Разбиране на фокусиращите лещи в оптичните системи

Автор: Bryan Ng – маркетинг мениджър

Редактор: Qu Yingli – директор на R&D

1. Какво представляват фокусиращите лещи?

Фокусиращите лещи са оптичен компонент, който пречупва светлината от извитата си повърхност, което води до конвергенция или дивергенция на пропуснатата светлина. Оптичните свойства на лещите са от решаващо значение в много разнообразни приложения. Тези приложения варират от лещите в очилата до сложни лазерни системи, използвани в промишлените производствени процеси. Материалът и формата на фокусиращата леща са ключови за производителността на оптичната система. За видимия спектър могат да бъдат избрани различни оптични материали. Докато разтопен силициев диоксид, калциев флуорид сапфир и др. могат да се използват и за близка до късовълнова инфрачервена светлина.

2. Видове фокусиращи лещи

Обикновено има 6 вида фокусиращи лещи, като всеки тип има свои специални свойства и приложения. Четири от тях ще бъдат представени накратко по-долу.

2.1 Изпъкнали лещи

Изпъкналата леща, наричана още събирателна или положителна леща, е леща, която е по-дебела в центъра и се стеснява към краищата, както се вижда на изображението по-долу. Тези лещи обикновено се използват в оптиката заради способността им да събират светлинни лъчи. Когато успоредни лъчи светлина преминават през изпъкнала леща, те се пречупват и се събират във фокусна точка. Тази фокусна точка е точката, където лъчите или вълните се срещат след пречупване.

2.2 Вдлъбнати лещи

Вдлъбната леща, наричана също разсейваща или отрицателна леща, е леща, която отклонява прав светлинен лъч от източника към намалено, изправено, виртуално изображение. Реалното изображение се формира от действителното пресичане на светлинни лъчи, докато виртуалното изображение се формира от въображаемото пресичане на светлинни лъчи. Вдлъбнатите лещи могат да образуват както реални, така и виртуални изображения. Както се вижда от изображението по-горе, тези фокусиращи лещи имат по-тънък център и по-дебели ръбове, извити навътре.

Вдлъбнатите лещи карат успоредните лъчи светлина, преминаващи през тях, да се разминават, пречупвайки се от обща точка от противоположната страна на лещата. Фокусната точка на вдлъбната леща е точката, от която изглежда, че идват тези разминаващи се лъчи, когато се удължат назад. Вдлъбнатите лещи имат различни приложения за коригиране на зрителни увреждания като миопия (късогледство), където изображението се фокусира пред ретината. Освен това, вдлъбнати лещи се използват в оптични системи, където целта е да се разпространи или отклони входящата светлина, като разширители на лъча.

2.3 Плоско-изпъкнали лещи

Плано-изпъкналата леща е леща с една плоска повърхност и една извита навън повърхност, наподобяваща лупа, както е показано на фигурата по-горе. Плоската страна се нарича „Плано“ страна, докато извитата навън страна е изпъкнала. Тази конструкция на лещата събира успоредни лъчи светлина, преминаващи през нея, към фокусна точка от противоположната страна. Плано-изпъкналите лещи се използват широко в приложения като системи за изображения, проектори и лупи, където събирателните свойства на изпъкналата повърхност играят решаваща роля. Прочетете повече за плано-изпъкналите лещи.

Таблица 1: Wavelength Opto-Electronic Стандартни плоско-конвексни лещи

2.4 Плоско-вдлъбнати лещи

Плано-вдлъбнатата леща е леща с една плоска повърхност и една извита навътре, вдлъбната повърхност. Плоската страна се нарича „Плано“ страна, докато извитата навътре страна е вдлъбната. Тя има отрицателно фокусно разстояние и може да се използва за прожектиране на светлина, разширяване на лъча или за увеличаване на фокусното разстояние на оптична система. Прочетете повече за плано-вдлъбнатите лещи.

Таблица 2: Wavelength Opto-Electronic Стандартни плоско-вдлъбнати лещи

3. Принципи на фокусиращи лещи

3.1 Пречупване

Докато светлината се движи от една изотропна среда в друга, тя променя посоката на разпространение и скоростта, както се вижда на фигурата по-долу.

Законът на Снел гласи, че за дадена двойка среди съотношението на синусите на ъгъла на падане Theta 1 и ъгъла на пречупване theta 2 е равно на съотношението на индексите на пречупване на двете среди или еквивалентно на съотношение на фазовите скорости в двете среди (v1 и v2). Това явление е известно като пречупване. Изпъкналите лещи, с тяхната външна кривина, събират успоредни лъчи светлина към фокусна точка от противоположната страна. Вдлъбнатите лещи, от друга страна, с извивката си навътре предизвикват разминаване на успоредните лъчи. Взаимодействието между формата на лещата и пречупващите свойства на светлината е централно за фокусирането.

3.2 Фокусно разстояние

Фокусното разстояние на обектива е критичен параметър за разбирането на принципите на фокусиране. Това е разстоянието от лещата до точката, където успоредните лъчи или се събират (за изпъкнали лещи), или изглежда, че се разминават (за вдлъбнати лещи). Фокусиращите лещи с по-къси фокусни разстояния събират светлината по-агресивно, докато по-дългите фокусни разстояния водят до по-плавно сближаване.

3.3 Номер на блендата (F-число)

F-числото е мярка за скоростта и яснотата на оптичната система. Това е отношението на фокусното разстояние към размера на блендата. Бързите системи имат малки F-числа като F/1, F/2 или F/3. Бавните системи имат големи F-числа като F/8, F/15 или дори F/20. По-бързото f-число показва по-широка входна зеница и следователно по-голяма бленда. По-големите отвори позволяват повече светлина да навлезе в оптичната система, което прави фокусиращите лещи с по-ниско f-число по-подходящи за условия на слаба светлина.

F-числото също влияе върху дълбочината на полето, което е диапазонът от разстояния в изображение, което изглежда приемливо рязко. По-високите f-числа (по-малки бленди) водят до по-голяма дълбочина на рязкост, което означава, че по-голяма част от сцената ще бъде на фокус, докато по-ниските f-числа (по-големи бленди) дават по-плитка дълбочина на рязкост.

4. Диапазон на дължината на вълната и аберации

Както бе споменато по-горе, законът на Снел гласи, че ъгълът на пречупване се влияе от индекса на пречупване на материала. Промяната в дължината на вълната ще доведе до промяна в индекса на пречупване, което се нарича дисперсия. Аберациите са несъвършенства във формирането на изображението. Различни видове аберации, като хроматична аберация и сферична аберация, могат да изкривят изображенията. Хроматичните аберации възникват, защото една леща не може да фокусира различни дължини на вълната на светлината в една и съща точка. Усъвършенстваните системи за фокусиране използват коригиращи мерки, включително асферични лещи и множество елементи на лещи, за да смекчат тези аберации и да оптимизират качеството на изображението.

5. Търсите надежден доставчик на фокусиращи лещи?

С нашите най-съвременни съоръжения и богат опит, Wavelength Opto-Electronic проектира и произвежда качествено фокусиращи лещи в различни видове от вдлъбнати, плоско-вдлъбнати, изпъкнали, плоско-изпъкнали, менискови и топкови лещи. Докато готовите решения са лесно достъпни (както е показано в горните продуктови таблици), ние също сме в състояние да персонализирате фокусиращи лещи от стандартни до високопрецизни спецификации и използват различни оптични материали от стъкло, кристал и метал до пластмаса.