在許多光學系統中，僅需要在一個方向上進行光束控制。雷射可能需要水平擴展，同時保留其原始垂直尺寸，或者成像系統可能需要修改影像的寬度而不對其高度施加相同的光功率。傳統的球面透鏡無法提供這種類型的選擇性控制，因為它的光焦度作用在兩個軸上。

這就是為什麼評估平凹透鏡用途的工程師通常專注於柱面光學元件，而不是簡單地尋找產生更大光束的透鏡。平凹柱面透鏡沿著一個軸引入負柱面光焦度，導致準直光束沿著該方向發散，同時使正交軸基本上不受影響。正確的焦距、材料、孔徑和表面規格取決於實際的光束路徑和系統需求。

平凹柱面透鏡如何產生單軸發散

平凹柱面透鏡具有平坦表面和凹柱面。與球面負透鏡不同，它的光焦度集中在一個子午方向。

當準直光進入透鏡時，柱面改變光線沿著一軸的傳播角度。光線發散，就好像它們源自於位於透鏡入射側的虛擬線焦點。正交軸接收很少或沒有等效的柱面功率。

這種區別在光束整形系統中很重要。如果雷射光束在垂直方向上比在水平方向上更寬，則可以選擇柱面透鏡來僅修改所需的軸。所得光束可以更接近所需的縱橫比，而不會將不必要的光功率引入另一個軸。

發散量與鏡頭的負焦距有密切關係。較短的絕對焦距（例如 -10 毫米）比焦距為 -200 毫米的鏡頭產生更強的光焦度。然而，焦距本身並不能決定最終的光束尺寸。還必須考慮初始光束直徑、傳播距離、透鏡位置和所需的輸出尺寸。

例如，必須在相對長的光路上逐漸擴展的光束可能需要與緊湊的光學組件顯著不同的焦距，在緊湊的光學組件中擴展必須僅在短距離上發生。

平凹透鏡有什麼用途？

最有用的平凹透鏡用途之一是變形光束整形。許多雷射光源產生橢圓形或不對稱光束，而不是完美的圓形輪廓。如果只有一個軸需要校正，柱面負透鏡可以選擇性地增加該尺寸。

同樣的原理也適用於一維影像壓縮。在成像系統中，柱面光焦度可以沿著一個方向修改影像幾何形狀，而無需對垂直方向施加相同的放大倍率變化。當影像必須與具有不對稱活動區域的偵測器、狹縫或下游光學元件相符時，這非常有用。

平凹柱面透鏡也可以整合到雷射擴束系統中。負光功率導致准直光束的一個軸發散，使光束寬度在傳播過程中增加。當與其他柱面或球面光學元件結合使用時，這種受控發散可以成為更複雜的光束調節系統的一部分。

雷射線生成是另一種應用，儘管需要仔細考慮確切的光學佈置。負柱面元件不會像正柱面透鏡那樣產生會聚線焦點。相反，它可以用於在後續聚焦光學器件產生所需的線之前擴展或重塑一個軸。在這樣的系統中，平凹透鏡是光束調節等級的一部分，而不一定是最終的聚焦元件。

這種差異有助於防止常見的選擇錯誤：根據所需的最終光束形狀選擇柱面透鏡，而不考慮光學系統在該特定位置是否需要正或負柱面光焦度。

如何選擇負焦距

對於平凹柱面透鏡，焦距不僅僅是印在規格表上的數字。它決定負光功率的強度，因此影響所選軸發散的速度。

ECOPTIK提供-3.9 毫米至-700 毫米的焦距。適當的值取決於起始光束直徑、所需的擴展、可用的傳播距離以及其他光學組件的位置。

當緊湊光路內需要強發散時，相對較短的負焦距非常有用。較長的負焦距提供較弱的柱面光焦度，並且當光束需要逐漸擴展至較長距離時可能更合適。

因此，設計應從所需的輸出光束尺寸開始，而不僅僅是透鏡直徑。工程師應確定：

• 控制軸上的初始光束尺寸

• 所需的輸出光束尺寸

• 擴束可用距離

• 期望的背離

• 下游光學元件的位置

• 所需的光束縱橫比

然後可以根據光學幾何所需的負焦距來選擇鏡頭。

焦距公差也值得關注。 ECOPTIK 提供的公差範圍為滿足高精度要求的 ±1% 至 ±3%。焦距的變化會改變有效負光焦度，進而改變預期的發散度。在傳播距離較長的光束整形系統中，這種差異可能會影響下一個光學元件處的光束尺寸，並需要額外的對準或調整。

不同光波長的材料選擇

材料選擇應遵循工作波長，而不僅僅是所需的機械尺寸。

ECOPTIK 提供採用 N-BK7/H-K9L、熔融石英 (UVFS) 和 CaF2 等材料製成的平凹柱面透鏡。

N-BK7/H-K9L 通常被考慮用於可見光和近紅外線光學系統，其傳輸範圍和既定的光學特性適合應用。當需要紫外線透射、熱特性或更廣泛的光譜性能時，熔融石英尤其重要。對於需要延伸至紫外線和紅外線區域的傳輸特性的光學系統，可以選擇CaF2。

因此，對於雷射光束整形組件，應在選擇基板之前定義波長。材料選擇會影響傳輸，當色散變得相關時也會影響整體光學設計。

表面質量、精度和機械公差

光學表面規格會對光束行為產生直接影響，尤其是在雷射系統中。

可用的表面品質選項包括 40-20 和 60-40。表面品質描述了刮痕和凹坑等缺陷。對於對雜散光敏感的系統，這些缺陷可能會導致散射和不必要的背景強度。

表面精度指定為 λ/2 或 λ/4 @ 632.8 nm。與表面品質不同，此參數涉及光學表面形狀的精度及其對透射波前的影響。

對於一般的擴束系統，可能不需要最嚴格的表面規格。然而，在精密雷射系統中，波前畸變可能變得更加嚴重，因為光束在穿過圓柱形元件後必須保持受控的輪廓。

機械直徑範圍為2毫米至300毫米，常見直徑公差為+0.0/-0.1毫米。所需直徑應與入射光束孔徑和機械安裝佈置有關。過大的透鏡會增加不必要的封裝尺寸，而通光孔徑不足則會夾住光束。

平凹柱面透鏡與平凸柱面透鏡

區分這兩種鏡頭類型最有用的方法是透過它們的光學功能。

平凹柱面透鏡提供負柱面光焦度。它會導致一軸發散，因此對於一軸光束擴展、縱橫比校正和受控光束整形非常有用。

平凸柱面透鏡提供正柱面光焦度。它將光會聚在一個軸上，並且可以從準直輸入光形成線焦點。

因此，選擇可以從一個簡單的光學問題開始：

系統是否需要一軸發散或一軸收斂？

如果光束需要在一個方向上擴展，平凹柱面透鏡是合適的起點。如果目標是聚焦一個軸或產生線焦點，則平凸柱面透鏡通常更合適。

在一些光學組件中，兩種類型可以一起使用。負圓柱元素可以先擴展或重塑一個軸，而正圓柱元素隨後控制收斂。此組合允許設計者比單一球面透鏡更獨立地操縱光束縱橫比和聚焦幾何形狀。

用於客製化圓柱形光學元件的 ECOPTIK

ECOPTIK 已研究光學元件製造技術 15 年，生產精密光學元件，包括柱面鏡、球面透鏡、微型光學元件、濾光片、棱鏡、窗口和其他客製化光學元件。

對於柱面透鏡應用，ECOPTIK 提供的材料選項包括肖特、CDGM 和康寧的玻璃，以及藍寶石、CaF2、MgF2、熔融石英、Si、ZnSe 和 ZnS。該公司還為需要將光學元件整合到更大組件中的應用提供鏡頭組裝服務。

其檢測能力包括 ZYGO 雷射干涉儀、ZEISS CMM Spectrum 和 Agilent Cary 7000 UMS，支援尺寸、干涉和光譜測試以及提供產品報告。

當平凹柱面透鏡必須與定義的波長、光束幾何形狀、公差或整合光學組件相匹配而不是作為通用組件購買時，材料選擇、製造、檢查和組裝能力的組合是相關的。

為光學系統選擇平凹柱面透鏡

平凹柱面透鏡的真正目的不僅是使光束變大。其價值來自於向一個軸施加負光功率，同時保留對另一軸的控制。

在選擇鏡頭時，工程師應先確定係統是否需要發散、光束擴展、縱橫比校正或一維影像修改。下一步是根據初始光束尺寸、目標光束尺寸、傳播距離和下游光學配置來確定所需的負焦距。

然後，材料必須與波長相匹配，同時應根據應用的靈敏度選擇直徑、焦距公差、表面品質和表面精度。

理解這些關係就會產生這樣一個問題：「平凹透鏡有什麼用？」比簡單的定義有用得多。在雷射光束整形、變形系統、成像和光學調節中，合適的平凹柱面透鏡的負柱面光焦度和規格與需要控制的精確軸相匹配。