作者：戴xl 时间：2024-10-31
GRIN透镜又称为梯度变折射率透镜、梯度折射率透镜、非均匀介质透镜，通常简称为梯度透镜（GRIN透镜）。德国GRINTECH的GRIN透镜凭借独特的折射率连续变化技术，在梯度光学领域展现出卓越的创新应用和显著优势。其精湛的光学设计和简单的几何形状，不仅确保了高精度成像，还实现了成本效益的最大化。无论是在微光学系统还是内窥镜等领域，梯度透镜都表现出色，为各种梯度光学应用提供了可靠的解决方案。GRINTECH致力于为客户提供定制化、高性能的光学产品，推动光学技术不断向前发展。
GRIN透镜/梯度透镜的工作原理
传统透镜的工作原理：入射光线进入形状特定的透镜表面时，由于折射率从空气到均匀材料的突然变化而发生折射。光线直接穿过透镜材料，直到通过透镜的出射表面再次折射，因为折射率从透镜材料到空气再次发生突然变化。透镜明确的表面形状使光线聚焦在一个点上并形成图像。传统透镜表面制造所需的高精度增加了透镜的微型化难度并提高了生产成本。
图1：（a）GRIN 透镜；（b）传统球面透镜
GRIN透镜的工作原理：其性能取决于透镜材料内折射率的连续变化，使用平面光学表面代替复杂形状的表面。光线在透镜内不断弯曲，最终聚焦在一个点上。微型化的透镜可制造至厚度或直径为0.2毫米。简单的几何形状使生产极具成本效益，并大大简化了产品的装配。改变透镜长度可以灵活地调整透镜参数，如焦距和工作距离，以满足特殊要求，而无需高额的研发努力和成本。例如，适当选择透镜长度可使像平面直接位于透镜表面平面上，以便诸如光纤等光源可以直接粘合在透镜表面上。
GRIN透镜/梯度透镜的生产
GRINTECH通过在特殊玻璃中进行银和锂离子交换来生产GRIN透镜。与传统用于制造GRIN透镜的铊技术相比，这种独特的GRINTECH关键技术无毒，对生产者和用户均无健康和环境风险，并且能够精确实现折射率分布的特殊形状。通过银离子交换，GRINTECH实现了高达0.145的折射率变化，与通过铊离子交换达到的相似。将银离子嵌入玻璃或从玻璃中去除它们，可以生产出数值孔径高达0.5、接受角度高达60°的聚焦和发散透镜，用于可见和红外光谱范围。这两个过程在棒和板中进行，从而产生具有平面光学表面的棒透镜和柱面透镜。
光学设计的技术细节
1.物线形状的径向折射率分布实现了梯度变折射率透镜（梯度折射率透镜）内连续的余弦射线轨迹，其周期或节距长度P不依赖于光线的入射高度和入射角度。
图2：不同节距的GRIN自聚焦透镜内的光线轨迹
2. 通过选择不同的透镜长度，可以使用相同的折射率分布实现各种成像设计：
① 四分之一节距透镜将透镜入射表面上的点光源成像到无穷远或使其准直。此配置通常用于单模和多模光纤以及激光二极管的准直。对于高功率激光二极管，GRIN柱面透镜用于快速轴对称准直。它们与其他GRIN组件易于集成到紧凑的微光学系统中。
② 半节距透镜将入射表面上的物体成像在透镜的出射表面上倒置（放大倍数M = -1）。
③ 1（2、3或更多）节距透镜将入射表面上的物体在出射表面上相同地成像（放大倍数M = +1）。这些透镜在内窥镜中用作中继透镜，将图像从内窥镜的前部传输到目镜（见图3）。
④ 内窥镜物镜比四分之一节距透镜稍长，在典型的工作距离（3至25毫米之间）和大视角下，将待观察的物场成像在透镜出射表面上的缩小比例上。GRINTECH通过在特殊玻璃中进行无毒的银离子交换来生产这些透镜。通过将物镜和中继透镜直接粘合，实现了完整的内窥镜成像系统。改变观察方向的棱镜易于安装在物镜的平坦入射表面上。
⑤ 通过选择适当的透镜长度zl，可以实现各种放大倍数M和工作距离s。
图3：GRIN内窥镜
折射率分布和其他参数
1. 为确保最佳成像质量，折射率分布必须最准确地符合理想形状。对于自聚焦透镜，理想形状由函数描述，该函数与抛物线略有偏差，其最大折射率n0位于分布的中心。节距长度P由梯度常数g决定。
2. 几何梯度常数g表征折射率梯度的陡度，与透镜长度zl一起决定透镜的焦距f和工作距离s。
3. GRIN准直透镜的最大接受角度或GRIN物镜的最大视角J分别由数值孔径NA决定。如在光纤光学中，它源自GRIN分布的最大梯度折射率变化，其中nR是分布边缘的折射率，d是透镜的直径或厚度。
图4：GRIN发散透镜中的光线轨迹
GRIN发散透镜的应用与特性
除了自聚焦透镜，GRINTECH还提供具有平面光学表面的高数值孔径（NA 0.5）的GRIN发散透镜。通过抛物线形状的折射率分布实现发散透镜，折射率n0的最小值位于分布的中心。透镜的非常短的焦距f也由透镜长度zl决定。然而，在这种情况下不会获得光线的周期性路径。这些透镜应用于微光学望远镜和扫描仪的生产。
具有高数值孔径（NA 0.5）的GRIN透镜通过在特殊玻璃中进行银离子交换生产，避免了在可见光谱范围内的任何着色。含银玻璃的吸收边缘发生在波长λ0.5 = 370纳米处。低数值孔径（NA≤0.2）的GRIN透镜通过锂离子交换制造。所使用玻璃的吸收边缘在波长λ0.5 = 235纳米处。详细规格可咨询我们。
GRINTECH通过独特的折射近场方法（RNF）表征折射率分布。准直透镜的质量通过剪切干涉测量法验证，并由波前误差的均方根值描述。快轴准直柱面透镜还通过高功率二极管激光设置进行额外测试。内窥镜透镜的图像质量通过使用CCD相机记录网格物体（周期低至1微米）的图像来表征。
总之，GRINTECH 的 GRIN 透镜凭借其独特的性能和优势，在梯度光学领域展现出了巨大的潜力。随着技术的不断进步和应用需求的不断增长，相信 GRIN 透镜将在更多领域发挥重要作用，为人们带来更加优异的光学体验和解决方案。GRINTECH 也将继续致力于研发和创新，推动 GRIN 透镜技术的不断发展，为光学行业的繁荣做出更大的贡献。
