在雷射系統、成像設備和精密光學儀器中，控制光束發散通常與聚焦光一樣重要。工程師可能需要增加光束直徑、調整波前曲率、補償現有會聚光束或修改有限安裝空間內的光路。傳統的正透鏡並不總是能滿足這些要求。

光學平凹透鏡透過其負焦距提供了實用的解決方案。它具有一個平面和一個向內彎曲的表面，使平行入射光線通過透鏡後發散。此特性使其可用於雷射擴束組件、光學中繼系統和需要控制光束聚散度變化的應用。

然而，選擇合適的鏡頭不僅涉及選擇負焦距。曲率半徑、折射率、通光孔徑、表面精度、材料透射率和鍍膜性能都會影響最終的光學結果。了解這些因素也有助於買家在為商業或研究應用指定組件時評估平凹透鏡用途與光學平凹透鏡價格之間的關係。

1. 平凹透鏡如何運作？

負焦距和發散光

平凹透鏡有兩個光學表面：一個是平面，另一個是凹面。當準直光束進入透鏡時，曲面的折射會改變光線的方向。離開透鏡後，光線向外擴散，看起來像是源自入射側的虛擬焦點。

這就是平凹透鏡具有負焦距的原因。與將平行光線聚集到真實焦點的平凸透鏡不同，平凹透鏡增加了初始準直光束的發散度。

影響光學性能的關鍵參數

有幾個規格決定了平凹透鏡在光學組件中的表現：

• 焦距：決定光功率和光束聚散度的變化。它直接影響鏡頭產生的發散。

• 曲率半徑：定義凹面的曲率並影響焦距。

• 折射率：決定材料彎曲光線的強度。其波長依賴性會引入色差。

• 中心厚度：影響機械尺寸、安裝相容性和實際表面幾何形狀。

• 通光孔徑：定義可用光學區域。孔徑不足會導致光束削波並降低傳輸光功率。

• 直徑公差：影響鏡頭支架內的機械配合與對準。

• 表面形狀和粗糙度：表面誤差會造成波前畸變和散射，影響光束品質和成像性能。

• 中心和楔形：光學對準誤差可能導致光束偏差並引入不必要的像差。

這些參數應一起評估，而不是單獨指定。例如，鏡頭可能具有所需的焦距，但如果其表面形狀或中心位置不適合光學系統，則仍會產生不令人滿意的結果。

平凹透鏡的主要用途

雷射光束擴展和發散控制

一個重要的應用是調整雷射光束的直徑和發散度。平凹透鏡可以增加入射準直光束的發散度。當與正透鏡配合使用時，可以形成伽利略擴束鏡。在此配置中，負透鏡位於正透鏡之前，並且該組合在適當的設計條件下產生擴展的準直輸出。

單一負透鏡不應被誤認為是完整的準直系統。其作用是引入或修改散度；可能需要額外的光學元件來實現准直輸出。

光學成像和中繼系統

在成像設備中，平凹透鏡可以改變光功率分佈並幫助調整中間影像共軛。它們還可以合併到繼電器組件中，設計人員需要控制光學級之間光的整體聚散度。

像差管理和光路調整

負透鏡與其他元件結合使用時可以有助於校正光學像差。例如，設計者可以使用負光焦度來平衡另一個透鏡組的正光焦度或調整成像系統的珀茲伐曲率。其有效性取決於完整的處方，而不僅僅是鏡片形狀。

雷射和科學儀器

其他應用包括雷射加工設備、光學測量儀器、光譜組件和實驗室光學裝置。在這些系統中，透鏡可以提供受控的負光功率，用於光束調節和光學佈局調整。

平凹透鏡、平凸透鏡、雙凹透鏡

當需要平坦的安裝表面和負光焦度時，通常會選擇平凹透鏡。雙凹透鏡可以提供具有兩個曲面的不同光學設計。適當的選擇取決於焦距、像差要求、可用空間和系統配置。

2. 光學材料、表面品質和塗層選擇

選擇正確的光學材料

材料選擇會影響折射力、透射率、色散、熱行為和製造成本。在選擇基材之前應確定工作波長。

N-BK7光學玻璃廣泛應用於可見光應用和許多近紅外線系統。它具有良好的光學均勻性、成熟的製造流程和相對經濟的生產。肖特指定 N-BK7 在 587.6 nm 的折射率為 1.51680。儘管如此，仍應在實際工作波長和元件厚度下檢查其傳輸特性。

熔融石英是紫外線應用、高能量雷射系統和涉及溫度變化的環境的有力候選者。其低熱膨脹性和有用的紫外線透射率使其適用於熱穩定性和抗雷射損傷性很重要的應用。但是，必須根據系統要求驗證確切的等級和波長範圍。

其他材料可能適合特殊應用：

• 氟化鈣 (CaF2)：用於紫外線和紅外線光學系統，其廣泛的傳輸特性非常有利。

• 氟化鎂 (MgF2)：適用於選定的紫外線和紅外線應用，常用於光學鍍膜設計。

• 藍寶石：具有高機械硬度，在表面耐用性很重要的情況下非常有用。

• 矽和硒化鋅 (ZnSe)：根據波長和系統要求，考慮用於特定的紅外線應用。

這些材料不可互換。它們的折射率、色散、熱性能和傳輸極限不同。材料選擇應基於工作波長的供應商數據，而不是一般的傳輸範圍聲明。

表面形狀、粗糙度和製造公差

光學表面必須以足夠的精度保持預期的幾何形狀。即使標稱焦距正確，表面偏差也會影響透射波前。

三個規格值得特別注意：

表面圖形描述了製造的表面與其設計形狀的匹配程度。對於平凹透鏡，曲面中的誤差會改變局部光焦度，而平面中的誤差會引入波前畸變。

表面粗糙度描述了表面的微觀變化。過度的粗糙度會增加散射光，並會降低對比度或訊號質量，特別是在敏感的雷射和成像應用中。

中心和楔形描述了光學表面和機械參考軸之間與對準相關的誤差。對中不良會導致光束偏差，而楔形則會導致發射光束發生意外的角度變化。

中心厚度和直徑公差也很重要。中心厚度影響機械相容性和指定的幾何形狀，而直徑公差決定鏡頭是否正確安裝其外殼。通光孔徑必須容納整個工作光束，包括任何預期的對準變化。

表面平整度、球面光焦度、不規則度和刮痕品質等規格應另行說明。諸如「高精度」之類的單一籠統描述並不能為工程驗收提供足夠的資訊。

增透膜如何改善傳輸

由於空氣和玻璃之間的折射率差異，未鍍膜的玻璃表面會反射部分入射光。在具有多個光學元件的系統中，這些損耗會累積。

抗反射 (AR) 塗層利用薄膜干涉來減少特定波長範圍和入射角的反射。根據塗層設計，它可以提高傳輸率，減少不必要的反射並幫助控制重影。

在指定塗層時，買家應提供：

• 工作波長或波長帶。

• 所需的反射率或透射率。

• 入射角。

• 相關的偏振要求。

• 雷射功率和損傷閾值要求。

• 環境和清潔條件。

針對可見光最佳化的塗層不應自動用於紫外線或紅外線應用。必須在預期的波長和入射角下驗證塗層性能。

如何針對不同應用選擇平凹透鏡

對於實際選擇，工程師應該從光學系統而不是目錄產品開始。

1. 定義波長：確認雷射或照明波長並選擇相容的基材和塗層。

2. 計算所需的負焦距：使用系統的輸入聚散度和所需的輸出發散度來確定所需的光功率。

3. 檢查光束直徑和通光孔徑：確保可用孔徑可容納光束而不會發生剪切。

4. 評估表面規格：根據應用程式的波前和對準公差設定表面形狀、粗糙度和中心要求。

5. 檢查機械整合：確認直徑、中心厚度、邊緣尺寸和安裝方向。

6. 檢查環境條件：考慮溫度變化、雷射功率、污染和振動。

例如，實驗室光束調節組件可能會優先考慮焦距精度和波前質量，而工業雷射系統可能會更加重視塗層耐久性、熱穩定性和可重複的機械安裝。

3. 平凹透鏡用途及光學平凹透鏡價格

購買前如何評估鏡頭

對於光學設備製造商和系統整合商來說，選擇平凹透鏡應從所需的光學功能開始。如果光圈、表面品質或材質不符合系統規格，則具有適當負焦距的鏡頭可能仍然不合適。

採購過程中應評估以下因素：

• 焦距：決定光束發散或光功率補償所需的負光功率。

• 材質：影響折射率、透射率、色散和熱穩定性。

• 直徑和通光孔徑：必須與光束尺寸和機械組裝相符。

• 表面精度：決定製造的零件複製設計光學幾何形狀的精確程度。

• 塗層配置：應與工作波長、入射角和所需的反射性能相符。

• 檢查要求：確定是否需要額外的干涉、尺寸或光譜測量。

提供完整的光學圖和應用描述可以讓製造商在生產前評估這些要求。

光學平凹透鏡價格由什麼決定？

光學平凹透鏡的價格取決於材料、尺寸、光學性能要求和製造複雜性的組合。沒有適用於所有負片的單一價格。

1、光學材料

N-BK7 等標準光學玻璃通常用於可見光應用。熔融石英、氟化鈣和其他專用基材可能涉及不同的材料成本和加工要求。材料的可用性和等級也會影響最終報價。

2. 焦距和曲率

所需的焦距決定了特定折射率所需的曲率。非常具體的焦距、更大的孔徑和苛刻的幾何要求會增加加工和檢查的複雜性。

3、鏡片直徑和厚度

較大的零件通常需要更多的原料，並且可能需要額外的研磨、拋光和處理時間。非標準尺寸也可能需要專門的製造安排。

4.表面質量和尺寸公差

更緊密的表面形狀、更低的粗糙度、更精確的對中和更嚴格的厚度公差需要更好的製程控制。可能需要進行額外的檢查來驗證每個組件是否符合指定的驗收標準。

5.光學鍍膜

標準單波長增透膜和寬頻鍍膜具有不同的設計和生產要求。專業的紫外線、紅外線或高功率雷射塗層可能需要額外的製程開發和性能驗證。

6. 客製化及訂單數量

標準目錄規格通常可以使用既定流程來製造。客製化鏡頭可能需要單獨的光學計算、工具調整、製程開發和額外的品質檢查。

較大的生產數量可以提高製造效率，而小型客製化訂單可能會帶來較高的單位成本，因為設定和檢查費用分佈在較少的組件上。

標準透鏡與訂製平凹透鏡

對於買家來說，目標不應該是指定盡可能嚴格的公差。過高的精度會增加成本，而不會顯著提高系統效能。

更有效的方法是確定哪些參數直接影響光學設計並相應地建立可接受限度。

4. 關於平凹透鏡的常見問題

平凹透鏡如何運作？

它利用凹面的折射使入射的平行光線發散。出現的光線似乎源自於虛擬焦點，使透鏡具有負焦距。

平凹透鏡的主要用途是什麼？

常見應用包括雷射光束發散控制、伽利略擴束器、光學中繼系統、成像組件和光功率補償。其適用性取決於完整的光學設計。

平凹透鏡和平凸透鏡有什麼不同？

平凹透鏡具有負光焦度並發散平行光。平凸透鏡具有正光焦度並會聚平行光。因此，它們在光學系統中執行不同的功能。

如何計算平凹透鏡的焦距？

對於空氣中的薄平凹透鏡，透鏡製造商的近似方程式為：

對於空氣中的薄平凹透鏡，可以將負曲率半徑除以折射率減一來計算近似焦距。換句話說，焦距 = - 曲率半徑 /（折射率 - 1）。負號表示透鏡具有發散光焦度。

如何選擇正確的負焦距？

從輸入光束現有的發散或會聚、所需的輸出聚散度和可用的光學距離開始。焦距應作為完整光線追蹤設計的一部分進行計算，而不是僅透過比較目錄規格來選擇。

哪種材料適合紫外線或紅外線應用？

紫外線級熔融石英通常被考慮用於紫外線和高能量雷射應用。 CaF2 和 MgF2 適用於選定的紫外線和紅外線系統。矽和硒化鋅用於特定的紅外線應用。正確的選擇取決於確切的波長、透射率、熱條件和塗層相容性。

影響光學平凹透鏡價格的因素有哪些？

主要因素有基材材料、直徑、中心厚度、焦距、曲率、表面形狀、表面粗糙度、尺寸公差、塗層要求、檢驗標準和訂單數量。客製化光學設計通常需要額外的工程和製造評估。

結論：選出正確的光學平凹透鏡

選擇光學平凹透鏡需要清楚了解負光焦度、光束髮散度、材料特性和製造精度之間的關係。焦距和曲率決定了基本的光學功能，而表面形狀、粗糙度、中心和鍍膜性能則影響鏡頭在整個光學組件中的可靠性。

對於工程師來說，首要任務應該是將鏡頭規格與系統的波長、光束直徑、光學佈局和波前要求相匹配。對於採購團隊來說，了解材料選擇、製造公差和客製化之間的關係有助於在性能和成本之間建立現實的平衡。

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該公司使用肖特、CDGM 和康寧的光學材料，以及藍寶石、氟化鈣、氟化鎂、熔融石英、矽和硒化鋅。其製造和檢測能力包括 ZYGO 雷射干涉儀、ZEISS CMM Spectrum 和 Agilent Cary 7000 UMS，支援尺寸和光學性能評估以及產品報告。

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