光学システムで光を集束または収束させる必要がある場合、正レンズが自然な選択となることがよくありますが、ビーム制御の問題をすべて解決できるわけではありません。代わりに、レーザーおよびイメージング システムでは、ビーム発散の制御された増加、より大きなビーム直径、または既存の光学配置の焦点距離を効果的に増加させる調整が必要になる場合があります。このような状況では、両凹レンズは根本的に異なる光学機能を提供します。

その負の光学パワーにより、平行入射光は透過後に発散します。その結果、単に光の方向が変わるだけではありません。レンズによってビームの形状が変化し、下流の光学コンポーネントの性能に影響を与える可能性があります。したがって、エンジニアや光学部品の購入者にとって、焦点距離、直径、材質、表面品質、コーティングを選択する前に、両凹レンズの特性を理解することが不可欠です。

両凹レンズの特性: レンズが発散光を生成する理由

両凹レンズの特徴は、内側に湾曲した光学面です。対称的な構成では、両側の曲率半径が同じになり、バランスの取れた両凹形状が作成されます。レンズは負の光学パワーを持っているため、平行ビームまたは平行ビームとして入射する光線は、あたかも入射側の仮想焦点から発したかのように、分離角が増加してレンズから出ます。

これは、負の焦点距離の意味を説明します。たとえば、焦点距離が -50 mm であっても、レンズが光の焦点を合わせることができないという意味ではありません。むしろ、これはレンズが負の光学パワーを持ち、入射平行ビームを発散させることを示しています。 -1000 mm や -2000 mm などの長い負の焦点距離は、一般に、同等の条件下で -50 mm レンズよりも弱い発散を生成します。

光学設計者にとって、この関係により、焦点距離はビーム拡大を制御する際の最も重要なパラメータの 1 つになります。適切な値は、入力ビームの直径、必要な出力ビームの直径、利用可能な光路、およびシステム内の他の要素の特性によって異なります。

材料の選択は光学性能にも直接影響します。 ECOPTIK は、光学ガラス、石英ガラス、サファイア、その他の指定された材料から両凹レンズを製造できます。光学ガラスは幅広い一般光学システムに適していますが、透過特性、レーザー用途、熱挙動、または紫外線性能が重要な場合には、溶融シリカがよく検討されます。高硬度、耐久性、または厳しい環境条件が設計要件の一部である場合は、サファイアを選択できます。最終的な材料は、公称屈折率だけで選択するのではなく、常に動作波長とシステム環境に照らして評価する必要があります。

ECOPTIK は、2 mm ～ 300 mm の直径と -50 mm ～ -2000 mm の焦点距離をサポートし、コンパクトな光学アセンブリと大型のビーム制御システムの両方にオプションを提供します。

寸法精度も重要です。利用可能な直径公差は、直径が 50 mm までの場合は ±0.05 mm、直径が 50 mm を超える場合は ±0.1 mm です。中心の厚さは 2 mm ～ 20 mm の範囲です。これらの仕様は、レンズが定義された機械マウントに適合する必要がある場合、制御された光路を維持する必要がある場合、または複数要素アセンブリに統合する必要がある場合に特に重要になります。

表面品質と表面精度は互換性のある仕様として扱うべきではありません。 ECOPTIK は、60/40、40/20、および 20/10 の表面品質レベルを提供し、表面精度は、要求される仕様に応じて 632.8 nm または 532 nm で λ/2 ～ λ/10 に達します。

レーザー システムの場合、表面仕様を改善すると、不要な散乱や波面エラーを減らすことができます。表面精度は、波面の品質を維持する必要がある精密なビーム経路の一部を両凹レンズが形成する場合に特に重要です。

有効開口率は 85% を超え、中心偏差は 3 分角未満から 30 分角まで指定できます。これらのパラメータは、ビーム直径、アライメント感度、およびシステムの数値要件が増加するにつれて、ますます重要になります。レンズは、正しい公称焦点距離を持っていても、使用可能な絞りまたは中心が光学アーキテクチャに適していない場合、性能が低下する可能性があります。

ビーム拡大、レーザー、投影、およびイメージングにおける両凹レンズの使用

最も実用的な両凹レンズの用途の 1 つはビーム拡大です。凹レンズだけでは、完全なビームエキスパンダーが自動的に作成されるわけではありません。代わりに、正レンズと併用して、必要なビーム拡大形状を確立できます。一般的な配置では、負のレンズにより入射ビームが発散され、適切な距離に配置された正のレンズにより、発散したビームがより大きな平行ビームに変換されます。

この構成は、ビームが集束光学系、スキャナー、空間フィルター、またはその他の下流コンポーネントに到達する前に、より大きなビーム直径が必要なレーザー システムで価値があります。ビーム直径を大きくすると、システム設計者は光学素子の開口部のより大きな部分を使用できるようになり、完全な光学設計に応じて、より小さな集束スポットを実現できます。

負の焦点距離によって、ビームがどれだけ速く拡大するかが決まります。負の焦点距離が短いほど、所定の伝播距離にわたってより強い発散が生成され、負の焦点距離が長いほど、より緩やかな発散が生成されます。したがって、ビーム拡大用に両凹レンズを選択するには、目的の最終ビーム直径を一致させるだけでは不十分です。利用可能な光路とポジティブな要素も考慮する必要があります。

両凹レンズは、後続の集束ステージまたはコリメーションステージの前にビーム伝播を修正するためにレーザーシステムでも役立ちます。投影システムでは、その負の光学パワーは、複数要素システムの全体的な光学パワーを調整し、必要な画像空間またはオブジェクト空間の幾何学形状をサポートするのに役立ちます。

結像光学系では、設計者が光学群の収束または発散挙動を変更する必要がある場合、両凹レンズを組み込むことができます。その役割は通常、個々のコンポーネント単独ではなく、レンズ全体の処方によって決まります。同じ原理が望遠鏡や他のビーム制御システムにも当てはまります。凹面要素はシステム内の光パワーを補償または再分配できます。

両凹レンズ ​​vs 平凹レンズ

選択によくある質問は、両凹レンズと平凹レンズのどちらを使用するかということです。主な違いは表面の形状です。両凹レンズには 2 つの凹面がありますが、平凹レンズは 1 つの凹面と 1 つの平面を組み合わせたものです。

どちらも負の光学パワーを持っていますが、光学的挙動、収差特性、機械的形状、および特定の光学処方への適合性は同一ではありません。対称的な負の倍率の要素が好まれる場合には両凹レンズが魅力的であることが多く、平らな表面が機械的統合を簡素化する場合や特定の光学レイアウトに適合する場合には平凹設計が有利になる場合があります。

したがって、正しい選択は、1 つの負のレンズ タイプが普遍的に優れていると仮定するのではなく、システム全体の処方に基づいて行う必要があります。

光学系の両凹レンズの選び方

調達および光学設計では、必要な光学機能から始めて仕様を決定するのが最も効果的です。

焦点距離は、必要な発散と利用可能な伝播距離に応じて選択する必要があります。短い光路内での強力なビーム拡大が目的の場合は、比較的短い負の焦点距離が適切な場合があります。システムがより緩やかな発散を必要とする場合は、負の焦点距離を長くすることが望ましい場合があります。

直径は、ビームのサイズと機械的制約に従って選択する必要があります。特にガウス ビーム プロファイルや軸外伝播が関係する場合、透明な開口は実際のビームに十分な使用可能な領域を提供する必要があります。 ECOPTIK の 2 ～ 300 mm の直径範囲により、レンズ サイズをコンパクトなシステムと大口径システムの両方に適合させることができます。

材料は波長と動作条件に適合する必要があります。レーザー用途の場合、仕様を最終決定する前に、実際の動作波長での透過範囲と材料の挙動をチェックする必要があります。溶融シリカは、要求の厳しいレーザーおよびブロードバンド用途に考慮される場合がありますが、光学ガラスとサファイアは、さまざまな性能および環境要件に対応できます。

光学精度が高まるにつれて、表面品質と表面精度がますます重要になります。 20/10 の表面品質仕様と λ/10 クラスの面精度は、汎用の光学部品とは大幅に異なる要件を表します。適切なグレードは、利用可能な最高の仕様を単に選択するのではなく、システムの波面、散乱、およびイメージング要件によって決定する必要があります。

中心のずれは、精密アセンブリのもう 1 つの重要な考慮事項です。過度のウェッジ誤差または中心誤差は、位置合わせの問題を引き起こし、公称光軸に対するレンズの実際の動作を変える可能性があります。アライメント公差が厳しいシステムの場合は、30 秒角という低い仕様が適切な場合があります。

最後に、AR コーティングは、動作波長、入射角、偏光要件、および予想される光パワーに従って選択する必要があります。ある波長向けに設計されたコーティングが、別の波長でも最適なパフォーマンスを提供すると自動的に想定されるべきではありません。 ECOPTIK は、顧客の要件に応じたコーティング構成を提供し、対象の光学帯域およびシステム条件に合わせて両凹レンズを指定できるようにします。

ECOPTIK は 15 年間光学部品製造技術を研究しており、レンズ、プリズム、窓、フィルター、円筒ミラー、ドーム光学部品、マイクロ光学部品などの精密光学部品を製造しています。材料オプションには、Schott、CDGM、Corning のガラスのほか、サファイア、CaF₂、MgF₂、溶融シリカ、シリコン、ZnSe、ZnS が含まれます。同社はレンズの組み立てサービスも提供する。

品質管理と光学特性評価のために、ECOPTIK は ZYGO レーザー干渉計、ZEISS CMM Spectrum、および Agilent Cary 7000 UMS を使用して、寸法および光学テストをサポートし、製品レポートを提供します。

エンジニアにとって重要な点は、両凹レンズの選択は、レンズ名だけではなく、必要なビームの動作から始める必要があるということです。負の焦点距離は光学パワーを決定し、曲率はそのパワーの生成方法を定義し、直径、開口部、表面精度、心合わせ、材料、およびコーティングは、コンポーネントが意図したシステム内で確実に動作できるかどうかを決定します。これらの両凹レンズの特性を特定の両凹レンズの用途に直接結び付けることで、エンジニアや調達チームは、単に公称の負レンズを選択するのではなく、実際の光学設計に適合する仕様を選択できます。