Tin tức

So với nhiều hình dạng khác của thấu kính quang học, thấu kính mặt trăng cong rarely được cung cấp dưới dạng sản phẩm hoàn chỉnh. Thấu kính mặt trăng cong chủ yếu được sử dụng cho các ứng dụng hội tụ điểm nhỏ hoặc tia song song, trong khi thấu kính phẳng lồi thường cung cấp tỷ lệ giá cả / hiệu suất tốt hơn. Tuy nhiên, có một số trường hợp mà thấu kính mặt trăng cong cung cấp hiệu suất vượt trội đáng kể với giá cao hơn một chút.

Lỗi cầu

Do bản chất hình cầu của thấu kính, lỗi cầu làm cho các tia song song từ trục quang học hội tụ ở những khoảng cách khác nhau mà không giao nhau tại cùng một điểm (Hình 1). Mặc dù có thể sử dụng nhiều thấu kính để sửa lỗi cầu, đối với nhiều hệ thống hồng ngoại nơi chi phí vật liệu cao hơn nhiều so với vật liệu nhìn thấy, việc tối thiểu hóa số lượng thấu kính là mong muốn. Thay vì sử dụng nhiều thấu kính, lỗi cầu của một thấu kính đơn có thể được giảm thiểu bằng cách định hình thấu kính thành hình dạng tối ưu.

Hình 1: Lỗi cầu

Đối với chỉ số khúc xạ cố định và độ dày thấu kính, có một số lượng vô hạn các tổ hợp bán kính có thể được sử dụng để tạo ra các thấu kính có tiêu cự cụ thể. Các tổ hợp bán kính này tạo ra các hình dạng thấu kính khác nhau, dẫn trực tiếp đến hiện tượng sai màu cầu và coma do sự uốn cong của ánh sáng khi nó đi qua thấu kính.

Hình dạng thấu kính có thể được mô tả bằng hệ số hình dạng Coddington C (Phương trình 1 và Hình 2).

Hình 2: Hệ số hình dạng của Coddington cho các cấu hình thấu kính khác nhau

Bằng cách sử dụng phương trình sai số thấu kính mỏng (sử dụng vật ở vô cực và vị trí dừng của thấu kính), chúng ta có thể suy diễn ra các điều kiện tạo ra sai màu cầu tối thiểu (Phương trình 2).

Giả sử rằng một bước sóng không đổi có thể được duy trì, mối quan hệ giữa số mũ và hệ số hình dạng tạo ra sai màu cầu tối thiểu có thể được trực quan hóa (Hình 3).

Hình 3: Hệ số hình dạng tối ưu theo hàm chỉ số khúc xạ

Lợi ích của thiết kế mặt trăng cong

Khi làm việc trong môi trường khả kiến, chỉ số thủy tinh thường nằm giữa 1.5 và 1.7 và hình dạng của sai số cầu tối thiểu hầu như là phẳng-lồi. Tuy nhiên, trong môi trường hồng ngoại, các vật liệu có chỉ số cao hơn như germani thường được sử dụng. Germani, với thông số 4.0, mang lại lợi ích lớn của thiết kế thấu kính mặt trăng cong bằng cách giảm đáng kể sai số cầu.

Sai số cầu tối thiểu xảy ra khi ánh sáng uốn cong đều đặn tại cả hai giao diện. Mặc dù bề mặt đầu tiên của thấu kính mặt trăng germani sẽ uốn cong ánh sáng hơi nhiều hơn so với thấu kính PCX tương tự, nhưng bề mặt thứ hai của thấu kính PCX sẽ khiến ánh sáng uốn cong nhiều hơn, dẫn đến sự gia tăng tổng thể của sai số cầu.

Như được hiển thị trong Hình 4, so sánh hiệu suất của thấu kính PCX germanium kích thước 25 x 25 mm với thấu kính hình mặt trăng cong germanium kích thước 25 x 25 mm, có thể dễ dàng thấy rằng thấu kính PCX làm uốn ánh sáng mạnh hơn so với bề mặt thấu kính khi so sánh với thấu kính hình mặt trăng cong. Sự gia tăng độ cong dẫn đến sự gia tăng sai số cầu. Thấu kính hình mặt trăng cong germanium cho thấy sự giảm đáng kể kích thước điểm ảnh, khiến nó phù hợp hơn cho các ứng dụng hồng ngoại đòi hỏi cao.

Hình 4x: Sơ đồ thấu kính PCX germanium 25 x 25mm SO với thấu kính hình mặt trăng cong germanium 25 x 25mm

Mặc dù thấu kính mặt trăng cong vẫn có thể cung cấp hiệu suất cao hơn trong dải khả kiến, thường thì không có đủ lợi ích để bù đắp cho chi phí sản xuất tăng lên. Hình 1 cho thấy sự so sánh hiệu suất của một thấu kính PCX fluoride canxi (CaF2) 25 x 50mm với thấu kính mặt trăng cong trong các ứng dụng quang phổ khả kiến và một thấu kính PCX germani (Ge) 25 x 50mm với thấu kính mặt trăng cong trong các ứng dụng hồng ngoại. Kích thước điểm ảnh của thấu kính germani được giảm đáng kể khi sử dụng hình dạng mặt trăng cong.

Bảng 1: So sánh kích thước điểm giữa thấu kính lồi-phẳng và thấu kính mặt trăng cong cho ứng dụng khả kiến và hồng ngoại

Mặc dù các thấu kính mặt trăng cong có thể không mang lại lợi ích trong mọi ứng dụng, chúng có thể cung cấp những lợi thế đáng kể về chi phí và hiệu suất cho nhiều ứng dụng hồng ngoại, bao gồm quang phổ