Вы когда-нибудь задумывались о том, как простое увеличительное стекло раскрывает мельчайшие детали или как камеры снимают дальние пейзажи?Ответ кроется в небольших, но мощных оптических компонентах, называемых сферическими линзамиЭти фундаментальные элементы составляют основу бесчисленных оптических систем, от обычных устройств до сложных научных инструментов.
Понимание сферических линз
Сферные линзы, как следует из их названия, имеют поверхности со сферической кривизной.выполняющие критические функции в различных оптических системах визуализацииКаждая поверхность линзы может быть выпуклой (скривленной внутрь), выпуклой (скривленной наружу) или плоской (плоской).
Семья сферических линз
Сферические линзы бывают различных форм, классифицируемых по форме и функции:
Положительные линзы (конвергирующие линзы)
- Двойные выпуклые линзы:Имеет две внешне изогнутые сферические поверхности.
- Планоконвексные линзы:Объедините одну плоскую поверхность с одной выпуклой поверхностью.
- Положительные линзы менискуса:Сложите в пару одну выпуклую и одну выпуклую поверхность, с более толстыми центрами, чем краями.
Положительные линзы сходят параллельные лучи света в фокусную точку за линзой или сокращают фокусные расстояния оптической системы.Классический пример - солнечный свет, фокусирующийся через лупу, чтобы создать яркое пятно..
Отрицательные линзы (дивергирующие линзы)
- Двухконкавные линзы:Включите две сферические поверхности с внутренней кривизной.
- Плоскоконкавные линзы:Объедините одну плоскую поверхность с одной вьющимися поверхностью.
- Отрицательные линзы мениска:Имеет одну выпуклую и одну выпуклую поверхность, с более тонкими центрами, чем краями.
Отрицательные линзы заставляют параллельные световые лучи расходиться, появляясь из виртуальной очаговой точки перед линзой.Они обычно увеличивают фокусные расстояния и увеличивают относительные диафрагмы оптической системы..
Обратите внимание, что двойные выпуклые и двойные выпуклые линзы обладают примерно в два раза большей силой преломления, чем плосковыпуклые и менискусные линзы.
Специализированные типы линз и их применение
Двойные и плоскоконвексные линзы: искусство фокусировки
Оба служат конвергирующими линзами с положительными фокусными расстояниями, идеально подходят для фокусировки коллимированного света, коллимирующих точечных источников или уменьшения дивергенции от источников света.
Основные различия:
- Двойные выпуклые линзы:Благодаря двум выпуклым поверхностям они обеспечивают более сильную конвергенцию и подходят для применений, требующих большей фокусировочной мощности.Оптимально, когда объект и изображение находятся на противоположных сторонах линзы с конъюгатными соотношениями между 0.2 и 5.
- Планоконвексные линзы:Их одна изогнутая поверхность облегчает изготовление из более мягких материалов. Лучше всего подходит для конъюгатных соотношений, где одно расстояние превышает другое в пять раз или более (5X - бесконечность),Особенно отличается в бесконечных конъюгатных сценариях..
Двойные и плоскоконкавные линзы: сила дивергенции
Эти линзы с отрицательной фокусной длиной отклоняют сходящиеся лучи к виртуальным фокусным точкам, часто используемым в расширителях лучей Галилея.
Менискусные линзы: специалисты по изгибам
- Положительные линзы менискуса:В сочетании с другими линзами они сокращают фокусные расстояния и увеличивают числовую диафрагму для повышения разрешения.
- Отрицательные линзы мениска:Они уменьшают численную диафрагму и хорошо служат в инфракрасных приложениях с высоким показателем преломления.
Кольцевые линзы: компактные электростанции
Эти сферические элементы (в основном двойные выпуклые линзы, где диаметр соответствует радиусу кривизны) улучшают связь сигнала между волокнами, излучателями и детекторами.Они используются в эндоскопии.Полусферные линзы предлагают альтернативные средства для экономии места.
Ленты для барабанов: опции для установки
Похожие на шаровые линзы, но с вытянутыми центральными секциями, барабанные линзы и полубарабанные линзы обеспечивают более легкую установку при сохранении сопоставимой функциональности.
Как выбрать подходящие сферические линзы
Оптимальный выбор линз требует тщательного рассмотрения нескольких факторов:
- Соотношение соединений
- Форма линзы
- F-число
- Свойства материала
- Характеристики трансмиссии
- Извращение фронта волны
- Уровень разброса
- Спецификации покрытия
- Бюджетные ограничения
Руководящие принципы выбора формы линзы
Правильный выбор формы позволяет свести к минимуму оптические отклонения, иногда требующие нескольких элементов.
| Позитивные линзы | Соотношение соединений | Плоско-выпуклое | Двойной выпуклый | Ахроматический дублет |
|---|---|---|---|---|
| Бесконечность | Лучше. | Хорошо. | Лучший | |
| 10:1 | Лучше. | Хорошо. | Лучший | |
| 5:1 | Лучше (в паре) | Лучше. | Лучший (в паре) | |
| 1:1 | Лучше (в паре) | Лучше. | Лучший (в паре) |
| Отрицательная линза | Соотношение соединений | Плоскоконкавный | Двухконкавный | Цилиндрический плоскоконкавный |
|---|---|---|---|---|
| Бесконечность | Лучший | Хорошо. | Лучший | |
| 10:1 | Лучший | Хорошо. | Лучший | |
| 5:1 | Хорошо. | Лучший | Хорошо. | |
| 1:1 | Хорошо. | Лучший | Хорошо. |
Материальные варианты
Производители предлагают различные материалы для субстрата, включая N-BK7, ультрафиолетовый расплавленный кремний, N-SF11, селенид цинка, фторид кальция, кремний и германий.Для ультрафиолетовых лучей доступны широкополосные антиотражательные (BBAR) покрытия, видимых, близких к инфракрасному и средних инфракрасных спектральных диапазонов.
Преимущества и ограничения
Преимущества
- Разнообразие материала:Различные варианты подложки отвечают специальным требованиям.
- Легкая интеграция:Стандартизированные конструкции упрощают внедрение системы.
- Эффективность:Более экономичный, чем асферные альтернативы для многих приложений.
- Простой дизайн:Сферическая геометрия позволяет массовое производство и долговечность.
- Основные применения:Идеально подходит для основных оптических нужд, таких как очки, лупы и простые объективы камер.
Ограничения
-
Проблемы с отклонениями:Борьба с полной коррекцией хроматических и сферических аберраций.
- Хроматическая аберация:Различные длины волн фокусируются в различных точках, вызывая размытие или окрашивание цвета.
- Сферическая аберация:Разнообразная толщина линзы вдоль оптической оси распределяет фокусные точки.
- Ограничения формирования луча:Меньше подходит для приложений, требующих точного управления лучами.
Практическое применение
Сферические линзы позволяют увеличивать по отношению:
Увеличение (M) = - расстояние изображения (v) / расстояние объекта (u)
(Отрицательный знак указывает на обратное изображение)
От улучшения зрения человека до создания передовых систем визуализации, сферические линзы продолжают играть незаменимую роль в бесчисленных оптических приложениях.Их точное проектирование позволяет нам воспринимать и захватывать наш мир с удивительной ясностью.