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Variable Focus Moiré Lenses
Posted: Mai 2017 | Alle "Trends in der Optik" Themen

Fokussierbare Moiré-Linsen

Variable Focus Moire Lenses

Fokussierbare Moiré-Linsen

Kontinuierliche und exakte Verstellung der Brennweite innerhalb eines großen Brennweitenbereichs

Aberrationsfrei bei monochromatischem Licht

Geeignet für Hochleistungsanwendungen

Apertur und Spektrum können angepasst werden (vom UV- bis IR-Spektrum)

Dünn und leicht

Unabhängig von der Temperatur (zwischen -20°C und 70°C)

Fokussierbare Moiré-Linsen bestehen aus speziell strukturierten, stufenförmigen, diffraktiven Optikelementen (DOEs). Die Linsen lassen sich über einen breiten Brennweitenbereich durch einfache Verdrehung der optischen Elemente fokussieren. Fokussierbare Moiré-Linsen sind bei monochromatischem Licht frei von Aberrationen und können für Wellenlängen vom UV- bis IR-Spektrum angepasst werden. Typischerweise werden Moiré-Linsen in optischen Laserbaugruppen eingesetzt, beispielsweise in variablen Strahlaufweitern oder als Elemente in Zoomobjektiven, sodass komplizierte optomechanische Verstellsysteme entfallen können.

Technisches Diagramm

Variable Focus Moiré Lenses
Rotating the 2nd element in the Variable Focus Moire Lens assembly with respect to the first provides continuous focusing of the light source. The assembly spans negative and positive focal lengths, over a range of ±50 diopters.

Häufig gestellte Fragen

  Wie werden fokussierbare Moiré-Linsen hergestellt?
Die Oberflächenstruktur der einzelnen diffraktiven Optikelemente einer fokussierbaren Moiré-Linse wird mit photolithographischen Standardverfahren hergestellt. Die entstehenden Linsenpaare erzeugen Fresnel-Zonen, die kontinuierlich angepasst werden können, um eine kontinuierlich variable Brennweite zu erzeugen.
  Welche Vorteile haben fokussierbare Moiré-Linsen?

Fokussierbare Moiré-Linsen bestehen aus einem Paar speziell strukturierter, diffraktiver Optikelemente, die mit photolithographischen Standardverfahren hergestellt werden. Diese Linsen haben einen einfacheren Aufbau als z.B. alternative photoakustische Verfahren oder Techniken mit Flüssigkeiten oder Nanomaterialien. Durch den einfachen Aufbau sind die Moiré-Linsen zudem unempfindlich gegen Änderungen der Temperatur und Schwingungen.

Außerdem sind die optischen Platten dünn, leicht und können aus unterschiedlichen Materialien hergestellt werden, auch aus Materialien, die das UV- oder IR-Spektrum transmittieren. Die Fokussierung über einen breiten Brennweitenbereich wird durch einfache Verdrehung der Platten erreicht. Dadurch entstehen bei Verwendung von monochromatischem Licht Fokuspunkte ohne Aberrationen.

  Gibt es Nachteile bei der Verwendung von fokussierbaren Moiré-Linsen?
  • Starke chromatische Aberrationen
  • Der Linsenwirkungsgrad sinkt mit zunehmender Brechkraft
  • Die Funktion ist nur für eine bestimmte Wellenlänge optimal
  • Die maximale Apertur ist begrenzt (etwa 20 mm)
  Wie hoch ist der Wirkungsgrad von fokussierbaren Moiré-Linsen?

Die Effizienz der Brechung 1. Ordnung n1 einer Moiré-Linse hängt von dem gewählten Verdrehwinkel θ ab, sodass sich folgende optische Brechkraft ergibt:

n1 = (sinc (θ2))2 (1)

Der Gesamtwirkungsgrad ist ein Produkt aus der Effizienz der Brechung und der Effizienz der Transmission nt und liegt bei etwa 96%. Bei einem Verdrehwinkel von 90° beträgt die Brechung 81% und der Gesamtwirkungsgrad damit etwa 78%.

  Wie wirkt sich die Polarisation auf die Eigenschaften aus?
Fokussierbare, diffraktive Linsen funktionieren unabhängig von der Polarisationsrichtung.
  Welche Spezifikationen müssen angegeben werden, um eine kundenspezifische, fokussierbare Moiré-Linse zu fertigen?

Für eine kundenspezifische Moiré-Linse benötigen wir folgende Angaben:

  • Linsengröße (Durchmesser, Kantenlänge usw.)
  • Freie Apertur
  • Maximale Dicke
  • Gewünschter Brennweitenbereich
  • Gewünschter Wellenlängenbereich
  • Gewünschter Wirkungsgrad bei maximaler optischer Brechung
  Welcher Brechkraftbereich und welche numerische Apertur (NA) sind bei einer fokussierbaren Moiré-Linse zu erwarten?
n1 = (sinc (θ2))2 (1)

Sofern die photolithographische Verarbeitungseinheit der DOE Oberfläche im Wellenlängenbereich liegt (was außerhalb des UV-Bereichs immer zutrifft), kann die Brechkraft (D) einer Moiré-Linse mit folgender Formel berechnet werden:

D = θ (2)

Hierbei steht θ für den aktuellen Verdrehwinkel der DOEs und A für die freie Apertur der Linse.

Gleichung 1 zeigt, dass die Diffraktion der Moiré-Linse bei einem Verdrehwinkel von ±90º (θ = ±π2) über 80% liegt. Für diese Linse ergibt sich folgender Brechkraftbereich:

D = ±12A = ±50 Dpt

Dies bedeutet, dass die Brechkraft der Moiré-Linse umgekehrt proportional zur Apertur ist. Die numerische Apertur hat über die gesamte Modulation der Brechkraft einen konstanten Wert (in dem oben beschriebenen Beispiel NA = 0,24).

  Welche Wellenlängen werden unterstützt?

Fokussierbare Moiré-Linsen können für Wellenlängen vom UV- bis zum IR-Spektrum gefertigt werden. Das Moiré-Muster der DOEs muss auf eine bestimmte Wellenlänge abgestimmt sein; der maximale Wirkungsgrad wird erreicht, wenn die Strukturhöhe einem ganzzahligen Vielfachen der Designwellenlänge entspricht (Phasenverschiebung 2π). Begrenzender Faktor bei der Entwicklung von DOEs sind die Transmissionseigenschaften des Substrats. Quarzglas wird häufig für Anwendungen im UV- und sichtbaren Spektrum eingesetzt, Germanium ist bei IR-Anwendungen beliebt.

Schulungsmaterialien

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Theoretische Grundlagen zu Moiré-Linsen

Verstellbare Brechkraft der diffraktiven Moiré-Elemente

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Veranschaulichung von Moiré

Veranschaulichung fokussierbarer Moiré-Zerstreuungslinsen

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