GRIN 階梯折射率透鏡和成像光學(xué)

GRINTECH于1999年成立于德國(guó)耶拿，附屬于夫瑯禾費(fèi)應(yīng)用光學(xué)和精密工程研究所，是一家生產(chǎn)漸變折射率（GRIN）微光學(xué)透鏡和透鏡系統(tǒng)的主要廠商，產(chǎn)品針對(duì)增長(zhǎng)快速的信息技術(shù)、醫(yī)學(xué)和生物醫(yī)學(xué)技術(shù)、光學(xué)測(cè)量和探測(cè)技術(shù)等市場(chǎng)。

GRINTECH*的無(wú)毒銀交換技術(shù)提供圓棒透鏡和柱透鏡。微型透鏡的典型尺寸范圍是200µm到2mm，光。

單透鏡的衍射限制的數(shù)值孔徑Max可達(dá)0.5。由于其平坦光學(xué)表面很方便組裝到微型光學(xué)透鏡系統(tǒng)中，使之滿(mǎn)足客戶(hù)特定的應(yīng)用要求。

GRINTECH提供的產(chǎn)品和服務(wù)：

一、階梯折射率透鏡

產(chǎn)品特點(diǎn)：

• 用于光纖耦合的柱狀漸變折射率透鏡

• 用于高功率激光二極管和高亮度二極管光束整形的柱面折射率漸變透鏡

• 容易安裝

• 良好的同軸和離軸性能

• 無(wú)毒的銀和鋰離子交換

階梯折射率光學(xué)

階梯折射率透鏡由于其透鏡材料內(nèi)部連續(xù)變化的折射率，可以用來(lái)替代傳統(tǒng)的球面透鏡。用平的光學(xué)表面代替曲面的光學(xué)表面。光束在透鏡里連續(xù)的彎曲，最后聚焦到同一個(gè)點(diǎn)。

折射率漸變透鏡是通過(guò)在特殊玻璃上進(jìn)行銀離子交換制成的。玻璃的組成是具有的。對(duì)比于傳統(tǒng)使用的技術(shù)，GRIN透鏡在制作和使用過(guò)程中是無(wú)毒的，對(duì)人體健康和環(huán)境是沒(méi)有危害的。

近似拋物線形狀的徑向折射率分布：

在折射率漸變聚焦透鏡內(nèi)實(shí)現(xiàn)一個(gè)余弦光線追跡，透鏡的周期長(zhǎng)度Z1-p可表示為

并且與入射光的高度和角度沒(méi)有關(guān)系（見(jiàn)圖2），n0表示透鏡中心的折射率，r表示透鏡直徑，g表示漸變常數(shù)。

    圖2 不同周期的GRIN聚焦透鏡的光線追跡

特殊透鏡的幾何長(zhǎng)度Zl可以通過(guò)透鏡的特征節(jié)距P計(jì)算得到：

可以通過(guò)選擇不同的透鏡長(zhǎng)度得到相同的折射率分布，從而實(shí)現(xiàn)不同的成像設(shè)計(jì)：

A. 1 pitch（2，3或者更多）透鏡在透鏡出射表面產(chǎn)生一個(gè)與入射表面相同的像；

B. 0.5 pitch透鏡在出射表面產(chǎn)生一個(gè)倒立的像；

C. 0.25 pitch透鏡使入射的點(diǎn)光源成為平行光。這種配置通常應(yīng)用于單?；蛘叨嗄９饫w和激光二極管的準(zhǔn)直。對(duì)于高功率的激光二極管，GRIN柱面透鏡可用于快光軸準(zhǔn)直。

D. 0.23 pitch透鏡可以準(zhǔn)直工作距離內(nèi)的點(diǎn)光源（如圖3所示）。

     圖3 GRIN圓柱透鏡

透鏡的幾何漸變常數(shù)g和透鏡的長(zhǎng)度Zl決定了焦距f和透鏡的工作距離

不同的成像需求可以通過(guò)選擇不同的透鏡長(zhǎng)度Zl來(lái)實(shí)現(xiàn)（如圖4所示）。

             圖4 GRIN透鏡成像分析圖

折射率漸變的準(zhǔn)直透鏡Max入射角由數(shù)值孔徑NA決定。在光纖光學(xué)中，數(shù)值孔徑來(lái)源于Max折射率差：

nR是透鏡邊緣折射率，d是透鏡的直徑或者厚度。

具有大數(shù)值孔徑（NA≈0.5）的GRIN透鏡是通過(guò)銀離子在特殊玻璃中的交換制成的，可以避免可見(jiàn)光范圍內(nèi)的任何著色。含有銀離子玻璃的吸收邊緣在λ0.5=370nm處。數(shù)值孔徑小（NA≤0.2）的GRIN透鏡通過(guò)鋰離子交換制成。使用玻璃時(shí)的吸收邊緣波長(zhǎng)為λ0.5=235nm。

二、漸變折射率成像光學(xué)

產(chǎn)品特點(diǎn)：

• 漸變折射率柱狀透鏡或系統(tǒng)

• 用于內(nèi)窺鏡或者其他微型化的成像應(yīng)用

• 由于是平面的，容易安裝

• 很好的離軸共軸性能

• 兩邊有AR涂層增透膜

• 無(wú)毒的銀離子和鋰離子交換

• 像差小

1、折射率漸變物鏡設(shè)計(jì)

折射率漸變物鏡是通過(guò)無(wú)毒的銀離子在玻璃中交換制成的，適合于醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用。Max視角為60°（±30°）。在工作距離內(nèi)物鏡能使物面在物鏡后表面成一個(gè)縮小的像，如圖1所示

        圖1 GRIN物鏡成像

透鏡是由圓柱直徑d和工作距離l規(guī)定的。放大率M和透鏡長(zhǎng)度Zl可通過(guò)計(jì)算得出：

式中的n0是透鏡的中心折射率，g是透鏡的漸變常數(shù)。對(duì)于不同直徑的透鏡，g可以通過(guò)不同透鏡在無(wú)限遠(yuǎn)工作距離上的透鏡長(zhǎng)度計(jì)算得到：

除了特定的工作距離，還可以根據(jù)客戶(hù)需求進(jìn)行定制。

由于折射率漸變引起的色散導(dǎo)致鏡頭的焦距隨波長(zhǎng)的變化。在可見(jiàn)光范圍內(nèi)，NA為0.5的透鏡的焦距隨波長(zhǎng)的上升增加0.017%/nm。對(duì)于1.0mm直徑的物鏡，藍(lán)光（440nm）部分的像平面大約在透鏡內(nèi)18μm處。紅光（650nm）部分的像平面大約在透鏡外18μm處。以0.5mm直徑為例，這些圖像一半的位移值是有效的。

GRINTECH的物鏡具有小場(chǎng)曲的特性。像場(chǎng)微微向內(nèi)彎曲。對(duì)于1.0mm直徑的透鏡，90%孔徑的場(chǎng)曲Max為-40μm，0.5mm直徑的Max場(chǎng)曲為-20μm。圖像的桶形畸變?cè)黾?，在透鏡邊緣，約增加14%的像高度。物鏡在同軸上的分辨率受到限制，在白光下約為400線/mm。

2、折射率漸變成像系統(tǒng)

用于內(nèi)窺鏡和其他應(yīng)用的成像系統(tǒng)由GRINTECH的物鏡，定制節(jié)距折射率漸變透鏡和棱鏡組成。