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技術文章

了解球透鏡

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了解球透鏡

球透鏡是一種非常有用的光學元件,用于提高光纖、發(fā)射器及檢測器之間的信號耦合。此外,它也適用于內鏡、條碼掃描、非球面透鏡的預加工材料和傳感器等應用。球透鏡采用單一玻璃基片制造而成,可以聚焦或輸出平行光,取決于輸入源的幾何形狀。半球透鏡也很常見,在應用的物理約束要求更緊湊型的設計的情況下,與(全)球透鏡交換使用。

使用球透鏡的基本方程式

共有五種需要了解和使用球透鏡的主要參數(shù)(圖1):輸入源的直徑 (d)、球透鏡的直徑 (D)、球透鏡的有效焦距 (EFL)、球透鏡的后焦距 (BFL) 和球透鏡的折射率 (n)。

                                                                     圖 1: 主要參數(shù)

EFL 的計算方法非常簡單(方程式1),這是因為它只有兩種變量:球透鏡的直徑 (D) 和折射率 (n)。EFL是從球透鏡的中心開始測量的,在圖1中標示為R。一旦計算出EFL和D后,即可輕易地計算出BFL(方程式2)。數(shù)值孔徑NA(方程式3)則取決于EFL和d。它通常被引用及經常用來代替d/D。

由于經常使用NA,因此圖2說明了隨著輸入光源直徑(d)的提高NA值將增大。

 

                            圖 2: 愛特蒙特光學®提供的球透鏡玻璃類型的數(shù)值孔徑與直徑的對比。

 

應用范例

范例1:激光到光纖的耦合

將激光的光耦合到光纖時,球透鏡的選擇將取決于光纖的 NA 和激光光束的直徑或輸入源。激光光束的直徑用來確定球透鏡的 NA。球透鏡的 NA 必須低于或與光纖的 NA 相同,以耦合所有的光。光纖與球透鏡間的接觸所圖 3 所示。

                                                              圖 3: 激光到光纖的耦合

初始參數(shù)

輸入激光光束的直徑 = 2mm
球透鏡的折射率 = 1.517
光纖的數(shù)值孔徑 = 0.22

計算參數(shù)

球透鏡的直徑6-8 毫米的 N-BK7 球透鏡直徑(折射率為 1.517)非常適合將 2 毫米的激光源耦合到 0.22NA 的光纖??梢暂p易嘗試不同的折射率以查找激光到光纖耦合應用的球透鏡。

范例 2:光纖到光纖的耦合

為了將其中一個光纖的光耦合到另一個具有相同 NA 的光纖,必須使用兩個相同的球透鏡。將兩個球透鏡與光纖放在一起,如圖 4 所示。如果光纖具有相同的 NA,則可應用如范例 1 所示的相同邏輯。

                                                             圖 4: 光纖到光纖的耦合

 

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