Rompre les règles traditionnelles de la conception des lentilles

Les lentilles achromatiques font partie des composants optiques les plus couramment utilisés. Historiquement, elles se composaient de deux lentilles collées ensemble pour corriger l'aberration chromatique et amener au moins deux longueurs d'onde de lumière à un point de focalisation commun. Les lentilles achromatiques asphérisées mono-matériaux sont un nouveau type de lentille qui brise cette règle présumée en utilisant une géométrie unique - plutôt que des matériaux multiples - pour les performances achromatiques. Elles présentent une bande passante plus large que les lentilles achromatiques traditionnelles, aucune différence de coefficient de dilatation thermique (CTE) entre des matériaux multiples, et une compatibilité avec les lasers de haute puissance car aucune colle n'est nécessaire pour lier des matériaux.

Les règles sont censées être enfreintes

Les lentilles achromatiques sont généralement composées de deux éléments de lentille collés ensemble : un élément positif en verre « crown » à faible indice de réfraction et un élément négatif en verre « flint » à indice de réfraction élevé. Les lentilles achromatiques asphérisées permettent de contourner la nécessité d'utiliser plusieurs matériaux grâce à une géométrie asphérique innovante et complexe (figure 1).

Figure 1 : Schéma d'une lentille achromatique asphérisée mono-matériau de MATLAB. Seule la moitié de l'ouverture de la lentille est illustrée.

La conception et l'optimisation de ces lentilles ont nécessité l'élaboration d'un code de conception optique personnalisé, car les programmes de conception optique disponibles, tels que OpticStudio® de Zemax et Code V de Synopsis, ne permettaient pas de définir ces surfaces asphériques complexes. Le code MATLAB personnalisé offre une plus grande liberté de conception en évitant les contraintes des représentations mathématiques communément acceptées des surfaces asphériques. Vous trouverez plus de détails sur le développement du code personnalisé dans les actes de la conférence publiés par SPIE LASER 2020..¹

Avantages des lentilles achromatiques asphérisées mono-matériaux

Les lentilles achromatiques asphérisées mono-matériaux offrent un certain nombre d'avantages par rapport aux lentilles achromatiques multi-matériaux conventionnelles. La minimisation du décalage focal chromatique est particulièrement importante pour les lentilles achromatiques, car on souhaite généralement que plusieurs longueurs d'onde se focalisent en un seul point de l'axe optique avec un étalement chromatique minimal des autres longueurs d'onde intra-bande. La figure 2 compare le décalage focal chromatique nominal d'une lentille achromatique à matériau unique et d'un doublet traditionnel équivalent, révélant que la lentille achromatique à matériau unique surpasse nettement le doublet traditionnel dans l'axe.

Figure 2 : Le décalage chromatique focal nominal de 10 µm d'un achromat mono-matériau de 100 mm, 0,097 NA, est une amélioration de 20X par rapport au décalage focal chromatique nominal de 200 µm de #32-327, qui est un doublet achromatique d’une distance focale de 100 mm et 0,013 NA.

Les lentilles achromatiques mono-matériaux sont compatibles avec des lasers de plus grande puissance que les lentilles achromatiques multi-matériaux classiques, principalement parce qu'aucune colle optique n'est nécessaire pour lier les différents matériaux. Le seuil de dommage laser de la colle est généralement le facteur qui limite le seuil de dommage laser des doublets achromatiques conventionnels.²

L'absence de colle rend également les lentilles achromatiques mono-matériaux plus stables thermiquement, car il n'y a pas de différences de CTE entre plusieurs matériaux. Les différences de CTE entre les verres crown et flint dans un doublet achromatique conventionnel peuvent entraîner une tension et une défocalisation induites thermiquement.

Les défis de la fabrication

La géométrie unique des lentilles achromatiques mono-matériaux les rend plus difficiles à fabriquer que de nombreux autres composants optiques. Edmund Optics® a fraisé au diamant des lentilles achromatiques mono-matériaux à partir de Zeonex E48R, un plastique optique couramment utilisé ; elles peuvent également être fraisées au diamant à partir d'autres matériaux, notamment le germanium et le silicium.

Ces lentilles doivent être fabriquées par fraisage au diamant, plutôt que par meulage et polissage conventionnels, pour former la géométrie requise. Un certain nombre de répétitions est nécessaire pour affiner l'alignement entre les surfaces avant et arrière. Ceci est accompli par une boucle de rétroaction des données de profilométrie et de la localisation cinématique du point de référence du fraisage au diamant, y compris les zones annulaires plates et le diamètre extérieur.¹

Tester les performances dans le monde réel

Pour évaluer dans quelle mesure les performances des lentilles achromatiques fabriquées en un seul matériau correspondaient à leurs performances nominales, le décalage focal chromatique de 18 lentilles échantillons a été déterminé en mesurant la position du meilleur foyer à différentes longueurs d'onde de 450 à 650 nm à l'aide d'un banc d'essai Optikos FTM et d'une série de filtres optiques de 10 nm de largeur de bande, comme le montre la figure 2. Tous les détails des tests sont disponibles dans les actes de la conférence SPIE LASER 2020.¹

Les valeurs de décalage focal chromatique des 18 échantillons de lentilles achromatiques asphérisées mono-matériaux étaient comprises entre 49 et 75 µm. Pour référence, le doublet achromatique équivalent de la figure 2 a été mesuré selon une méthode identique et présentait un décalage focal chromatique d'environ 210 µm. Bien que les lentilles achromatiques mono-matériaux aient connu une certaine dégradation de leurs performances en raison des tolérances de fabrication par rapport à leurs performances nominales, elles ont nettement surpassé le doublet achromatique classique par un facteur de trois (figure 3).

Figure 3 : La comparaison du décalage focal chromatique mesuré de 18 lentilles achromatiques mono-matériaux différentes avec celui d'un doublet achromatique traditionnel montre que les lentilles achromatiques mono-matériaux ont un décalage focal chromatique nettement inférieur.