Линза

Определения:
Это прозрачная оптика, которая влияет на кривизну волнового фронта света.

 

Рисунок 1: Фокус и рассеянность линзы.

Оптическая линза содержит прозрачную среду, в которой свет входит с одной стороны и выходит с другой. Роль линзы заключается в изменении кривизны волнового фронта света, то есть фокусировки или рассеивания света. Например:
 

• Прямой луч, который имеет плоский фронт, искривляется перед преобразованием в волну, и луч фокусируется на фокусе. В этом случае линза используется в качестве фокусирующей линзы, как показано на рисунке 1 (a).
• Та же линза, что и выше, также может преобразовывать расходящийся луч в коллимационный луч, когда линза используется в качестве коллимационной линзы. На рисунке 1 (a) достаточно предположить, что луч падает справа.
• Линза с вогнутой поверхностью может сделать коллимационный или концентрированный луч расходящимся, как показано на рисунке 1 (b). Эта линза также может быть использована для преобразования изначально рассеянного луча в коллимационный луч.

Хотя изменение радиуса луча обычно рассматривается как уравнение линзы, основное уравнение линзы на самом деле является изменением кривизны фронта, поскольку изменение кривизны фронта вызывает изменение радиуса луча после прохождения света через линзу. (Направление распространения энергии обычно перпендикулярно направлению волнового фронта), как показано на рисунке 2.

Рисунок 2: Изменение кривизны волнового фронта фокусирующей линзы. Красный и синий цвета обозначают интенсивность и отрицательность электрического поля в определенный момент времени. Предполагаемая длина волны больше реальной.

Содержание

1. Физические причины изменения волнового фронта
2. Фокусное расстояние
3. Уравнение Ленсмакера
4. Тонкие и толстые линзы
5. уравнение линзы
6. Двойной выпуклый плоский выпуклый
7. цилиндрические и спектроскопические линзы
8. Рассеянность по линзе
9. Асферическая линза
10. ахроматическая линза
11. Покрытие поверхности линзы
12. Применение оптических линз

Физические причины изменения волнового фронта
Большинство изменений волнового фронта, вызванных линзой, происходят из кривизны поверхности. На рисунке 2 показана типичная двойная выпуклая линза (с двумя выпуклыми поверхностями), где фазовая задержка света вблизи оптической оси линзы больше, чем фазовая задержка света с обеих сторон.
Потому что скорость преломления материала линзы больше, чем близлежащая среда (обычно воздух). Радиальное изменение фазы также представляет собой изменение кривизны волнового фронта.
Другое физическое объяснение - преломление поверхности линзы. В частности, толстые линзы, рассчитанные с использованием теории преломления, более точны, чем результаты, полученные с использованием радиальной фазовой задержки изменения, которая игнорирует изменения размера луча в линзе.
Существуют также линзы с градиентной скоростью преломления (GRIN - линзы), то есть скорость преломления в линзовом материале изменяется.
Для сфокусированных линз GRIN скорость преломления является самой высокой в центре и постепенно уменьшается с обеих сторон, а по мере увеличения радиального положения скорость преломления изменяется почти параболической формой. Поверхность линзы GRIN обычно плоская и похожа на обычную тарелку или цилиндр.

Фокусное расстояние
Когда коллимационный луч направляется в линзу, фокусное расстояние f фокусирующей линзы - это расстояние между линзой и ее последующим фокусом (см. рисунок 1 (a)). Для рассеянной фокальной линзы фокусное расстояние является отрицательным, это расстояние между линзой и реальным фокусом плюс символ (см. рисунок 1 (b)).
Способность линзы к рефракции (или фокусирующей мощности) является обратным фокусным расстоянием.
Фокусное расстояние линзы, обычно используемой в лазерной технологии, составляет от 10 мм до нескольких метров. Небольшие асферические линзы могут легко достигать нескольких миллиметров, иногда до 1 миллиметра.

Уравнение Ленсмакера
Следующее уравнение называется уравнением Lensmaker 's, которое позволяет рассчитать фокусное расстояние линзы с коэффициентом преломления n и радиусом кривизны двух поверхностей R1 и R2 соответственно:

  

Радиус кривизны выпуклой поверхности положительный, а радиус кривизны вогнутой поверхности отрицательный. Последний элемент необходимо учитывать только в случае толстых линз с большим радиусом кривизны обеих поверхностей. Уравнение установлено в случае внеосевого света и предполагает, что скорость преломления окружающей среды близка к 1 (воздуху).
В письменной форме существуют различные правила обозначения. Например, общее правило заключается в том, что если поверхность вогнута, радиус второй поверхности считается положительным. Это противоречит используемому выше символическому правилу.

Тонкие и толстые линзы
Во многих практических ситуациях линза очень тонкая, поэтому ее радиус луча можно считать неизменным внутри линзы. Маленькая кривизна поверхности (т. е. большой радиус кривизны) линза удовлетворяет этому условию. Третий элемент уравнения Lensmaker 's может быть незначительным, когда можно получить простое уравнение тонкой линзы.
Когда требуется высокая мощность фокусировки, требуется толстая линза. Толщина линзы d (расстояние между осевыми поверхностями двух линз) сильно влияет на фокусное расстояние, как видно из уравнения lensmake 's. Определение положения толстой линзы и фокусного расстояния не очень ясно, по крайней мере, если линза асимметрична.
Разница между толстой линзой и тонкой линзой заключается в приближении, используемом для расчета.

уравнение линзы

Рисунок 3: Схема уравнения линзы.
Когда расходящийся луч направляется в сфокусированную линзу, расстояние между линзой и фокусом больше, чем фокусное расстояние f (см. рисунок 3). Можно рассчитать с помощью линзового уравнения:

 

Это расстояние между начальным фокусом луча и линзой. Это указывает на то, что при a   > > f, b   f, а в других случаях b   >   f. Это соотношение можно понять следующим образом: мощность фокусировки 1   /   a необходима для выравнивания падающего луча (т. е. для устранения угла расхода луча), поэтому требуется только 1   / 8201; f   -   1  
Когда a     f, вышеуказанное уравнение не установлено, поэтому линза не может сфокусировать луч.
Когда боковая ось приближена к удовлетворению, то есть угол между ней и оптической осью относительно мал, уравнение линзы также применимо к лучам.

= = числовая апертура и диафрагма линзы = = (f) числовая апертура линзы (NA) определяется как произведение синусоидального значения угла оптического волокна на краю фокуса со скоростью преломления среды, создаваемой падающим лучом.
NA линзы (не фокусное расстояние) ограничивает размер талии луча. Линзы для проигрывателей и магнитофонов, которые хранят носители, требуют большой числовой апертуры (0,5 - 0,9), например, CDS, DVD, Blu - ray CD и т.д.
Для наведения лазерного луча с малой апертурой требуются линзы с высокой апертурой. Так обстоит дело, например, со светом от одномодовых лазерных диодов малой мощности. Когда числовая апертура линзы очень низкая, полученный коллимационный луч искажается или даже отрезан.
Очевидно, что если фокусное расстояние линзы высокой NA велико, то размер линзы будет больше.
Определенная числовая апертура линзы может быть меньше геометрической линзы с открытой диафрагмой, так как область края создает дополнительную аберрацию.
Количество диафрагм (f) линзы в камере очень ясно. Например, линза f / 4 означает, что диаметр открытой диафрагмы составляет четверть фокусного расстояния. (Здесь f относится к книге диафрагмы, а не фокусного расстояния!) Также используется край добавленной линзы, тогда числовая апертура около sin (1   /   4)   EE 0.247, на самом деле будет немного меньше этого значения.

Двойной выпуклый, плоский выпуклый, двувогнутый, плоский вогнутый и изогнутый лунообразный линзы
Все приведенные выше линзы являются выпуклыми, то есть обе стороны являются выпуклыми. Плосковыпуклая линза является плоской с одной стороны и выпуклой с другой. Также можно изготовить две вогнутые линзы с разными радиусами кривизны. Аналогично, диффузные линзы представляют собой двувогнутые или плоские вогнутые линзы.

 

Рисунок 4: Различные типы оптических линз.
Согласно уравнению lensmaker 's, различные навыки рефракции могут быть получены с помощью различных конструкций линз. Однако аберрация различных линз также различна. При визуализации одной маленькой точки в другую точку света того же размера лучше всего использовать симметричные выпуклые линзы.
В асимметричных приложениях, например, при фокусировании коллимационного луча или коллимации сильно расходящегося луча, лучше использовать плоские выпуклые линзы. Необходимо повернуть линзу, чтобы поверхность располагалась на стороне коллимационного луча. Обе поверхности линзы оказывают влияние на процесс фокусировки.
Лунообразная линза является вогнутой, то есть одна сторона линзы является вогнутой, а другая - выпуклой. Вклад обеих поверхностей в способность к рефракции равен; Фокусное расстояние линзы может быть положительным (фокус) или отрицательным (фокус). Лунообразная линза обычно используется в качестве коррекционной линзы объектива; Их основная функция - коррекция аберрации. Они также могут использоваться в качестве осветительных систем.
Двойная линза состоит в том, чтобы склеить две линзы вместе, материал двух линз отличается. Наиболее распространенные ахроматические двойные линзы.

Столбцы и зеркальные рассеиватели
Кривизна поверхности линзы может существовать только в горизонтальном направлении без кривизны в числовом направлении. Столбцы фокусируют или рассеивают свет только в горизонтальном направлении, не влияя на кривизну волнового фронта в числовом направлении.
цилиндрические зеркала могут получать эллиптический фокус луча или использоваться для создания или компенсации рассеяния луча или оптической системы, что относительно трудно сделать.
Если кривизна есть в обоих направлениях, но размер кривизны различен, получается спектральная линза. Его можно использовать для коррекции рассеивания света.

Рассеянность по линзе
Линзы производят различные типы рассеивания:

• Поверхность большинства линз сферическая только потому, что это самая простая форма. Однако сферическая поверхность не идеальна, что может вызвать рассеивание (особенно в граничных областях) или снижение массы лазерного луча. Это называется сферическая аберрация. Асферические линзы могут значительно уменьшить аберрацию сферической поверхности.
• Когда коллимационный луч попадает в линзу под определенным углом к оси симметрии линзы, полученный фокус деформируется. Эта аберрация называется аберрацией. Можно настроить два радиуса кривизны, чтобы минимизировать их.
• Дисперсия линзового материала (Chromatic Dispersion) вызывает хроматизм. Непосредственным результатом является то, что фокусное расстояние связано с длиной волны, поэтому свет не может быть хорошо сфокусирован: фокус различных компонентов длины волны находится в разных местах. Хроматическая аберрация линз значительно уменьшается.
• Когда радиус луча, попадающего в лазерный луч на линзу, очень велик, поперечное сечение луча может быть отрезано на краю линзы. На этот раз произошло большое искажение луча.
• Эта дифракция отверстий также появляется в приложениях визуализации; Ограниченный размер линзы ограничивает разрешение изображения оптической системы. Но если оптические элементы и конструкция не имеют очень высокого качества, качество изображения не ограничено дифракционным эффектом.

аберрация может быть значительно уменьшена за счет комбинации различных линз. Вот почему объективы обычно содержат несколько линз.

Асферическая линза
Хотя разумная комбинация различных линз может значительно компенсировать сферическую аберрацию, иногда лучше использовать асферические линзы, поверхность которых не является сферической. Это позволяет получить высокое качество изображения (низкая сферическая аберрация) с помощью одной линзы. Однако асферические линзы сложнее изготовить и, следовательно, дороже.

ахроматическая линза
Наиболее часто используемый метод получения ахроматических линз (линз с значительно уменьшенной хроматизацией) состоит в том, чтобы объединить две линзы (разные материалы) (см. Рисунок 4 справа).
Например, двойное низкопреломляющее коронное стекло может быть объединено с плоским вогнутым кремневым стеклом с высоким коэффициентом преломления для получения ахроматической двойной линзы. Радиус кривизны связующего слоя должен быть рассчитан для минимальной дисперсии и должен быть строго равным.

Покрытие поверхности линзы
Многие поверхности линз имеют отражательное покрытие, которое значительно уменьшает отражение, вызванное изменением скорости преломления поверхности. Это работает только в определенных диапазонах волн. Необходимо найти баланс между высокой отражательной способностью и широкой рабочей полосой пропускания.
Наличие износостойких покрытий делает линзу более износостойкой.

Применение оптических линз
Применение линз многоцелевое:

• Индивидуальные линзы обычно используются в качестве коррекционных очков, которые в определенной степени компенсируют нарушения зрения.
• Отдельные линзы также могут использоваться для увеличения изображения, обычно выбирая комбинацию из нескольких линз. Например, фотообъективы, микроскопические объективы и линзовые объективы.
• В лазерной технологии обычно используются линзы для фокусировки или коллимации лазерного луча. В частности, когда большой дифракционный предельный луч фокусируется с помощью высокой NA - линзы, размер фокуса очень мал (радиус талии может быть меньше 1 мкм).

Линзы также могут использоваться для генерации режимов в лазерных резонаторах, конечно, более часто используются криволинейные зеркала. Из - за недостатков линзы по сравнению с криволинейными зеркалами, ее потери отражения и цветовая аберрация. Тем не менее, они могут генерировать плотную фокусировку и не рассеиваются. Это важно при использовании линз для фокусировки ультракоротких импульсов.