Что такое линзы, виды, описание и применение

 

Какие линзы бывают, подробное описание, практическое применение

Оптическая линза состоит из прозрачной среды (в большинстве случаев оптического стекла или полимера), куда свет входит с одной стороны и выходит с противоположной стороны. Часто имеет по крайней мере одну изогнутую поверхность. Цель - изменить кривизну волнового фронта света, чтобы свет фокусируется или расфокусируется. Такие линзы также иногда называют сходящимися или расходящимися линзами. Также иногда называют положительными (при фокусировке) или отрицательными (расфокусировка).

Контактные линзы (шаровые)

Кратное определение: линзы, имеющие геометрическую форму сферы.

Особой формой толстой двояковыпуклой оптической линзы является шаровая линза, обычно имеющая геометрическую форму шара (сферы). Они изготавливаются из одного материала, обычно оптического стекла с хорошей прозрачностью в интересующей области длин волн. Часто используемый материал – плавленый диоксид кремния. Другим вариантом являются полу шаровые линзы, которые получаются простым разрезанием шаровых линз пополам.

Шаровые линзы обычно изготавливаются с относительно небольшим диаметром в несколько миллиметров или иногда даже менее 1 мм (микролинзы). Особенно для таких небольших размеров, их легче изготовить, чем линзы с традиционным дизайном. Особый вид микро шаровых линз получается путем нагревания конца конического волокна таким образом, что оно плавится.

Применение шаровых линз

Используются в качестве коллиматоров пучка для оптических волокон и для соединения волокон между собой. Также подходят для миниатюрной оптики с такими приложениями, как сканирование штрих-кодов, в качестве объективов в эндоскопии и для оптических датчиков. Существуют также объективы для микроскопов (напрмер, иммерсионные объективы), которые имеют гипер полушарие в качестве первой линзы.

Радуга!

Любимое явление весной и летом. Естественные шаровые линзы в форме маленьких капель воды вызывают явление радуги. Цветовые эффекты основного (наиболее заметного) ряда возникают из-за световых путей с единственным внутренним отражением в капле. Иногда можно увидеть вторичную радугу, возникающую из траекторий лучей с двумя внутренними отражениями.

Микролинзы

Краткое определение: оптические линзы особенно малого диаметра, например, менее 1 мм

Микролинзы - это оптические линзы с особенно малым диаметром, например, менее 1 мм. В некоторых случаях они даже намного меньше, чем это, вплоть до порядка нескольких оптических длин волн. Для таких небольших структур явление дифракции начинает играть значительную роль, часто ухудшая производительность.

Принципы работы микролинз

Микролинзы могут быть основаны на разных принципах работы:

• Некоторые из них просто работают как преломляющие, так же, как традиционные большие линзы. Радиально изменяющееся изменение оптической фазы, которое является основной функцией линзы, достигается за счет радиально изменяющейся толщины устройства.
• Чтобы сохранить очень низкую толщину, несмотря на значительную диоптрийную силу, можно использовать форму линзы Френеля, в которой свет отражается набором концентрических изогнутых поверхностей. Однако, в отличие от таких линз обычно необходимо измерять этапы таким образом, чтобы оптимизировать фазовые свойства.
• Хотя дифракция обычно считается вредной, ее иногда используют напрямую. Существуют дифракционные микролинзы, основанные на дифракции в качестве основного принципа действия. Это возможно как с бинарными структурами, имеющими только два разных уровня высоты, так и с непрерывными структурами.
• Микролинзы также могут быть реализованы в виде линз с градиентным индексом. Обычно они состоят из двух разных прозрачных слоев, где один из них (слой подложки) имеет однородный показатель преломления, а другой - радиально зависимый показатель преломления. В этом случае изменение толщины не требуется, но оба принципа также можно комбинировать.
• Можно изготовить массивы микролинз одно- или двумерной формы, содержащие множество микролинз, которые обычно изготавливаются вместе на общей подложке. Двумерные матрицы микролинз могут, например, иметь прямоугольный или шестиугольный рисунок линз. 

Применение микролинз

Существует широкий спектр применений микролинз. Мы начнем с нескольких примеров для одиночных линз:

• Если микролинза расположена непосредственно над сердцевиной оптического волокна, она может функционировать как волоконный коллиматор или, альтернативно, для запуска света в волокно.
• Аналогично, излучение от лазерного диода может быть колированным.

Некоторые области применения массивов микролинз:

• Линейная линзовая матрица может использоваться для коллимации излучения от всех излучателей диодной панели (диодной матрицы).
• В интегральной оптике массивы линз могут использоваться для коллимации выходного сигнала массивов волноводов.
• Как объяснялось выше, используются матрицы микролинз, в которых каждая линза выровнена с пикселем своего рода матрицы фотоприемников. Таким образом, можно повысить чувствительность за счет уменьшения потерь света на нечувствительных участках между пикселями детектора. Однако линзы в такой конфигурации не могут выполнять функцию визуализации.
• Существуют также устройства обработки изображений на основе микролинз, используемые, например, для фотокопировальных аппаратов и фотокамер для смартфонов. Кроме того, можно создавать камеры со световым полем.
• Некоторые матрицы линз используются в микро оптических гомогенизаторах пучка.
• Датчики волнового фронта Shack-Hartmann могут содержать матрицы микролинз. Каждая линза создает небольшой фокус луча, положение которого связано с направлением волнового фронта перед линзой.
• Матрицы линз могут использоваться для генерации опорных лучей при интерферометрической характеристике больших линз.

Насекомые и различные другие животные использовали микролинзы в качестве основных частей сложных глаз на протяжении миллионов лет.

Стержневые линзы

Краткое определение: цилиндрические линзы с геометрической формой цилиндра

Стержневая линза представляет собой цилиндрическую линзу, которая имеет геометрическую форму цилиндра и имеет полированную оболочку, в то время как две плоские торцевые поверхности могут быть отшлифованы. Он аналогичен шаровой линзе для фокусировки в обоих направлениях.

Стержневые линзы можно использовать для коллимации расходящегося луча в одном измерении или для фокусировки света на линии. Существуют также приложения для визуализации. Обратите внимание, что стержневые линзы проявляют значительные сферические аберрации, когда распространение света не ограничивается малой частью его поперечного сечения. Существуют также линзы с градиентным индексом, которые также имеют цилиндрическую форму. Однако там две торцевые поверхности отполированы, а поверхность мантии не имеет оптического значения.

Типы стержневых линз

Стержневые линзы доступны с различными оптическими материалами, в основном со стеклами, такими как плавленный диоксид кремния и BK7, но также с кристаллическими материалами, такими как YAG или кремний, например, для инфракрасной оптики.

Стержневые линзы могут иметь диаметр в несколько миллиметров, но существуют также цилиндрические микролинзы со значительно меньшим диаметром. Стержневые линзы малого диаметра часто используются в качестве коллиматоров с быстрой осью для диодных стержней.

Окулярные линзы

Краткое определение: линзы или системы линз, используемые в телескопах и микроскопах, например, близко к наблюдающему глазу.

Некоторые оптические приборы, такие как телескопы, инфракрасные зрители и микроскопы, содержат определенные группы оптических элементов, в основном линзы, которые называются объективами и окулярными линзами. В то время как объектив находится на стороне наблюдаемого объекта, окулярная линза (также называемая окуляром или окуляром, иногда лупой) находится на стороне наблюдающего глаза. Он может содержать одну оптическую линзу или некоторую комбинацию линз и обычно помещается в цилиндрический корпус (ствол).

Помимо глазной линзы, которая делает фактическое изображение, окуляр может содержать дополнительную полевую линзу для расширения поля зрения. Если эта полевая линза расположена в промежуточной плоскости изображения, это не влияет на увеличение изображения. Однако иногда полевая линза слегка смещается от этого местоположения.

Обратите внимание, что под глазной линзой мы подразумеваем стеклянную линзу, ближайшую к глазу, а не линзу самого человеческого глаза.

Фиксированные и сменные окулярные линзы

Профессиональные оптические приборы обычно позволяют легко менять окуляры и использовать окуляры с различными параметрами. Часто таким образом можно изменять увеличение прибора. Также могут изменяться другие параметры, такие как поле зрения и яркость изображения. Инструменты обычно имеют стандартный вид ствола (втулки) для вставки окуляра. Существует также крепежная резьба, с помощью которой окуляр можно закрепить после вставки.

Оптические параметры окуляра, а не только диаметр ствола, должны соответствовать оптическому прибору. Иногда можно использовать окуляры разных производителей с инструментом, но производительность может быть более или менее ухудшена, если оптические параметры не полностью соответствуют. Бинокли, инфракрасные зрители и другие компактные оптические приборы часто имеют жестко закрепленные окулярные линзы, которые нелегко заменить.

Параметры окулярных линз

Диаметр ствола

Сменные окуляры имеют определенный диаметр ствола, который должен соответствовать диаметру оптического прибора. Наиболее часто используемый диаметр ствола для телескопов составляет 1,25 дюйма = 31,75 мм, но потребительские устройства могут использовать меньшие стволы 0,965 дюйма = 24,5 мм. Существуют также большие размеры, такие как 2 дюйма = 50,8 мм или даже большие до 4 дюймов для использования в некоторых профессиональных инструментах. Большие диаметры ствола обычно подразумевают более высокую цену, но допускают большее поле зрения при заданном увеличении. Для микроскопов обычно используются другие диаметры ствола, такие как 23,2 мм или 30 мм.

Увеличение, фокусное расстояние и поле зрения

Увеличение телескопа или микроскопа обычно можно понимать как произведение коэффициентов увеличения объектива и окулярной линзы. Увеличение окуляра зависит от его фокусного расстояния. Как правило, короткие фокусные расстояния приводят к большему увеличению, но также и к меньшему полю обзора и, возможно, к более сильным искажениям изображения.

Выходной зрачок и рельеф глаз

Поперечные ограничения, которые окуляр накладывает на проходящий свет, характеризуются диаметром выходного зрачка. Этот диаметр должен приблизительно соответствовать диаметру зрачка наблюдающего глаза:

• Если бы выходной зрачок был больше, глаз не мог бы использовать весь выходящий свет; это привело бы к потере яркости изображения.
• Меньший выходной зрачок оптической системы также нежелателен; это не позволит использовать полное угловое разрешение глаза.

Обратите внимание, что предполагаемый диаметр зрачка считается значительно большим для астрономического телескопа, чем для микроскопа, потому что условия просмотра обычно относительно темные, что приводит к широко открытому глазу. Выходной зрачок должен приблизительно соответствовать зрачку глаза по размеру и положению.

Кроме того, фактическое положение выходного зрачка должно быть близко к положению зрачка глаза, чтобы свет, проходящий через выходной зрачок, мог также попадать в глаз. Расстояние между выходным зрачком и физическим концом окуляра называется рельефом глаза. В идеале, рельеф глаз должен быть не менее 5 мм, и, возможно, даже 20 мм для наблюдателей в очках. Однако окуляры с малым фокусным расстоянием, как правило, имеют меньший рельеф глаз, например, всего 2 или 3 мм, хотя существуют методы проектирования, с помощью которых можно добиться большего – возможно, за счет других параметров. Для оптических прицелов требуется особенно большое облегчение для глаз, потому что в противном случае отдача вдавила бы окуляр в глаз.

Конструкции окулярных линз

Существует широкий спектр оптических конструкций окуляров. В простейшем случае используется только двояковыпуклая линза или альтернативно (для телескопов Галилея) двояковогнутая (отрицательная) линза. Другие конструкции содержат две или более линзы; например, окуляр Гюйгенса и окуляр Рамсдена содержат две плосковыпуклые линзы, а именно полевую линзу и глазную линзу. 

Другие конструкции содержат ахроматические линзы для уменьшения хроматических аберраций. Другие конструкции, которые оптимизированы в различных аспектах, таких как поле зрения и искажения изображения, названы в честь Георга Симона Плессла, Эрнста Аббе и других.

Существуют сложные конструктивные компромиссы, и наилучший выбор может существенно зависеть от оптического прибора, условий эксплуатации и приоритетов в отношении параметров производительности. Стоимость и вес могут быть дополнительными аспектами, которые следует учитывать.

Сканирующие линзы

Краткое определение: системы линз, предназначенные для использования в лазерных сканерах.

Используются как лазерная маркировка, сверление, лазерные дисплеи, оптическая когерентная томография (ОКТ) и сканирующая лазерная микроскопия, необходимо сканировать направление лазерного луча и фокусировать его на некоторой плоскости (или для одномерного сканирования вдоль линии). Такой лазерный сканер часто достигается за счет использования какого-либо вращающегося зеркала или зеркала гальванометра в сочетании со сканирующим объективом.

При использовании для этой цели простой сферической линзы положения фокусировки могут на самом деле не все находиться в нужной плоскости, а скорее лежат на приблизительно сферической поверхности. Следовательно, размер пятна на целевой плоскости будет увеличен во внешних областях. Для решения этой проблемы были разработаны сканирующие линзы с плоским полем, которые обеспечивают приблизительно постоянный размер пятна по всей плоскости мишени. Точнее говоря, это обычно не простые линзы, а многоэлементные системы линз, имеющие значительную общую длину.

Телецентрические сканирующие линзы

Для некоторых применений, таких как лазерное сверление отверстий, остающейся проблемой является то, что лазерный луч попадает в целевую плоскость с ненормальным падением, за исключением центральной точки. Поэтому существуют также так называемые телецентрические сканирующие линзы, которые сконструированы таким образом, чтобы получить нормальное падение для всех точек целевой плоскости.

Сканирующий объектив

Системы телецентрических линз имеют очевидное ограничение, заключающееся в том, что сканируемая область на целевой плоскости ограничена размером объектива. Это обычно делает их непригодными, например, для отображения. Преимущество, однако, заключается в том, что получается довольно точно постоянный размер пятна по всей площади.

Особенности сканирующих линз

Как и другие линзы, сканирующие линзы часто рассчитаны на определенный диапазон рабочих длин волн, который может быть ограничен свойствами используемых антибликовых покрытий и /или хроматическими аберрациями. Однако существуют также мультиспектральные линзы, которые хорошо работают, например, на двух разных длинах волн (например, 1064 нм и 355 нм, соответствующих третьей гармонике), демонстрируя приблизительно одинаковое фокусное расстояние для обеих длин волн. (Это относится, например, к многофотонной флуоресцентной микроскопии.) Другие устройства имеют цветокоррекцию, также называемую ахроматической, например для использования с широкополосными ультракороткими импульсами.

Некоторые сканирующие линзы должны работать с очень высокой оптической мощностью. В этом случае важно иметь низкие паразитные потери и подходящие оптические материалы, чтобы избежать тепловых эффектов, которые могут повлиять на форму луча и фокусное расстояние.

Телецентрические линзы

Краткое определение: линзы или объективы, имеющие входной или выходной зрачок на бесконечности

Различные типы объективов, используемых для оптических инструментов, таких как телескопы, фотографические объективы и лазерные сканеры, доступны с телецентрическими конструкциями. Телецентричность объектива по существу означает наличие ортографической перспективы, подобной для наблюдателя на бесконечном расстоянии. 

Это означает, что главные лучи расположены горизонтально слева и справа от оптической системы, а входной или выходной зрачок лежит на бесконечности. Телецентричность достигается за счет использования правильно расположенной оптической апертуры, например диафрагмы. В некоторых случаях это даже не требуется из-за уже заданных ограничений на входящие лучи.

На практике условие телецентричности (например, сформулированное с помощью горизонтальных главных лучей) никогда не выполняется идеально. Поэтому телецентрические объективы могут иметь дополнительную спецификацию, касающуюся телецентрического угла, который указывает отклонение от идеальной телецентричности.

Применение телецентрических линз

Некоторые телецентрические линзы содержат дополнительные устройства для коаксиального освещения. По сути, это означает, что коллимированный свет направляется через оптику к изображаемому объекту. В других случаях при исследовании прозрачных объектов (например, для проверки оптических стекл) используется коллимированный свет, идущий с противоположного направления, то есть к системе формирования изображения. Обратите внимание, что в этом случае камера не будет отображать источник света; вместо этого источник света просто обеспечивает однородное освещение плоскости изображения.

С такими видами направленного освещения, которое также иногда называют телецентрическим освещением, возможно наиболее точное телецентрическое изображение, когда речь идет о точном захвате краев и поверхностных структур. Время экспозиции может быть относительно небольшим, поскольку большая часть входного света поступает в направлении, которое может использоваться камерой.

Объективы микроскопа также иногда делают телецентрическими в пространстве объектов. Это позволяет избежать видимых изменений размеров не в фокусных плоскостях в толстых образцах. Кроме того, существуют оптические профилометры с телецентрической оптикой.

Телецентрические зум-объективы

Большинство телецентрических линз имеют фиксированное фокусное расстояние и увеличение. Однако существуют также телецентрические зум-объективы, в которых фокусное расстояние и, следовательно, поле зрения и увеличение регулируются в некотором диапазоне. Для поддержания телецентричности механизм масштабирования должен не только регулировать фокусное расстояние, но и удерживать упор в фокальной плоскости. В некоторых случаях телецентрическое состояние не может поддерживаться во всем диапазоне увеличения.

Линзы для объективов

Краткое определение: оптические элементы для сбора света от исследуемых объектов или для направления света на объекты.

Объектив микроскопа

Компонент микроскопа, который размещается рядом с объектом. Его числовая апертура является ключевым фактором, который ограничивает достижимое разрешение изображения микроскопа. Это также существенно способствует увеличению инструмента, которое дополнительно увеличивается с помощью окуляра. Аналогичные цели также используются для оптических профилометров.

Фотографический объектив

Это часть, в которую свет попадает в фотокамеру. Существуют различные версии таких объективов для камер, например, объективы с переменным увеличением, телеобъективы для получения изображений с довольно удаленных объектов, макрообъективы для большого увеличения небольших близких объектов и широкоугольные объективы “рыбий глаз”.

Объектив телескопа

Собирает входной свет для телескопа. Такие устройства часто оптимизированы для просмотра удаленных изображений с большим увеличением. Диаметр входного отверстия важен не только с точки зрения собирающей мощности света, но и в конечном итоге ограничивает разрешение изображения.

• Инфракрасные зрители имеют объективы, оптимизированные для приема инфракрасного света.
• Существуют специализированные интерферометрические объективы, которые содержат светоделитель и эталонное зеркало. Они используются, например, в некоторых оптических профилометрах.

В других случаях цели представляют собой оптические компоненты для направления света на объект. Например, существуют проекционные цели, используемые, например, в лазерных проекционных дисплеях, и фокусирующие цели. Также бывает, например, что объектив микроскопа используется для фокусировки лазерного луча в оптическое волокно, т. е. в качестве фокусирующего объектива. Такие цели часто оптимизируются для улучшения возможностей управления мощностью.

Однообъективные или многообъективные системы

Простой объектив может по существу состоять из одной линзы. Однако большинство целей представляют собой многоэлементные системы линз, содержащие некоторое количество линз и часто одну или несколько оптических апертур, поскольку оптические характеристики с точки зрения различных типов аберраций изображения могут быть достигнуты только при тщательном сочетании линз. В случае телескопов объективы часто основаны на изогнутых зеркалах вместо линз.

Отдельные линзы, в том числе зацементированные дублеты и триплеты, в объективе называются элементами объектива. Определенные подмножества элементов часто называют группами.

Оптическое проектирование целей обычно является сложной задачей, для которой используется специализированное программное обеспечение для оптического проектирования. Это включает в себя компромиссы между различными качествами, которые должны быть оптимизированы в соответствии с конкретным применением.

Полевые линзы

Краткое определение: линзы в инструментах визуализации, которые влияют на поле зрения

Если в системе обработки изображений линза используется для увеличения поля зрения, эта линза называется полевой линзой. Этот термин не подразумевает какой-либо особой формы объектива, а относится только к его функции.

Полевая линза в телескопе

Сначала мы рассмотрим кеплеровский телескоп, который состоит из двух линз: объектива и окуляра (окуляра). Он обеспечивает некоторое угловое увеличение для просмотра удаленных объектов в соответствии с соотношением фокусных расстояний объектива и окуляра. Таким образом, для большого увеличения потребуется использовать окуляр с малым фокусным расстоянием, что на практике ограничит размер окуляра.

Кеплеровский телескоп

Кеплеровский телескоп с входными лучами от двух удаленных объектов: один на оптической оси (синие линии) и один, который немного смещен от оси. В последнем случае некоторые лучи больше не могут попадать в окуляр, так что возникает эффект виньетирования.

Эту проблему можно устранить, установив дополнительную линзу (полевой объектив) в промежуточной плоскости изображения. Полевая линза не влияет на лучи для точки объекта на оси, потому что они проходят через ее центр. Для внеосевой точки объекта лучи отклоняются к окуляру - все на одинаковую величину, потому что все они проходят через одну и ту же точку на полевой линзе, так что теперь они могут проходить через окуляр. Таким образом, избегается эффект виньетирования. Полевые линзы могут помочь расширить поле зрения телескопа.

Телескоп с полевым объективом

Интересно, что полевой объектив (при размещении в промежуточной плоскости изображения) не изменяет увеличение. Кроме того, можно показать, что комбинация полевой линзы и окулярной линзы имеет то же фокусное расстояние, что и одна только окулярная линза.

Общая проблема с полевым объективом возникает из-за того, что он расположен в плоскости изображения: его детали могут появиться на сгенерированном изображении. Например, будут видны царапины на поверхности линзы или частицы пыли, в то время как для других линз (например, на внешней поверхности объектива) они могут не оказывать заметного влияния на изображение, поскольку они находятся далеко от плоскости изображения.

Чтобы смягчить эту проблему и / или для размещения какого-либо другого оптического элемента (например, сетки) в плоскости изображения, полевая линза иногда слегка смещается от плоскости изображения. Там он может по-прежнему выполнять по существу ту же функцию, не оказывая существенного влияния на увеличение изображения.

Другая проблема с полевыми линзами может заключаться в том, что они уменьшают рельеф глаз, то есть расстояние выходного зрачка от глазной линзы. Полевая линза может быть встроена в окуляр. Тогда вторая линза окуляра может быть названа глазной линзой.

Полевая линза в системе освещения

Например, в системе освещения верхнего проектора часто используется конденсаторная линза непосредственно перед объектом изображения (например, слайдом). Хотя эта линза существенно не изменяет диаметр освещаемой области объекта, она служит для изгиба световых лучей, исходящих от источника света, таким образом, что они остаются внутри системы формирования изображения, и получается более яркое изображение. Затем конденсорную линзу также называют полевой линзой.