Плано-вогнутая линза из H-LAK72: больше, чем расширение 

В таких областях, как лазерная оптика, системы визуализации и спектральный анализ, инженеры часто сталкиваются с техническими проблемами, такими как формирование луча, коррекция астигматизма, потери энергии и интерференция рассеянного света. Цилиндрическая плоско-вогнутая линза H-LAK72 — это решение, разработанное для преодоления этих практических трудностей.

1. Основные сценарии применения и решения практических проблем.

1.1Генерация лазерного линейного источника: решение задачи преобразования лучей в световые линии.

Практическая проблема:

Во многих приложениях требуется преобразование коллимированного по кругу лазерного луча в одномерный линейный источник света, например, при лазерном сканировании, считывании штрих-кодов и голографическом освещении. Традиционные сферические линзы не позволяют добиться одноосного распространения луча.

Решение:

Плоско-вогнутая цилиндрическая линза имеет отрицательное фокусное расстояние, рассеивая свет только в одном направлении, в то время как перпендикулярное направление остается неизменным. При падении коллимированного луча линза рассеивает луч вдоль кривизны цилиндра, преобразуя точечный источник или коллимированный луч в одномерный линейный источник света.

Принцип работы:

Коллимированный луч радиусом r₀ проходит через плоско-вогнутую цилиндрическую линзу с фокусным расстоянием f−f. Луч расходится под углом θ = r₀ / f, образуя линейное пятно приблизительно L = 2(r₀ / f)(z + f) на расстоянии z позади линзы. Эта характеристика делает плоско-вогнутую цилиндрическую линзу ключевым компонентом генератора лазерных линий.

Типичные области применения:

лазерные сканеры, системы сканирования штрих-кодов, оборудование для голографического освещения.

1.2. Формирование лазерного луча: решение проблем эллиптических лучей и астигматизма.

Практическая проблема:

Лазерный луч, излучаемый лазерным диодом (P-i-N диодом), имеет эллиптическую форму, а не идеальную круговую симметричную форму. Это связано с тем, что полупроводниковые лазеры излучают из прямоугольной апертуры, а углы расходимости в вертикальном и горизонтальном направлениях различаются, что приводит к неравномерному размеру пятна вдоль двух осей. Эллиптический луч снижает интенсивность излучения, оптическую однородность и качество луча. Например, при использовании лазеров для гравировки узоров эллиптический луч значительно ухудшает точность и эффективность обработки. Кроме того, луч лазерного диода также сопровождается астигматизмом.

Решение:

Путем размещения двух цилиндрических линз (плоско-выпуклой и плоско-вогнутой комбинации) ортогонально, эллиптический луч можно скорректировать до круглой формы. Когда отношение фокусных расстояний двух цилиндрических линз равно отношению углов расходимости, достигается одновременная коллимация в обоих направлениях.

В частности:

• Эллиптическая форма луча возникает из-за прямоугольной апертуры, созданной френелевским отражением.
• Пара цилиндрических линз с фокусными расстояниями, удовлетворяющими условию f₂/f₁ = θ₁/θ₂, может придать эллиптической форме лазерный луч круговой формы.
• Этот метод не только обеспечивает хорошо циркулирующий луч, но и компенсирует большую часть астигматизма луча.

Типичные области применения:

формирование выходного сигнала лазерных диодов, лазерное обрабатывающее оборудование, лазерные проекционные системы.

1.3. Коррекция астигматизма в системах визуализации

Практическая проблема:

Астигматизм — распространённая проблема в оптических системах визуализации, вызывающая непостоянную резкость изображения в разных направлениях.

Решение:

Цилиндрические линзы могут использоваться для коррекции астигматизма в системах визуализации, компенсируя аберрации путём регулировки оптического пути в одном направлении.

Типичные области применения:

Медицинские эндоскопические системы, такие как гастроскопы и лапароскопы; видеосистемы, устанавливаемые на транспортных средствах.

2. Как материалы и процессы решают проблемы, связанные с производительностью.

Высокопреломляющий материал H-LAK72: решение проблем аберраций и свободы проектирования

Показатель преломления H-LAK72 равен n_d = 1,713000, а число Аббе — ν_d = 51,81, что позволяет отнести его к высококачественному лантановому кроновому оптическому стеклу. Высокий показатель преломления означает, что при той же оптической мощности кривизна поверхности линзы может быть меньше, что значительно снижает сферическую аберрацию. Кроме того, H-LAK72 имеет тот же показатель преломления, что и H-LaK7A, что делает его экономически эффективным материалом, широко используемым в автомобильной промышленности, проекционной технике, системах безопасности и сменных линзах для фотоаппаратов.

Кроме того, H-LAK72 демонстрирует превосходное внутреннее пропускание в видимом диапазоне света; образец толщиной 10 мм показывает пропускание более 99% на длине волны 400 нм, что обеспечивает чрезвычайно низкие потери энергии при прохождении луча внутри линзы.

Двустороннее антиотражающее покрытие (BBAR) в диапазоне длин волн 400–700 нм: решение проблем потерь на отражение и повышения эффективности системы

Проблема:

Непокрытые оптические поверхности испытывают приблизительно 4% односторонних потерь на отражение на границе раздела воздух-стекло, при этом суммарные двусторонние потери приближаются к 8%. Кроме того, отраженный свет может вызывать интерференцию рассеянного света внутри системы.

Решение:

Двусторонние широкополосные антиотражающие покрытия могут снизить одностороннюю отражательную способность в диапазоне длин волн 400–700 нм до <0,5% и увеличить общую пропускающую способность до >99%. Это означает:

• Значительное повышение энергоэффективности системы
• Эффективное подавление интерференционных пульсаций, вызванных многократными отражениями
• Подходит для сложных применений, таких как лазеры видимого света, проекционные системы и спектрометры.

Затемнение боковых стенок: решение проблем рассеянного света и отношения сигнал/шум системы

Проблема:

Остаточные отражения от боковых стенок оптических компонентов приводят к появлению паразитных лучей, снижая отношение сигнал/шум системы, что особенно важно при обнаружении слабых сигналов и высокоточной визуализации.

Решение:

Затемнение боковых стенок эффективно подавляет отражения от боковых стенок, уменьшая количество рассеянного света, попадающего в оптический тракт, и тем самым улучшая отношение сигнал/шум систем визуализации или зондирования.

3. Рекомендации по выбору: Как оптимизировать конструкцию на основе коэффициента сопряжения

В зависимости от коэффициента сопряжения (расстояние до объекта к расстоянию до изображения) в зависимости от сценария применения, плоско-вогнутые цилиндрические линзы имеют оптимальные условия работы:

Оптимальные условия эксплуатации:

Когда абсолютное соотношение сопряжения превышает 5:1 (т.е. расстояние до объекта значительно больше расстояния до изображения), плоско-вогнутые линзы демонстрируют наилучшие результаты в уменьшении сферической аберрации, комы и искажений.

Рекомендации по применению:

При использовании для расхождения коллимированных пучков изогнутая поверхность должна быть обращена к источнику света (т.е. плоская поверхность должна быть обращена к фокальной плоскости), чтобы световые лучи постепенно преломлялись, минимизируя сферическую аберрацию.