光学システムには、光を 2 軸に集束させるレンズが必ずしも必要というわけではありません。目的がレーザーラインの生成、線形検出器の照明、ビームのアスペクト比の変更、または平行ビームを一方向にのみ集束させることである場合、球面レンズは望ましくない光学効果を引き起こす可能性があります。そのパワーは両方の軸に作用しますが、多くのビーム整形アプリケーションでは 1 つの軸のみの制御が必要です。

ここで平凸シリンドリカルレンズが役に立ちます。光学技術者は、それを汎用の集束要素として扱うのではなく、必要な光出力、作動距離、ビーム寸法、波長、および表面仕様に従って選択する必要があります。ライン位置とビーム品質が重要なシステムでは、焦点距離公差や表面精度などのパラメータが公称レンズ直径と同じくらい重要になる場合があります。

平凸シリンドリカルレンズが一軸で光を制御する仕組み

平凸シリンドリカルレンズは正のシリンドリカル光学パワーを持ち、直交軸には実質的に影響を与えずに、主に 1 つの軸に沿った光の伝播を変化させます。この動作により、従来の球面レンズとは根本的に異なります。

点光源が適切に配置されている場合、シリンドリカル レンズは点を線画像に変換できます。コリメートされた入力光により、設計された焦点位置にラインフォーカスを生成できます。同じ単軸光学パワーで画像の一次元を圧縮または拡張することもできるため、このレンズはビームのアスペクト比を変更するのに役立ちます。

この原理は、レーザー システムにおいて特に価値があります。レーザーライン生成では、焦点距離によって入射ビームとライン焦点の関係が決まります。一般に、焦点距離が短いほど収束が強くなり、光学配置がよりコンパクトになります。一方、焦点距離が長いほど作動距離が長くなり、ビーム形状が異なります。

ライン検出器照明の場合、多くの場合、目的は単に可能な限り細いラインを作成することではありません。焦点位置、ラインの均一性、ビーム直径、検出器の形状がすべて一致している必要があります。焦点距離が不適切なレンズでは、レンズ自体が公称仕様を満たしていても、アクティブな検出面の外側にラインが配置される場合があります。

同じ考慮事項がレーザー投影とアナモルフィック ビーム整形にも当てはまります。光学パワーは 1 つの軸に作用するため、平凸シリンドリカル レンズは、他の軸に同等の集束パワーを適用することなく、楕円形または非対称ビームの幅と高さの比を変更できます。

ECOPTIK は、この種の制御された光学動作を必要とするアプリケーション向けの精密光学コンポーネントを製造しています。同社は15年にわたり光学部品製造技術を研究し、シリンドリカルミラー、球面レンズ、ドーム光学部品、マイクロ光学部品、フィルター、プリズム、窓、その他の精密光学素子を生産しています。その材料機能には、Schott および CDGM 光学ガラス、コーニング ガラス、サファイア、CaF₂、MgF₂、溶融シリカ、シリコン、ZnSe、および ZnS が含まれます。

平凸シリンドリカル レンズの仕様はどれが重要ですか?

仕様書は独立した数値の集合としてではなく、光学システムに従って評価されるべきです。

透過率は波長に大きく依存するため、素材が最初に考慮されます。 N-BK7/H-K9L は可視および近赤外の光学システムに一般的な選択肢ですが、溶融シリカは紫外透過またはより広い波長の性能が必要な場合に特に役立ちます。 CaF₂ は、紫外および赤外領域にわたる適切な透過特性を必要とする用途に検討できます。

ECOPTIK の平凸シリンドリカル レンズの直径範囲は 2 mm ～ 300 mm です。適切な直径は、入射ビームのサイズと必要な有効開口によって異なります。直径が不必要に大きいとパッケージのサイズとコストが増加する可能性があり、一方、開口が不十分だとビームがクリップされ、不要な回折や強度の変動が生じる可能性があります。

焦点距離も主要な選択パラメータであり、使用可能な値は 4 mm ～ 1000 mm です。正しい焦点距離は、特定の数値仕様を提供するという理由だけで選択するのではなく、必要な作動距離とビームの形状から導き出す必要があります。

たとえば、コンパクトなレーザー集束アセンブリでは短い焦点距離が適している場合がありますが、作動距離が長い投影または検査システムではかなり長い焦点距離が必要になる場合があります。アナモルフィック ビーム整形では、入射ビームの寸法およびアスペクト比の望ましい変更とともに焦点距離も考慮する必要があります。

直径公差は通常 +0.0/-0.1 mm で指定されます。このパラメータは、多くの光学計算では焦点距離よりも影響が少ないかもしれませんが、シリンドリカル レンズが精密機械バレルまたは位置合わせ構造に取り付けられる場合には重要になります。

焦点距離許容差と表面品質が重要な理由

公称焦点距離は、製造されたすべてのレンズが理論上の正確な位置に光学焦点を配置することを意味するものではありません。 ECOPTIK は、高精度要件向けの ±1% からそれほど要求の厳しい用途向けの ±3% までの範囲の焦点距離許容差を提供できます。

この許容誤差の実際の影響は光学系によって異なります。レーザーライン集束システムでは、焦点距離の偏差により、予想されるライン集束位置が変化します。組み立て中に、追加の機械的調整が必要になる場合があります。調整範囲が限られているシステムでは、より大きな焦点距離の許容差が、単純な製造仕様ではなく設計上の制約になる可能性があります。

表面品質と表面精度も別のパラメータとして扱う必要があります。

表面品質は 40-20 または 60-40 として利用可能で、傷や掘り込みなどの目に見える表面欠陥に関連します。これらの欠陥は散乱や迷光の原因となる可能性があり、光学システムが不要な光に対して比較的高い感度を持つレーザー用途ではより顕著になります。

表面精度は、光学表面の意図された形状からの偏差を表します。 ECOPTIK は、632.8 nm で λ/2 および λ/4 仕様を提供します。表面精度が向上すると、光波面をより適切に制御できます。これは、シリンドリカル レンズが精密焦点合わせ、レーザー投影、またはイメージング用途に使用される場合に特に重要です。

したがって、適切な仕様はシステムの感度によって決まります。研究室の光学セットアップでは、一般的な照明システムよりも厳しい表面精度が必要になる場合があります。ただし、すべてのアプリケーションに利用可能な最高の仕様を購入しても、それに比例したシステム レベルのメリットが自動的に得られるわけではありません。

平凹レンズと平凸レンズの違いは何ですか?

物理的な形状の違いよりも機能の違いの方が重要です。

平凸シリンドリカル レンズは、正のシリンドリカル パワーを提供し、光を 1 つの軸に沿って収束させます。したがって、ライン集束、ライン生成、スリット照明、一軸ビーム圧縮などのアプリケーションに適しています。

平凹シリンドリカル レンズは、負のシリンドリカル パワーを提供し、光を 1 つの軸に沿って発散させます。線焦点を作成する代わりに、ビームの一次元を拡張したり、既存のビーム形状を補正したりするために使用できます。

このため、選択はビーム伝播に必要な変更から始める必要があります。

一軸収束またはライン集束が必要 → 平凸シリンドリカルレンズ

1軸発散またはビーム拡張が必要 → 平凹シリンドリカルレンズ

次に、入射ビームの状態を考慮する必要があります。ラインフォーカスを必要とする平行レーザービームには、制御された拡大が必要なすでに発散したビームとは異なる構成が必要です。したがって、レンズの向き、作動距離、焦点距離、ビーム径を合わせて評価する必要があります。

たとえば、アナモフィック システムでは、平凹シリンドリカル レンズが最初に 1 つの軸を拡張し、その後、正のシリンドリカル エレメントが制御された収束を実現します。光学設計によって、1 つの要素が適切か、それとも組み合わせが適切かが決まります。

レンズを用途に合わせる

レーザーラインの焦点合わせの場合、焦点距離と表面精度は、ラインが形成される場所と光学システムがビームをどの程度正確に制御するかに影響するため、特に注意が必要です。

ライン検出器またはスリット照明の場合、重要な考慮事項は、単軸焦点合わせ、明確な絞り、ラインの均一性、および焦点面と検出器表面の関係に移ります。

レーザー投影の場合、光学システムは投影経路上で意図したラインまたは画像の幾何学形状を維持する必要があるため、作動距離、焦点距離、材料透過率、および表面品質がより重要になります。

アナモルフィック ビーム整形には、別のレベルの考慮が必要です。エンジニアは、初期ビームのアスペクト比、どの軸を変更する必要があるか、ターゲットのアスペクト比、および利用可能な光路長を知る必要があります。これらの要件を定義せずに、直径または焦点距離だけでシリンドリカル レンズを選択すると、不適切なビーム プロファイルが発生する可能性があります。

ECOPTIK は、この種のアプリケーション指向の光学カスタマイズをサポートしています。その製造および検査機能には、ZYGO レーザー干渉計、ZEISS CMM Spectrum、Agilent Cary 7000 UMS が含まれており、プロジェクト要件に従って寸法、表面、スペクトル特性を評価およびレポートできます。光学コンポーネントを個別の要素として供給するのではなく、より大きなアセンブリに統合する必要がある場合には、レンズアセンブリサービスも利用できます。

適切な平凸シリンドリカル レンズの選択

光学技術者にとって、正しい平凸シリンドリカル レンズは、その単軸光学パワーがシステムの他の部分とどのように相互作用するかによって決まります。直径は利用可能な開口部を定義し、焦点距離は集束ジオメトリを確立し、材料は波長の適合性を決定し、製造公差は物理コンポーネントが光学設計にどの程度適合するかに影響します。

直径 2 ～ 300 mm、焦点距離 4 ～ 1000 mm、焦点距離公差 ±1% ～ ±3%、40 ～ 20 または 60 ～ 40 の表面品質、および 632.8 nm での λ/2 または λ/4 の表面精度の仕様範囲は、レーザー、イメージング、照明、およびビーム整形の要件に応じたさまざまなオプションを提供します。

エンジニアは、サイズや公称焦点距離のみに基づいてシリンドリカル レンズを選択するのではなく、ビーム直径、波長、作動距離、必要なライン位置、ターゲット ビーム アスペクト比、および波面誤差と散乱に対するシステム感度から始める必要があります。平凸円筒光学系と平凹円筒光学系の機能の違いを理解することで、アプリケーションに適切な光パワーと仕様レベルを選択することが可能になります。