Pochopení zaostřovacích čoček v optických systémech

Autor: Bryan Ng – marketingový manažer

Střih: Qu Yingli – ředitel výzkumu a vývoje

1. Co jsou zaostřovací čočky?

Zaostřovací čočky jsou optické komponenty, které lámou světlo od svého zakřiveného povrchu, což vede ke konvergenci nebo divergenci procházejícího světla. Optické vlastnosti čoček jsou klíčové v mnoha rozmanitých aplikacích. Tyto aplikace sahají od čoček v brýlích až po komplexní laserové systémy používané v průmyslových výrobních procesech. Materiál a tvar zaostřovací čočky jsou klíčové pro výkon optického systému. Pro viditelné spektrum lze zvolit různé optické materiály. Pro blízké až krátkovlnné infračervené záření lze použít také tavený oxid křemičitý, fluorid vápenatý, safír atd.

2. Typy zaostřovacích čoček

Typicky existuje 6 typů zaostřovacích čoček, přičemž každý typ má své speciální vlastnosti a aplikace. Čtyři z nich budou stručně představeny níže.

2.1 Konvexní čočky

Konvexní čočka, také nazývaná konvergující nebo pozitivní čočka, je čočka, která je ve středu tlustší a zužuje se směrem k okrajům, jak je vidět na obrázku níže. Tyto čočky se běžně používají v optice pro jejich schopnost sbližovat světelné paprsky. Když rovnoběžné paprsky světla procházejí konvexní čočkou, lámou se a sbíhají se v ohnisku. Toto ohnisko je bod, kde se paprsky nebo vlny setkávají po lomu.

2.2 Konkávní čočky

Konkávní čočka, nazývaná také divergující nebo negativní čočka, je čočka, která rozbíhá přímý světelný paprsek ze zdroje do zmenšeného, ​​vzpřímeného virtuálního obrazu. Skutečný obraz je tvořen skutečným průsečíkem světelných paprsků, zatímco virtuální obraz je tvořen imaginárním průsečíkem světelných paprsků. Konkávní čočky mohou vytvářet skutečné i virtuální obrazy. Jak je vidět z obrázku výše, tyto zaostřovací čočky mají tenčí střed a silnější okraje, zakřivené dovnitř.

Konkávní čočky způsobují, že se paralelní paprsky světla, které jimi procházejí, rozcházejí a lámou se od společného bodu na opačné straně čočky. Ohniskový bod konkávní čočky je bod, ze kterého se zdá, že tyto divergentní paprsky vycházejí, když jsou prodlouženy dozadu. Konkávní čočky mají různé aplikace při korekci zrakových vad, jako je myopie (krátkozrakost), kdy se obraz zaostřuje před sítnicí. Kromě toho se konkávní čočky používají v optických systémech, kde je cílem rozšířit nebo rozptýlit příchozí světlo, jako jsou expandéry paprsku.

2.3 Plano-konvexní čočky

Planokonvexní čočka je čočka s jedním plochým povrchem a jedním směrem ven zakřiveným povrchem, připomínající lupu, jak je vidět na obrázku výše. Plochá strana se nazývá „planární“ strana, zatímco směrem ven zakřivená strana je konvexní. Tato konstrukce čočky sbíhá rovnoběžné paprsky světla, které jí procházejí, do ohniska na opačné straně. Planokonvexní čočky se široce používají v aplikacích, jako jsou zobrazovací systémy, projektory a lupy, kde hrají klíčovou roli spojné vlastnosti konvexního povrchu. Přečtěte si více o planokonvexních čočkách.

Tabulka 1: Wavelength Opto-Electronic Standardní plankonvexní čočky

2.4 Planokonkávní čočky

Planokonkávní čočka je čočka s jedním plochým povrchem a jedním dovnitř zakřiveným, konkávním povrchem. Plochá strana se označuje jako „planární“ strana, zatímco dovnitř zakřivená strana je konkávní. Má zápornou ohniskovou vzdálenost a lze ji použít pro projekci světla, rozšíření paprsku nebo ke zvětšení ohniskové vzdálenosti optického systému. Přečtěte si více o planokonkávních čočkách.

Tabulka 2: Wavelength Opto-Electronic Standardní plankonkávní čočky

3. Principy zaostřovacích čoček

3.1 Refrakce

Jak se světlo pohybuje z jednoho izotropního prostředí do druhého, mění směr šíření a rychlost, jak je vidět na obrázku níže.

Snellův zákon říká, že pro danou dvojici prostředí je poměr sinů úhlu dopadu Theta 1 a úhlu lomu theta 2 roven poměru indexů lomu dvou prostředí nebo ekvivalentně k poměr fázových rychlostí ve dvou prostředích (vl a v1). Tento jev je známý jako refrakce. Konvexní čočky se svým vnějším zakřivením sbíhají paralelní paprsky světla k ohnisku na opačné straně. Naproti tomu konkávní čočky svým zakřivením dovnitř způsobují divergenci paralelních paprsků. Interakce mezi tvarem čočky a refrakčními vlastnostmi světla je pro zaostřování zásadní.

3.2 Ohnisková vzdálenost

Ohnisková vzdálenost objektivu je kritickým parametrem pro pochopení principů zaostřování. Je to vzdálenost od čočky k bodu, kde se paralelní paprsky buď sbíhají (u konvexních čoček), nebo se zdá, že se rozcházejí (u konkávních čoček). Zaostřovací čočky s kratší ohniskovou vzdáleností konvergují světlo agresivněji, zatímco delší ohniskové vzdálenosti vytvářejí pozvolnější konvergenci.

3.3 Clonové číslo (číslo F)

F-číslo je mírou rychlosti a jasnosti optického systému. Je to poměr ohniskové vzdálenosti k velikosti clony. Rychlé systémy mají malá F-čísla jako F/1, F/2 nebo F/3. Pomalé systémy mají velká F-čísla jako F/8, F/15 nebo dokonce F/20. Rychlejší f-číslo znamená širší vstupní pupilu a tím i větší clonu. Větší clona umožňuje pronikání většího množství světla do optického systému, díky čemuž jsou objektivy s nižším clonovým číslem vhodnější pro podmínky se slabým osvětlením.

Clonové číslo také ovlivňuje hloubku ostrosti, což je rozsah vzdáleností na snímku, který se jeví jako přijatelně ostrý. Vyšší clonová čísla (menší clony) mají za následek větší hloubku ostrosti, což znamená, že bude zaostřena větší část scény, zatímco nižší clonová čísla (větší clony) vedou k menší hloubce ostrosti.

4. Rozsah vlnových délek a aberace

Jak bylo uvedeno výše, Snellův zákon říká, že úhel lomu je ovlivněn indexem lomu materiálu. Změna vlnové délky způsobí změnu indexu lomu, čemuž se říká disperze. Aberace jsou nedokonalosti ve vytváření obrazu. Různé typy aberací, jako je chromatická a sférická aberace, mohou obraz zkreslit. K chromatickým aberacím dochází, protože jedna čočka nemůže zaostřit různé vlnové délky světla do stejného bodu. Pokročilé zaostřovací systémy využívají korekční opatření, včetně asférických čoček a vícečlenných čoček, ke zmírnění těchto aberací a optimalizaci kvality obrazu.

5. Hledáte spolehlivého dodavatele zaostřovacích čoček?

Díky našim nejmodernějším zařízením a rozsáhlým zkušenostem Wavelength Opto-Electronic navrhuje a vyrábí kvalitní zaostřovací čočky v různých typech od konkávních, plankonkávních, konvexních, plankonvexních, meniskových a kuličkových čoček. Přestože jsou běžně dostupná řešení (jak je uvedeno ve výše uvedených tabulkách produktů), jsme schopni přizpůsobit zaostřovací čočky od standardních až po vysoce přesné specifikace a využívají různé optické materiály od skla, krystalu a kovu až po plast.