コンパクトな光学機器では、多くの場合、光を生成または送信するのではなく、光を正確に配線するのに十分なスペースを見つけることが課題となります。従来のサイズのプリズムは、内視鏡、レーザー ダイオード (LD) とファイバーの結合アセンブリ、および 1 ミリメートル単位の機械的空間が重要となるその他の精密機器に組み込むことが困難になる可能性があります。同時に、従来の光学コンポーネントのサイズを単に縮小するだけでは、システムに必要な角度精度、表面品質、または使用可能な開口が保証されません。

このため、マイクロ プリズム レンズやマイクロ プリズム光学部品を評価するエンジニアは、物理的な寸法を超えて検討する必要があります。プリズムの形状、基板の材質、角度公差、表面品質、表面の平坦度、有効開口、コーティングはすべて、制限された光路内でコンポーネントが光の方向をどの程度効果的に変えることができるかに影響します。

適切なマイクロプリズム構造の選択

マイクロプリズムは主にビームルーティングコンポーネントです。その形状は、入射光がどのように方向転換されるか、またコンパクトなアセンブリ内で光路がどのように折り畳まれるかを決定します。適切な構造は、システムが定義された直角回転、角度の微調整、画像方向の制御、または安定したビーム偏向を必要とするかどうかによって異なります。

マイクロ直角プリズムは、光学設計で定義された 90 度タイプの光路回転が必要な場合に適しています。そのコンパクトな形状により、従来の大型プリズムが占有するスペースを必要とせずに光路を折り畳むことができます。これは、密閉された機器内でイメージングまたは照明の経路の方向を変える必要がある場合に特に役立ちます。

マイクロウェッジプリズムは動作が異なります。ウェッジ角度が小さいため、制御された角度偏差が導入され、目的が大きなパスターンではなく、ビーム方向を比較的細かく調整する場合に役立ちます。したがって、アライメントに敏感な光学アセンブリでは、ウェッジ角度が重要な設計パラメータになる可能性があります。

マイクロ ドーブ プリズムは、画像の方向と特定の経路折り曲げ要件を伴う光学配置に選択されます。その幾何学的形状は、コンパクトなイメージング システム内でプリズムが単純な方向変更以上の機能を実行する必要がある場合に役立ちます。

マイクロ ペンタ プリズムは、プリズム形状からの安定したビーム偏差が必要な場合に役立ちます。この特性は、所望のビーム方向がプリズムの向きの小さな変化にあまり依存しないようにする必要がある光学配置において魅力的です。

これらの構造は、同じコンポーネントの交換可能なバージョンとして扱うべきではありません。選択の最初の質問は、プリズムがどのような光学機能を実行する必要があるかということです。その後にのみ、寸法と公差を定義する必要があります。

内視鏡検査および LD とファイバーの結合においてマイクロプリズム光学系が重要な理由

内視鏡光学システムは、小型プリズムを使用する実際的な理由を示しています。利用可能な内部空間は非常に制限される可能性がありますが、光路は依然として定義された視線方向と十分な使用可能な開口を提供する必要があります。物理的に小さいプリズムでも有効開口部が不十分であると、口径食が発生したり、イメージング システムに到達する使用可能な光の量が制限されたりする可能性があります。

このため、ECOPTIKのマイクロプリズム製品は主に内視鏡用途やLDとファイバの結合用途に使用されており、医療機器メーカーや産業機器メーカーにも採用されています。

LD とファイバーの結合アセンブリでは、プリズムをレーザー ダイオードと後続の結合光学部品の間に配置して、制約された機械的レイアウト内でビームの方向を変えることができます。ここでは、角度公差が特に重要になります。プリズム角度誤差により出射ビームの方向が変化し、次の光学素子でのビーム位置や入射角が変化する可能性があります。

カップリング システムの場合、これは、プリズムを独立した光学コンポーネントとしてではなく、完全なアライメント バジェットの一部として評価する必要があることを意味します。プリズム角度、取り付け位置、ビーム直径、結合レンズ、およびファイバー軸はすべて、最終的な結合形状に影響します。

光学性能に影響を与えるマイクロプリズムの仕様

小型化しても寸法制御や光学制御の必要性がなくなるわけではありません。実際、わずか数ミリメートル以下のスケールでは、コンポーネント全体の寸法に比べて比較的小さな製造上の誤差が大きくなる可能性があります。

ECOPTIK は、0.2 mm ～ 5 mm の寸法のマイクロ プリズム構造を提供します。この範囲はコンパクトな光学アセンブリをサポートしますが、選択されるサイズは、利用可能な最小のパッケージではなく、実際のビーム フットプリントと機械的設置要件に基づいて選択する必要があります。

角度公差は最も重要な仕様の 1 つです。 ECOPTIK は、最大 ±10 秒角の角度許容差を提供できます。 LD とファイバの結合システムでは、ビーム方向の小さな偏差でも結合光学系またはファイバの境界面でのビームの位置に影響を与える可能性があるため、このレベルの角度制御が重要になる可能性があります。

必要な許容誤差は光学系によって異なります。一般的なビームルーティングアプリケーションでは、アライメントバジェットが厳しいカップリングシステムと同じ角度仕様は必要ない場合があります。不必要に厳しい公差を選択すると、システムに測定可能な利点が得られずに製造要件が増加する可能性があり、公差が不十分な場合は光学的位置合わせがより困難になる可能性があります。

表面品質は、アプリケーション要件に応じて、20/10 または 10/5 として指定されます。表面品質は、傷や掘り込みなどの微細な欠陥を表します。レーザーおよびイメージング システムでは、これらの欠陥が散乱光や不要なバックグラウンド信号の原因となる可能性があります。したがって、迷光が特に敏感な場合には、10/5 仕様の方が適切である可能性があります。

表面の平坦度はλ/10に達します。このパラメータは、光学面の幾何学的精度と、透過波面の品質に対するその影響に関係します。精密イメージングやレーザー用途では、プリズムが光路の敏感な部分に配置される場合、表面の平坦性がより重要になることがあります。

有効開口はコンポーネント寸法の 90% を超えます。コンポーネントの物理的なサイズは必ずしも使用可能な光学領域を表すわけではないため、これは特に小型プリズムに当てはまります。不要なクリッピングを避けるために、実際のビーム直径と予想される入射条件に対して利用可能な絞りをチェックする必要があります。

BK7 ガラスまたは溶融石英の選択

基板は、単に機械的な可用性によってではなく、波長とシステム要件に従って選択する必要があります。

BK7 ガラスは、その透過特性と確立された光学性能がアプリケーション要件を満たす多くの可視および近赤外光学システムに適しています。多くの場合、これは汎用マイクロ光学アセンブリの実用的な出発点となります。

溶融シリカは、システムが強い紫外線透過性またはより優れた熱安定性を必要とする場合に、より魅力的になります。レーザーベースの機器の場合、材料の透過と光学的動作は波長に直接関係しているため、基板を選択する前に動作波長を特定する必要があります。

ECOPTIK は、Schott、CDGM、Corning が供給するガラスをはじめ、サファイア、CaF₂、MgF₂、溶融シリカ、Si、ZnSe、ZnS など、幅広い光学材料を扱っています。この材料の機能により、マイクロ プリズムの仕様を 1 つの標準的なガラス オプションに限定するのではなく、完全な光学設計の一部として考慮することができます。

コーティングと開口部は一緒に考慮する必要があります

コーティングの仕様は、実際の動作波長、入射角、透過ターゲットに基づいて決定する必要があります。マイクロプリズムアプリケーションの場合、利用可能な光学領域はすでに小型寸法によって制限されているため、プリズム表面での不必要な透過損失がさらに大きくなる可能性があります。

ECOPTIK はお客様のご要望に応じたコーティングを提供します。したがって、LD とファイバーの結合システムの場合、コーティングはレーザーの波長と入射形状とともに定義する必要があります。内視鏡システムの場合、要件により、イメージング波長範囲全体にわたるブロードバンド伝送が優先される場合があります。

コーティングの決定は、開口部のクリアーと並行して考慮する必要があります。プリズムは、光路がその開口部に十分に適合していない場合、公称寸法仕様を満たしていても、必要な使用可能なビーム領域を提供できない場合があります。

ECOPTIK のマイクロプリズム製造およびテスト能力

ECOPTIK は光学部品製造において 15 年の経験があり、プリズム、球面レンズ、円筒ミラー、マイクロ光学部品、フィルター、窓、その他のカスタマイズされた光学素子を含む精密光学部品を製造しています。

マイクロ プリズム アプリケーションの場合、ECOPTIK は小型プリズムの製造と材料の選択および光学検査を組み合わせています。同社の試験装置には、ZYGO レーザー干渉計、ZEISS CMM Spectrum、Agilent Cary 7000 UMS が含まれており、寸法、表面、干渉計、スペクトルの測定と製品レポートをサポートします。

ECOPTIK はレンズ組立サービスも提供しています。これは、マイクロ プリズムをスタンドアロン コンポーネントとして供給するのではなく、コンパクトな光学モジュールに統合する必要がある場合に役立ちます。

マイクロプリズムの仕様を光路に合わせる

適切なマイクロ プリズムは、必ずしも最小のコンポーネントまたは最も厳しい公差を持つコンポーネントであるとは限りません。選択は、必要な光学機能から始めて、システムの制約を考慮して行う必要があります。

固定パスターンの場合は、マイクロ直角プリズムが適切な場合があります。小さなビーム方向の補正が必要な場合、マイクロ ウェッジは別のソリューションを提供します。マイクロ ドーブ プリズムは特定の画像方向の要件に対処でき、マイクロ ペンタ プリズムはコンパクトなレイアウト内で安定したビーム偏向を提供できます。

次の段階では、基板を波長に合わせ、0.2 ～ 5 mm の寸法で十分な機械的および光学的クリアランスが提供されていることを確認し、必要な角度公差を確立します。表面品質、λ/10 の平坦性、および有効開口は、イメージングまたはレーザー システムの感度に従って評価する必要があります。

内視鏡検査の場合、使用可能な開口を維持しながら、制限された光学チャネルにプリズムを適合させることが優先される場合があります。 LD とファイバの結合の場合、角度公差と位置が仕様を支配する可能性があります。産業用機器の場合、光学性能、パッケージ サイズ、コーティング、および組み立て公差の間のバランスによって、最終的な構成が決定される場合があります。

したがって、マイクロプリズムは、より小さなスケールで製造された単なる従来のプリズムではありません。その価値は、コンパクトな形状と、制御された光学偏差、使用可能な絞り、および小型光学システムのアライメント要件に適合する仕様を組み合わせることにあります。マイクロプリズムレンズとマイクロプリズム光学製品を構造、材質、角度公差、表面品質、平坦度、開口部、コーティングに従って評価することで、エンジニアは内視鏡検査、LDとファイバーの結合、その他のスペースに制約のある精密機器用の、より予測可能な光路を構築できます。