多くの光学システムでは、ビーム制御は一方向のみで必要です。レーザーは、元の垂直方向の寸法を維持しながら水平方向に拡張する必要がある場合があります。また、イメージング システムでは、同じ光パワーを高さに適用せずに画像の幅を変更する必要がある場合があります。従来の球面レンズでは、光学パワーが両方の軸に作用するため、この種の選択的な制御を行うことができません。

平凹レンズの使用を評価するエンジニアが、単により大きなビームを生成するレンズを探すのではなく、円筒光学系に焦点を当てることが多いのはこのためです。平凹円筒レンズは、1 つの軸に沿って負の円筒光パワーを導入し、直交軸には実質的に影響を与えずに平行ビームをその方向に発散させます。正しい焦点距離、材質、開口部、表面の仕様は、実際のビーム経路とシステム要件によって異なります。

平凹シリンドリカルレンズが一軸発散を生み出す仕組み

平凹シリンドリカルレンズは、平面と凹面のシリンドリカル面を持っています。球面負レンズとは異なり、その光学パワーは 1 つの子午線方向に集中します。

平行光がレンズに入射すると、円筒面によって 1 つの軸内の光線の伝播角度が変化します。光線は、あたかもレンズの入射側にある仮想線焦点から発したかのように発散します。直交軸は、同等の円筒パワーをほとんどまたはまったく受け取りません。

この区別はビーム整形システムにおいて重要です。レーザービームが水平方向よりも垂直方向に広い場合、シリンドリカルレンズを選択して必要な軸のみを変更できます。結果として得られるビームは、他の軸に不必要な光パワーを導入することなく、所望のアスペクト比に近づくことができます。

発散量はレンズの負の焦点距離と密接に関係しています。 -10 mm など、絶対焦点距離が短いと、焦点距離が -200 mm のレンズよりも強い光学パワーが生成されます。ただし、焦点距離だけでは最終的なビーム サイズは決まりません。初期ビーム直径、伝播距離、レンズ位置、および必要な出力寸法も考慮する必要があります。

たとえば、比較的長い光路にわたって徐々に拡張する必要があるビームは、短い距離でのみ拡張する必要があるコンパクトな光学アセンブリとは実質的に異なる焦点距離を必要とする場合があります。

平凹レンズは何に使用されますか?

平凹レンズの最も有用な用途の 1 つは、アナモフィック ビーム整形です。多くのレーザー源は、完全な円形のプロファイルではなく、楕円形または非対称のビームを生成します。 1 つの軸のみの補正が必要な場合は、円柱負レンズを使用してその寸法を選択的に拡大できます。

同じ原理が 1 次元画像圧縮にも当てはまります。イメージング システムでは、円筒光学パワーにより、垂直方向に同じ倍率変更を適用することなく、一方向に沿って画像の幾何学形状を変更できます。これは、非対称のアクティブ領域を備えた検出器、スリット、または下流の光学素子に画像を一致させる必要がある場合に役立ちます。

平凹シリンドリカルレンズは、レーザービーム拡大システムに組み込むこともできます。負の光パワーにより平行ビームの 1 つの軸が発散し、伝播中にビーム幅が増加します。他の円筒形または球形の光学系と組み合わせると、この制御された発散は、より複雑なビーム調整システムの一部となることができます。

レーザーラインの生成も別の用途ですが、正確な光学配置を慎重に検討する必要があります。負のシリンドリカル要素は、正のシリンドリカル レンズと同じように収束する線焦点を作成しません。代わりに、後続の集束光学系が必要なラインを生成する前に、1 つの軸を拡張または再形成するために使用できます。このようなシステムでは、平凹レンズは必ずしも最終的な集束要素ではなく、ビーム調整ステージの一部となります。

この区別は、光学システムがその特定の位置で正または負の円柱パワーを必要とするかどうかを考慮せずに、目的の最終ビーム形状に従って円柱レンズを選択するという、よくある選択エラーを防ぐのに役立ちます。

負の焦点距離の選び方

平凹シリンドリカルレンズの場合、焦点距離は仕様書に記載されている単なる数値ではありません。これは負の光学パワーの強さを決定するため、選択した軸がどれだけ早く発散するかに影響します。

ECOPTIK は-3.9 mm ～ -700 mm の焦点距離を提供します。適切な値は、開始ビーム直径、必要な拡張、利用可能な伝播距離、および他の光学コンポーネントの位置によって異なります。

比較的短い負の焦点距離は、コンパクトな光路内で強い発散が必要な場合に役立ちます。負の焦点距離が長くなると、円筒パワーが弱くなるため、ビームを長距離にわたって徐々に拡大する必要がある場合に適しています。

したがって、設計はレンズ直径だけではなく、必要な出力ビーム寸法から始める必要があります。エンジニアは次のことを決定する必要があります。

• 制御軸の初期ビームサイズ

• 必要な出力ビームサイズ

• ビーム拡張可能な距離

• 望ましい発散

• 下流光学系の位置

• 必要なビームアスペクト比

レンズは、光学幾何学的形状によって必要とされる負の焦点距離に従って選択できます。

焦点距離の許容差も注目に値します。 ECOPTIK は、高精度要件に対して ±1% から ±3% までの公差を提供します。焦点距離が変化すると、有効な負の光学パワーが変化し、したがって予想される発散も変化します。伝播距離が長いビーム整形システムでは、この差が次の光学素子でのビーム サイズに影響を与える可能性があり、追加の位置合わせや調整が必要になることがあります。

さまざまな光波長に応じた材料の選択

材料の選択は、単に望ましい機械的寸法ではなく、動作波長に従う必要があります。

ECOPTIK は、N-BK7/H-K9L、溶融シリカ (UVFS)、CaF₂ などの材料の平凹シリンドリカル レンズを提供しています。

N-BK7/H-K9L は、その透過範囲と確立された光学特性がアプリケーションに適合する可視および近赤外の光学システム用として一般に検討されています。溶融シリカは、紫外線透過率、熱特性、またはより広いスペクトル性能が必要な場合に特に関連します。 CaF₂は、紫外・赤外領域にわたる透過特性が必要な光学系に選択可能です。

したがって、レーザービーム整形アセンブリの場合、基板を選択する前に波長を定義する必要があります。材料の選択は透過率に影響を与え、分散が関連する場合には全体の光学設計にも影響を与える可能性があります。

表面品質、精度、機械的公差

光学面の仕様は、特にレーザー システムにおいて、ビームの動作に直接影響を与える可能性があります。

利用可能な表面品質オプションには、40-20 および 60-40 があります。表面品質は、傷や掘り込みなどの欠陥を表します。迷光に敏感なシステムの場合、これらの欠陥は散乱や不要な背景強度の原因となる可能性があります。

表面精度は 632.8 nm で λ/2 または λ/4 で指定されます。表面品質とは異なり、このパラメータは光学表面形状の精度、したがって透過波面への影響に関係します。

一般的なビーム拡張システムの場合、最も厳密な表面仕様は必要ない場合があります。ただし、高精度レーザー システムでは、ビームが円筒要素を通過した後も制御されたプロファイルを保持する必要があるため、波面の歪みがさらに大きくなる可能性があります。

機械直径の範囲は 2 mm ～ 300 mm で、一般的な直径公差は +0.0/-0.1 mm です。必要な直径は、入射ビームの開口部と機械的な取り付け配置に関連する必要があります。レンズのサイズを大きくしすぎると、パッケージの寸法が不必要になり、開口部の開口部が不十分だとビームが遮られる可能性があります。

平凹シリンドリカルレンズと平凸シリンドリカルレンズ

2 つのレンズ タイプを区別する最も便利な方法は、光学機能によって異なります。

平凹シリンドリカル レンズは、負のシリンドリカル パワーを提供します。これは 1 つの軸で発散を引き起こすため、1 軸のビーム拡張、アスペクト比の補正、制御されたビーム整形に役立ちます。

平凸シリンドリカル レンズは、正のシリンドリカル パワーを提供します。光を 1 つの軸に収束し、コリメートされた入力光からライン焦点を形成できます。

したがって、選択は単純な視覚的な質問から始めることができます。

システムには 1 軸発散または 1 軸収束が必要ですか?

ビームを一方向に拡大する必要がある場合、平凹円筒レンズが適切な出発点になります。目的が 1 つの軸に焦点を合わせるか、線焦点を生成することである場合は、一般に平凸シリンドリカル レンズの方が適切です。

一部の光学アセンブリでは、両方のタイプが一緒に使用される場合があります。負の円筒要素は最初に 1 つの軸を拡張または再形成でき、その後、正の円筒要素が収束を制御します。この組み合わせにより、設計者は単一の球面レンズよりも独立してビームのアスペクト比と集束形状を操作できるようになります。

ECOPTIK によるカスタマイズされた円筒形光学コンポーネント

ECOPTIK は 15 年間光学部品製造技術を研究しており、円筒ミラー、球面レンズ、マイクロ光学部品、フィルター、プリズム、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。

シリンドリカルレンズ用途向けに、ECOPTIK は、Schott、CDGM、Corning のガラスのほか、サファイア、CaF₂、MgF₂、溶融シリカ、Si、ZnSe、ZnS などの材料オプションを提供しています。同社は、光学素子をより大きなアセンブリに統合する必要がある用途向けに、レンズアセンブリサービスも提供しています。

その検査機能には、ZYGO レーザー干渉計、ZEISS CMM Spectrum、Agilent Cary 7000 UMS が含まれており、寸法、干渉計、スペクトルのテストと製品レポートの提供をサポートします。

材料の選択、製造、検査、および組み立て能力のこの組み合わせは、平凹シリンドリカル レンズを汎用コンポーネントとして購入するのではなく、定義された波長、ビーム形状、公差、または統合された光学アセンブリに適合させる必要がある場合に関連します。

光学系の平凹シリンドリカルレンズの選択

平凹シリンドリカルレンズの本当の目的は、単にビームを大きくすることではありません。その値は、一方の軸に負の光学パワーを適用しながら、もう一方の軸の制御を維持することで得られます。

レンズを選択するとき、エンジニアはまず、システムが発散、ビーム拡大、アスペクト比補正、または 1 次元画像変更を必要とするかどうかを定義する必要があります。次のステップは、初期ビーム サイズ、ターゲット ビーム サイズ、伝播距離、および下流の光学構成から必要な負の焦点距離を決定することです。

次に、材料を波長に適合させる必要があり、直径、焦点距離公差、表面品質、表面精度はアプリケーションの感度に応じて選択する必要があります。

これらの関係を理解すると、「平凹レンズは何に使用されるのか?」という疑問が生じます。単純な定義よりもはるかに便利です。レーザービーム整形、アナモルフィックシステム、イメージング、および光学調整では、負の円柱屈折力と仕様が制御する必要がある正確な軸に一致するのが、適切な平凹円柱レンズです。