Новости

По сравнению со многими другими формами оптических линз, изогнутые лунные линзы редко предлагаются как готовые продукты. Изогнутые лунные линзы主要用于 для фокусировки маленьких пятен или коллимационных приложений, в то время как плоско-выпуклые линзы обычно предлагают лучшее соотношение цены и качества. Однако существуют случаи, когда изогнутая лунная линза обеспечивает значительно лучшую производительность по несколько более высокой цене.

Сферическая аберрация

Из-за сферической формы линзы сферические аберрации создают параллельные лучи от оптической оси на разных расстояниях без пересечения в одной точке (Рисунок 1). Хотя можно использовать несколько линз для коррекции сферической аберрации, для многих инфракрасных систем, где стоимость материалов намного выше, чем у видимых материалов, желательно минимизировать количество линз. Вместо использования нескольких линз сферическую аберрацию одной линзы можно минимизировать, придая линзе оптимальную форму.

Рис. 1: Сферическая аберрация

При фиксированном показателе преломления и толщине линзы существует бесконечное количество комбинаций радиусов, которые могут использоваться для создания линз с определенной фокусным расстоянием. Эти комбинации радиусов создают различные формы линз, что непосредственно приводит к сферическим аберрациям и коме из-за кривизны света при прохождении через линзу.

Форма линзы может быть описана фактором формы Коддингтона C (Уравнение 1 и Рисунок 2).

Рис. 2: Фактор формы Коддингтона для различных конфигураций линз

Используя уравнение аберрации тонкой линзы (при объекте на бесконечности и положении диафрагмы линзы), мы можем вывести условия, которые дают минимальную сферическую аберрацию (Уравнение 2).

Предполагая, что постоянная длина волны может поддерживаться, взаимосвязь между показателем степени и фактором формы, создающей минимальную сферическую аберрацию, может быть визуализирована (Рис. 3).

Рис. 3: Оптимальный фактор формы как функция показателя преломления

Преимущества криволинейного дизайна типа 'лунный'

При работе в видимой среде показатель преломления стекла обычно находится между 1.5 и 1.7, а форма минимальной сферической аберрации практически плоско-выпуклая. Однако, в инфракрасной среде часто используются материалы с более высоким показателем преломления, такие как германий. Германий, с показателем 4.0, предлагает значительное преимущество в виде дизайна изогнутой лунообразной линзы, значительно снижая сферическую аберрацию.

Минимальная сферическая аберрация возникает, когда свет равномерно отклоняется на обоих границах. Хотя первая поверхность линзы типа "луна" из германия будет отклонять свет немного сильнее, чем у похожей линзы PCX, вторая поверхность линзы PCX заставит свет отклоняться ещё больше, что приведёт к общему увеличению сферической аберрации.

Как показано на рисунке 4, который сравнивает производительность линзы PCX из германия размером 25 x 25 мм с линзой изогнутого месяца из германия того же размера, легко видеть, как линза PCX более значительно искажает свет относительно поверхности линзы по сравнению с линзой изогнутого месяца. Увеличение кривизны приводит к увеличению сферической аберрации. Линза изогнутого месяца из германия демонстрирует значительное уменьшение размера пятна, что делает её более подходящей для требовательных инфракрасных приложений.

Рис. 4x: Схема линзы PCX из германия размером 25 x 25 мм ПРОТИВ линзы изогнутого месяца из германия размером 25 x 25 мм

Хотя изогнутая полумесяцевидная линза всё ещё может обеспечивать более высокую производительность в видимом спектре, обычно прирост не достаточен, чтобы компенсировать увеличение стоимости производства. Рисунок 1 показывает сравнение производительности 25 x 50-миллиметровой линзы из фторида кальция (CaF2) PCX с изогнутой полумесяцевидной линзой в приложениях видимого спектрального диапазона и 25 x 50-миллиметровой линзы из германия (Ge) PCX с изогнутой полумесяцевидной линзой в инфракрасных приложениях. Размер пятна германиевой линзы значительно уменьшается при использовании изогнутой формы полумесяца.

Таблица 1: Сравнение размеров пятна между плоско-выпуклыми и кривыми лунными линзами для видимого и инфракрасного диапазона

Хотя изогнутые лунные линзы могут не предоставлять преимуществ во всех приложениях, они могут обеспечить значительные преимущества в стоимости и производительности для многих инфракрасных приложений, включая спектроскопию