Pochopenie zaostrovacích šošoviek v optických systémoch

Autor: Bryan Ng – marketingový manažér

Strih: Qu Yingli – riaditeľ výskumu a vývoja

1. Čo sú zaostrovacie šošovky?

Zaostrovacie šošovky sú optické komponenty, ktoré lámu svetlo od svojho zakriveného povrchu, čo vedie ku konvergencii alebo divergencii prechádzajúceho svetla. Optické vlastnosti šošoviek sú kritické v mnohých rôznych aplikáciách. Tieto aplikácie siahajú od šošoviek v okuliaroch až po komplexné laserové systémy používané v priemyselných výrobných procesoch. Materiál a tvar zaostrovacej šošovky sú kľúčové pre výkon optického systému. Pre viditeľné spektrum je možné vybrať rôzne optické materiály. Zatiaľ čo tavený oxid kremičitý, fluorid vápenatý, zafír atď. sa môžu použiť aj pre blízke infračervené až krátkovlnné infračervené žiarenie.

2. Typy zaostrovacích šošoviek

Typicky existuje 6 typov zaostrovacích šošoviek, pričom každý typ má svoje špeciálne vlastnosti a aplikácie. Štyri z nich budú stručne predstavené nižšie.

2.1 Konvexné šošovky

Konvexná šošovka, tiež nazývaná konvergujúca alebo pozitívna šošovka, je šošovka, ktorá je v strede hrubšia a smerom k okrajom sa zužuje, ako je vidieť na obrázku nižšie. Tieto šošovky sa bežne používajú v optike pre ich schopnosť zbiehať svetelné lúče. Keď paralelné lúče svetla prechádzajú cez konvexnú šošovku, lámu sa a zbiehajú sa v ohnisku. Toto ohnisko je bod, kde sa stretávajú lúče alebo vlny po lomu.

2.2 Konkávne šošovky

Konkávna šošovka, tiež nazývaná divergujúca alebo negatívna šošovka, je šošovka, ktorá rozbieha priamy svetelný lúč zo zdroja na zmenšený, vzpriamený, virtuálny obraz. Skutočný obraz je tvorený skutočným priesečníkom svetelných lúčov, zatiaľ čo virtuálny obraz je tvorený imaginárnym priesečníkom svetelných lúčov. Konkávne šošovky môžu vytvárať skutočné aj virtuálne obrazy. Ako je vidieť na obrázku vyššie, tieto zaostrovacie šošovky majú tenší stred a hrubšie okraje, ktoré sa zakrivujú dovnútra.

Konkávne šošovky spôsobujú, že paralelné lúče svetla prechádzajúce cez ne sa rozchádzajú a lámu sa od spoločného bodu na opačnej strane šošovky. Ohniskový bod konkávnej šošovky je bod, z ktorého sa zdá, že tieto divergentné lúče vychádzajú, keď sú predĺžené dozadu. Konkávne šošovky majú rôzne aplikácie pri korekcii zrakových porúch, ako je myopia (krátkozrakosť), kde sa obraz zaostrí pred sietnicou. Okrem toho sa konkávne šošovky používajú v optických systémoch, kde je cieľom rozložiť alebo rozviesť prichádzajúce svetlo, ako sú expandéry lúčov.

2.3 Plano-konvexné šošovky

Planokonvexná šošovka je šošovka s jedným plochým povrchom a jedným smerom von zakriveným povrchom, ktorá pripomína lupu, ako je vidieť na obrázku vyššie. Plochá strana sa nazýva „planárna“ strana, zatiaľ čo smerom von zakrivená strana je konvexná. Táto konštrukcia šošovky zbieha rovnobežné lúče svetla prechádzajúce cez ňu do ohniska na opačnej strane. Planokonvexné šošovky sa široko používajú v aplikáciách, ako sú zobrazovacie systémy, projektory a lupy, kde zohrávajú kľúčovú úlohu konvergentné vlastnosti konvexného povrchu. Prečítajte si viac o planokonvexných šošovkách.

Tabuľka 1: Wavelength Opto-Electronic Štandardné plankonvexné šošovky

2.4 Plano-konkávne šošovky

Planokonkávna šošovka je šošovka s jedným plochým povrchom a jedným dovnútra zakriveným, konkávnym povrchom. Plochá strana sa označuje ako „planárna“ strana, zatiaľ čo dovnútra zakrivená strana je konkávna. Má zápornú ohniskovú vzdialenosť a možno ju použiť na projekciu svetla, rozšírenie lúča alebo na zväčšenie ohniskovej vzdialenosti optického systému. Prečítajte si viac o planokonkávnych šošovkách.

Tabuľka 2: Wavelength Opto-Electronic Štandardné plankonkávne šošovky

3. Princípy zaostrovacích šošoviek

3.1 Refrakcia

Keď sa svetlo pohybuje z jedného izotropného média do druhého, mení smer šírenia a rýchlosť, ako je vidieť na obrázku nižšie.

Snellov zákon hovorí, že pre danú dvojicu prostredí sa pomer sínusov uhla dopadu Theta 1 a uhla lomu theta 2 rovná pomeru indexov lomu týchto dvoch prostredí alebo ekvivalentne k pomer fázových rýchlostí v dvoch médiách (v1 a v2). Tento jav je známy ako refrakcia. Konvexné šošovky so svojím vonkajším zakrivením zbiehajú paralelné lúče svetla smerom k ohnisku na opačnej strane. Na druhej strane konkávne šošovky svojim zakrivením dovnútra spôsobujú rozbiehanie paralelných lúčov. Interakcia medzi tvarom šošovky a refrakčnými vlastnosťami svetla je ústredná pri zaostrovaní.

3.2 Ohnisková vzdialenosť

Ohnisková vzdialenosť šošovky je kritickým parametrom pre pochopenie princípov zaostrovania. Je to vzdialenosť od šošovky k bodu, kde sa paralelné lúče buď zbiehajú (pre konvexné šošovky), alebo sa zdajú divergovať (pre konkávne šošovky). Zaostrovacie šošovky s kratšími ohniskovými vzdialenosťami konvergujú svetlo agresívnejšie, zatiaľ čo dlhšie ohniskové vzdialenosti vytvárajú postupnejšiu konvergenciu.

3.3 Clonové číslo (číslo F)

F-číslo je mierou rýchlosti a čistoty optického systému. Je to pomer ohniskovej vzdialenosti k veľkosti clony. Rýchle systémy majú malé F-čísla ako F/1, F/2 alebo F/3. Pomalé systémy majú veľké clonové čísla ako F/8, F/15 alebo dokonca F/20. Rýchlejšie clonové číslo znamená širšiu vstupnú zrenicu a tým aj väčšiu clonu. Väčšie clony umožňujú vstup väčšieho množstva svetla do optického systému, vďaka čomu sú šošovky s nižším clonovým číslom lepšie prispôsobené pre podmienky so slabým osvetlením.

Clonové číslo tiež ovplyvňuje hĺbku ostrosti, čo je rozsah vzdialeností na obrázku, ktorý vyzerá prijateľne ostrý. Vyššie clonové čísla (menšie clony) majú za následok väčšiu hĺbku ostrosti, čo znamená, že bude zaostrená väčšia časť scény, zatiaľ čo nižšie clonové čísla (väčšie clony) poskytujú menšiu hĺbku poľa.

4. Rozsah vlnových dĺžok a aberácie

Ako bolo uvedené vyššie, Snellov zákon hovorí, že uhol lomu je ovplyvnený indexom lomu materiálu. Zmena vlnovej dĺžky spôsobí zmenu indexu lomu, ktorý sa nazýva disperzia. Aberácie sú nedokonalosti pri vytváraní obrazu. Rôzne typy aberácií, ako napríklad chromatická a sférická aberácia, môžu skresľovať obrázky. Chromatické aberácie sa vyskytujú, pretože jedna šošovka nedokáže zaostriť rôzne vlnové dĺžky svetla v rovnakom bode. Pokročilé zaostrovacie systémy využívajú korekčné opatrenia, vrátane asférických šošoviek a viacerých prvkov šošovky, na zmiernenie týchto aberácií a optimalizáciu kvality obrazu.

5. Hľadáte spoľahlivého dodávateľa zaostrovacích šošoviek?

S našimi najmodernejšími zariadeniami a rozsiahlymi skúsenosťami, Wavelength Opto-Electronic navrhuje a vyrába kvalitu zaostrovacie šošovky v rôznych typoch od konkávnych, plankonkávnych, konvexných, plankonvexných, meniskusových a guľôčkových šošoviek. Aj keď sú bežne dostupné riešenia (ako je uvedené vo vyššie uvedených tabuľkách produktov), ​​dokážeme prispôsobiť zaostrovacie šošovky od štandardných po vysoko presné špecifikácie a využívajú rôzne optické materiály od skla, krištáľu a kovu až po plast.