会社のニュース 光学レンズ：種類と機能の詳細な考察

光学レンズ：種類と機能の詳細な考察

「レンズ」という名前自体が、その光を透過する性質を明らかにしています。レンズは主に透明な材料で作られています。これらの材料は可視光に対して不透明である可能性がありますが、特定の波長の光を透過させます。したがって、レンズは特定の波長に対する光透過デバイスと見なすことができます。たとえば、一般的なCO2フィールドレンズはガリウムヒ素（GaAs）でできており、人間の目には不透明ですが、CO2レーザー光のレンズとして機能します。

次に、レンズの多様な種類と機能について掘り下げていきます。レンズの主な機能は、光の屈折にあり、平行光の集光と点光源のコリメーションを可能にします。レンズにはさまざまな形状があり、一般的に凸レンズと凹レンズがあります。凸レンズは中央が厚く、端が薄いことが特徴で、凹凸レンズ、平凸レンズ、両凸レンズに分類されます。凹レンズは反対に、中央が薄く、端が厚く、両凹レンズ、平凹レンズ、凹凸レンズが含まれます。凹凸レンズの分類は、その曲率の程度によって変わる可能性があることに注意することが重要です。

レーザー業界では、集光レンズ、コリメートレンズ、ビームエキスパンダーなど、さまざまな種類のレンズを頻繁に目にします。

集光レンズ

集光レンズは、平行ビームを点光源に集光するもので、広く使用されています。さらに、特定の用途のニーズを満たすために、非球面レンズやアクロマートレンズなどの特殊な集光レンズがあります。

• 1.非球面集光レンズ： これらは、球面収差を排除するために使用されるレンズで、複合非球面集光レンズと単一非球面レンズが含まれます。球面収差とは、レンズの球形形状による光の不均一な集光を指します。つまり、レンズの中心に近い光線は、端の光線とは異なる点で集光します。これにより、ビーム全体が単一点に集中せず、より長い距離に広がり、切断品質に影響を与えます。この問題を解決するには、球面収差を補正するために2つまたは3つのレンズ要素を組み合わせた集光レンズを使用するか、単一非球面レンズを使用できます。これらのうち、単一非球面レンズが最良の選択肢ですが、より高価です。このような複合非球面レンズと単一非球面レンズは、YAGカッターの時代には一般的でしたが、ファイバーレーザーの普及に伴い、その使用は徐々に減少しています。

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• 2.単一要素集光レンズ：この用語は、複合非球面集光レンズに対して使用されます。単一要素レンズは1つのレンズピースで構成されており、構造が単純です。ただし、球面収差の一部しか補正できないため、その有効性は、多要素複合集光レンズの性能に及ばない可能性があります。ファイバーレーザーの採用が増加している背景から、単一要素集光レンズの使用は徐々に減少していますが、依然として一定の市場需要を維持しています。

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• 3.単一要素レンズの球面収差特性と複合非球面レンズとの比較： 主に1つのレンズピースで構成される単一要素集光レンズは、構造が単純ですが、球面収差の一部しか補正できないため、その性能が多要素複合集光レンズよりもわずかに劣る可能性があります。ただし、ファイバーレーザーの採用が増加する傾向の中で、依然として一定の市場需要を維持しています。一方、複合非球面レンズは、正と負のレンズ要素を巧みに組み合わせることにより、球面収差補正を実現します。具体的には、正レンズと負レンズを組み合わせ、正レンズの正の球面収差値が負レンズの負の球面収差値を正確に相殺する場合、このレンズの組み合わせは球面収差を効果的に排除できます。これが、複合非球面レンズの独自の動作原理です。

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• 4.アクロマートレンズ： レンズ材料が異なる波長の光に対して異なる屈折効果を持つため、実際には色収差に遭遇する可能性があります。たとえば、ファイバーレーザーマーキングまたは溶接機での同軸視覚アライメント中に、標準レンズを使用した場合、CCD視野が鮮明なときに、切断または溶接結果が理想的ではなく、良好な処理結果を得るために焦点位置の微調整が必要になる場合があります。ただし、最適な処理結果を得るために焦点を調整すると、視野が再びぼやけます。これは主に色収差が原因です。具体的には、凸レンズは短い波長に対してより強い屈折能力を持ち、長い波長に対しては弱い屈折能力を持ちます。凹（負）レンズは反対に、短い波長に対してより強い発散能力を持ち、長い波長に対しては弱い発散能力を持ちます。この理解に基づいて、凸レンズと凹レンズで構成されたレンズシステムを設計して、色収差の影響を排除できます。ただし、アクロマートレンズの需要は比較的少ないため、その価格は通常高くなることに注意する必要があります。

コリメートレンズ：原理と機能

コリメートレンズは、その名前が示すように、点光源を平行ビームに変換するレンズです。その動作原理は、集光レンズの正反対です。点光源を集光レンズの1つの焦点距離に配置すると、レンズの反対側に平行ビームが形成されます。この変換プロセスが、コリメートレンズの基本的な機能です。

ファイバーコリメートレンズ：用途と調整

ファイバーコリメートレンズは、ファイバー切断ヘッドやファイバー溶接ヘッドなどの用途で重要な役割を果たします。特定の用途で球面収差または色収差の除去が必要な場合は、複合ビームコリメートレンズを使用してこのニーズを満たすことができます。

ビームエキスパンダー

さらに、ビームエキスパンダーは一般的な光学部品であり、その機能はビームを拡大することです。コリメートレンズとビームエキスパンダーの両方が平行ビームを出力しますが、その動作原理と構造は異なります。コリメートレンズは点光源を入力として受け取り、平行ビームを出力し、点光源はレンズの1つの焦点距離に配置する必要があります。一方、ビームエキスパンダーは平行ビームを入力として受け取り、平行ビームを出力し、単に平行ビームを拡大し、光源の位置はほとんど影響しません。ビームエキスパンダーの具体的な設計と用途については、私の他の記事を参照して、より深く理解することができます。

ラインジェネレーターレンズ：用途

ラインジェネレーターレンズの機能は、平行ビームをより長い光線に変換し、ファン状に広げることです。このタイプのレンズは、製品の平坦度を検出する潜在的な用途価値があります。光を点灯させて製品をスキャンすることにより、隆起または凹んだ部分が光を遮断し、製品の平坦度を明らかにします。

ラインライトコリメートレンズ：用途

ラインライトコリメートレンズは、平行ビームを直線状の平行光に正確にコリメートするように設計されています。このプロセスには、円筒状の凹レンズを使用して平行光を発散させ、次に凹レンズの仮想焦点と一致する焦点を持つ円筒状の凸レンズを使用してビームをコリメートすることが含まれます。さらに、このタイプのラインライトコリメートレンズは、表面の平坦度を検出するためにも使用できますが、その具体的な用途は状況によって異なる場合があります。

ウェッジプレート：用途

ウェッジプレートは、前面と背面が平行でない角度を持つレンズです。レーザーがそのようなレンズを通過すると、ビームは特定の角度で偏向します。この特性は、振動溶接ヘッドで使用されます。ウェッジプレートが回転すると、偏向したレーザービームも回転し、円形パターンをトレースし、リング状のスポットを形成します。2つのウェッジプレートを組み合わせることで、このリングの直径を調整できます。直径のサイズは、2つのプレートの相対的な偏向角度に依存します。