Преимущества использования менисковых линз в инфракрасных приложениях

По сравнению со многими другими формами оптических линз, мениски редко предлагаются в готовом виде. В то время как мениски в основном используются для фокусировки пятен небольшого размера или для коллимационных приложений, плоско-выпуклые линзы часто предлагают лучшее соотношение цены и качества. Однако есть сценарии, когда мениски обеспечивают значительно лучшие характеристики при умеренном повышении цены.

Сферическая аберрация

Из-за сферической природы линз сферические аберрации приводят к тому, что параллельные лучи на разных расстояниях от оптической оси не сходятся в одной и той же точке. Хотя сферические аберрации можно исправить, используя несколько элементов, которые чрезмерно корректируют другие элементы, для многих ИК-систем, где материалы значительно дороже, чем материалы для видимого спектра, это идеальный вариант для минимизации количества элементов. Вместо использования нескольких элементов можно минимизировать сферическую аберрацию для одной линзы, придав ей наилучшую форму.

Сферические аберрации

Для фиксированного показателя преломления и толщины линзы существует бесконечное количество комбинаций радиусов, которые можно использовать для создания линзы с определенным фокусным расстоянием. Эти комбинации радиусов создают разные формы линз, которые напрямую приводят к сферическим аберрациям и коме из-за степени изгиба луча при прохождении через линзу.

Форму линзы можно описать коэффициентом формы Коддингтона (C):

Используя уравнения аберрации тонкой линзы с объектом, находящимся на бесконечности, можно вывести условие минимальной сферической аберрации:

Предполагая, что можно поддерживать постоянную длину волны, можно визуализировать взаимосвязь между показателем преломления и коэффициентом формы для минимальной сферической аберрации.

Коэффициент наилучшей формы как функция показателя преломления

Преимущества конструкции мениска

При работе в видимом диапазоне показатели преломления стекла обычно находятся в диапазоне от 1.5 до 1.7, а форма минимальной сферической аберрации почти плоско-выпуклая. Однако в инфракрасном диапазоне обычно используются материалы с более высоким показателем преломления, такие как германий. Германий с показателем преломления 4.0 значительно выигрывает от конструкции мениска за счет значительного уменьшения сферических аберраций.

Минимальная сферическая аберрация возникает, когда луч одинаково изгибается на обеих границах раздела сред. В то время как первая поверхность германиевого мениска заставляет свет изгибаться немного больше, чем сопоставимая плосковыпуклая линза, вторая поверхность плосковыпуклой линзы заставляет свет изгибаться значительно больше, что приводит к общему увеличению сферической аберрации.

Как показано на рисунке ниже, на котором сравниваются характеристики германиевой плосковыпуклой линзы 25 x 25 мм и германиевого мениска 25 x 25 мм, легко увидеть, как плосковыпуклая линза заставляет свет значительно отклоняться относительно поверхности линзы, чем сопоставимый мениск. Это увеличение изгиба вызывает увеличение сферической аберрации. Германиевый мениск демонстрирует резкое уменьшение результирующего размера пятна, что делает его более идеальным для использования в сложных инфракрасных приложениях.

Схема германиевых плосковыпуклой линзы 25 x 25 мм и мениска 25 x 25 мм

Хотя мениски могут по-прежнему обеспечивать повышенные характеристики в видимом диапазоне, обычно этого недостаточно, чтобы компенсировать дополнительные производственные затраты. В таблице ниже сравниваются характеристики в видимом спектре плосковыпуклой линзы из фторида кальция (CaF₂) 25 x 50 мм с мениском, а также характеристики в инфракрасном диапазоне германиевой (Ge) плосковыпуклой линзы 25 x 50 мм с мениском. Германиевые линзы демонстрируют значительное уменьшение размера пятна при использовании формы мениска.

Сравнение размера пятна плосковыпуклых линз и менисков

В то время как мениски могут не обеспечивать преимущества во всех областях применения, они могут предложить большие преимущества по стоимости и производительности для многих инфракрасных приложений, включая спектроскопию и тепловизионное изображение.