新聞資訊

首頁

平凸透鏡的用法，為什么要凸面朝向激光？

2025-01-03

平凸透鏡應(yīng)該在實(shí)驗(yàn)室中使用最為廣泛的一類透鏡了，無論是加工還是檢測裝配，都是其受歡迎的原因。加工時(shí)，有一個(gè)平面可以作為加工基準(zhǔn)；檢測裝配的時(shí)候，有一個(gè)平面可以將角度基準(zhǔn)傳遞到結(jié)構(gòu)基準(zhǔn)。其實(shí)在光學(xué)設(shè)計(jì)的時(shí)候也盡可能考慮這一點(diǎn)，正因?yàn)檫@一點(diǎn)，平凸透鏡是貨架上最常見的一種透鏡形式之一。

本貼主要是講解下平凸透鏡的使用，為什么凸面朝向平行光？其實(shí)原理上比較簡單，粗糙的講法就是，如果是平面對著激光器，則有后向反射光，干擾激光器，降低激光器的使用壽命。光學(xué)理論方面講解就是從像差講解，平面入射的時(shí)候，系統(tǒng)的球差將大于凸面入射的時(shí)候，光斑彌散較大。

如上圖建立了一個(gè)口徑25mm，焦距100mm的平凸透鏡，插入平行光中進(jìn)行匯聚。可以看出，凸面朝向平行光時(shí)，會(huì)聚光斑的幾何尺寸為54.732um，而平面朝向平行光時(shí)，會(huì)聚光斑的幾何尺寸達(dá)到了301.769um，大了近6倍左右。

對于僅有軸上視場，那么造成這些的自然是球差，那么接下來我們就從球差這方面去嘗試找點(diǎn)解釋！

我們對于像差的定義粗略的就是實(shí)際成像于高斯像之間的差異，這個(gè)差異就是光學(xué)系統(tǒng)像差引入的，當(dāng)然還有一個(gè)原因，就是光學(xué)系統(tǒng)本身是一個(gè)衍射受限系統(tǒng)，口徑不可能無限大。

幾何光學(xué)的基石就是折射定律（斯涅耳定律），那么實(shí)際成像和高斯成像，這個(gè)定律的差異主要就是公式中的角度的近似。在近軸區(qū)，或者高斯計(jì)算里面，角度的正弦，正切都是等于角度本身的。

這個(gè)實(shí)際上只有小角度才滿足，當(dāng)角度增大的時(shí)候，就會(huì)有很大的差異，這也就是幾何像差引入的原因，因?yàn)樵诟咚钩上窭锩妫凵涠墒蔷€性的，而實(shí)際是正弦相關(guān)的。從下圖可以看出，在小于0.5rad（約28°）的時(shí)候，二者還比較接近，越大則差異越大！

那么從折射定律近似到高斯成像這邊，意思就是當(dāng)入射角度或出射角度越小，越接近高斯成像；當(dāng)入射角大于28°左右的時(shí)候，折射定律與高斯成像就差異太大！那么我們就按照這個(gè)28度來分析下，上面的平凸透鏡，看看每個(gè)面的入射角度或出射角度情況。

圖中藍(lán)色會(huì)聚點(diǎn)就是右側(cè)球面的球心，藍(lán)色的會(huì)聚光線也就是球面法線的方向（有細(xì)微差異），平行光與這個(gè)會(huì)聚光線的夾角就是這個(gè)光線在球面上的入射角，綠色光線與這個(gè)藍(lán)色匯聚光線的夾角的互補(bǔ)的角度就是出射角度。可以看出軸上是0度，隨著孔徑的增加，光線的入射在球面的入射角度在增加，出射角度也在增加。隨著孔徑的增加，由于入射角度和出射角度不是線性的，使得經(jīng)過透鏡后，不能匯聚到一個(gè)點(diǎn)上。或者說，隨著孔徑的增加，光焦度是在變化的，這就是球差。ZEMAX中可以直接讀取py=1處的角度，也是最大的入射角度和出射角度。如下則是用操作數(shù)RAID和READ拾取的每個(gè)面PY=1處的入射和出射角度。

上圖拾取了八個(gè)角度，入射角度均小于上文說的28°，而出射角度，在平面對準(zhǔn)平行光路的時(shí)候，有個(gè)角度37.59°，大于了28°。當(dāng)然當(dāng)系統(tǒng)焦距拉長后這個(gè)37.59°會(huì)變小，小于28度。此時(shí)系統(tǒng)的F數(shù)變大，系統(tǒng)像差變小，光斑變好。但是，相對于凸面對準(zhǔn)平行光的光路來說，像差還是差的。如下是焦距為200mm的時(shí)候（上面數(shù)據(jù)是焦距為60mm時(shí)候，有效口徑均是25mm），拾取的8個(gè)角度，原來這個(gè)37.59°的地方是10.55°，依舊是這8個(gè)角度最大的地方。

既要考慮入射角度，也要考慮出射角度，兩面共八個(gè)角度。角度越大，實(shí)際的折射定律就與高斯成像偏差越大。所以分析的時(shí)候，只需要去看最大的角度了，從這個(gè)角度就可以得到，平行光應(yīng)該是走凸的那面入射，平的那面匯聚了。

光學(xué)材料的區(qū)別？有哪些種類區(qū)分呢？