Fokussierungslinsen in optischen Systemen verstehen

Autor: Bryan Ng – Marketingmanager

Herausgeber: Qu Yingli – F&E-Direktor

1. Was sind Fokussierlinsen?

Fokussierlinsen sind optische Bauteile, die Licht an ihrer gekrümmten Oberfläche brechen und dadurch das transmittierte Licht bündeln oder streuen. Die optischen Eigenschaften von Linsen sind in vielen verschiedenen Anwendungen von entscheidender Bedeutung. Diese reichen von Brillengläsern bis hin zu komplexen Lasersystemen in industriellen Fertigungsprozessen. Material und Form einer Fokussierlinse sind für die Leistungsfähigkeit des optischen Systems von zentraler Bedeutung. Für das sichtbare Spektrum können verschiedene optische Materialien ausgewählt werden. Quarzglas, Calciumfluorid, Saphir usw. eignen sich hingegen auch für den nahen Infrarotbereich bis hin zum kurzwelligen Infrarot.

2. Arten von Fokussierungslinsen

Typischerweise gibt es 6 Arten von Fokussierungslinsen, wobei jeder Typ seine besonderen Eigenschaften und Anwendungen hat. Vier davon werden im Folgenden kurz vorgestellt.

2.1 Konvexe Linsen

Eine konvexe Linse, auch Sammel- oder Positivlinse genannt, ist eine Linse, die in der Mitte dicker ist und sich zu den Rändern hin verjüngt, wie im Bild unten zu sehen ist. Diese Linsen werden häufig in der Optik verwendet, da sie Lichtstrahlen bündeln können. Wenn parallele Lichtstrahlen eine konvexe Linse passieren, werden sie gebrochen und in einem Brennpunkt konvergiert. Dieser Brennpunkt ist der Punkt, an dem sich die Strahlen oder Wellen nach der Brechung treffen.

2.2 Konkave Linsen

Eine konkave Linse, auch Zerstreuungs- oder Negativlinse genannt, ist eine Linse, die einen geraden Lichtstrahl von der Quelle in ein verkleinertes, aufrechtes, virtuelles Bild streut. Ein reales Bild entsteht durch den tatsächlichen Schnittpunkt von Lichtstrahlen, während ein virtuelles Bild durch den imaginären Schnittpunkt von Lichtstrahlen entsteht. Konkave Linsen können sowohl reale als auch virtuelle Bilder erzeugen. Wie im Bild oben zu sehen ist, haben diese Fokussierlinsen eine dünnere Mitte und dickere Kanten, die nach innen gebogen sind.

Konkave Linsen bewirken, dass parallel durch sie hindurchtretende Lichtstrahlen divergieren und von einem gemeinsamen Punkt auf der gegenüberliegenden Seite der Linse weg gebrochen werden. Der Brennpunkt einer konkaven Linse ist der Punkt, von dem aus diese divergenten Strahlen zu entstehen scheinen, wenn sie nach hinten ausgedehnt werden. Konkave Linsen finden verschiedene Anwendungsmöglichkeiten bei der Korrektur von Sehbehinderungen wie Myopie (Kurzsichtigkeit), bei der das Bild vor der Netzhaut fokussiert wird. Darüber hinaus werden Konkavlinsen in optischen Systemen eingesetzt, bei denen das Ziel darin besteht, einfallendes Licht zu verteilen oder zu divergieren, beispielsweise bei Strahlaufweitern.

2.3 Plankonvexe Linsen

Eine Plankonvexlinse ist eine Linse mit einer ebenen und einer nach außen gewölbten Oberfläche, ähnlich einer Lupe (siehe Abbildung oben). Die ebene Seite wird als „Planseite“ bezeichnet, die nach außen gewölbte Seite als konvex. Diese Linsenkonstruktion bündelt parallel einfallende Lichtstrahlen in einem Brennpunkt auf der gegenüberliegenden Seite. Plankonvexe Linsen finden breite Anwendung in Bereichen wie Bildgebungssystemen, Projektoren und Vergrößerungsgläsern, wo die bündelnden Eigenschaften der konvexen Oberfläche eine entscheidende Rolle spielen. Lesen Sie mehr über Plankonvexe Linsen.

Tabelle 1: Wavelength Opto-Electronic Standard-Plankonvexlinsen

2.4 Plankonkave Linsen

Eine Plankonkavlinse ist eine Linse mit einer ebenen und einer nach innen gewölbten, konkaven Seite. Die ebene Seite wird als „Planseite“ bezeichnet, die nach innen gewölbte Seite als konkav. Sie hat eine negative Brennweite und kann zur Lichtprojektion, Strahlaufweitung oder zur Verlängerung der Brennweite eines optischen Systems verwendet werden. Lesen Sie mehr über Plankonkavlinsen.

Tabelle 2: Wavelength Opto-Electronic Standard-Plankonkavlinsen

3. Prinzipien der Fokussierung von Linsen

3.1 Brechung

Wenn sich Licht von einem isotropen Medium in ein anderes bewegt, ändert es die Ausbreitungsrichtung und Geschwindigkeit, wie in der Abbildung unten zu sehen ist.

Das Gesetz von Snellius besagt, dass für ein gegebenes Medienpaar das Verhältnis der Sinuswerte des Einfallswinkels Theta 1 und des Brechungswinkels Theta 2 gleich dem Verhältnis der Brechungsindizes der beiden Medien oder gleichwertig dem Verhältnis ist Verhältnis der Phasengeschwindigkeiten in den beiden Medien (v1 und v2). Dieses Phänomen wird als Brechung bezeichnet. Konvexe Linsen bündeln mit ihrer nach außen gerichteten Krümmung parallele Lichtstrahlen zu einem Brennpunkt auf der gegenüberliegenden Seite. Konkave Linsen hingegen bewirken durch ihre Krümmung nach innen, dass parallele Strahlen divergieren. Für die Fokussierung ist das Zusammenspiel zwischen der Form der Linse und den Brechungseigenschaften des Lichts von zentraler Bedeutung.

3.2 Brennweite

Die Brennweite eines Objektivs ist ein entscheidender Parameter für das Verständnis der Fokussierungsprinzipien. Es ist der Abstand von der Linse bis zu dem Punkt, an dem parallele Strahlen entweder zusammenlaufen (bei konvexen Linsen) oder zu divergieren scheinen (bei konkaven Linsen). Fokussierungslinsen mit kürzeren Brennweiten bündeln das Licht aggressiver, während längere Brennweiten eine allmählichere Konvergenz erzeugen.

3.3 Blendenzahl (F-Zahl)

Die Blendenzahl ist ein Maß für die Geschwindigkeit und Klarheit des optischen Systems. Es ist das Verhältnis der Brennweite zur Blendengröße. Schnelle Systeme haben kleine Blendenzahlen wie F/1, F/2 oder F/3. Langsame Systeme haben große Blendenzahlen wie F/8, F/15 oder sogar F/20. Eine höhere Blendenzahl bedeutet eine größere Eintrittspupille und damit eine größere Blendenöffnung. Größere Blenden ermöglichen, dass mehr Licht in das optische System gelangt, wodurch Fokussierungsobjektive mit niedrigerer Blendenzahl besser für Bedingungen mit wenig Licht geeignet sind.

Die Blendenzahl hat auch Einfluss auf die Schärfentiefe, also den Abstandsbereich in einem Bild, der akzeptabel scharf erscheint. Höhere Blendenzahlen (kleinere Blenden) führen zu einer größeren Schärfentiefe, was bedeutet, dass ein größerer Teil der Szene scharf abgebildet wird, während niedrigere Blendenzahlen (größere Blenden) zu einer geringeren Schärfentiefe führen.

4. Wellenlängenbereich und Aberrationen

Wie oben erwähnt, besagt das Snelliussche Gesetz, dass der Brechungswinkel durch den Brechungsindex eines Materials beeinflusst wird. Eine Änderung der Wellenlänge führt zu einer Änderung des Brechungsindex, dies wird Dispersion genannt. Aberrationen sind Unvollkommenheiten bei der Bilderzeugung. Verschiedene Arten von Aberrationen, wie z. B. chromatische Aberration und sphärische Aberration, können Bilder verzerren. Chromatische Aberrationen entstehen, weil eine einzelne Linse nicht verschiedene Lichtwellenlängen auf denselben Punkt fokussieren kann. Fortschrittliche Fokussierungssysteme nutzen Korrekturmaßnahmen, darunter asphärische Linsen und mehrere Linsenelemente, um diese Aberrationen zu mildern und die Bildqualität zu optimieren.

5. Suchen Sie einen zuverlässigen Lieferanten für Fokussierungslinsen?

Mit unseren hochmodernen Einrichtungen und umfangreichen Erfahrungen, Wavelength Opto-Electronic entwirft und produziert Qualität Fokussierlinsen in verschiedenen Ausführungen von konkaven, plankonkaven, konvexen, plankonvexen, Meniskus- und Kugellinsen. Obwohl Standardlösungen leicht verfügbar sind (wie in den obigen Produkttabellen gezeigt), sind wir auch dazu in der Lage anpassen Fokussierungslinsen von Standard- bis hin zu hochpräzisen Spezifikationen und verwenden verschiedene optische Materialien von Glas, Kristall und Metall bis hin zu Kunststoff.