光学入门必备!专业术语宝典之透镜篇
发布时间:2024-06-12 10:43:44 阅读次数:1102

 

本文通过对透镜常用术语的学习,有助于增加读者对光学透镜部分参数的选型理解。

 

表面光洁度(划痕/麻点)

目前光学行业对于光学元件表面检测的执行标准,大多是国标(GB/T 1185-2006)或美国军用标准(MIL-PRF-13830B),本文表面光洁度参考美国军用标准(MIL-PRF-13830B)。

表面光洁度(surface quality)是光学零件有效通光面积表面缺陷的最大允许尺寸和定量描述,一般用数值表示: S/D(scratch/dig),就是光学元件图纸中常看到的60-40/40-20等这样的数值。 前者限制划痕的大小,后者限制麻点的大小。

规定将长宽比大于4:1的表面缺陷定于为划痕,长宽比小于4:1的定义为麻点。

划痕号数S对应宽度如下表,数字越大划痕越明显。

麻点号数D对应直径如下表。 直径为0.4mm的麻点将表示为麻点号数#40,直径为0.2mm的麻点将表示为麻点号数#20。
常见的光学元件表面质量应用为: 60/40(常用科研等级); 40/20(激光应用等级); 20/10(精密光学等级)。

透射波前差

波前是光波具有恒定相位的表面。 由于波前垂直于波的传播方向,因此准直光具有平面波前,而汇聚或发散光具有弯曲波前。 光学元件的像差会导致透射或反射波前发生畸变,这称为透射或反射波前误差。


透射波前差-zygo实测图

透射波前误差(TWE),是用于衡量光通过光学元件的性能。 与表面形状测量不同,透射波前测量包括来自材料的前表面和后表面、楔形和均匀性的误差。 这种整体性能指标可以更好地了解光学器件的实际性能。 按瑞利判据,当按绝对值计的最大波像差小于 1/4 波长时,可认为系统是完善的,因此LBTEK的光学系统的透射波前差指标都会控在λ/4及以内。

曲率半径

曲率半径是指光学元件的顶点与曲率中心之间的距离。

该半径可以为正值、零或负值,具体要取决于该表面是凸面、平面还是凹面。 如果知道曲率半径值,则可以确定光线穿过透镜的光学路径长度

焦距

焦距是从光学系统的主点到焦点的距离

薄透镜
薄透镜是指厚度与焦距的长度比较时,可以被忽略不计的透镜。 这种透镜的厚度在计算物距、像距、放大率等时均可以忽略不计。 焦距f表达式如下:
其中R1是第一表面的曲率半径,R2是第二表面的曲率半径,n为材料折射率。
厚透镜

厚透镜是具有明显厚度的透镜,常见的真实透镜都是有明显厚度的,所以称为“厚”,是为了与薄透镜这一理想的假设区分开。 而镜片厚度为d的厚透镜焦距f表达式如下:

数值孔径

光学系统的数值孔径(Numerical aperture, NA)是一个无量纲数字,用于 表征系统可以接受或发射光的角度范围
透镜

透镜的数值孔径是来自焦点的边缘光线角度θ的正弦值与介质折射率的乘积。 空气中n=1,当透镜聚焦于无限远处时得到:

光纤

光纤的数值孔径(Numerical aperture, NA)是最大入射角的正弦值,这样透射的光束可以在纤芯中传播。 当光从空气进入光纤时,n0=1,界面处根据斯涅耳定律,得到:

其中,n1、n2为纤芯和包层折射率。
单模光纤的NA通常在0.1量级,而多模光纤通常具有更大的数值孔径,例如0.3。

应力

物体由于外因(受力、湿度、温度场变化等)而变形时,在物体内各部分之间产生相互作用的内力,单位面积上的内力称为应力。

应力是物体内部的力,无法直接观察到,部分由外力导致的应力影响,可通过一定方式进行有效减弱或利用。 例如,透射式的光学元件,比如: 透镜、滤光片、窗口片等,在安装时,需使用卡环固定镜架进行固定,而不能使用弹片、紧定螺丝进行固定。 因为弹片、紧定螺丝固定型镜架是通过三点支撑来固定透镜,在起相同固定作用的情况下,弹片、紧定螺丝固定型镜架会给透镜引入较高的应力导致出现双折射,而卡环式在透镜的非有效通光孔径处均匀受力,可有效避免该问题。

应力影响在保偏光纤与普通光纤的对比中有所体现。 普通光纤在生产和使用过程中会由于受到外力出现双折射,导致出现的光束的偏振态变得杂乱无章,而保偏光纤则是通过生产过程中引入更强烈的双折射,使保偏光纤自身双折射特性远大于外界干扰所引起的应力影响,令轴向各位置的双折射保持不变,实现对入射光偏振态的保持。

参考文献:
[1] 张以谟.应用光学[M].第三版.电子工业出版社. 2008

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