Виды и преимущества ахроматических линз

Ахроматические линзы, или ахроматы, состоят из двух или трех линз и обладают значительно лучшими характеристиками, чем простые синглетные линзы. Линзы в ахроматическом дублете или триплете либо скреплены вместе, либо имеют воздушный промежуток между ними и обычно включают как положительные, так и отрицательные элементы с разными показателями преломления. Такая многоэлементная конструкция предлагает ряд преимуществ, включая уменьшение хроматической аберрации, улучшенное отображение монохроматического излучения и улучшенные характеристики вне оси. В этой статье рассмотрены различные типы ахроматических объективов и их свойства, такие как коэффициент сопряженности и порог повреждения. Ахроматы подходят для любого приложения с высокими требованиями к визуализации или манипулированию лазерным пучком.

Уменьшение хроматических аберраций

Поскольку показатель преломления материала зависит от длины волны падающего излучения, то и фокусное расстояние одной линзы зависит от длины волны падающего излучения. Это приводит к размытию фокусного пятна при использовании синглетных линз с источником белого излучения. Это явление известно, как хроматическая аберрация. Ахроматический объектив может частично компенсировать хроматическую аберрацию благодаря своей многоэлементной конструкции.

Составляющие оптические элементы ахроматического объектива обычно включают как положительные, так и отрицательные линзы с разной степенью дисперсии. Если значения дисперсии материала и фокусные расстояния этих линз тщательно выбраны, то может быть достигнуто частичное устранение хроматической аберрации. Обычно ахроматические линзы имеют одинаковое фокусное расстояние для двух длин волн на противоположных концах видимого спектра. Это приводит к почти постоянному фокусному расстоянию в широком диапазоне длин волн.

Использование ахроматов выгодно для любого приложения широкополосной визуализации, которое использует большой диапазон длин волн. На рисунке ниже показано влияние на фокусное расстояние ряда волн различной длины, падающих как на плосковыпуклый синглет, так и на ахроматический дублет. Диаметр фокального пятна уменьшен со 147 мкм до 17 мкм за счет замены синглета ахроматическим дублетом.

Фокусировка излучения с помощью плосковыпуклой линзы и ахроматического дублета

Улучшенное изображение монохроматического излучения

Когда оптическая система используется с монохроматическим излучением, хроматическая аберрация, описанная выше, не имеет значения. Однако сферические синглеты все еще могут вносить значительные монохроматические аберрации, такие как сферические аберрации и кому. Многоэлементная конструкция ахроматических объективов снижает эти аберрации и приводит к значительному повышению качества изображения и более жесткой фокусировке монохроматического излучения. Например, на рисунке ниже сравниваются характеристики плосковыпуклой линзы и ахроматического дублета при фокусировке монохроматического пучка лучей. Как видно, диаметр фокального пятна, создаваемого дублетом, в 4.2 раза меньше диаметра пятна, создаваемого синглетом.

Фокусировка монохроматического пучка с помощью плоско-выпуклой линзы и ахроматического дублета

Превосходные внеосевые характеристики

Для сферических синглетов эффект внеосевых аберраций может значительно ухудшить характеристики линзы, если пучок не распространяется точно через центр линзы. Ахроматические объективы менее чувствительны к центрированию, что означает, что лучи вне оси линзы фокусируются почти в том же месте, что и лучи на оси. Как правило, ахроматические триплеты даже лучше, чем дублеты, исправляют такие внеосевые эффекты.

На рисунке ниже показаны две линзы Ø25 мм, f = 50.0 мм, одна из которых представляет собой плосковыпуклую сферическую линзу, а другая – ахроматический дублет. Каждая линза имеет один пучок, распространяющийся вдоль оптической оси, а другой – параллельно оси, но смещенный на 8 мм. Ахроматический дублет уменьшает как боковые, так и поперечные аберрации; боковое смещение фокальных точек (обведенных на диаграмме) уменьшается в шесть раз, а диаметр фокального пятна также значительно меньше.

Внеосевые характеристики для плосковыпуклой линзы и ахроматического дублета

Выбор ахроматического объектива

Ахроматические объективы – хороший выбор для любого требовательного оптического приложения, поскольку они обеспечивают значительно лучшие характеристики, чем сферические линзы. Склеенные ахроматические дублеты достаточны для большинства приложений при сопряжениях в бесконечности, а пары склеенных дублетов идеальны для сопряжений на конечном расстоянии. Однако клей, используемый в этой оптике, снижает порог их повреждения и ограничивает их использование в системах высокой мощности. Дублеты с воздушной прослойкой идеальны для приложений высокой мощности, так как они имеют более высокий порог повреждения, чем склеенные ахроматы. Кроме того, дублеты с воздушной прослойкой имеют на два дополнительных конструктивных параметра больше, чем склеенные, поскольку внутренние поверхности линз не обязательно должны иметь одинаковую кривизну. Эти дополнительные параметры позволяют характеристикам разнесенных друг от друга дублетов намного превосходить характеристики склеенных дублетов с точки зрения погрешности переданного волнового фронта, размера пятна и аберраций. Однако дублеты с воздушной прослойкой также дороже склеенных дублетов.

Ахроматические триплеты могут быть разработаны как для сопряжений на конечном расстоянии (триплет Штейнгейля), так и для сопряжений в бесконечности (триплет Гастингса). Эти триплеты состоят из центрального элемента с низким коэффициентом преломления, скрепленного между двумя идентичными внешними элементами с высоким коэффициентом преломления. Они способны корректировать как осевую, так и внеосевую хроматическую аберрацию, а их симметричная конструкция обеспечивает улучшенные характеристики по сравнению с склеенными дублетами.

Классификация: