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柱面透镜的使用

柱面透镜可用于单轴会聚或发散的光束,在光学测量、激光扫描、光谱学、激光二极管输出光束整形、X射线显微成像等诸多行业和领域有着广泛的应用。


把准直光源变成线光源

L=2(r0/f)(z+f)


是应用最广泛的柱面透镜。如下图所示,将半径为r0的准直光源照射到焦距为-f的凹面柱面透镜中(该图是为了更清楚地说明原理,所以放大光束半径)。光束将以半θ发散(θ=r0/f)。在这一点上,它也可以近似为点源在焦点f处的发散。到镜头后面的距离是z。当z大于f时,光束宽度为2r0(忽略高斯分布光斑的发散),但光束长度变化为

L=2(r0/f)(z+f)

,扩展比接近z/f,光束长度与z成正比。



application of 柱面透镜



如果需要在z轴上产生宽度很窄的线光源,可以在平面凹面柱面透镜的前端或后端用平凸柱面透镜焦距为z轴,用正交平面凹面柱面透镜放置,压缩光束宽度。

【快速入门】光的聚焦和对准

二极管输出准直光束

激光二极管输出光束以不对称形式发散,其准直接工作更具挑战性。例如,散度角θ。θ1×2=10°×40°二极管光源,如果只使用标准的球面透镜,并且只在一个方向上进行准直,则会发生另一个方向的发散或会聚。利用柱面透镜将问题分解为两个一维方向,通过两个正交柱面透镜的组合,两个方向可以同时准直。




柱面透镜的选择和光路的安装应遵循以下规则:

θ1/θ2=10°/40°=f1/f2


1)调整后使光斑对称,两柱面透镜的焦距比等于发散角。

θ1/θ2=10°/40°=f1/f2


2)激光二极管可以近似为点光源,为了获得准直输出,两个圆柱体和光源之间的间距等于两个圆柱体的焦距。


3)两个圆柱体的主平面之间的间距应等于f2-f1焦距之间的差值,两个透镜之间的实际间距应等于BFL2-BFL1。与球面透镜一样,柱面镜的凸面应朝向准直射光束,以尽可能减少反射。

d1=2f1(tan(θ2/2))

d2=2f2(tan(θ1/2))


4)由于激光二极管输出光束发散较快,我们需要小心确认每个圆柱体上的光斑尺寸不超过透镜的有效光圈。因为圆柱体的距离等于它的焦距,所以每个圆柱体的最大光斑宽度应该遵循

D1=2f1(θ2/2)

D2等于2f2,θ的切线的一半。以


为例,新港CKX012(f1=12.7mm,BFL1=7.49mm)和CKX050(f2=50.2mm,BFL2=46.03mm)为柱面透镜的组合,两个透镜在平面上的间距为BFL2-BFL1=38.54mm。第一个柱面透镜中的光斑直径为

D1=2(12.7 mm)tan(20°)=9.2 mm

第二个柱面透镜中的光斑直径为

D2=2(50.2 mm)tan(5°)=8.8 mm


,尽管仍有一点不对称,这两个柱面透镜的简单组合大大提高了光束的质量。


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