Linse
Was ist eine Linse?
Eine Linse ist eine optische Komponente aus einem transparenten Material, die mindestens eine gekrümmte Oberfläche hat. Ihre Hauptfunktion ist die Brechung (Umlenkung) der durchgelassenen Lichtstrahlen, die entweder zu einem Brennpunkt konvergiert oder zur Streuung des Lichts divergiert werden. Die Anwendungen von Linsen sind außerordentlich vielfältig und reichen von Brillen, Kameras und Autoscheinwerfern bis hin zu Lasersystemen, Virtual-Reality-Brillen und faseroptischen Netzwerken.
Linsen sind grundlegende optische Komponenten, die aus verschiedenen transparenten Materialien wie Glas (für sichtbares Licht) oder ZnSe (für Infrarotstrahlung) hergestellt werden und das Licht durch Brechung manipulieren. Durch diese Interaktion ändert sich die Ausbreitungsrichtung der Lichtstrahlen beim Durchgang durch die Linse, sodass sie konvergieren oder divergieren.
Die Form einer Linse – ob konvex, konkav oder eine komplexere Form – bestimmt ihre spezifischen Auswirkungen auf das Licht. In der Regel bedeutet dies, dass die Strahlen entweder zu einem einzigen Punkt gebündelt werden, um sie abzubilden oder zu bündeln, oder dass sie auseinandergezogen werden, um die Intensität zu verringern oder das Sichtfeld zu vergrößern. Aufgrund dieser einzigartigen Fähigkeit, Licht zu lenken und zu fokussieren, sind Linsen in einer Vielzahl optischer Geräte unverzichtbar, von der einfachen Lupe bis hin zu den komplexen Baugruppen, die in fortschrittlichen wissenschaftlichen Instrumenten eingesetzt werden.
Grundlegende Funktionsprinzipien von Linsen
Linsen funktionieren durch Brechung, ein optisches Phänomen, das auftritt, wenn Licht von einem Material in ein anderes Material mit einem anderen Brechungsindex fällt. Der Brechungsindex eines Materials gibt an, wie sehr sich das Licht „verlangsamt“, wenn es sich in diesem Material bewegt. Genauer gesagt ist der Brechungsindex definiert als das Verhältnis zwischen der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum und der Lichtgeschwindigkeit im Material.
Diese „Verlangsamung“ führt dazu, dass Lichtstrahlen ihre Richtung ändern (sich biegen oder brechen), wenn sie in einem anderen Winkel als dem senkrechten zur Oberfläche in das Material eintreten. Das Ausmaß, in dem das Licht umgelenkt wird, hängt von dem Winkel ab, in dem es auf die Grenze zwischen den beiden Medien trifft, und ihren jeweiligen Brechungsindexwerten. Diese Beziehung wird durch eine Gleichung quantifiziert, die als „Snelliussches Gesetz“ bezeichnet wird und die in der Abbildung dargestellt ist.
Die Brechung (Richtungsänderung) eines Lichtstrahls, der von einem Material in ein anderes geht, wird durch die einfache Gleichung, das so genannte Snelliussche Gesetz, bestimmt. Auf einer gekrümmten Oberfläche variiert die Ausrichtung einer imaginären Linie, die senkrecht zu dieser Oberfläche verläuft, mit der Position. Somit variiert auch der Winkel, in dem die Lichtstrahlen gebrochen werden, mit der Position, und zwar immer in Übereinstimmung mit dem Snelliusschen Gesetz.
Das Snelliussche Gesetz erklärt nicht nur, wie sich das Licht bricht, sondern ist auch die Grundlage für die Gestaltung und Funktion von Linsen. Durch die Formgebung einer Linse mit einer bestimmten Krümmung können Optikingenieure den Weg des Lichts durch die Linse steuern und die Lichtstrahlen je nach Bedarf für verschiedene Anwendungen fokussieren oder streuen. Die Fähigkeit, Licht auf diese Weise zu manipulieren, ist die Grundlage der optischen Technologie und einer Vielzahl von wissenschaftlichen und alltäglichen Anwendungen.
Gängige Linsentypen
Es gibt zwar eine Vielzahl von Linsentypen, aber die meisten lassen sich in ein paar große Gruppen einteilen. Die grundlegendste Unterscheidung ist, ob die Oberfläche konvex oder konkav ist. Eine konvexe Oberfläche wölbt sich nach außen, während eine konkave Oberfläche nach innen gewölbt ist.
Die drei Oberflächenformen – konvex, konkav oder flach – können auf insgesamt sechs verschiedene Arten kombiniert werden, wie im Diagramm dargestellt (unter der Annahme, dass mindestens eine Oberfläche gekrümmt ist). Wenn die Kombination eine Linse ergibt, die in der Mitte dicker ist als an den Rändern, dann handelt es sich um eine Positivlinse. Eine Positivlinse bündelt das Licht – sie fokussiert es nach unten.
Wenn die Linse an den Rändern dicker ist als in der Mitte, handelt es sich um eine Negativlinse. Eine Negativlinse divergiert oder streut das Licht.
Die sechs grundlegenden Linsenformen sind hier abgebildet. Die Positivlinsen bündeln Lichtstrahlen in einem Brennpunkt. Die Negativlinsen streuen die Lichtstrahlen, sodass sie sich ausbreiten.
Linsenformen
Die nächste Unterscheidung (nach der Frage, ob die Oberflächen konvex oder konkav sind) ist die Form der Kurve. Konkret bedeutet dies, dass jede Oberfläche sphärisch, asphärisch, zylindrisch oder etwas noch Komplexeres, wie eine Freiform, ist. Die Grafik veranschaulicht dies.
Jede Linsenoberfläche kann ein Ausschnitt einer Kugel, eine asphärische Form oder ein Zylinder sein, oder sie kann flach (plano) sein.
Warum brauchen wir all diese verschiedenen Linsenformen? Ein Grund dafür ist, dass die vorherige Aussage, dass eine sphärische Linse alle Strahlen auf einen gemeinsamen Brennpunkt lenkt, nicht ganz richtig ist. Wenn parallele Strahlen auf eine sphärische Linse treffen, werden die Strahlen, die in Richtung des Randes der Linse eintreten, auf einen etwas näheren Punkt fokussiert als die, die in der Nähe der Mitte eintreten. Infolgedessen ist der fokussierte Punkt kein perfekter Punkt. Dieses Problem – „sphärische Aberration“ (Öffnungsfehler) genannt – verringert die Auflösung von Bildgebungssystemen und schränkt die Möglichkeit ein, Laser auf sehr kleine Punktgrößen zu fokussieren.
Eine sphärische Linse fokussiert nicht alle Strahlen in genau demselben Punkt, was die Leistung einschränkt. Eine asphärische Linse kann dieses Problem vermeiden. Aber keine Linse kann aufgrund der Beugung, deren Auswirkungen hier nicht gezeigt werden, einen perfekten Punktfokus erreichen.
Es gibt mehrere Möglichkeiten, dieses Problem zu lösen. Die erste ist die Verwendung einer Linse, die keine sphärische Oberfläche hat: eine Asphäre. Diese haben keine sphärische Aberration.
Eine andere Lösung besteht darin, mehrere Linsen miteinander zu kombinieren, anstatt nur eine einzige Komponente zu verwenden. Die Entwicklung eines Linsensystems mit mehreren Oberflächen ermöglicht es dem Optikdesigner, die sphärische Aberration und verschiedene andere leistungsbegrenzende Aberrationen zu minimieren.
Die Kombination mehrerer Linsen kann ein weiteres Problem lösen, das bei jeder Linse mit nur einem Element auftritt, egal ob sphärisch oder asphärisch. Dabei handelt es sich um die Tendenz der Linse, außeraxiales Licht auf eine gekrümmte Oberfläche zu fokussieren, anstatt auf eine Ebene. Da die meisten Bildsensoren flach sind und viele Anwendungen in der Materialbearbeitung ebenfalls eine Fokussierung auf eine flache Oberfläche erfordern, ist diese „Feldkrümmung“ ein häufig auftretendes Problem.
Mehrere Linsenelemente können kombiniert werden, um die Bildfeldwölbung zu beseitigen und viele andere Aberrationen und Leistungsprobleme zu korrigieren.
Zylinderlinsen verhalten sich genauso wie die gerade beschriebenen sphärischen und asphärischen Oberflächen, allerdings nur in einer Dimension. Eine positive Zylinderlinse fokussiert das Licht also nicht auf einen Punkt, sondern auf eine Linie.
Eine Zylinderlinse fokussiert nur in einer Dimension und wird häufig zur Bildung von Linienstrahlen verwendet.
Zylinderlinsen haben viele Anwendungen. Sie werden zum Beispiel als Laserliniengeneratoren verwendet – die Powell-Linse ist eine Art asphärische Zylinderlinse, die speziell für die Erzeugung einer Laserlinie mit gleichmäßiger Intensitätsverteilung geformt ist. Zylinderlinsen können auch verwendet werden, um den asymmetrischen Ausgang der meisten Diodenlaser in einen kreisförmigen Strahl zu verwandeln.
Zylindrische Linsenelemente werden auch häufig in anamorphotischen Linsen verwendet. Diese werden in der Kinematographie (Filmfotografie) verwendet, um ein Breitwandbild auf einem Standard-Filmbild oder einem digitalen Sensor einzufangen. Die anamorphotische Linse quetscht das breite Sichtfeld auf ein schmaleres Aufnahmemedium. Das breitere Format wird dann bei der Projektion oder digitalen Nachbearbeitung wieder auf sein ursprüngliches Seitenverhältnis gestreckt.
Linsenmaterialien
Linsen werden aus Materialien hergestellt, die Licht durchlassen, und es gibt viele solcher optischen Materialien, die derzeit verwendet werden. Jedes Material wird für eine bestimmte Anwendung auf der Grundlage seiner spezifischen Kombination von optischen, mechanischen, thermischen und manchmal sogar chemischen Eigenschaften ausgewählt.
Die optischen Eigenschaften sind oft der kritischste Faktor, und dies ist in der Regel der Ausgangspunkt für die Auswahl eines Linsenmaterials. Insbesondere der Transmissionsbereich ist häufig ein Schlüsselfaktor. Denn wenn das Material die gewünschte Wellenlänge nicht durchlässt, kann daraus keine Linse hergestellt werden.
Optische Gläser sind die am weitesten verbreiteten Materialien für Präzisionslinsen (z. B. für Laser- oder Instrumentenanwendungen), die im sichtbaren und nahen Infrarot arbeiten. ZnSe ist das beliebteste Material für CO₂-Laserlinsen und auch für viele andere Anwendungen im Infrarotbereich.
Kunststoffe sind bei Brillen und Kontaktlinsen für Verbraucher sehr verbreitet. Der Grund dafür ist, dass sie leicht und stoßfest sind, sich leicht in praktisch jede Form bringen lassen und relativ kostengünstig sind. Aber sie sind viel kratzempfindlicher als Glaslinsen. Polycarbonat und ein Polymer namens „CR39“ werden für die meisten Brillengläser verwendet, und „Hydrogel“ ist das Hauptmaterial für weiche Kontaktlinsen.
Coherent stellt zahlreiche verschiedene Linsentypen für Präzisionsanwendungen her, von einzelnen Komponenten bis hin zu komplexen Multielement-Systemen, wie z. B. F-Theta-Scanoptiken und IR-Wärmebild-Linsen. Erfahren Sie mehr über Coherent Optics.