レーザー システム、イメージング機器、精密光学機器では、ビームの発散の制御が光の焦点合わせと同じくらい重要であることがよくあります。エンジニアは、限られた設置スペース内で、ビーム径の拡大、波面曲率の調整、既存の収束ビームの補正、または光路の変更が必要になる場合があります。従来の正レンズではこれらの要求を必ずしも満たせるとは限りません。

光学平凹レンズは、負の焦点距離を通じて実用的なソリューションを提供します。 1 つの平面と 1 つの内側に湾曲した表面により、平行入射光線がレンズを通過した後に発散します。この特性により、レーザービーム拡張アセンブリ、光リレーシステム、およびビーム輻輳の変化の制御が必要な用途に役立ちます。

ただし、適切なレンズを選択するには、負の焦点距離を選択するだけでは不十分です。曲率半径、屈折率、有効開口部、表面精度、材料の透過率、およびコーティングの性能はすべて、最終的な光学結果に影響を与えます。これらの要因を理解することは、購入者が商業用途または研究用途のコンポーネントを指定する際に、平凹レンズの用途と光学平凹レンズの価格との関係を評価するのにも役立ちます。

1. 平凹レンズはどのように機能しますか?

負の焦点距離と発散光

平凹レンズには 2 つの光学面があり、1 つは平面で、もう 1 つは凹面のプロファイルを持っています。コリメートされたビームがレンズに入射すると、曲面での屈折により光線の方向が変わります。レンズを出た後、光線は外側に広がり、入射側の仮想焦点から発生しているように見えます。

これが、平凹レンズが負の焦点距離を持つ理由です。平行光線を実際の焦点に向かって収束させる平凸レンズとは異なり、平凹レンズは最初にコリメートされたビームの発散を増大させます。

光学性能に影響を与える主要なパラメータ

光学アセンブリ内で平凹レンズがどのように機能するかは、いくつかの仕様によって決まります。

• 焦点距離: 光パワーとビーム輻輳の変化を決定します。これは、レンズによって生成される発散に直接影響します。

• 曲率半径: 凹面の曲率を定義し、焦点距離に影響します。

• 屈折率: 材料が光をどれだけ強く曲げるかを決定します。波長に依存するため、色の違いが生じる可能性があります。

• 中心の厚さ: 機械的寸法、取り付けの互換性、および実際の表面形状に影響します。

• クリアアパーチャ: 使用可能な光学領域を定義します。開口部が不十分であると、ビームクリッピングが発生し、送信される光パワーが低下する可能性があります。

• 直径公差: レンズ ホルダー内の機械的な取り付けと位置合わせに影響します。

• 表面形状と粗さ: 表面誤差により波面の歪みや散乱が生じ、ビーム品質や結像性能に影響を与える可能性があります。

• セントレーションとウェッジ: 光学的アライメントのエラーにより、ビームの偏向が発生し、不要な収差が発生する可能性があります。

これらのパラメータは、個別に指定するのではなく、一緒に評価する必要があります。たとえば、レンズは必要な焦点距離を備えていても、その表面形状または中心が光学システムに適していない場合、満足のいく結果が得られない可能性があります。

平凹レンズの主な用途

レーザービームの拡大と発散の制御

重要な用途の 1 つは、レーザー ビームの直径と発散の調整です。平凹レンズは、入射平行ビームの発散を増大させることができます。正レンズと組み合わせると、ガリレオビームエキスパンダーを形成できます。この構成では、負レンズが正レンズの前に配置され、この組み合わせにより、適切な設計条件下で拡張されたコリメート出力が生成されます。

単一の負レンズを完全なコリメート システムと誤解しないでください。その機能は、発散を導入または修正することです。コリメートされた出力を実現するには、追加の光学素子が必要になる場合があります。

光学イメージングおよびリレー システム

イメージング機器では、平凹レンズは光パワー分布を変更し、中間像共役の調整に役立ちます。また、設計者が光学ステージ間の光の全体的な輻輳を制御する必要があるリレー アセンブリに組み込むこともできます。

収差管理と光路調整

負レンズは、他の要素と組み合わせることで光学収差の補正に貢献できます。たとえば、設計者は、負の光学パワーを使用して、別のレンズ グループの正のパワーのバランスをとったり、結像システムのペッツヴァル曲率を調整したりする場合があります。その有効性は、単にレンズの形状だけではなく、完全な処方によって決まります。

レーザーおよび科学機器

他の用途には、レーザー加工装置、光学測定機器、分光アセンブリ、実験室の光学セットアップなどがあります。これらのシステムでは、レンズはビーム調整と光学レイアウト調整のために制御された負の光パワーを提供できます。

平凹レンズ ​​vs. 平凸レンズ vs. 両凹レンズ

平らな取り付け面と負の光学パワーが望ましい場合は、平凹レンズが選択されることがよくあります。両凹レンズは、2 つの曲面を備えた異なる光学設計を提供する場合があります。適切な選択は、焦点距離、収差要件、利用可能なスペース、システム構成によって異なります。

2. 光学材料、表面品質、コーティングの選択

適切な光学材料の選択

材料の選択は、屈折力、透過、分散、熱挙動、および製造コストに影響します。基板を選択する前に、動作波長を確立する必要があります。

N-BK7 光学ガラスは、可視光アプリケーションおよび多くの近赤外システムで広く使用されています。優れた光学的均一性、確立された製造プロセス、および比較的経済的な生産を実現します。 SCHOTT は、N-BK7 の屈折率を 587.6 nm で 1.51680 と指定しています。ただし、その透過特性は実際の動作波長とコンポーネントの厚さでチェックする必要があります。

溶融シリカは、紫外線用途、高エネルギーレーザー システム、および温度変化を伴う環境の有力な候補です。熱膨張が低く、紫外線透過率が高いため、熱安定性とレーザー誘起損傷耐性が重要な用途に適しています。ただし、正確なグレードと波長範囲はシステム要件に照らして検証する必要があります。

特殊な用途には他の材料が適している場合があります。

• フッ化カルシウム (CaF₂): 幅広い透過特性が有利な紫外および赤外光学システムで使用されます。

• フッ化マグネシウム (MgF₂): 選択された UV および赤外線用途に適しており、光学コーティング設計で一般的に使用されます。

• サファイア: 機械的硬度が高く、表面の耐久性が重要な場合に役立ちます。

• シリコンおよびセレン化亜鉛 (ZnSe): 波長とシステム要件に応じて、特定の赤外線アプリケーション向けに検討されます。

これらの材料は互換性がありません。それらの屈折率、分散、熱特性、透過限界は異なります。材料の選択は、一般的な透過範囲の記述ではなく、動作波長でのサプライヤーのデータに基づいて行う必要があります。

表面形状、粗さ、製造公差

光学面は、意図した形状を十分な精度で維持する必要があります。公称焦点距離が正しい場合でも、表面の偏差が透過波面に影響を与える可能性があります。

3 つの仕様は特に注目に値します。

表面の図は、製造された表面が設計された形状とどの程度一致しているかを示します。平凹レンズの場合、曲面の誤差により局所的な光パワーが変化する可能性があり、平面の誤差により波面歪みが生じる可能性があります。

表面粗さは、表面の微細な変化を表します。過度の粗さは散乱光を増加させ、特に高感度のレーザーやイメージング用途において、コントラストや信号品質を低下させる可能性があります。

セントレーションとウェッジは、光学面と機械的基準軸の間のアライメント関連の誤差を表します。集中力が低いとビームの偏りが生じる可能性があり、ウェッジがあると送信ビームに意図しない角度変化が生じる可能性があります。

中心の厚さと直径の公差も重要です。中心の厚さは機械的適合性と指定された形状に影響を与えますが、直径の公差はレンズがハウジングに正しく適合するかどうかを決定します。開口部は、予想されるアライメントの変動を含め、完全な作業ビームに対応する必要があります。

表面平坦度、球面度数、凹凸度、傷掘り品質などの仕様は別途記載する必要があります。 「高精度」などの 1 つの一般的な説明だけでは、工学的に受け入れられるには十分な情報が得られません。

AR コーティングによる透過率の向上

コーティングされていないガラス表面は、空気とガラスの屈折率差により、入射光の一部を反射します。複数の光学素子を備えたシステムでは、これらの損失が蓄積する可能性があります。

反射防止 (AR) コーティングは、薄膜干渉を使用して、指定された波長範囲および入射角にわたる反射を低減します。コーティングの設計に応じて、透過率を向上させ、不要な反射を低減し、ゴースト画像の制御に役立ちます。

コーティングを指定する場合、購入者は以下を提供する必要があります。

• 動作波長または波長帯域。

• 必要な反射率または透過率。

• 入射角。

• 関連する場合、偏波要件。

• レーザー出力と損傷閾値の要件。

• 環境および洗浄条件。

可視光用に最適化されたコーティングは、UV または赤外線用途に自動的に使用されるべきではありません。コーティングの性能は、意図した波長と入射角で検証する必要があります。

さまざまな用途に合わせた平凹レンズの選び方

実際に選択するには、エンジニアはカタログ製品ではなく光学システムから始める必要があります。

1. 波長を定義する: レーザーまたは照明の波長を確認し、互換性のある基板とコーティングを選択します。

2. 必要な負の焦点距離を計算します。システムの入力輻輳と必要な出力発散を使用して、必要な光パワーを決定します。

3. ビーム直径と有効開口を確認します。使用可能な開口がクリッピングせずにビームを収容できることを確認します。

4. 表面仕様の評価: アプリケーションの波面およびアライメント許容差に従って、表面形状、粗さ、および中心の要件を設定します。

5. 機械的一体化の確認: 直径、中心厚さ、エッジ寸法、取り付け方向を確認します。

6. 環境条件を検討します。温度変化、レーザー出力、汚染、振動を考慮します。

たとえば、研究室のビーム調整アセンブリでは焦点距離の精度と波面の品質が優先される場合がありますが、産業用レーザー システムではコーティングの耐久性、熱安定性、再現可能な機械的取り付けがより重視される場合があります。

3. 平凹レンズの用途と光学平凹レンズの価格

購入前にレンズを評価する方法

光学機器メーカーやシステムインテグレーターにとって、平凹レンズの選択は、必要な光学機能から始める必要があります。適切な負の焦点距離を備えたレンズであっても、その絞り、表面品質、または材質がシステムの仕様を満たしていない場合は、依然として不適切である可能性があります。

調達中に次の要素を評価する必要があります。

• 焦点距離: ビーム発散または光パワー補償に必要な負の光パワーを決定します。

• 材料: 屈折率、透過率、分散、熱安定性に影響します。

• 直径と開口部: ビームの寸法と機械アセンブリと一致する必要があります。

• 表面精度: 製造されたコンポーネントが設計された光学形状をどの程度忠実に再現するかを決定します。

• コーティング構成: 使用波長、入射角、および必要な反射性能に一致する必要があります。

• 検査要件: 追加の干渉測定、寸法測定、またはスペクトル測定が必要かどうかを判断します。

完全な光学図面とアプリケーションの説明を提供することで、メーカーは生産前にこれらの要件を評価できます。

光学平凹レンズの価格は何によって決まりますか?

光学平凹レンズの価格は、材料、寸法、光学性能要件、製造の複雑さの組み合わせによって異なります。すべての負のレンズに適用される単一の価格はありません。

1. 光学材料

N-BK7 などの標準的な光学ガラスは、可視光アプリケーションによく使用されます。溶融シリカ、CaF₂、その他の特殊な基板には、異なる材料コストと処理要件が必要となる場合があります。材料の入手可能性とグレードも最終見積もりに影響します。

2. 焦点距離と曲率

必要な焦点距離によって、特定の屈折率に必要な曲率が決まります。非常に特殊な焦点距離、より大きな開口部、および厳しい幾何学的要件により、加工と検査の複雑さが増大する可能性があります。

3. レンズの直径と厚さ

一般に、大型のコンポーネントにはより多くの原材料が必要となり、追加の研削、研磨、および取り扱い時間が必要になる場合があります。標準外の寸法では、専用の製造手配が必要になる場合もあります。

4. 表面品質と寸法公差

より緻密な表面形状、より低い粗さ、より正確な心出し、およびより厳格な厚さ公差には、より高度なプロセス制御が必要です。各コンポーネントが指定された合格基準を満たしていることを確認するために、追加の検査が必要になる場合があります。

5. 光学コーティング

標準の単一波長 AR コーティングと広帯域コーティングには、設計と製造の要件が異なります。特殊な UV、赤外線、または高出力レーザー コーティングでは、追加のプロセス開発と性能検証が必要になる場合があります。

6.カスタマイズと注文数量

標準カタログ仕様は、多くの場合、確立されたプロセスを使用して製造できます。カスタムレンズには、個別の光学計算、工具調整、プロセス開発、追加の品質検査が必要になる場合があります。

生産量が多いほど製造効率が向上しますが、小規模なカスタマイズ注文の場合は、セットアップと検査の費用がより少ないコンポーネントに分散されるため、単価が高くなる可能性があります。

標準レンズとカスタム平凹レンズの比較

購入者にとって、目的は可能な限り厳しい公差を指定することではありません。精度が高すぎると、システム パフォーマンスの大幅な向上が得られずにコストが増加する可能性があります。

より効果的なアプローチは、どのパラメータが光学設計に直接影響するかを特定し、それに応じて許容限界を設定することです。

4. 平凹レンズに関するよくある質問

平凹レンズはどのように機能しますか?

凹面での屈折を利用して、入射平行光線を発散させます。出現する光線は仮想焦点から発生しているように見え、レンズに負の焦点距離を与えます。

平凹レンズの主な用途は何ですか?

一般的なアプリケーションには、レーザー ビーム発散制御、ガリレオ ビーム エキスパンダー、光リレー システム、イメージング アセンブリ、光パワー補償などがあります。その適合性は完全な光学設計によって決まります。

平凹レンズと平凸レンズの違いは何ですか?

平凹レンズは負の光学パワーを持ち、平行光を発散させます。平凸レンズは正の光学パワーを持ち、平行光を収束します。したがって、それらは光学システム内で異なる機能を実行します。

平凹レンズの焦点距離はどのように計算しますか?

空気中の薄い平凹レンズの場合、レンズメーカーの近似方程式は次のとおりです。

空気中の薄い平凹レンズの場合、負の曲率半径を屈折率から 1 を引いた値で割ることにより、おおよその焦点距離を計算できます。言い換えると、焦点長 = - 曲率半径 / (屈折率 - 1) となります。負の符号は、レンズに発散光学パワーがあることを示します。

正しい負の焦点距離を選択するにはどうすればよいですか?

入力ビームの既存の発散または収束、必要な出力輻輳および利用可能な光学距離から始めます。焦点距離は、カタログ仕様を比較してのみ選択するのではなく、完全なレイ トレーシング設計の一部として計算する必要があります。

UV または赤外線の用途に適しているのはどの材料ですか?

UV グレードの溶融シリカは、UV および高エネルギーレーザー用途に一般的に考慮されています。 CaF₂ と MgF₂ は、選択された UV および赤外線システムに適しています。シリコンと ZnSe は特定の赤外線用途に使用されます。正しい選択は、正確な波長、透過率、熱条件、およびコーティングの適合性に依存します。

光学平凹レンズの価格に影響を与える要因は何ですか?

主な要素は、基板の材質、直径、中心厚、焦点距離、曲率、表面形状、表面粗さ、寸法公差、コーティング要件、検査基準、注文数量です。カスタム光学設計は通常、追加のエンジニアリングおよび製造評価を必要とします。

結論: 適切な光学平凹レンズの選択

光学平凹レンズを選択するには、負の光学パワー、ビーム発散、材料特性、製造精度の関係を明確に理解する必要があります。焦点距離と曲率は基本的な光学機能を決定しますが、表面形状、粗さ、心出しおよびコーティングの性能は、完全な光学アセンブリ内でレンズがどの程度信頼性を発揮するかに影響します。

エンジニアにとって、レンズの仕様をシステムの波長、ビーム径、光学レイアウト、および波面の要件に適合させることを優先する必要があります。調達チームにとって、材料の選択、製造公差、カスタマイズの間の関係を理解することは、パフォーマンスとコストの間の現実的なバランスを確立するのに役立ちます。

ECOPTIK – 革新的かつ進取的な光学カスタマイズ パートナー

光学部品製造技術研究における 15 年の経験を持つ ECOPTIK は、球面レンズ、ドーム、マイクロ光学部品、円筒ミラー、フィルター、プリズム、光学窓などの精密光学部品を製造しています。

同社は、SCHOTT、CDGM、Corning の光学材料に加え、サファイア、CaF₂、MgF₂、溶融シリカ、シリコン、ZnSe も扱っています。同社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、寸法および光学性能の評価と製品レポートをサポートします。

ECOPTIK は、個別の光学コンポーネントを超えて、統合された光学ソリューションを必要とする顧客向けにレンズ組立サービスも提供しています。

要件が標準の負の焦点距離、特殊な基板、精密な表面仕上げ、またはカスタマイズされた光学仕様に関係するかどうかに関係なく、ECOPTIK はアプリケーション要件を評価し、適切な製造ソリューションについて議論できます。

お見積りの際は、必要な焦点距離、直径、材質、動作波長、表面品質、コーティング仕様、技術図面をご提供ください。この情報により、製造チームは実現可能性を評価し、実際の製品要件に基づいて見積もりを提供できます。