光学仕様 (パート 1

光学仕様は、コンポーネントまたはシステムの設計および製造全体にわたって利用され、特定の性能要件をどの程度満たしているかを特徴付けます。これらは 2 つの理由で役立ちます。1 つは、システムのパフォーマンスを制御する主要なパラメーターの許容限界を指定することです。2 番目に、製造に費やすべきリソースの量 (つまり、時間とコスト) を指定します。光学システムは仕様が不足していたり仕様が過剰になったりする可能性があり、どちらの場合もリソースの不必要な消費につながる可能性があります。Paralight Optics は、お客様の要件を正確に満たすコスト効率の高い光学部品を提供します。

光学仕様をより深く理解するには、それらが基本的に何を意味するのかを学ぶことが重要です。以下に、ほぼすべての光学素子の最も一般的な仕様を簡単に紹介します。

製造仕様

直径許容差

円形の光学コンポーネントの直径公差は、直径の値の許容範囲を規定します。直径公差は光学部品自体の光学性能には影響しませんが、光学部品を何らかのタイプのホルダーに取り付ける場合は、非常に重要な機械的公差を考慮する必要があります。たとえば、光学レンズの直径が公称値から逸脱すると、取り付けられたアセンブリ内で機械軸が光軸からずれて偏心が生じる可能性があります。

図 1: 平行光の偏心

この製造仕様は、特定の製造者のスキルと能力に基づいて変化する可能性があります。Paralight Optics は直径 0.5mm から 500mm までのレンズを製造でき、公差は +/-0.001mm の限界に達する可能性があります。

表 1: 直径の製造公差
直径の許容差	品質グレード
+0.00/-0.10mm	典型的
+0.00/-0.050mm	精度
+0.000/-0.010	高精度

中心厚さの許容差

光学部品 (主にレンズ) の中心の厚さは、中心で測定された部品の材料の厚さです。中心の厚さは、レンズの機械軸を横切って測定され、レンズの外縁の間の軸として定義されます。中心厚は曲率半径とともにレンズを通過する光線の光路長を決定するため、レンズの中心厚の変化は光学性能に影響を与える可能性があります。

図 2: CT、ET、FL の図

表 2: 中心厚さの製造公差
中心厚さの許容差	品質グレード
+/-0.10 mm	典型的
+/-0.050 mm	精度
+/-0.010 mm	高精度

エッジの厚さと中心の厚さ

中心の厚さを示す上記の図の例から、レンズの厚さは光学部品の端から中心まで変化することにおそらく気づいたでしょう。明らかに、これは曲率半径とサグの関数です。平凸レンズ、両凸レンズ、および正メニスカスレンズは、端よりも中心の方が厚くなっています。平凹、両凹、負のメニスカスレンズの場合、中心の厚さは常にエッジの厚さよりも薄くなります。光学設計者は通常、図面上でエッジと中心の両方の厚さを指定し、一方の寸法を公差とし、他方を基準寸法として使用します。これらの寸法のいずれかがなければ、レンズの最終形状を識別することができないことに注意することが重要です。

図 3: CE、ET、BEF、EFL の図

ウェッジ/エッジ厚さの差 (ETD)

ウェッジは、ETD または ETV (エッジ厚さの変動) とも呼ばれ、レンズの設計と製造の観点から理解するのが簡単な概念です。基本的に、この仕様は、レンズの 2 つの光学面が互いにどれだけ平行であるかを制御します。目的は制御された方法で光を集束または発散させることであるため、平行からの変化は透過光の経路から逸脱する可能性があるため、ウェッジは光路に望ましくない逸脱をもたらします。ウェッジは、2 つの透過面間の角度偏差 (センタリング誤差)、またはレンズの機械軸と光軸の間の位置ずれを表すエッジの厚さの変化に関する物理的許容差の観点から指定できます。

図 4: センタリングエラー

サジッタ (サグ)

曲率半径はサジッタ (光学業界では一般にサグと呼ばれます) に直接関係します。幾何学的用語では、サジッタは円弧の正確な中心からその底面の中心までの距離を表します。光学では、サグは凸面または凹面のいずれかの曲率に適用され、曲線に沿った頂点 (最高点または最低点) 点と、光学部品の一方の端から端まで曲線に垂直に引いた線の中心点との間の物理的な距離を表します。他の。以下の図は、サグを視覚的に示しています。

図 5: サグの図

サグは曲率半径の中心位置を提供するため、製造者が光学部品上で半径を正確に配置できるようになり、光学部品の中心と端の厚さの両方を確立できるため重要です。光学部品の曲率半径と直径がわかれば、サグは次の式で計算できます。

どこ：
R = 曲率半径
d = 直径

曲率半径

レンズの最も重要な側面は曲率半径です。これは球面光学面の基本的かつ機能的なパラメーターであり、製造時の品質管理が必要です。曲率半径は、光学コンポーネントの頂点と曲率中心の間の距離として定義されます。表面が凸面、平面、または凹面であるかどうかに応じて、正、ゼロ、または負の値になります。

曲率半径と中心の厚さの値がわかれば、レンズやミラーを通過する光線の光路長を決定できますが、それはまた、表面の光学パワー、つまり光学的強度の決定にも大きな役割を果たします。システムは光を収束または発散させます。光学設計者は、レンズの光学パワーの量を説明することによって、長い焦点距離と短い焦点距離を区別します。焦点距離が短く、光をより速く曲げ、レンズの中心からより短い距離で焦点を合わせるものは光学パワーが大きいと言われますが、光の焦点をよりゆっくりと絞るものは光学パワーが小さいと言われます。曲率半径はレンズの焦点距離を定義します。薄いレンズの焦点距離を計算する簡単な方法は、Lens-Maker の公式の薄いレンズ近似によって得られます。この式は、計算された焦点距離と比較して厚さが薄いレンズにのみ有効であることに注意してください。

どこ：
f = 焦点距離
n = レンズ素材の屈折率
r1 = 入射光に最も近い表面の曲率半径
r2 = 入射光から最も遠い表面の曲率半径

したがって、焦点距離の変動を制御するために、眼鏡技師は半径の許容差を定義する必要があります。1 つ目の方法は、単純な機械的公差を適用することです。たとえば、半径を 100 +/-0.1 mm として定義できます。このような場合、半径は 99.9 mm から 100.1 mm の間で変化する可能性があります。2 番目の方法は、パーセンテージで半径許容差を適用することです。同じ 100mm の半径を使用すると、眼鏡技師は曲率の変化が 0.5% を超えてはいけないと指定する場合があります。これは、半径が 99.5mm と 100.5mm の間になければならないことを意味します。3 番目の方法は、焦点距離の許容誤差を定義することです。多くの場合、パーセンテージで定義されます。たとえば、焦点距離が 500 mm のレンズには +/-1% の許容誤差があり、これは 495 mm ～ 505 mm に相当します。これらの焦点距離を薄いレンズの方程式に当てはめることにより、製造者は曲率半径の機械的公差を導き出すことができます。

図 6: 曲率中心の半径許容差

表 3: 曲率半径の製造公差
曲率半径の許容差	品質グレード
+/-0.5mm	典型的
+/-0.1%	精度
+/-0.01%	高精度

実際、光学製造業者は、レンズの曲率半径を評価するためにいくつかの異なるタイプの機器を使用します。1 つ目は、測定ゲージに取り付けられた球状計リングです。事前定義された「リング」と光学系の曲率半径の曲率の差を比較することで、製造者は適切な半径を達成するためにさらなる補正が必要かどうかを判断できます。精度を高めるためのデジタル球面計も多数市販されています。もう 1 つの高精度な方法は、プローブを使用してレンズの輪郭を物理的に測定する自動接触式形状計です。最後に、非接触干渉法を使用して、球面と対応する曲率中心の間の物理的距離を定量化できる縞パターンを作成できます。

集中化

中心化は、センタリングまたはディセンタとも呼ばれます。名前が示すように、心出しは曲率半径の位置精度を制御します。半径が完全に中心にあれば、その曲率の頂点 (中心) が基板の外径に正確に位置合わせされます。たとえば、直径 20 mm の平凸レンズは、頂点が外径に沿った任意の点から正確に 10 mm の位置に直線的に配置されている場合、完全な中心半径を持ちます。したがって、光学製造者は、以下に示すように中心を制御するときに X 軸と Y 軸の両方を考慮する必要があるということになります。

図 7: 偏心図

レンズの偏心の量は、光軸からの機械軸の物理的な変位です。レンズの機械軸は単にレンズの幾何学的な軸であり、レンズの外筒によって定義されます。レンズの光軸は光学面によって定義され、光学面の曲率中心を結ぶ線です。

図 8: 偏心図

表 4: セントレーションの製造公差
集中化	品質グレード
+/-5 分角	典型的
+/-3 分角	精度
+/-30 秒角	高精度

平行度

平行度は、2 つの表面が互いにどの程度平行であるかを表します。これは、画像や光の品質を低下させる可能性がある歪みを最小限に抑えるため、平行面がシステムパフォーマンスにとって理想的な窓や偏光子などのコンポーネントを指定する場合に役立ちます。一般的な公差は、次のように 5 分角から数秒角までの範囲です。

表 5: 平行度の製造公差
平行度の許容差	品質グレード
+/-5 分角	典型的
+/-3 分角	精度
+/-30 秒角	高精度

角度許容差

プリズムやビームスプリッターなどのコンポーネントでは、表面間の角度が光学部品の性能にとって重要です。この角度許容差は通常、オートコリメータアセンブリを使用して測定されます。オートコリメータアセンブリの光源システムは平行光を放射します。オートコリメータは、結果として生じるフレネル反射によって検査対象の表面の上にスポットが生成されるまで、光学部品の表面を中心に回転します。これにより、コリメートされたビームが正確に垂直入射で表面に当たっていることが確認されます。次に、オートコリメータアセンブリ全体が光学系を中心に次の光学面まで回転し、同じ手順が繰り返されます。図 3 は、角度公差を測定する典型的なオートコリメータのセットアップを示しています。2 つの測定位置間の角度の差を使用して、2 つの光学面間の公差が計算されます。角度の許容差は、数秒角から数秒角までの許容差に抑えることができます。

図 9: 角度公差を測定するオートコリメータのセットアップ

ベベル

基板の角は非常に壊れやすいため、光学部品の取り扱いや取り付けの際には角を保護することが重要です。これらのコーナーを保護する最も一般的な方法は、エッジを面取りすることです。ベベルは保護面取りとして機能し、エッジの欠けを防ぎます。さまざまな直径のベベル仕様については、次の表 5 を参照してください。

表 6: ベベルの最大面幅の製造限界
直径	ベベルの最大面幅
3.00～5.00mm	0.25mm
25.41mm～50.00mm	0.3mm
50.01mm～75.00mm	0.4mm

クリアアパーチャ

有効絞りは、レンズのどの部分が上記のすべての仕様に準拠する必要があるかを決定します。これは、仕様を満たす必要がある光学コンポーネントの機械的またはパーセンテージの直径またはサイズとして定義されますが、それ以外では、製造業者は光学部品が規定の仕様に準拠することを保証しません。たとえば、レンズの直径が 100 mm で、有効開口が 95 mm または 95% として指定されているとします。どちらの方法でも受け入れられますが、一般的なルールとして、有効開口が大きいほど、必要な性能特性が光学素子の物理的端にどんどん近づくため、光学素子の製造がより困難になることを覚えておくことが重要です。

製造上の制約により、光学部品の直径、つまり長さと幅が正確に等しい開口部を作成することは事実上不可能です。