Optische Spezifikationen werden während des gesamten Entwurfs und der Herstellung einer Komponente oder eines Systems verwendet, um zu charakterisieren, wie gut es bestimmte Leistungsanforderungen erfüllt.Sie sind aus zwei Gründen nützlich: Erstens legen sie die akzeptablen Grenzen der Schlüsselparameter fest, die die Systemleistung steuern.Zweitens geben sie die Menge an Ressourcen (dh Zeit und Kosten) an, die für die Herstellung aufgewendet werden sollten.Ein optisches System kann entweder unter- oder überspezifiziert sein, was beides zu unnötigem Ressourcenaufwand führen kann.Paralight Optics bietet kostengünstige Optiken, die genau Ihren Anforderungen entsprechen.
Um optische Spezifikationen besser zu verstehen, ist es wichtig zu lernen, was sie grundsätzlich bedeuten.Im Folgenden finden Sie eine kurze Einführung in die gängigsten Spezifikationen nahezu aller optischen Elemente.
Herstellungsspezifikationen
Durchmessertoleranz
Die Durchmessertoleranz einer kreisförmigen optischen Komponente liefert den akzeptablen Wertebereich für den Durchmesser.Die Durchmessertoleranz hat keinen Einfluss auf die optische Leistung der Optik selbst, es handelt sich jedoch um eine sehr wichtige mechanische Toleranz, die berücksichtigt werden muss, wenn die Optik in einer beliebigen Halterung montiert werden soll.Wenn beispielsweise der Durchmesser einer optischen Linse von ihrem Nennwert abweicht, ist es möglich, dass die mechanische Achse in einer montierten Baugruppe von der optischen Achse verschoben wird, was zu einer Dezentrierung führt.
Abbildung 1: Dezentrierung von kollimiertem Licht
Diese Fertigungsspezifikation kann je nach den Fähigkeiten und Fertigkeiten des jeweiligen Herstellers variieren.Paralight Optics könnte Linsen mit einem Durchmesser von 0,5 mm bis 500 mm herstellen, die Toleranzen können die Grenzen von +/- 0,001 mm erreichen.
| Tabelle 1: Fertigungstoleranzen für den Durchmesser | |
| Durchmessertoleranzen | Qualitätsstufe |
| +0,00/-0,10 mm | Typisch |
| +0,00/-0,050 mm | Präzision |
| +0,000/-0,010 | Hohe Präzision |
Mittendickentoleranz
Die Mittendicke einer optischen Komponente, meist der Linsen, ist die Materialdicke der Komponente, gemessen in der Mitte.Die Mittendicke wird entlang der mechanischen Achse der Linse gemessen, die als die Achse genau zwischen ihren Außenkanten definiert ist.Eine Variation der Mittendicke einer Linse kann sich auf die optische Leistung auswirken, da die Mittendicke zusammen mit dem Krümmungsradius die optische Weglänge der Strahlen bestimmt, die durch die Linse gehen.
Abbildung 2: Diagramme für CT, ET und FL
| Tabelle 2: Fertigungstoleranzen für die Mittendicke | |
| Mittendickentoleranzen | Qualitätsstufe |
| +/-0,10 mm | Typisch |
| +/-0,050 mm | Präzision |
| +/-0,010 mm | Hohe Präzision |
Kantendicke im Vergleich zur Mittendicke
Anhand der obigen Beispiele für Diagramme, die die Mittendicke zeigen, ist Ihnen wahrscheinlich aufgefallen, dass die Dicke einer Linse vom Rand bis zur Mitte der Optik variiert.Offensichtlich ist dies eine Funktion des Krümmungsradius und des Durchhangs.Plankonvexe, bikonvexe und positive Meniskuslinsen haben in ihrer Mitte eine größere Dicke als am Rand.Bei plankonkaven, bikonkaven und negativen Meniskuslinsen ist die Mittendicke immer dünner als die Randdicke.Optikdesigner geben in ihren Zeichnungen im Allgemeinen sowohl die Rand- als auch die Mittendicke an, wobei sie eine dieser Abmessungen tolerieren und die andere als Referenzmaß verwenden.Es ist wichtig zu beachten, dass es ohne eine dieser Abmessungen unmöglich ist, die endgültige Form der Linse zu erkennen.
Abbildung 3: Diagramme für CE, ET, BEF und EFL
Keil-/Kantendickendifferenz (ETD)
Wedge, manchmal auch als ETD oder ETV (Edge Thickness Variation) bezeichnet, ist ein einfach zu verstehendes Konzept im Hinblick auf das Design und die Herstellung von Linsen.Grundsätzlich steuert diese Spezifikation, wie parallel die beiden optischen Flächen einer Linse zueinander sind.Jede Abweichung von der Parallelität kann dazu führen, dass das übertragene Licht von seinem Pfad abweicht, da das Ziel darin besteht, das Licht auf kontrollierte Weise zu fokussieren oder zu divergieren. Der Keil führt daher zu einer unerwünschten Abweichung im Lichtpfad.Der Keil kann als Winkelabweichung (Zentrierungsfehler) zwischen den beiden Übertragungsflächen oder als physikalische Toleranz der Randdickenschwankung angegeben werden. Dies stellt die Fehlausrichtung zwischen der mechanischen und der optischen Achse einer Linse dar.
Abbildung 4: Zentrierfehler
Sagitta (Sag)
Der Krümmungsradius steht in direktem Zusammenhang mit Sagitta, in der optischen Industrie häufiger als Sag bezeichnet.Geometrisch ausgedrückt stellt Sagitta den Abstand vom genauen Mittelpunkt eines Bogens zum Mittelpunkt seiner Basis dar.In der Optik gilt „Sag“ entweder für die konvexe oder die konkave Krümmung und stellt den physischen Abstand zwischen dem Scheitelpunkt (höchster oder niedrigster Punkt) entlang der Kurve und dem Mittelpunkt einer Linie dar, die senkrecht zur Kurve von einer Kante der Optik zur anderen gezogen wird andere.Die folgende Abbildung bietet eine visuelle Darstellung von Sag.
Abbildung 5: Diagramme des Durchhangs
Die Durchbiegung ist wichtig, da sie die zentrale Position für den Krümmungsradius liefert und es den Herstellern so ermöglicht, den Radius auf der Optik korrekt zu positionieren und sowohl die Mitte als auch die Kantendicke einer Optik festzulegen.Durch Kenntnis des Krümmungsradius sowie des Durchmessers einer Optik kann der Durchhang mit der folgenden Formel berechnet werden.
Wo:
R = Krümmungsradius
d = Durchmesser
Krümmungsradius
Der wichtigste Aspekt einer Linse ist der Krümmungsradius. Er ist ein grundlegender und funktionaler Parameter sphärischer optischer Oberflächen, der während der Herstellung eine Qualitätskontrolle erfordert.Der Krümmungsradius ist definiert als der Abstand zwischen dem Scheitelpunkt einer optischen Komponente und dem Krümmungsmittelpunkt.Sie kann positiv, null oder negativ sein, je nachdem, ob die Oberfläche konvex, plan oder konkav ist.
Wenn man den Wert des Krümmungsradius und der Mittendicke kennt, kann man die optische Weglänge der Strahlen bestimmen, die durch die Linse oder den Spiegel gehen, aber es spielt auch eine große Rolle bei der Bestimmung der optischen Leistung der Oberfläche, also der Stärke der optischen Wirkung System konvergiert oder divergiert Licht.Optikdesigner unterscheiden zwischen langen und kurzen Brennweiten, indem sie die optische Leistung ihrer Linsen beschreiben.Kurze Brennweiten, also solche, die das Licht schneller beugen und daher in einem kürzeren Abstand von der Linsenmitte fokussieren, sollen eine größere optische Leistung haben, während solche, die das Licht langsamer fokussieren, als weniger optische Leistung beschrieben werden.Der Krümmungsradius definiert die Brennweite einer Linse. Eine einfache Möglichkeit, die Brennweite für dünne Linsen zu berechnen, ist die Thin Lens Approximation der Lens-Maker's Formula.Bitte beachten Sie, dass diese Formel nur für Objektive gilt, deren Dicke im Vergleich zur berechneten Brennweite gering ist.
Wo:
f = Brennweite
n = Brechungsindex des Linsenmaterials
r1 = Krümmungsradius für die Oberfläche, die dem einfallenden Licht am nächsten liegt
r2 = Krümmungsradius für die Oberfläche, die am weitesten vom einfallenden Licht entfernt ist
Um Abweichungen in der Brennweite zu kontrollieren, müssen Optiker daher die Radiustoleranz definieren.Die erste Methode besteht darin, eine einfache mechanische Toleranz anzuwenden. Beispielsweise kann ein Radius als 100 +/- 0,1 mm definiert werden.In einem solchen Fall kann der Radius zwischen 99,9 mm und 100,1 mm variieren.Die zweite Methode besteht darin, eine prozentuale Radiustoleranz anzuwenden.Bei Verwendung des gleichen Radius von 100 mm kann ein Optiker festlegen, dass die Krümmung nicht mehr als 0,5 % variieren darf, was bedeutet, dass der Radius zwischen 99,5 mm und 100,5 mm liegen muss.Die dritte Methode besteht darin, eine Toleranz für die Brennweite zu definieren, meist in Prozent.Beispielsweise kann ein Objektiv mit einer Brennweite von 500 mm eine Toleranz von +/-1 % haben, was 495 mm bis 505 mm entspricht.Durch Einsetzen dieser Brennweiten in die Gleichung für dünne Linsen können Hersteller die mechanische Toleranz des Krümmungsradius ableiten.
Abbildung 6: Radiustoleranz im Krümmungsmittelpunkt
| Tabelle 3: Fertigungstoleranzen für den Krümmungsradius | |
| Krümmungsradiustoleranzen | Qualitätsstufe |
| +/-0,5 mm | Typisch |
| +/-0,1 % | Präzision |
| +/-0,01 % | Hohe Präzision |
In der Praxis verwenden optische Hersteller verschiedene Arten von Instrumenten, um den Krümmungsradius einer Linse zu bestimmen.Der erste ist ein Sphärometerring, der an einer Messlehre befestigt ist.Durch den Vergleich des Krümmungsunterschieds zwischen einem vordefinierten „Ring“ und dem Krümmungsradius der Optik können Hersteller feststellen, ob weitere Korrekturen erforderlich sind, um den geeigneten Radius zu erreichen.Es gibt auch eine Reihe digitaler Sphärometer auf dem Markt, die eine höhere Genauigkeit bieten.Eine weitere hochpräzise Methode ist ein automatisiertes Kontaktprofilometer, das mithilfe einer Sonde die Kontur der Linse physikalisch misst.Schließlich kann die berührungslose Methode der Interferometrie verwendet werden, um ein Streifenmuster zu erzeugen, mit dem der physikalische Abstand zwischen der sphärischen Oberfläche und ihrem entsprechenden Krümmungsmittelpunkt quantifiziert werden kann.
Zentrierung
Zentrierung wird auch als Zentrierung oder Dezentrierung bezeichnet.Wie der Name schon sagt, steuert die Zentrierung die Ortsgenauigkeit des Krümmungsradius.Ein perfekt zentrierter Radius würde den Scheitelpunkt (Mitte) seiner Krümmung genau auf den Außendurchmesser des Substrats ausrichten.Beispielsweise hätte eine plankonvexe Linse mit einem Durchmesser von 20 mm einen perfekt zentrierten Radius, wenn der Scheitelpunkt linear genau 10 mm von einem beliebigen Punkt entlang des Außendurchmessers entfernt wäre.Daraus folgt, dass Optikhersteller bei der Steuerung der Zentrierung sowohl die X- als auch die Y-Achse berücksichtigen müssen, wie unten gezeigt.
Abbildung 7: Diagramm der Dezentrierung
Die Dezentrierung einer Linse ist die physikalische Verschiebung der mechanischen Achse von der optischen Achse.Die mechanische Achse einer Linse ist einfach die geometrische Achse der Linse und wird durch ihren Außenzylinder definiert.Die optische Achse einer Linse wird durch die optischen Flächen definiert und ist die Linie, die die Krümmungsmittelpunkte der Flächen verbindet.
Abbildung 8: Diagramm der Dezentrierung
| Tabelle 4: Fertigungstoleranzen für die Zentrierung | |
| Zentrierung | Qualitätsstufe |
| +/-5 Bogenminuten | Typisch |
| +/-3 Bogenminuten | Präzision |
| +/-30 Bogensekunden | Hohe Präzision |
Parallelität
Parallelität beschreibt, wie parallel zwei Flächen zueinander sind.Dies ist nützlich bei der Spezifikation von Komponenten wie Fenstern und Polarisatoren, bei denen parallele Oberflächen ideal für die Systemleistung sind, da sie Verzerrungen minimieren, die andernfalls die Bild- oder Lichtqualität beeinträchtigen könnten.Typische Toleranzen reichen von 5 Bogenminuten bis hin zu einigen Bogensekunden wie folgt:
| Tabelle 5: Fertigungstoleranzen für Parallelität | |
| Parallelitätstoleranzen | Qualitätsstufe |
| +/-5 Bogenminuten | Typisch |
| +/-3 Bogenminuten | Präzision |
| +/-30 Bogensekunden | Hohe Präzision |
Winkeltoleranz
Bei Komponenten wie Prismen und Strahlteilern sind die Winkel zwischen Oberflächen entscheidend für die Leistung der Optik.Diese Winkeltoleranz wird typischerweise mithilfe einer Autokollimatorbaugruppe gemessen, deren Lichtquellensystem kollimiertes Licht aussendet.Der Autokollimator wird um die Oberfläche der Optik gedreht, bis die resultierende Fresnel-Reflexion zurück in die Optik einen Punkt auf der zu untersuchenden Oberfläche erzeugt.Dies bestätigt, dass der kollimierte Strahl genau senkrecht auf die Oberfläche trifft.Anschließend wird die gesamte Autokollimatorbaugruppe um die Optik zur nächsten optischen Fläche gedreht und der gleiche Vorgang wiederholt.Abbildung 3 zeigt einen typischen Autokollimator-Aufbau zur Messung der Winkeltoleranz.Aus der Winkeldifferenz zwischen den beiden gemessenen Positionen wird die Toleranz zwischen den beiden optischen Flächen berechnet.Die Winkeltoleranz kann auf Toleranzen von einigen Bogenminuten bis hinunter zu einigen Bogensekunden gehalten werden.
Abbildung 9: Autokollimator-Setup zur Messung der Winkeltoleranz
Fase
Die Ecken des Substrats können sehr zerbrechlich sein. Daher ist es wichtig, sie bei der Handhabung oder Montage einer optischen Komponente zu schützen.Die gebräuchlichste Art, diese Ecken zu schützen, besteht darin, die Kanten abzuschrägen.Fasen dienen als Schutzfasen und verhindern Kantenausbrüche.Die Fasenspezifikationen für verschiedene Durchmesser finden Sie in der folgenden Tabelle 5.
| Tabelle 6: Herstellungsgrenzen für die maximale Flächenbreite der Abschrägung | |
| Durchmesser | Maximale Gesichtsbreite der Abschrägung |
| 3,00 - 5,00 mm | 0,25 mm |
| 25,41 mm – 50,00 mm | 0,3 mm |
| 50,01 mm – 75,00 mm | 0,4 mm |
Klare Blende
Die freie Blende bestimmt, welcher Teil eines Objektivs allen oben beschriebenen Spezifikationen entsprechen muss.Es ist definiert als der Durchmesser oder die Größe einer optischen Komponente, die entweder mechanisch oder prozentual den Spezifikationen entsprechen muss. Darüber hinaus garantieren die Hersteller nicht, dass die Optik den angegebenen Spezifikationen entspricht.Beispielsweise kann ein Objektiv einen Durchmesser von 100 mm und eine freie Blende haben, die entweder mit 95 mm oder 95 % angegeben ist.Beide Methoden sind akzeptabel, es gilt jedoch als Faustregel zu bedenken, dass die Herstellung der Optik umso schwieriger ist, je größer die freie Apertur ist, da dadurch die erforderlichen Leistungsmerkmale immer näher an den physischen Rand der Optik gerückt werden.
Aufgrund von Fertigungsbeschränkungen ist es praktisch unmöglich, eine freie Apertur zu erzeugen, die genau dem Durchmesser oder der Länge mal Breite einer Optik entspricht.
Abbildung 10: Grafik zur Angabe der freien Apertur und des Durchmessers einer Linse
| Tabelle 7: Freie Blendentoleranzen | |
| Durchmesser | Klare Blende |
| 3,00 mm – 10,00 mm | 90 % des Durchmessers |
| 10,01 mm - 50,00 mm | Durchmesser – 1 mm |
| ≥ 50,01 mm | Durchmesser – 1,5 mm |
Ausführlichere Spezifikationen finden Sie in unserem Optikkatalog oder den vorgestellten Produkten.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 20. April 2023