Unternehmensnachrichten über Asphärische Linsen vs. Sphärische Linsen: Unterschiede und Anwendungen

Asphärische Linsen vs. Sphärische Linsen: Unterschiede und Anwendungen

Sphärische Linsen

Sphärische Linsen sind rotationssymmetrische Optiken, deren Form einem Abschnitt einer Kugel entspricht (Abb. 1). Der Abstand vom geometrischen Mittelpunkt zum Krümmungsradius ist konstant. Das bedeutet, dass die optisch wirksame Oberfläche mit einem einzigen Parameter beschrieben werden kann: dem Radius R. Diese Gleichförmigkeit verschafft sphärischen Linsen erhebliche Kostenvorteile in der Herstellung.

Abb. 1: Optisch wirksame Fläche einer sphärischen Oberfläche, definiert durch den Radius Ra

Herstellungsvorteile

Die sphärische Geometrie ermöglicht vereinfachte Produktionsprozesse und kürzere Vorlaufzeiten, insbesondere bei kleinen Durchmessern, bei denen mehrere Optiken gleichzeitig auf einem einzigen Substrat hergestellt werden können. Eine gleichmäßige Oberflächengeometrie rationalisiert auch die optische Inspektion. Messtechniken umfassen:

• Taktile Methoden (Profilometer, CMMs)

• Optische Methoden (Interferometer, CGHs)

Anwendungen
Weit verbreitet in:

• Messtechnik

• Luft- und Raumfahrt (z. B. Satellitenspektrometer)

• Medizintechnik (z. B. Spaltlampen für Augenuntersuchungen)
  Ihre geringen Kosten, die schnelle Produktion und die Vielseitigkeit machen sie zu einem grundlegenden Bestandteil der Optik mit ausgezeichnetem Preis-Leistungs-Verhältnis.

Optimierung der optischen Leistung

Sphärische Linsen nutzen sammelnde, zerstreuende oder fokussierende Eigenschaften, um Licht zu brechen. In Abbildungssystemen:

• Die Bildqualität kann durch Anpassen der Lichtquellenposition oder der Aperturgröße verbessert werden.

• Sphärische Aberration kann durch Aperturblenden reduziert werden, die periphere Strahlen blockieren.

• Mehrlinsenkombinationen (z. B. Achromate – gebondete konvexe/konkave Linsen) korrigieren chromatische/sphärische Aberrationen, die üblicherweise in Kameralinsen verwendet werden.

Asphärische Linsen
Asphären sind ideal für Anwendungen, die Folgendes erfordern:

• Hohe Bildqualität

• Große numerische Aperturen

• Raumminimierung
  Diese rotationssymmetrischen Optiken weisen radial variierende Krümmungsradien auf (Abb. 2), die von sphärischen Profilen abweichen, um die Abbildungsleistung deutlich zu verbessern.

Abb. 2: Vergleich der optisch wirksamen Flächen: sphärische vs. asphärische Oberfläche

Hauptmerkmale

• Periphere Abflachung reduziert sphärische Aberration, indem sie sicherstellt, dass alle einfallenden Strahlen in einem gemeinsamen Brennpunkt konvergieren (Abb. 3).

• Eliminiert Unschärfe, die durch sphärische Aberration verursacht wird.

• Mathematische Oberflächendefinition (Asphären-Gleichung):

• 
• 
• Wobei:
  $z$ = sagittale Höhe
  $h$ = Abstand von der optischen Achse
  $R$ = Basisradius
  $k$ = Konuskonstante
  $A$2i= asphärische Koeffizienten
• 
  
• 

Abb. 3: Korrektur der sphärischen Aberration über eine asphärische Oberfläche

Systemminiaturisierung
Asphären ermöglichen kompakte optische Designs:

• Beispiel: Monolithische Strahlaufweiter (z. B. asphericon’s a-BeamExpander) reduzieren die Systemlänge um 50 % im Vergleich zu Kepler- / Galilei-Teleskopen (Abb. 5).

• Gewichtsreduzierung kommt Luft- und Raumfahrtanwendungen zugute (z. B. Erdbeobachtungssatelliten wie Sentinel-4).

Abb. 5: Größenvergleich: BeamExpander vs. traditionelle Teleskope

Produktion & Messtechnik

Moderne Fortschritte ermöglichen die hochpräzise Volumenfertigung:

• Methoden: Schleifen, Polieren

• Messtechniken:

  • CGH-Interferometrie

  • Taktiles Abtasten

  • Tilt-Wave-Interferometrie (Oberflächentopographie in 20-30 Sekunden)

• Digitalisierte Produktion (z. B. asphericon’s vollautomatisierter Workflow) reduziert die Kosten durch Batch-Optimierung.

Anwendungen

• Lasersysteme (Strahlformung/Aufweitung)

• Fluoreszenzmikroskopie

• Projektionssysteme

• Satelliteninstrumentierung

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