OPTICS应用案例系列
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38+86 (0755) 2967 5435 • 爱特蒙特光学 (深圳) 有限公司与许多其他形状的光学透镜相比,弯月透镜很少提供成品。弯月透镜主要用于聚焦小光斑或准直应用,而平凸透镜通常具有优越的性价比。不过,在一些情况下,弯月透镜具有明显卓越的性能,而价格只稍微高一点.球面像差由于透镜的球面性质,球面像差会导致与光轴平行的不同位置的光线不能汇聚在同一个点(图 1)。虽然可以使用多个镜片来纠正球面像差,但对于材料成本远远高于可见材料的许多红外系统来说,最理想的方式是减少镜片数量。无需使用多个镜片,通过将透镜塑造成最佳形状,可以将单个透镜的球面像差最小化.对于固定的折射率和透镜厚度,存在无限数量的半径组合,这可用来创建特定焦距的透镜。这些半径组合产生不同的透镜形状,因光线在穿过透镜时的弯曲度,直接导致了球面像差和慧差.可以用 Coddington 形状因子 C(方程式 1 和图 2)来描述透镜形状.通过使用薄透镜像差方程(物体从无限远处到透镜),我们可以得出产生最小球面像差的条件(方程式 2).假设可以保持恒定的波长,那么可将产生最小球面像差的指数和形状因子之间的关系可视化(图 3).弯月设计的益处当在可视环境中工作时,玻璃折射率一般在 1.5 到 1.7 之间,最小球面像差的形状近似是平凸的。然而,在红外线环境中,通常使用像锗这样的更折射率的材料。锗的折射率为4.0,在弯月透镜的设计中对于减小球面像差有极大的帮助。当光线在两个界面上均匀弯曲时,就会发生最小的球面像差。虽然锗弯月透镜的第一个表面会使光线的弯曲程度略高于类似的PCX透镜,但 PCX 透镜的第二个表面会导致光线更加弯曲,从而导致球面像差整体增加.如图 4 所示,其将 25 x 25 mm 锗 PCX 透镜与 25 x 25mm 锗弯月透镜的性能相比较,很容易看到 PCX 透镜相比弯月透镜如何使光线相对透镜表面更显著地弯曲。弯曲度的增加导致了球差增加。锗弯月透镜显示光斑尺寸急剧下降,使其更适用于要求严格的红外应用.虽然弯月透镜仍然可以在可见的情况下提供更高的性能,但通常没有足够的增益来抵消增加的制造成本。图 1 为 25 x 50mm 氟化钙 (CaF2)PCX 透镜与弯月透镜在可见光谱应用中的性能比较,以及 25 x 50mm 锗 (Ge) PCX 透镜与弯月透镜在红外应用中的性能比较。使用弯月形状时,锗透镜的光斑尺寸大大降低.虽然弯月透镜可能无法在所有应用中提供益处,但可以为许多红外应用提供巨大的成本和性能优势,包括光谱学和热成像.图 1:球面像差图 3: 最佳形状因子作为折射率的一个函数图 2: 不同透镜配置的 Coddington 形状因子表 1: 平凸透镜与弯月透镜在可见光谱和红外应用中的光斑尺寸比较图 4: 25 x 25mm 锗 PCX 透镜 VS25 x 25mm 锗弯月透镜的图表在红外应用中使用弯月透镜的优势LongitudinalSphericalAberrationTransverseSphericalAberrationChief RayFocusCircle of LeastConfusionMarginalRay Focus(1)C =R2 - R1R2 + R1(2)Cmin spherical =n + 22(n2 - 1)-2-10+1+210123456722.533.544.551.5Shape FactorIndex of RefractionBest Form Shape FactorS1S2S1S2PCX LensMeniscus Lens平凸透镜弯月透镜S1 球面像差 0.1波 2.4波S2 球面像差 14.2波 2.9波总球面像差14.3波 5.3波光斑尺寸258μm 83μm平凸透镜光斑尺寸弯月光斑尺寸光斑尺寸通过弯月透镜降低可见光谱(CaF2 透镜)849.3μm 624.9μm -26%红外光谱(Ge透镜)258μm 83μm -68%

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