衍射轴锥镜与传统锥透镜的参数换算
作者:管理员    发布于:2020-06-18 18:02:06    文字:【】【】【
摘要:轴锥镜是一种应用广泛的光学元件,而目前在被重点关注的有传统轴锥镜以及衍射轴锥镜,而目前传统轴锥镜以及衍射轴锥镜可以实现的功能在很大部分程度上都一样,并且衍射轴锥镜和传统轴锥镜的特性参数是可以转换的,衍射轴锥镜的输出环形光斑半径主要由衍射轴锥镜的发散角决定,而传统轴锥镜所输出的环形光斑半径则是由锥部所产生的顶角或者底角决定,但

 

 

对于轴锥镜来说,在应用轴锥镜时,必不可少的是计算产生的贝塞尔环形斑的直径大小,对于衍射轴锥镜来说,所产生的环形光斑直径主要由衍射轴锥镜的发散角定义,对于计算衍射轴锥镜所产生的环形光斑直径大小由以下公式推演:

可以从衍射光栅方程式计算出发散角ß(从峰到峰的强度定义):

   β=2sin¯¹(λ/Λ)  (Λ衍射周期,λ波长)

环直径可以从几何角度计算:

   D=2*WDtan(β/2)WD–工作距离,D –圆环直径)

 

下面给出一个计算衍射轴锥镜发散角的实例:

对于参数为:波长:355 [nm]EFL50 [mm],要求获得环直径:0.2 [mm],在对衍射锥透镜选型时可以根据以下公式计算发散角

β=2tan¯¹(0.2/2*50)=0.2292[deg]

 

衍射锥透镜和传统折射锥镜的参数换算

相较于衍射轴锥镜的发散角定义所产生的环形光斑直径而言,折射轴锥镜产生的环形光斑直径用顶角或锥角定义,散光角与折射轴锥的锥角或顶角之间的关系有:

D=2*WDtan[(n-1)*ɑ]WD –工作距离,D –圆环直径)

β=2[sin¯¹(nsinɑ)-ɑ]2ɑ*(n-1)

Θ=180˚-2ɑ(n–折射率, ɑ底角, Θ顶角)

为使更加明确的展示由传统轴锥镜与衍射轴锥镜的参数转换,用一个波长为:355 [nm],锥角:0.25 [],熔融石英材质的传统轴锥镜来推导出可产生同样效果的衍射轴锥镜的发散角 :

β=2[sin¯¹(1.4761sin0.25)-0.25]0.238 [deg]

从以上的两个实例以及计算公式我们可以看出,传统轴锥镜的参数同样可以换算出相应的衍射轴锥镜的发散角,而这两个元件所产生的环状光斑的直径相同,达到了相同的效果,因此,当我们知道了传统轴锥镜的特性参数,我们完全可以根据传统轴锥镜的特性参数推算出可得到相同效果的衍射轴锥镜的特性参数,从而达到一个传统轴锥镜与衍射轴锥镜的相互转化。

对于轴锥镜来说,衍射轴锥镜只是将表面明显的几何结构转换成了微结构,使得衍射轴锥镜的两个表面看起来如同两个平面镜,这使得两个光学元件利用的光的性质完全不同,但是却也可以产生相同的效果,但这其中也会有差别。

 

虽然衍射轴锥镜和传统折射轴锥镜的功能基本一致,都可以产生用于玻璃切割的贝塞尔光束和用于激光清洗的圆环光斑。但衍射轴锥镜在精确性要高于传统折射轴锥镜、并且衍射轴锥镜可容纳的参数范围更大、还可以消除中心死区,同时更轻薄也更易于集成,在对于目前更加追求精度的尖端科学研究来说,衍射轴锥镜虽然价格高于传统轴锥镜,但无疑衍射轴锥镜相较于传统轴锥镜更加有优势。

 

衍射轴锥镜典型的光学装置搭配:


1.通过将可变扩束镜放在衍射轴锥的前面来控制环的宽度。环的直径保持恒定。

2. 通过将DA放在聚焦透镜之后来控制环直径。环直径将随着衍射图案和像面/焦平面之间的距离线性减小。


环的宽度将保持不变。

在使用衍射轴锥镜时需要注意元件组装时的对心,以及保证光线的正入射。

 

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