Главная / Библиотека / Шаровые линзы: принцип работы и основные приложения

Шаровые линзы: принцип работы и основные приложения

Шаровые линзы: принцип работы и основные приложения

Введение

Шаровая линза – оптический инструмент, применяемый для повышения передачи сигнала в оптоволоконных кабелях, эмиттерах и детекторах. Шаровые линзы устанавливаются в эндоскопах, сканерах штрих-кодов, шарообразных преформах для производства асферических линз, различных приемниках.

Изготавливают шаровые линзы из цельного куска стекла, такие линзы позволяют получать параллельные пучки излучения, фокусировать излучение в зависимости от разновидности источника. Полушаровые линзы также широко распространены и часто устанавливаются вместе с шаровыми линзами для компактности конструкции.

Уравнение шаровой линзы

Пять главных параметров шаровой линзы обозначены на рис.1. Здесь d – диаметр источника входного сигнала, D – диаметр шаровой линзы, EFL – эффективное фокусное расстояние шаровой линзы, BFL – заднее фокусное расстояние шаровой линзы, n – показатель преломления материала линзы.

fig-3-bl
Рисунок 1. Основные параметры шаровой линзы

Эффективное фокусное расстояние легко посчитать, используя всего две переменные: диаметр шаровой линзы D и показатель преломления n. Эффективное фокусное расстояние отсчитывается от центра линзы. Заднее фокусное расстояние также рассчитывается в одно действие, используя всего два известных параметра: эффективное фокусное расстояние и диаметр.

1_21.png          (1)

 

2_17.png        (2)

 

Для параллельного падающего пучка числовая апертура NA шаровой линзы зависит от диаметра шаровой линзы, показателя преломления и диаметра источника входного излучения. Используя относительную апертуру f – число, равное отношению EFL к d, легко выводится выражение числовой апертуры (графически показано на рис. 2):

3_14.png         (3) 

 

 

 

Уравнение (3) подразумевает, что показатель преломления внешней среды nm равен 1. В параксиальном приближении, когда диаметр источника входного сигнала много меньше диаметра линзы, то есть d/D << 1. Числовая апертура в этом случае может быть приблизительно найдена из значения относительной апертуры f  как NA ≈ 1/2 f.

4_8.png            (4)

 

fig-2-ubl
Рисунок 2. Числовая апертура в зависимости от диаметра шаровой линзы и показателя преломления ее материала: измерения проведены компанией Edmund Optics с помощью излучения с длиной волны 587.6 нм, показатель преломления внешней среды был принят за 1

С увеличением диаметра источника входного излучения увеличивается и фокальное пятно вместе с задним фокусным расстоянием: так проявляется сферическая аберрация.

Примеры приложений

Пример 1. Передача излучения из лазера в оптическое волокно

Перенос излучения лазера в оптоволоконный кабель или любую другую волоконную оптику без больших потерь на рассеяние или поглощение требует учета некоторых параметров. Правильно подобранные шаровые линзы облегчают работу, среди критериев правильности – как можно более близкое соответствие числовой апертуры шаровой линзы числовой апертуре оптоволокна. Такое соответствие позволяет избежать потерь излучения при соединении.

Оптоволоконный кабель в основном устанавливается в задней фокальной плоскости линзы, как это показано на рис. 3.

fig-3-bl
Рисунок 3. Введение лазерного излучения в оптоволокно с помощью шаровой линзы

Диаметр входного лазерного пучка = 2 мм
Показатель преломления линзы = 1.5168
Числовая апертура волоконного кабеля = 0.22

На рис. 2 показана шаровая линза N-BK7 с числовой апертурой около 0.22 (при отношении d/D в пределах 0.3 - 0.35). Зная соотношение d/D (≈ 0.33), можно рассчитать числовую апертуру по уравнению (3): она составит 0.22.

Используя данные, приведенные выше, легко оценить параметры линзы, наиболее подходящей для введения лазерного излучения в оптоволокно. Диаметр линзы должен превышать 6 мм (2 мм/0.33). Также возможное решение – подбор материала с другим показателем преломления.

Пример 2. Соединение оптоволоконных кабелей

Передача излучения из одного оптоволоконного кабеля в другой (числовая апертура оптоволокна одинакова) легко осуществима с помощью пары шаровых линз. Достаточно разместить оба кабеля в задних фокальных плоскостях обеих линз (см. рис. 4). При этом расчеты проводятся по тем же формулам аналогично примеру 1.

fig-4-ubl
Рисунок 4. Соединение пары оптоволоконных кабелей с помощью пары шаровых линз

 

© Edmund Optics Inc.

Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по продукции Edmund Optics на территории РФ

 

 

Новые статьи
Измерение спектров флуоресценции Avantes

Флуоресцентная спектроскопия (т.н. флуорометрия или спектрофлуориметрия), представляет собой тип электромагнитной спектроскопии, при которой анализируется флуоресценция образца.

Применение дифракционных оптических элементов в преобразовании распределения интенсивности лазерного пучка

В статье изложены принципы работы и примеры использования современной дифракционной оптики: гомогенизаторов, светоделителей, формирователей профиля интенсивности.

Бриллюэновская спектроскопия

Высокая контрастность и подавление волн накачки в спектрометре LightMachinery HF-8999-532 позволили наблюдать отчетливый спектр Бриллюэна.

У Вас особенный запрос?
У Вас особенный запрос?
Весьма часто наши заказчики лучше нас знают, какое оборудование им нужно. В этом случае мы берём на себя общение с производителем, доставку и таможенную очистку, а также все вопросы гарантийного периода. Пожалуйста, заполните эту форму, и мы свяжемся с Вами, чтобы помочь решить любую Вашу задачу. Или позвоните нам по телефону +7(495)199-0-199
Форма заявки
Ваше имя: *
Ваше имя
Ваш e-mail: *
Ваш телефон: *
Ваш телефон
Наши
контакты
г. Москва, ул. Бутлерова, д. 17Б, офис 502

г. Санкт-Петербург, Коломяжский проспект, 33 корпус 2