптические свойства соответствуют данному применению. Плавленый кварц особенно актуален, когда требуется пропускание ультрафиолета, тепловые характеристики или более широкие спектральные характеристики. CaF₂ может быть выбран для оптических систем, требующих характеристик передачи в ультрафиолетовой и инфракрасной областях.

Поэтому для узла формирования лазерного луча длина волны должна быть определена до выбора подложки. Выбор материала влияет на передачу, а также может повлиять на общую оптическую конструкцию, когда дисперсия становится актуальной.

Качество поверхности, точность и механическая устойчивость

Характеристики оптической поверхности могут оказывать прямое влияние на поведение луча, особенно в лазерных системах.

Доступные варианты качества поверхности включают 40-20 и 60-40. Качество поверхности описывает такие дефекты, как царапины и вмятины. В системах, чувствительных к рассеянному свету, эти дефекты могут способствовать рассеянию и нежелательной интенсивности фона.

Точность поверхности указана как λ/2 или λ/4 при длине волны 632,8 нм. В отличие от качества поверхности, этот параметр касается точности формы оптической поверхности и, следовательно, ее влияния на передаваемый волновой фронт.

Для общей системы расширения балки требования к самой жесткой поверхности могут быть необязательными. Однако в прецизионной лазерной системе искажение волнового фронта может стать более значительным, поскольку луч должен сохранять контролируемый профиль после прохождения через цилиндрический элемент.

Диапазон механических диаметров составляет от 2 мм до 300 мм с обычным допуском диаметра +0,0/-0,1 мм. Требуемый диаметр должен зависеть от апертуры падающего луча и способа механического монтажа. Увеличение размера линзы приводит к увеличению ненужных размеров упаковки, а недостаточная прозрачная апертура может ограничить луч.

Плоско-вогнутые и плоско-выпуклые цилиндрические линзы

Самый полезный способ отличить два типа линз – это их оптическая функция.

Плоско-вогнутая цилиндрическая линза обеспечивает отрицательную цилиндрическую оптическую силу. Он вызывает расходимость по одной оси и поэтому полезен для расширения луча по одной оси, коррекции соотношения сторон и контролируемого формирования луча.

Плоско-выпуклая цилиндрическая линза обеспечивает положительную цилиндрическую оптическую силу. Он собирает свет по одной оси и может формировать линейный фокус из коллимированного входного света.

Поэтому выбор можно начать с простого оптического вопроса:

Нужна ли системе одноосная дивергенция или одноосная конвергенция?

Если лучу необходимо расшириться в одном направлении, подходящей отправной точкой будет плоско-вогнутая цилиндрическая линза. Если целью является фокусировка одной оси или создание линейного фокуса, обычно более подходящей является плоско-выпуклая цилиндрическая линза.

В некоторых оптических сборках оба типа могут использоваться вместе. Отрицательный цилиндрический элемент может сначала расширить или изменить форму одной оси, а положительный цилиндрический элемент позже контролирует конвергенцию. Эта комбинация позволяет разработчику манипулировать соотношением сторон луча и геометрией фокусировки более независимо, чем это позволяет одна сферическая линза.

ECOPTIK для изготовления цилиндрических оптических компонентов по индивидуальному заказу

ECOPTIK занимается исследованием технологий изготовления оптических компонентов в течение 15 лет и производит прецизионную оптику, включая цилиндрические зеркала, сферические линзы, микрооптические компоненты, фильтры, призмы, окна и другие оптические элементы по индивидуальному заказу.

Для цилиндрических линз ECOPTIK предлагает варианты материалов, включая стекло от Schott, CDGM и Corning, а также сапфир, CaF₂, MgF₂, плавленый кварц, Si, ZnSe и ZnS. Компания также предоставляет услуги по сборке линз для тех случаев, когда оптический элемент необходимо интегрировать в более крупную сборку.

Его возможности проверки включают лазерные интерферометры ZYGO, ZEISS CMM Spectrum и Agilent Cary 7000 UMS, поддерживающие размерные, интерферометрические и спектральные испытания, а также предоставление отчетов о продукции.

Такое сочетание выбора материала, изготовления, проверки и сборки актуально, когда плоско-вогнутая цилиндрическая линза должна быть согласована с определенной длиной волны, геометрией луча, допуском или встроенной оптической сборкой, а не приобретаться как универсальный компонент.

Выбор плоско-вогнутой цилиндрической линзы для оптической системы

Настоящая цель плоско-вогнутой цилиндрической линзы — не просто увеличить луч. Его ценность заключается в применении отрицательной оптической силы к одной оси при сохранении контроля над другой.

При выборе объектива инженеры должны сначала определить, требует ли система расхождения, расширения луча, коррекции соотношения сторон или модификации одномерного изображения. Следующим шагом является определение необходимого отрицательного фокусного расстояния на основе исходного размера луча, размера целевого луча, расстояния распространения и оптической конфигурации нисходящего потока.

Затем материал необходимо подобрать по длине волны, а диаметр, допуск на фокусное расстояние, качество поверхности и точность поверхности следует выбрать в соответствии с чувствительностью применения.

Понимание этих взаимосвязей приводит к ответу на вопрос: «Для чего используется плоско-вогнутая линза?» гораздо полезнее, чем простое определение. В формировании лазерного луча, анаморфных системах, визуализации и оптическом кондиционировании правая плоско-вогнутая цилиндрическая линза — это та, чья отрицательная цилиндрическая сила и характеристики соответствуют точной оси, которой необходимо управлять.