Inzicht in focuslenzen in optische systemen

Auteur: Bryan Ng – Marketingmanager

Redacteur: Qu Yingli – R&D-directeur

1. Wat zijn focuslenzen?

Focuslenzen zijn optische componenten die licht breken door hun gebogen oppervlak, wat leidt tot convergentie of divergentie van het doorgelaten licht. De optische eigenschappen van lenzen zijn cruciaal in veel verschillende toepassingen. Deze toepassingen variëren van de lenzen in brillen tot complexe lasersystemen die worden gebruikt in industriële productieprocessen. Het materiaal en de vorm van een focuslens zijn essentieel voor de prestaties van een optisch systeem. Verschillende optische materialen kunnen worden gekozen voor het zichtbare spectrum. Terwijl gesmolten silica, calciumfluoride, saffier, enzovoort, ook kunnen worden gebruikt voor nabij-infrarood tot kortgolvig infrarood.

2. Soorten focuslenzen

Er zijn doorgaans 6 soorten focuslenzen, waarbij elk type zijn speciale eigenschappen en toepassingen heeft. Hieronder worden er vier kort voorgesteld.

2.1 Bolle lenzen

Een bolle lens, ook wel convergerende of positieve lens genoemd, is een lens die in het midden dikker is en naar de randen toe smaller wordt, zoals te zien is in de onderstaande afbeelding. Deze lenzen worden vaak gebruikt in de optica vanwege hun vermogen om lichtstralen te convergeren. Wanneer parallelle lichtstralen door een bolle lens gaan, breken ze en convergeren ze in een brandpunt. Dit brandpunt is het punt waar de stralen of golven elkaar ontmoeten na breking.

2.2 Holle lenzen

Een concave lens, ook wel divergerende of negatieve lens genoemd, is een lens die een rechte lichtstraal van de bron divergeert naar een verkleind, rechtopstaand, virtueel beeld. Een reëel beeld wordt gevormd door de feitelijke kruising van lichtstralen, terwijl een virtueel beeld wordt gevormd door de denkbeeldige kruising van lichtstralen. Holle lenzen kunnen zowel echte als virtuele beelden vormen. Zoals te zien is in de afbeelding hierboven, hebben deze scherpstellenzen een dunner midden en dikkere randen, die naar binnen gebogen zijn.

Holle lenzen zorgen ervoor dat parallelle lichtstralen die erdoorheen gaan, divergeren en breken weg van een gemeenschappelijk punt aan de andere kant van de lens. Het brandpunt van een holle lens is het punt waar deze divergerende stralen vandaan lijken te komen wanneer ze naar achteren worden uitgestrekt. Holle lenzen hebben verschillende toepassingen bij het corrigeren van visuele beperkingen zoals bijziendheid (bijziendheid), waarbij het beeld voor het netvlies scherpstelt. Bovendien worden concave lenzen gebruikt in optische systemen waarbij het doel is om binnenkomend licht te verspreiden of te divergeren, zoals bundelexpanders.

2.3 Plano-convexe lenzen

Een plano-convexe lens is een lens met één vlak oppervlak en één naar buiten gebogen oppervlak, vergelijkbaar met een vergrootglas, zoals te zien is in de afbeelding hierboven. De vlakke zijde wordt de "plano"-zijde genoemd, terwijl de naar buiten gebogen zijde convex is. Dit lensontwerp zorgt ervoor dat parallelle lichtstralen die erdoorheen gaan, samenkomen in een brandpunt aan de tegenoverliggende zijde. Plano-convexe lenzen worden veel gebruikt in toepassingen zoals beeldvormingssystemen, projectoren en vergrootglazen, waar de convergerende eigenschappen van het convexe oppervlak een cruciale rol spelen. Lees meer over plano-convexe lenzen.

Tabel 1: Wavelength Opto-Electronic Standaard plano-convexe lenzen

2.4 Plano-concave lenzen

Een plano-concave lens is een lens met één vlak oppervlak en één naar binnen gebogen, concaaf oppervlak. De vlakke zijde wordt de "plano"-zijde genoemd, terwijl de naar binnen gebogen zijde concaaf is. Deze lens heeft een negatieve brandpuntsafstand en kan worden gebruikt voor lichtprojectie, bundelverbreding of om de brandpuntsafstand van een optisch systeem te vergroten. Lees meer over plano-concave lenzen.

Tabel 2: Wavelength Opto-Electronic Standaard plano-concave lenzen

3. Principes van het scherpstellen van lenzen

3.1 Breking

Terwijl licht van het ene isotrope medium naar het andere beweegt, verandert het de voortplantingsrichting en snelheid, zoals te zien is in de onderstaande afbeelding.

De wet van Snell stelt dat voor een gegeven paar media de verhouding van de sinussen van de invalshoek Theta 1 en de brekingshoek theta 2 gelijk is aan de verhouding van de brekingsindices van de twee media, of gelijkwaardig aan de verhouding van de fasesnelheden in de twee media (v1 en v2). Dit fenomeen staat bekend als breking. Bolle lenzen convergeren met hun buitenwaartse kromming evenwijdige lichtstralen naar een brandpunt aan de andere kant. Holle lenzen daarentegen zorgen er met hun binnenwaartse kromming voor dat evenwijdige stralen divergeren. De interactie tussen de vorm van de lens en de brekingseigenschappen van licht staat centraal bij het scherpstellen.

3.2 Brandpuntsafstand

De brandpuntsafstand van een lens is een kritische parameter bij het begrijpen van de focusprincipes. Het is de afstand van de lens tot het punt waar parallelle stralen convergeren (voor convexe lenzen) of lijken te divergeren (voor concave lenzen). Focusserende lenzen met kortere brandpuntsafstanden convergeren het licht agressiever, terwijl langere brandpuntsafstanden een meer geleidelijke convergentie produceren.

3.3 Diafragmanummer (F-nummer)

F-getal is een maatstaf voor de snelheid en helderheid van het optische systeem. Het is de verhouding tussen de brandpuntsafstand en de diafragmagrootte. Snelle systemen hebben kleine F-getallen zoals F/1, F/2 of F/3. Langzame systemen hebben grote F-getallen zoals F/8, F/15 of zelfs F/20. Een sneller f-getal duidt op een bredere ingangspupil en bijgevolg op een groter diafragma. Grotere diafragma's laten meer licht het optische systeem binnendringen, waardoor focuslenzen met een lager f-getal beter geschikt zijn voor omstandigheden met weinig licht.

Het f-getal heeft ook invloed op de scherptediepte, het bereik van de afstanden in een afbeelding die acceptabel scherp lijkt. Hogere f-waarden (kleinere diafragmaopeningen) resulteren in een grotere scherptediepte, wat betekent dat een groter deel van de scène scherp in beeld zal zijn, terwijl lagere f-waarden (grotere diafragmaopeningen) een kleinere scherptediepte opleveren.

4. Golflengtebereik en afwijkingen

Zoals hierboven vermeld, stelt de wet van Snell dat de brekingshoek wordt beïnvloed door de brekingsindex van een materiaal. Een verandering in de golflengte zal een verandering in de brekingsindex veroorzaken, dit wordt dispersie genoemd. Aberraties zijn onvolkomenheden in de beeldvorming. Verschillende soorten aberraties, zoals chromatische aberratie en sferische aberratie, kunnen beelden vervormen. Chromatische aberraties treden op omdat een enkele lens verschillende golflengten van licht niet op hetzelfde punt kan focusseren. Geavanceerde scherpstelsystemen maken gebruik van corrigerende maatregelen, waaronder asferische lenzen en meerdere lenselementen, om deze aberraties te verminderen en de beeldkwaliteit te optimaliseren.

5. Op zoek naar een betrouwbare leverancier van focuslenzen?

Met onze state-of-the-art faciliteiten en uitgebreide ervaringen, Wavelength Opto-Electronic ontwerpt en produceert kwaliteit focusserende lenzen in verschillende typen, van concave, plano-concave, convexe, plano-convexe, meniscus- en kogellenzen. Hoewel kant-en-klare oplossingen direct beschikbaar zijn (zoals weergegeven in de bovenstaande producttabellen), kunnen wij dat ook aan te passen focuslenzen van standaard tot hoge precisie-specificaties en maken gebruik van verschillende optische materialen, van glas, kristal en metaal tot plastic.