精密光学システムの場合、直径と焦点距離のみに基づいて凸レンズを選択するだけでは十分ではありません。 「凸レンズ」という用語は、両凸設計や平凸設計を含むいくつかの光学形状をカバーしており、公称焦点距離が同じであっても、その性能が大きく異なる場合があります。したがって、光学設計者や調達チームにとって、仕様を比較したり両凸レンズの価格を要求したりする前に、両凸レンズと凸レンズの違いを理解することが重要です。

両凸レンズは 2 つの外向きに湾曲した表面を持ち、通常は光軸に関して対称です。正の焦点距離により収束要素になりますが、実際の性能は基本的な形状以外にも依存します。材料、曲率半径、直径、表面精度、表面品質、中心偏差、コーティング、製造公差はすべて、最終的な光学結果とコストに影響を与えます。

両凸レンズの光学性能と主な仕様

両凸レンズは中心部が厚く、端に向かうにつれて薄くなります。両方の光学面は球の一部とみなすことができ、2 つの面は対称的な正のレンズ形状を形成します。光線が主軸にほぼ平行に進むと、2 つの曲面での屈折によって光線の伝播方向が変わり、光線は焦点領域に向かって収束します。

正の焦点距離は、システム設計にとって最も重要なパラメータの 1 つです。一般に、焦点距離が短いほど強い光パワーと光線角度の変化が大きくなりますが、焦点距離が長いほど収束が弱くなり、より長い作動距離やより低い光パワーが必要な場合に役立ちます。

薄いレンズの近似の場合、焦点距離は標準的な結像関係を通じて物体と像の距離に関連付けられます。ただし、実際の精密レンズでは、厚さ、屈折率、表面曲率、波長、製造公差により、有効な光学的動作を焦点距離だけから常に予測できるわけではありません。

直径は利用可能な有効開口を決定し、光学システムが収集または送信できる光の量に影響します。ECOPTIKの両凸レンズは、直径 2 mm ～ 300 mm で製造でき、コンパクトな光学アセンブリから大型のイメージングおよびレーザー システムまでカバーします。ただし、直径が大きくなると、材料の量、研磨面積、取り扱いの難しさ、製造要件も増加し、リードタイムと価格の両方に影響を与える可能性があります。

焦点距離は50mmから2000mmまで対応可能です。焦点距離の選択は、単に利用可能な最短または最長のオプションを選択するのではなく、必要な光学パワー、物体距離、像距離、ビーム形状、および利用可能な機械的スペースに基づいて行う必要があります。

材料は、屈折挙動、透過範囲、熱性能、コストに直接影響します。光学ガラスは、可視および近赤外の幅広い用途に適しています。溶融シリカは、低い熱膨張、広いスペクトル範囲にわたる高い透過率、または要求の厳しいレーザー用途が関係する場合に検討されることがよくあります。サファイアは高い硬度と優れた耐環境性を備えているため、耐久性や厳しい動作条件が優先される場合に役立ちます。

システムのパフォーマンス要件が高まるにつれて、表面仕様の重要性がますます高まっています。 ECOPTIK は、60/40、40/20、および 20/10 の表面品質グレードを提供します。表面品質は、傷や掘り込みなどの目に見える表面の欠陥を表しますが、表面精度は、製造された表面が意図した光学的形状にどの程度一致しているかを表します。

要求の厳しいアプリケーションに対して、ECOPTIK は 632.8 nm または 532 nm で λ/2 ～ λ/10 の表面精度を提供できます。表面精度が高くなると、レンズによって生じる波面誤差を減らすことができます。これは、光学収差と波面の品質を制御する必要があるイメージング、干渉法、レーザー集束、その他のシステムに特に関係します。

その他の仕様も見逃せません。 ECOPTIK は、直径の 85% を超える有効開口を指定しており、中心偏差は要件に応じて 3 分弧未満から 30 分弧未満まで制御できます。角度のずれは光路を通じて蓄積される可能性があるため、複数の要素を含むアセンブリでは中心のずれが特に重要になります。

2 mm ～ 20 mm で指定される中心の厚さは、機械的統合と実際の光学形状にも影響します。同じ直径と焦点距離のレンズでも、エッジの厚さ、曲率、材質、機械的制約に応じて、異なる中心厚の仕様が必要になる場合があります。

両凸レンズと凸レンズの光学設計の違い

最も一般的な混乱の原因の 1 つは、「凸レンズ」と「両凸レンズ」を交換可能な用語として扱うことです。

凸レンズは、通常の条件下でその幾何学的形状が収束する光学パワーを生成する正の光学要素を表す広範なカテゴリです。両凸レンズ (DCX と略されることもよくあります) は、この広範なカテゴリ内の 1 つの特殊な形状です。その 2 つの表面は凸面です。

平凸レンズ (PCX) には、1 つの凸面と 1 つの平面があります。 DCX と PCX は両方とも正の焦点距離を持つことができますが、それらの表面形状により異なる光学パワー分布と異なる収差挙動が生じます。

物体と像の距離がほぼ等しいシステムの場合、両凸レンズの対称性が有利になる可能性があります。光パワーは 2 つの曲面全体に分散され、その形状は光路が比較的対称的なアプリケーションに適しています。これは一般に、バランスの取れた共役が重要なイメージング、ビーム集束、光学機器、投影システム、その他のアセンブリで考慮されます。

平凸レンズは、コリメートされたビームが点に集束される場合など、光学システムの片側が事実上無限遠にある場合に適しています。このような構成の多くでは、平凸レンズの向きが重要になります。曲面を適切なビーム条件に向けて正しく配置すると、同じレンズを逆向きで使用する場合と比較して、球面収差を軽減できます。

これは、両凸レンズが常に平凸レンズよりも優れているという普遍的な答えは存在しないことを意味します。正しい選択は、共役比、ビーム状態、絞り、必要な画質、利用可能なスペース、および収差許容値によって異なります。

高精度イメージングでは、この区別がさらに重要になります。同じ公称焦点距離を持つ 2 つの正レンズは、曲率分布が異なるため、異なる収差プロファイルを生成する可能性があります。設計で単に正の光学パワーではなく、制御された結像性能が必要な場合は、完全なレンズ形状を考慮する必要があります。

両凸レンズの価格の決まり方

両凸レンズの価格は、単一のパラメータではなく、完全な仕様に照らして評価する必要があります。同じ直径と焦点距離を持つ 2 つのレンズでも、材料、公差、表面要件、コーティング、生産数量が異なる可能性があるため、価格が大幅に異なる場合があります。

材料は最初のコスト要因の 1 つです。標準的な光学ガラスは、一般に、光学性能と製造コストとの間の実用的なバランスを提供します。溶融シリカとサファイアは、グレード、サイズ、必要な仕様に応じて、材料費と加工費が高くなる場合があります。

直径も製造コストに直接影響します。 10 mm の小さなレンズから 100 mm または 200 mm のレンズへの移行は、単に直径が 10 倍になるだけではありません。光学表面積、材料の体積、研磨要件、検査の複雑さ、および取り扱いのリスクが大幅に増加します。

焦点距離と曲率は製造の難易度に影響します。非常に長いまたは短い焦点距離では、表面形状のより厳密な制御が必要になる場合がありますが、光学性能の要件が高まるにつれて、指定された焦点距離の許容誤差を維持することがより厳しくなります。

表面品質と表面精度も、価格設定の主要な要素の 1 つです。 60/40 の表面品質要件と 20/10 の要件は、同じ製造作業負荷を表しません。同様に、λ/10 の表面精度を達成するには、それほど要求の厳しい仕様よりも大幅に厳密な光学製造と計測が必要です。

同じ原理が中心偏差にも当てはまります。高性能の複数要素の光学アセンブリを目的としたレンズでは、基本的な焦点合わせコンポーネントよりもはるかに厳密な中心合わせが必要な場合があります。厳密な集中化により検査と製造の要件が増加するため、単価に影響を与える可能性があります。

コーティングも用途によって異なります。顧客は、コーティングされていない表面ではなく、特定の波長または波長範囲用の反射防止コーティングを必要とする場合があります。コーティングの材質、スペクトル帯域、入射条件、環境要件、およびコーティングの性能はすべて、最終価格に影響を与える可能性があります。

最後に、カスタマイズと注文数量が重要です。セットアップ、工具、検査、コーティングの準備、および文書化が少数の部品に分散されるため、プロトタイプの数量は多くの場合、単価が高くなります。仕様が安定している限り、生産量が増えると製造プロセスの効率が向上します。

このため、低価格のレンズが必ずしも購入の最適な決定であるとは限りません。表面精度、心出し、材質、コーティングなどのパラメータがシステムのパフォーマンスに直接影響する場合、単に見積もりを下げるためにパラメータを下げるべきではありません。重要ではない仕様を削減すると、コストを削減できます。パフォーマンスが重要な仕様を下げると、システムの後半でアライメント、イメージング、またはレーザー ビームの問題が発生する可能性があります。

ECOPTIK は 15 年間にわたって光学部品製造技術を研究し、要求の厳しい産業用途や光学用途に精密光学部品を提供してきました。その製造範囲には、ドーム光学部品、球面レンズ、マイクロ光学部品、円筒ミラー、フィルター、プリズム、窓、およびレンズアセンブリが含まれます。材料は、Schott、CDGM、Corning のほか、溶融シリカ、サファイア、CaF2、MgF2、シリコン、ZnSe、ZnS から調達できます。

品質検証のために、ECOPTIK は ZYGO レーザー干渉計、ZEISS CMM Spectrum、Agilent Cary 7000 UMS などの機器を使用し、プロジェクト要件に応じた寸法検査、表面および波面検証、スペクトル テスト、製品レポートをサポートします。

したがって、両凸レンズの価格を比較する購入者にとって、最も有用なアプローチは、材料、直径、焦点距離、中心厚、表面品質、表面精度、有効絞り、中心偏差、コーティング、数量、および検査要件などの同じ技術ベースラインに対して見積もりを比較することです。

必ずしも右の両凸レンズが最低価格のレンズであるとは限りません。これは、光学幾何学的形状と製造仕様が、不必要なコストを追加することなく、必要な収束性、結像性能、アライメントの安定性、および波長の互換性を提供するものです。両凸レンズと凸レンズの違いを理解することで、エンジニアは最初に適切な正レンズの形状を選択し、実際にシステムのパフォーマンスに影響を与える仕様に従って両凸レンズの価格を評価することができます。