光學系統並不總是需要將光聚焦在兩個軸上的透鏡。當目標是產生雷射線、照亮線性偵測器、修改光束縱橫比或僅將準直光束聚焦在一個方向時，球面透鏡可能會引入不必要的光學效應。其功率作用在兩個軸上，而許多光束整形應用只需要控制一個軸。

這就是平凸柱面透鏡發揮作用的地方。光學工程師不應將其視為通用聚焦元件，而應根據所需的光功率、工作距離、光束尺寸、波長和表面規格來選擇它。對於線位置和光束品質至關重要的系統，焦距公差和表面精度等參數與標稱透鏡直徑一樣重要。

平凸柱面透鏡如何控制一軸光

平凸柱面透鏡具有正柱面光焦度，這意味著它主要改變光線沿一個軸的傳播，同時使正交軸基本上不受影響。這種行為使其與傳統的球面透鏡有根本的不同。

當點光源位置適當時，柱面透鏡可以將點影像轉換為線影像。透過準直輸入光，它可以在設計的焦點位置產生線焦點。相同的單軸光功率還可以壓縮或擴展影像的一維，使透鏡可用於改變光束縱橫比。

這項原理在雷射系統中特別有價值。在雷射線生成中，焦距決定了入射光束和線焦點之間的關係。較短的焦距通常會產生更強的會聚性並允許更緊湊的光學佈置，而較長的焦距則提供更長的工作距離和不同的光束幾何形狀。

對於線探測器照明，目標通常不僅僅是創建盡可能窄的線。焦點位置、線均勻性、光束直徑和偵測器幾何形狀都需要匹配。即使鏡頭本身符合其標稱規格，焦距不合適的鏡頭也可能會將線置於有效檢測平面之外。

同樣的考慮也適用於雷射投影和變形光束整形。由於光焦度作用於一個軸，因此平凸柱面透鏡可以修改橢圓形或非對稱光束的寬高比，而無需向另一軸施加等效的聚焦焦度。

ECOPTIK為需要此類受控光學行為的應用製造精密光學元件。本公司對光學元件製造技術進行了15年的研究，生產柱面鏡、球面透鏡、圓頂光學元件、微型光學元件、濾光片、稜鏡、窗口片等精密光學元件。其材料能力包括肖特和 CDGM 光學玻璃、康寧玻璃、藍寶石、CaF2、MgF2、熔融石英、矽、ZnSe 和 ZnS。

哪些平凸柱面透鏡規格很重要？

規格表應根據光學系統進行評估，而不是作為獨立數字的集合。

材料是首先考慮的因素，因為傳輸很大程度上取決於波長。 N-BK7/H-K9L 是可見光和近紅外線光學系統的常見選擇，而熔融石英在需要紫外線透射或更寬波長性能時特別有用。對於需要在紫外線和紅外線區域具有適當傳輸特性的應用，可以考慮使用 CaF。

ECOPTIK 平凸柱面透鏡的可用直徑範圍為 2 毫米至 300 毫米。合適的直徑取決於入射光束尺寸和所需的通光孔徑。不必要的大直徑會增加封裝尺寸和成本，而孔徑不足會剪切光束並引入不必要的衍射或強度變化。

焦距是另一個主要選擇參數，可用值從 4 毫米到 1000 毫米。正確的焦距應根據所需的工作距離和光束幾何形狀得出，而不是僅僅因為它提供了特定的數值規格而進行選擇。

例如，緊湊的雷射聚焦組件可能傾向於短焦距，而具有較長工作距離的投影或檢查系統可能需要明顯更長的焦距。在變形光束整形中，還必須考慮焦距、入射光束尺寸和所需的縱橫比變化。

直徑公差通常指定為+0.0/-0.1 毫米。儘管在許多光學計算中該參數的影響可能小於焦距，但當柱面透鏡安裝到精密機械鏡筒或對準結構時，它就變得相關。

為什麼焦距公差和表面品質很重要

標稱焦距並不意味著每個製造的鏡頭都會將光學焦點精確地置於理論位置。 ECOPTIK 可提供的焦距公差範圍從滿足高精度要求的 ±1% 到滿足要求不高的應用的 ±3%。

此容差的實際效果取決於光學系統。在雷射線聚焦系統中，焦距偏差會改變預期的線聚焦位置。在組裝過程中，這可能需要額外的機械調整。在調節行程有限的系統中，較大的焦距公差可能成為設計約束，而不是簡單的製造規範。

表面質量和表面精度也應被視為不同的參數。

表面質量分為 40-20 或 60-40，與刮痕和麻點等可見表面缺陷有關。這些缺陷會導致散射和雜散光，這在光學系統對不需要的光具有相對較高敏感度的雷射應用中變得更加明顯。

表面精度描述了光學表面與其預期形狀的偏差。 ECOPTIK 提供 632.8 nm 處的 λ/2 和 λ/4 規格。更嚴格的表面精度可以更好地控制光學波前，這在柱面透鏡用於精密聚焦、雷射投影或成像應用時尤其重要。

因此，適當的規格由系統靈敏度決定。實驗室光學裝置可能需要比一般照明系統更嚴格的表面精度。然而，為每個應用程式購買可用的最高規格並不會自動提供成比例的系統級優勢。

平凹透鏡和平凸透鏡有什麼不同？

功能上的差異比物理形狀上的差異更重要。

平凸柱面透鏡提供正柱面光焦度並使光線沿著一個軸會聚。因此，它適用於線聚焦、線生成、狹縫照明和單軸光束壓縮等應用。

平凹柱面透鏡提供負柱面光焦度並使光線沿著一個軸發散。它可以用來擴展光束的一維或補償現有的光束幾何形狀，而不是創造線焦點。

因此，選擇應從光束傳播所需的變化開始：

需要一軸會聚或線聚焦→平凸柱面透鏡

需要一軸發散或擴束→平凹柱面透鏡

然後必須考慮入射光束條件。需要線聚焦的準直雷射光束需要與需要受控擴展的已經發散的光束不同的配置。因此，透鏡方向、工作距離、焦距和光束直徑應一起評估。

例如，在變形系統中，平凹柱面透鏡可以先擴展一個軸，而正柱面元件隨後可以提供受控的會聚。光學設計決定了一個元件或組合是否合適。

將鏡頭與應用程式相匹配

對於雷射線聚焦，焦距和表面精度值得特別關注，因為它們影響線形成的位置以及光學系統控制光束的精確度。

對於線探測器或狹縫照明，關鍵考慮因素轉向單軸聚焦、通光孔徑、線均勻性以及焦平面和偵測器表面之間的關係。

對於雷射投影，工作距離、焦距、材料傳輸和表面品質變得更加重要，因為光學系統必須在投影路徑上保持預期的線條或影像幾何形狀。

變形光束整形需要另一個層面的考量。工程師需要知道初始光束縱橫比、哪個軸需要修改、目標縱橫比和可用光路長度。僅根據直徑或焦距選擇柱面透鏡而不定義這些要求可能會導致不合適的光束輪廓。

ECOPTIK 支援這種面向應用的光學客製化。其製造和檢測能力包括 ZYGO 雷射干涉儀、ZEISS CMM Spectrum 和 Agilent Cary 7000 UMS，可根據專案要求評估和報告尺寸、表面和光譜特性。當光學元件需要整合到更大的組件中而不是作為單獨的元件提供時，也可以提供鏡頭組裝服務。

選出正確的平凸柱面透鏡

對於光學工程師來說，正確的平凸柱面透鏡取決於其單軸光功率與系統其餘部分的相互作用。直徑定義了可用孔徑，焦距確定了聚焦幾何形狀，材料決定了波長適用性，製造公差影響了物理組件與光學設計的匹配程度。

可用規格範圍為 2–300 mm 直徑、4–1000 mm 焦距、±1% 至 ±3% 焦距公差、40-20 或 60-40 表面質量以及 632.8 nm 處的 λ/2 或 λ/4 表面精度，為雷射、成像、照明和光束要求提供了不同的選擇。

工程師不應僅根據尺寸或標稱焦距來選擇柱面透鏡，而應從光束直徑、波長、工作距離、所需的線位置、目標光束縱橫比以及系統對波前誤差和散射的靈敏度開始。了解平凸和平凹柱面光學元件之間的功能差異，就可以為應用選擇適當的光功率和規格等級。