球面収差
軸上の光が平行になるとき、理想的なレンズにより焦点が合います。あらゆる光線は、スポットサイズ・チュートリアルの回析式で決定される直径を伴うスポットを形成しながら、単一ポイントで光学軸を横切ります。ただし、多数のレンズは、球面収差と呼ばれる現象を示します。この現象は、図3に表示されているように、レンズセンターを通過しないで光学軸を横切ってレンズに近づくために、光線がレンズエッジの近くで衝突する原因となります。球面収差は、スポットサイズが拡大し、計算された効果的な焦点距離ではなく、別のロケーションでベストフォーカスが生じる原因となります。
いくつかの要素の機能である球面収差には、レンズ形状、方向、屈折率などがあります。たとえば、最低スポットサイズに対して可視光線の焦点を合わせるために使用されるクラウンガラスレンズの形状は、両凸面レンズです。反対に、16µmで使用されるZnSeレンズで、最小スポットサイズのベストデザインは、メニスカスレンズです。
特殊な条件下の任意のレンズの正確なスポットサイズは、光線追跡により決められます。ただし、ベストフォームの球状収差のためにスポットサイズを見積もる便利な式では、
ここで、
- fはレンズの焦点距離
- Dは、レンズの入力ビーム径（1/e2ポイントで）
- kは、屈折率機能
以前の式からわかる最も大切なポイントは、球面収差によるスポットサイズが、ビーム径の3乗と比例し、焦点距離の2乗と反比例することです。こうして、任意のレンズでレーザービーム径が小さくなると、スポットレンズは球面収差のために急速に縮小します。同様に、任意のレーザービーム径で焦点距離が増大するにつれて、球面収差のスポットサイズは再び縮小します。列挙したすべての材料に対して、k値は、平凸レンズではなくメニスカスレンズで有意に小さくなります。こうして、球面収差が有意の場合、メニスカスレンズは、平凸レンズより優れた働きをします。
次の表では、10.6µmでいくつかの材料にK値が与えられています。
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