Novinky

Ve srovnání s mnoha dalšími tvarovými optickými čočkami jsou zakřivené měsíční čočky vzácně nabízeny jako hotové produkty. Měsíční zakřivené čočky se používají především pro fokusu small skvrn nebo pro kolimační aplikace, zatímco rovno-convexní čočky obvykle nabízejí lepší poměr cena/výkon. Nicméně existují případy, kdy zakřivená měsíční čočka nabízí výrazně lepší výkon za mírně vyšší cenu.

Kulová aberrace

Z důvodu kulové povahy čočky produkují kulové výchylky paralelní paprsky z optické osy na různých vzdálenostech bez toho, aby se protnuly v jednom bodě (Obrázek 1). I když lze použít více čoček ke korreci kulové výchylky, pro mnoho infráčervených systémů, kde jsou materiálové náklady mnohem vyšší než u viditelných materiálů, je žádoucí minimalizovat počet čoček. Místo použití více čoček lze kulovou výchylku jedné čočky minimalizovat tím, že se čočka tvaruje do optimálního tvaru.

Obr. 1: Kulová výchylka

Pro pevný refrakční index a tloušťku čočky existuje nekonečný počet kombinací poloměrů, které lze použít k vytvoření čoček s určitou ohniskovou vzdáleností. Tyto kombinace poloměrů vytvářejí různé tvary čoček, což přímo vedou ke kulové výchylce a komě kvůli zakřivení světla při jeho průchodu čočkou.

Tvar čočky lze popsat Coddingtonovým faktorem tvaru C (Rovnice 1 a Obrázek 2).

Obr. 2: Coddingtonův tvarový faktor pro různé konfigurace čoček

Pomocí rovnice aberratních úkazů tenké čočky (použitím objektu v nekonečnu a polohy čočkového otvoru) můžeme odvodit podmínky, které vyvolávají minimální koulovou aberraci (Rovnice 2).

Pokud předpokládáme, že bude udržován konstantní vlnový délka, lze vizualizovat vztah mezi exponentem a tvarovým faktorem, který vyvolává minimální koulovou aberraci (Obr. 3).

Obr. 3: Optimální tvarový faktor jako funkce refrakčního indexu

Výhody křivé měsíční konstrukce

Když pracujeme ve viditelném spektru, je refrakční index skla obvykle mezi 1.5 a 1.7 a tvar s minimální koulovou aberrací je téměř plošně konvexní. Nicméně v infračerveném spektru se často používají materiály s vyšším refrakčním indexem, jako je germanium. Germanium, s specifikací 4.0, nabízí velkou výhodu díky návrhu zakřivené měsíční čočky, která značně snižuje koulovou aberraci.

Minimální sférická aberrace nastane, když se světlo rovnoměrně ohýbá na obou rozhraních. Přestože první plocha germaniové měsíční čočky ohnout světlo mírně více než podobná PCX čočka, druhá plocha PCX čočky způsobí, že světlo se bude ještě více ohýbat, což vede k celkovému zvýšení sférické aberrace.

Jak je znázorněno na obrázku 4, který porovnává výkon 25 x 25 mm germaniové PCX čočky s 25 x 25 mm germaniovou měsíční ohnutou čočkou, je snadné vidět, jak PCX čočka ohýbá světlo významněji vzhledem k povrchu čočky ve srovnání s měsíční ohnutou čočkou. Zvýšení křivosti vedlo ke zvýšení sférické aberrace. Germaniová ohnutá měsíční čočka ukazuje dramatické snížení velikosti bodu, čímž je vhodnější pro náročné infrčervené aplikace.

Obr. 4x: Schéma 25 x 25mm germaniové PCX čočky VS 25 x 25mm germaniové ohnuté měsíční čočky

Přestože zakřivená měsíční čočka může stále poskytovat vyšší výkon ve viditelném spektru, obvykle není dostatečný zisk na kompenzaci zvýšených nákladů na výrobu. Obrázek 1 ukazuje srovnání výkonu 25 x 50mm čočky z fluoridu draselného (CaF2) PCX se zakřivenou měsíční čočkou ve viditelných spektrálních aplikacích a 25 x 50mm čočky z germania (Ge) PCX se zakřivenou měsíční čočkou v infráčervených aplikacích. Velikost skvrny u čočky z germania je při použití zakřiveného měsíčního tvaru výrazně snížena.

Tabulka 1: Porovnání velikosti skvrn mezi rovno-convexními a křivými měsíčními čočkami pro viditelné a infradukové aplikace

Přestože ohnuté měsíční čočky nemusí poskytovat výhody ve všech aplikacích, mohou nabízet významné nákladové a výkonnostní výhody pro mnoho infradukových aplikací, včetně spektroskopie