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光学システムにおける集光レンズの理解

著者: Bryan Ng ? マーケティング マネージャー
編集者: Qu Yingli ? R&D ディレクター
公開日: 2024 年 3 月 15 日
最終編集日: 2024 年 6 月 21 日


1. 集光レンズとは何ですか?

集光レンズは、曲面で光を屈折させ、透過光を収束または発散させる光学部品です。レンズの光学特性はさまざまな用途で重要です。これらの用途は眼鏡のレンズから工業製造プロセスで使用される複雑なレーザシステムまで多岐にわたります。集光レンズの材質と形状は、光学システムのパフォーマンスの鍵となります。可視スペクトルには、さまざまな光学材料を選択できます。一方、近赤外線から短波赤外線には、溶融シリカ、フッ化カルシウム、サファイアなども使用できます。

　　　　

　　　　　　　　　　　図1: 集光レンズの種類

2. 集光レンズの種類

集光レンズには一般的に 6 つの種類があり、それぞれに特殊な特性と用途があります。そのうち 4 つについて簡単に紹介します。

2.1 凸レンズ

凸レンズは、収束レンズまたは正レンズとも呼ばれ、中央が厚く、端に向かって細くなるレンズです (下の図を参照)。これらのレンズは、光線を収束させる機能があるため、光学分野でよく使用されます。平行光線が凸レンズを通過すると、光線は屈折して焦点に収束します。この焦点は、屈折後に光線または波が出会う点です。

2.2 凹レンズ

凹レンズは、発散レンズまたは負レンズとも呼ばれ、光源からの直線光線を縮小した垂直の虚像に発散させるレンズです。実像は光線の実際の交差によって形成されますが、虚像は光線の仮想交差によって形成されます。凹レンズは実像と虚像の両方を形成できます。上の画像からわかるように、これらの集光レンズは中心が薄く、縁が厚く、内側に湾曲しています。
凹レンズは、レンズを通過する平行光線を発散させ、レンズの反対側の共通点から屈折させます。凹レンズの焦点は、後方に伸ばしたときにこれらの発散光線が発生するように見える点です。凹レンズは、近視などの視覚障害を矯正するためにさまざまな用途があります。近視では、画像が網膜の前で焦点を合わせます。さらに、凹レンズは、ビーム エクスパンダーのように、入射光を拡散または発散させることを目的とする光学システムで使用されます。

2.3 平凸レンズ


凹レンズは、発散レンズまたは負レンズとも呼ばれ、光源からの直線光線を縮小した垂直の虚像に発散させるレンズです。実像は光線の実際の交差によって形成されますが、虚像は光線の仮想交差によって形成されます。凹レンズは実像と虚像の両方を形成できます。上の画像からわかるように、これらの集光レンズは中心が薄く、縁が厚く、内側に湾曲しています。
凹レンズは、レンズを通過する平行光線を発散させ、レンズの反対側の共通点から屈折させます。凹レンズの焦点は、後方に伸ばしたときにこれらの発散光線が発生するように見える点です。凹レンズは、近視などの視覚障害を矯正するためにさまざまな用途があります。近視では、画像が網膜の前で焦点を合わせます。さらに、凹レンズは、ビーム エクスパンダーのように、入射光を拡散または発散させることを目的とする光学システムで使用されます。

部品番号 波長(nm) 直径(mm) EFL(mm) 材料 アセンブリ CT(mm) ET(mm) BFL(mm) タイプ
LBK-0.5-15-ET2 1064 12.7 15.0 BK7 単一 5.42 2.0 11.40 平凸
LBK-0.5-20-ET2 1064 12.7 20.0 BK7 単一 4.20 2.0 17.21 平凸
LBK-0.5-30-ET2/td> 1064 12.7 30.0 BK7 単一 3.39 2.0 27.75 平凸
LBK-0.5-50-ET2 1064 12.7 50.0 BK7 単一 2.80 2.0 48.14 平凸
LBK-0.5-75-ET2 1064 12.7 75.0 BK7 単一 2.50 2.0 73.34 平凸
LBK-0.5-100-ET2 1064 12.7 100.0 BK7 単一 2.40 2.0 98.41 平凸
LBK-0.5-120-ET2 1064 12.7 120.0 BK7 単一 2.33 2.0 118.45 平凸
LBK-0.5-140-ET2 1064 12.7 140.0 BK7 単一 2.28 2.0 138.48 平凸
LBK-0.5-160-ET2 1064 12.7 160.0 BK7 単一 2.25 2.0 158.51 平凸
LBK-1-35-ET2 1064 25.4 35.0 BK7 単一 7.20 2.0 30.22 平凸

2.4 平凹レンズ


凹レンズは、発散レンズまたは負レンズとも呼ばれ、光源からの直線光線を縮小した垂直の虚像に発散させるレンズです。実像は光線の実際の交差によって形成されますが、虚像は光線の仮想交差によって形成されます。凹レンズは実像と虚像の両方を形成できます。上の画像からわかるように、これらの集光レンズは中心が薄く、縁が厚く、内側に湾曲しています。
凹レンズは、レンズを通過する平行光線を発散させ、レンズの反対側の共通点から屈折させます。凹レンズの焦点は、後方に伸ばしたときにこれらの発散光線が発生するように見える点です。凹レンズは、近視などの視覚障害を矯正するためにさまざまな用途があります。近視では、画像が網膜の前で焦点を合わせます。さらに、凹レンズは、ビーム エクスパンダーのように、入射光を拡散または発散させることを目的とする光学システムで使用されます。

部品番号 波長(nm) 直径(mm) EFL(mm) 材料 アセンブリ CT(mm) ET(mm) BFL(mm) タイプ
LZ-12.5+0.75-ET2 10600/9400 12.5 -19.0 ZnSe 単一 1.40 2.1 -19.60 平凹
LZ-12.5+0.75-ET3.3 10600/9400 12.5  -19.0 ZnSe 単一 2.60 3.3 -20.10 平凹
LZ-12.5+1-ET2.3 10600/9400 12.5 -25.4 ZnSe 単一 1.80 2.3 -26.10 平凹
LZ-0.5+14.4-ET3 10600/9400 12.7 -14.4 ZnSe 単一 2.00 3.0 -15.20 平凹
LZ-0.5+32.08-ET2.2 10600/9400 12.7 -32.1 ZnSe 単一 1.80 2.2 -38.80 平凹
LZ-0.5+1.5-ET3 10600/9400 12.7 -38.1 ZnSe 単一 2.60 3.0 -39.20 平凹
LZ-15+0.75-ET3.1 10600/9400 15.0 -19.0 ZnSe 単一 2.00 3.1 -19.80 平凹
LZ-15+25-ET3.3 10600/9400 15.0 -25.0 ZnSe 単一 2.50 3.3 -26.00 平凹
LZ-0.75+1-ET3 10600/9400 19.1 -25.4 ZnSe 単一 1.70 3.0 -26.10 平凹
LZ-0.75+30-ET3 10600/9400 19.1 -30.0 ZnSe 単一 1.90 3.0 -30.80 平凹

3. 集光レンズの原理

3.1 屈折

光が等方性媒体から別の等方性媒体に移動すると、下の図に示すように、伝播方向と速度が変化します。

　　　　　　　　　　

　　　　　　　　　　　　　　　　　図6: 集光レンズの屈折

スネルの法則は、与えられた一対の媒体について、入射角 θ1 と屈折角 θ2 の正弦の比が、2 つの媒体の屈折率の比、または同等に、2 つの媒体の位相速度 (v1 と v2) の比に等しいことを規定しています。この現象は屈折として知られています。凸レンズは外側に曲がっているため、平行光線を反対側の焦点に向かって収束させます。一方、凹レンズは内側に曲がっているため、平行光線は発散します。レンズの形状と光の屈折特性の相互作用は、焦点合わせの中心です。


3.2 焦点距離

レンズの焦点距離は、焦点合わせの原理を理解する上で重要なパラメーターです。レンズから、平行光線が収束する (凸レンズの場合) か、発散するように見える (凹レンズの場合) 点までの距離です。焦点距離が短いレンズは光をより積極的に収束しますが、焦点距離が長いレンズはより緩やかな収束を生み出します。


3.3 絞り値 (F 値)

F 値は、光学系の速度と鮮明さの尺度です。焦点距離と絞りサイズの比率です。高速システムの F 値は、F/1、F/2、F/3 などの小さい値です。低速システムの F 値は、F/8、F/15、さらには F/20 などの大きい値です。F 値が速いほど、入射瞳が広くなり、その結果、絞りが大きくなります。絞りが大きいほど、光学系に入る光が多くなるため、F 値の低いフォーカス レンズは、低照度条件に適しています。
F 値は、被写界深度にも影響します。被写界深度とは、画像内で許容できるほど鮮明に見える距離の範囲です。F 値が高い (絞りが小さい) ほど被写界深度が深くなり、より多くのシーンに焦点が合うことになりますが、F 値が低い (絞りが大きい) ほど被写界深度は浅くなります。


4. 波長範囲と収差

前述のように、スネルの法則では、屈折角は物質の屈折率によって影響を受けるとされています。波長が変化すると屈折率が変化し、これを分散と呼びます。収差は画像形成における不完全性です。色収差や球面収差など、さまざまな種類の収差によって画像が歪むことがあります。色収差は、1 つのレンズでは異なる波長の光を同じ点に焦点を合わせることができないために発生します。高度なフォーカス システムでは、非球面レンズや複数のレンズ要素などの補正手段を採用して、これらの収差を軽減し、画像品質を最適化します。


5. 信頼できる集束レンズのサプライヤーをお探しですか?

最先端の設備と豊富な経験を備えた Wavelength Opto-Electronic は、凹レンズ、平凹レンズ、凸レンズ、平凸レンズ、メニスカスレンズ、ボールレンズなど、さまざまなタイプの高品質の集束レンズを設計および製造しています。既製のソリューションはすぐにご利用いただけます (上記の製品表を参照)。また、標準仕様から高精度仕様まで集束レンズをカスタマイズし、ガラス、クリスタル、金属、プラスチックなど、さまざまな光学材料を利用することもできます。


公差 標準 高精細 超高精細
材料 ガラス: BK7、光学ガラス、石英ガラス、フッ化物
結晶: ZnSe、ZnS、Ge、GaAs、CaF2、BaF2、MgF2、Si、サファイア、カルコゲニド
金属: Cu、Al、Mo
プラスチック: PMMA、アクリル
直径 最小: 4 mm, 最大: 500 mm
タイプ 平凸レンズ、平凹レンズ、メニスカスレンズ、両凸レンズ、両凹レンズ、接合レンズ、ボールレンズ
直径 ±0.1mm ±0.025mm ±0.01mm
厚み ±0.1mm ±0.05mm ±0.01mm
Sag ±0.05mm ±0.025mm ±0.01mm
有効開口 80% 90% 95%
半径 ±0.3% ±0.1% 0.01%
パワー 3.0λ 1.5λ λ/2
凹凸 (P-V) 1.0λ λ/4 λ/10
センタリング 3arcmin 1arcmin 0.5arcmin
表面品質 80-50 40-20 10-5