Понимание фокусирующих линз в оптических системах

Автор: Брайан Нг – менеджер по маркетингу

Редактор: Цюй Инли – директор по исследованиям и разработкам

1. Что такое фокусирующие линзы?

Фокусирующие линзы — это оптические компоненты, которые преломляют свет на своей изогнутой поверхности, что приводит к схождениям или расхождениям проходящего света. Оптические свойства линз имеют решающее значение во многих разнообразных областях применения. Эти области применения варьируются от линз в очках до сложных лазерных систем, используемых в промышленных производственных процессах. Материал и форма фокусирующей линзы являются ключевыми факторами, определяющими характеристики оптической системы. Для видимого спектра могут быть выбраны различные оптические материалы. В то время как плавленый кварц, фторид кальция, сапфир и т.д. могут также использоваться для ближнего ИК-диапазона и коротковолнового ИК-излучения.

2. Типы фокусирующих линз

Обычно существует шесть типов фокусирующих линз, каждый из которых имеет свои особые свойства и применение. Четыре из них будут кратко представлены ниже.

2.1 Выпуклые линзы

Выпуклая линза, также называемая собирающей или положительной линзой, представляет собой линзу, которая толще в центре и сужается к краям, как показано на изображении ниже. Эти линзы обычно используются в оптике из-за их способности собирать световые лучи. Когда параллельные лучи света проходят через выпуклую линзу, они преломляются и сходятся в фокусе. Эта фокусная точка — это точка, где лучи или волны встречаются после преломления.

2.2 Вогнутые линзы

Вогнутая линза, также называемая рассеивающей или отрицательной линзой, представляет собой линзу, которая рассеивает прямой луч света от источника до уменьшенного, вертикального, виртуального изображения. Реальное изображение формируется в результате фактического пересечения световых лучей, тогда как виртуальное изображение формируется в результате воображаемого пересечения световых лучей. Вогнутые линзы могут формировать как реальные, так и мнимые изображения. Как видно на изображении выше, эти фокусирующие линзы имеют более тонкий центр и более толстые края, загнутые внутрь.

Вогнутые линзы заставляют параллельные лучи света, проходящие через них, расходиться, преломляясь от общей точки на противоположной стороне линзы. Фокус вогнутой линзы — это точка, из которой, кажется, исходят эти расходящиеся лучи, если их вытянуть назад. Вогнутые линзы имеют различные применения при коррекции нарушений зрения, таких как близорукость (близорукость), при которой изображение фокусируется перед сетчаткой. Кроме того, вогнутые линзы используются в оптических системах, целью которых является рассеивание или рассеивание входящего света, например, в расширителях луча.

2.3. Плоско-выпуклые линзы.

Плоско-выпуклая линза — это линза с одной плоской поверхностью и одной изогнутой наружу поверхностью, напоминающая увеличительное стекло, как показано на рисунке выше. Плоская сторона называется «плоской», а изогнутая наружу — выпуклой. Такая конструкция линзы фокусирует параллельные лучи света, проходящие через неё, в фокус на противоположной стороне. Плоско-выпуклые линзы широко используются в таких областях, как системы визуализации, проекторы и увеличительные стекла, где собирающие свойства выпуклой поверхности играют решающую роль. Подробнее о плоско-выпуклых линзах.

Таблица 1: Wavelength Opto-Electronic Стандартные плоско-выпуклые линзы

2.4. Плоско-вогнутые линзы.

Плоско-вогнутая линза — это линза с одной плоской поверхностью и одной вогнутой, изогнутой внутрь поверхностью. Плоская сторона называется «плоской», а вогнутая — «вогнутой». Она имеет отрицательное фокусное расстояние и может использоваться для проекции света, расширения пучка или увеличения фокусного расстояния оптической системы. Подробнее о плоско-вогнутых линзах можно прочитать здесь.

Таблица 2: Wavelength Opto-Electronic Стандартные плоско-вогнутые линзы

3. Принципы фокусировки линз.

3.1 Преломление

Когда свет перемещается из одной изотропной среды в другую, он меняет направление распространения и скорость, как показано на рисунке ниже.

Закон Снелла гласит, что для данной пары сред отношение синусов угла падения Тета 1 и угла преломления Тета 2 равно отношению показателей преломления двух сред или, что то же самое, к соотношение фазовых скоростей в двух средах (v1 и v2). Это явление известно как рефракция. Выпуклые линзы своей внешней кривизной собирают параллельные лучи света к фокальной точке на противоположной стороне. Вогнутые линзы, напротив, своей кривизной внутрь заставляют параллельные лучи расходиться. Взаимодействие между формой линзы и преломляющими свойствами света имеет решающее значение для фокусировки.

3.2 Фокусное расстояние

Фокусное расстояние объектива является важным параметром для понимания принципов фокусировки. Это расстояние от линзы до точки, где параллельные лучи либо сходятся (для выпуклых линз), либо расходятся (для вогнутых линз). Фокусирующие линзы с более короткими фокусными расстояниями собирают свет более агрессивно, тогда как более длинные фокусные расстояния обеспечивают более постепенную конвергенцию.

3.3 Число диафрагмы (число F)

F-число является мерой скорости и четкости оптической системы. Это отношение фокусного расстояния к размеру диафрагмы. Быстрые системы имеют небольшие числа F, такие как F/1, F/2 или F/3. Медленные системы имеют большие числа F, например F/8, F/15 или даже F/20. Более быстрое число f указывает на более широкий входной зрачок и, следовательно, на большую апертуру. Большая апертура позволяет большему количеству света проникать в оптическую систему, благодаря чему фокусирующие линзы с меньшим числом f лучше подходят для условий низкой освещенности.

Число f также влияет на глубину резкости, которая представляет собой диапазон расстояний на изображении, которое выглядит достаточно резким. Более высокие числа f (меньшая диафрагма) приводят к большей глубине резкости, а это означает, что большая часть сцены будет в фокусе, тогда как более низкие числа f (большая диафрагма) дают меньшую глубину резкости.

4. Диапазон длин волн и аберрации.

Как упоминалось выше, закон Снелла гласит, что на угол преломления влияет показатель преломления материала. Изменение длины волны приведет к изменению показателя преломления, это называется дисперсией. Аберрации – это несовершенства формирования изображения. Различные типы аберраций, такие как хроматическая аберрация и сферическая аберрация, могут искажать изображения. Хроматические аберрации возникают из-за того, что одна линза не может фокусировать световые волны разной длины в одной точке. Усовершенствованные системы фокусировки используют корректирующие меры, в том числе асферические линзы и несколько линз, чтобы смягчить эти аберрации и оптимизировать качество изображения.

5. Ищете надежного поставщика фокусирующих линз?

Благодаря нашему современному оборудованию и богатому опыту, Wavelength Opto-Electronic проектирует и производит качество фокусирующие линзы В различных типах: вогнутые, плоско-вогнутые, выпуклые, плоско-выпуклые, менисковые и шаровые линзы. Хотя готовые решения легко доступны (как показано в таблицах продуктов выше), мы также можем настроить фокусирующие линзы от стандартных до высокоточных и используют различные оптические материалы: от стекла, хрусталя и металла до пластика.