GRIN 阶梯折射率透镜和成像光学

GRINTECH于1999年成立于德国耶拿，附属于夫琅禾费应用光学和精密工程研究所，是一家生产渐变折射率（GRIN）微光学透镜和透镜系统的主要厂商，产品针对增长快速的信息技术、医学和生物医学技术、光学测量和探测技术等市场。

GRINTECH特有的无毒银交换技术提供圆棒透镜和柱透镜。微型透镜的典型尺寸范围是200µm到2mm，光学性能卓越。

单透镜的衍射限制的数值孔径Max可达0.5。由于其平坦光学表面很方便组装到微型光学透镜系统中，使之满足客户特定的应用要求。

 

GRINTECH提供的产品和服务：

GRIN柱透镜	成像光学元件用GRIN透镜和透镜系统	医学系统用GRIN透镜系统
GRIN组装	激光二极管光束成形用GRIN透镜系统	设计

 

 

一、阶梯折射率透镜

 

产品特点：

• 用于光纤耦合的柱状渐变折射率透镜

• 用于高功率激光二极管和高亮度二极管光束整形的柱面折射率渐变透镜

• 容易安装

• 良好的同轴和离轴性能

• 无毒的银和锂离子交换

 

阶梯折射率光学

阶梯折射率透镜由于其透镜材料内部连续变化的折射率，可以用来替代传统的球面透镜。用平的光学表面代替曲面的光学表面。光束在透镜里连续的弯曲，最后聚焦到同一个点。

图1        GRIN透镜                                   传统球面透镜

 

 

 

 

 

 

 

折射率渐变透镜是通过在特殊玻璃上进行银离子交换制成的。玻璃的组成是具有专利的。对比于传统使用的技术，GRIN透镜在制作和使用过程中是无毒的，对人体健康和环境是没有危害的。

 

近似抛物线形状的径向折射率分布：

 

在折射率渐变聚焦透镜内实现一个余弦光线追迹，透镜的周期长度Z1-p可表示为

 

并且与入射光的高度和角度没有关系（见图2），n0表示透镜中心的折射率，r表示透镜直径，g表示渐变常数。

    图2 不同周期的GRIN聚焦透镜的光线追迹

 

特殊透镜的几何长度Zl可以通过透镜的特征节距P计算得到：

 

可以通过选择不同的透镜长度得到相同的折射率分布，从而实现不同的成像设计：

A. 1 pitch（2，3或者更多）透镜在透镜出射表面产生一个与入射表面相同的像；

B. 0.5 pitch透镜在出射表面产生一个倒立的像；

C. 0.25 pitch透镜使入射的点光源成为平行光。这种配置通常应用于单模或者多模光纤和激光二极管的准直。对于高功率的激光二极管，GRIN柱面透镜可用于快光轴准直。

D. 0.23 pitch透镜可以准直工作距离内的点光源（如图3所示）。

     图3 GRIN圆柱透镜

 

透镜的几何渐变常数g和透镜的长度Zl决定了焦距f和透镜的工作距离

 

不同的成像需求可以通过选择不同的透镜长度Zl来实现（如图4所示）。

             图4 GRIN透镜成像分析图

 

折射率渐变的准直透镜Max入射角由数值孔径NA决定。在光纤光学中，数值孔径来源于Max折射率差：

 

nR是透镜边缘折射率，d是透镜的直径或者厚度。

 

具有大数值孔径（NA≈0.5）的GRIN透镜是通过银离子在特殊玻璃中的交换制成的，可以避免可见光范围内的任何着色。含有银离子玻璃的吸收边缘在λ0.5=370nm处。数值孔径小（NA≤0.2）的GRIN透镜通过锂离子交换制成。使用玻璃时的吸收边缘波长为λ0.5=235nm。

 

 

二、渐变折射率成像光学

 

产品特点：

• 渐变折射率柱状透镜或系统

• 用于内窥镜或者其他微型化的成像应用

• 由于是平面的，容易安装

• 很好的离轴共轴性能

• 两边有AR涂层增透膜

• 无毒的银离子和锂离子交换

• 像差小

 

1、折射率渐变物镜设计

折射率渐变物镜是通过无毒的银离子在玻璃中交换制成的，适合于医学上的应用。Max视角为60°（±30°）。在工作距离内物镜能使物面在物镜后表面成一个缩小的像，如图1所示

        图1 GRIN物镜成像

 

透镜是由圆柱直径d和工作距离l规定的。放大率M和透镜长度Zl可通过计算得出：

 

式中的n0是透镜的中心折射率，g是透镜的渐变常数。对于不同直径的透镜，g可以通过不同透镜在无限远工作距离上的透镜长度计算得到：

 

除了特定的工作距离，还可以根据客户需求进行定制。

由于折射率渐变引起的色散导致镜头的焦距随波长的变化。在可见光范围内，NA为0.5的透镜的焦距随波长的上升增加0.017%/nm。对于1.0mm直径的物镜，蓝光（440nm）部分的像平面大约在透镜内18μm处。红光（650nm）部分的像平面大约在透镜外18μm处。以0.5mm直径为例，这些图像一半的位移值是有效的。

GRINTECH的物镜具有小场曲的特性。像场微微向内弯曲。对于1.0mm直径的透镜，90%孔径的场曲Max为-40μm，0.5mm直径的Max场曲为-20μm。图像的桶形畸变增加，在透镜边缘，约增加14%的像高度。物镜在同轴上的分辨率受到限制，在白光下约为400线/mm。

 

2、折射率渐变成像系统

用于内窥镜和其他应用的成像系统由GRINTECH的物镜，定制节距折射率渐变透镜和棱镜组成。