Шаровые линзы: принцип работы и основные приложения

Дата публикации: 07.02.2020 07:00

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.

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)

(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)

Уравнение (3) подразумевает, что показатель преломления внешней среды n_m 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)

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.

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.

Рисунок 4. Соединение пары оптоволоконных кабелей с помощью пары шаровых линз

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

Новые статьи

Характеристика свойств субхондральной кости человека с помощью спектроскопии в ближней инфракрасной области (БИК)

Дегенеративные заболевания суставов часто характеризуются изменениями свойств суставного хряща и субхондральной кости. Эти изменения часто связаны с толщиной субхондральной пластинки и морфологией трабекулярной кости. Таким образом, оценка целостности субхондральной кости может дать важные сведения для диагностики патологий суставов. В данном исследовании изучается потенциал оптической спектроскопии для характеристики свойств субхондральной кости человека. Образцы остеохондральной кости (n = 50 – количество образцов) были извлечены из коленного сустава трупа человека (n = 13) в четырех анатомических точках и подвергнуты БИК-спектроскопии(в ближней инфракрасной области). Затем образцы были исследованы с помощью микрокомпьютерной томографии для определения морфометрических характеристик субхондральной кости, включая: толщину пластинки (Sb.Th), толщину трабекул (Tb.Th), объемную долю (BV/TV) и индекс модели структуры (SMI). Связь между свойствами субхондральной кости и спектральными данными в 1-м (650 - 950 нм), 2-м (1100 - 1350 нм) и 3-м (1600-1870 нм) оптических окнах была исследована с помощью многомерного метода частичных наименьших квадратов (PLS) регрессии. Значимые корреляции (p < 0.0001) и относительно низкие ошибки прогнозирования были получены между спектральными данными в 1-м оптическом окне и Sb.Th (R²= 92.3%, ошибка = 7.1%), Tb.Th (R²= 88.4%, ошибка = 6.7%), BV/TV (R²= 83%, ошибка = 9.8%) и SMI (R²= 79.7%, ошибка = 10.8%). Таким образом, БИК-спектроскопия в 1-м тканевом оптическом окне способна характеризовать и оценивать свойства субхондральной кости и потенциально может быть адаптирована во время артроскопии.

Моделирование нервного волокна на основе оптического волновода

Миелинизированные аксоны являются многообещающими кандидатами для передачи нервных сигналов и света ввиду их волноводных структур. С другой стороны, с появлением таких заболеваний, как рассеянный склероз и нарушений формирования и передачи нервных сигналов из-за демиелинизации, понимание свойств миелинизированного аксона как волновода приобретает большую важность. Настоящее исследование направлено на то, чтобы показать, что профиль показателя преломления (ПП) миелинизированного аксона играет существенную роль в передаче лучей в нем.

Оптимизация обнаружения сверхслабых световых потоков

В ходе исследования, описанного в данной статье, были объединены статистическая модель, анализ шумов детектора и эксперименты по калибровке. Согласно результатам, видимый свет может быть обнаружен с помощью ПЗС камеры с электронным умножителем с соотношением сигнал/шум, равным 3, для потоков с количеством фотонов менее 30 фотонов с⁻¹ см⁻².

Диагностика импульсного плазменного потока

Импульсные плазменные потоки в плазменных ускорителях широко используются для решения ряда научных и практических задач. Особый интерес среди применений импульсных плазменных потоков представляют термоядерный синтез и астрофизические исследования, например, экспериментальное исследование взаимодействия импульсного плазменного потока с материалами.

Полные высокопроизводительные настольные системы сканирования HSI PUSH-BROOM

Применение гиперспектральной визуализации заметно расширилось за последние годы. Тем не менее, остается общая проблема, а именно: предоставление полного интегрированного решения для фиксации 2-D гиперспектральных изображений в компактном настольном формате, которое предоставляет подробную спектральную информацию для определения компонентов, количества и их распределения в плоскости сканирования.

Автофлуоресцентная микроскопия — идентификация бактериальных сигналов на образцах горных пород

Распространенным методом обнаружения микробов в жидких и нежидких образцах является окрашивание флуоресцентными красителями, при котором образцы окрашиваются флуорофором, возбуждаемым фотонами от источника света. Флуорофоры — это молекулы, которые проявляют флуоресценцию, и могут быть биомолекулами естественного происхождения (в этом случае флуоресценция называется автофлуоресценцией), флуоресцентными красителями (синтезированными молекулами) или минералами. Конкретные применения красителей включают обнаружение и перечисление бактерий, визуализацию экспрессии генов и обнаружение биомолекул, которые иначе невозможно было бы отследить.