Considérations relatives à l’utilisation de lentilles cylindriques

Les lentilles cylindriques ressemblent aux lentilles sphériques dans le sens où elles utilisent des surfaces incurvées pour faire converger ou diverger la lumière. Cependant, les lentilles cylindriques ont une puissance optique dans une seule des dimensions, n'ayant aucun effet sur la lumière de la dimension perpendiculaire. Cela ne peut pas être réalisé en utilisant des lentilles sphériques standard, car la lumière se concentre ou diverge uniformément de manière symétrique en rotation. Les lentilles cylindriques jouent un rôle important dans la manipulation et le modelage de la lumière laser et sont utilisées pour former des nappes de lumière laser et circulariser des faisceaux elliptiques. En raison de la nature asymétrique des lentilles cylindriques et des processus de fabrication spécialisés requis, il est important que le centrage, le coin et la torsion axiale soient spécifiés et correctement contrôlés.

C'est pourquoi la fabrication des lentilles cylindriques nécessite un équipement et des compétences spécifiques, ainsi qu'un système de coordonnées unique pour référencer efficacement les caractéristiques d'une lentille. Deux directions orthogonales définissent le système de référence : la direction de la puissance et la direction de la non-puissance. La première direction est appelée « direction de puissance » parce qu’elle s'étend le long de la longueur incurvée de la lentille, et constitue le seul axe ayant une puissance optique (Figure 1). La seconde direction est appelée « direction de non-puissance » car elle s'étend sur la longueur de la lentille sans aucune puissance optique. La longueur de la lentille cylindrique le long de la direction de non-puissance peut s'étendre sans affecter la puissance optique de la lentille. Les lentilles cylindriques peuvent avoir une variété de facteurs de forme, notamment des formes rectangulaires, carrées, circulaires et elliptiques.

Figure 1 : Directions de puissance et de non-puissance dans les lentilles cylindriques rectangulaires et circulaires

Erreurs, aberrations et spécifications

Aucun processus de fabrication n'est exempt d'imperfections, et la fabrication des lentilles cylindriques ne fait pas exception, ce qui rend inévitables de petites erreurs géométriques. Un mauvais alignement au cours du processus de polissage peut entraîner un certain nombre d'erreurs mécaniques spécifiques aux lentilles cylindriques qui peuvent causer des aberrations optiques et avoir un impact négatif sur les performances. Par conséquent, ces erreurs doivent être étroitement contrôlées pour garantir la performance de la lentille. Ces erreurs sont définies par rapport à des points de référence géométriques, notamment la face plane de la lentille et les bords de la lentille.

Coin

Dans un cylindre idéal, le côté plan de la lentille est parallèle à l'axe du cylindre. L'écart angulaire entre le côté plan de la lentille et l'axe du cylindre est connu sous le nom de coin, qui est généralement mesuré en minutes d'arc (Figure 2). Cet angle est déterminé en mesurant les deux épaisseurs de la lentille et en calculant l'angle entre elles. Le coin entraîne un décalage de l'image dans la direction opposée à la puissance, tout comme le coin dans une fenêtre. 

Figure 2 : Exemple de coin exagéré causé par une différence d'épaisseur de l'extrémité dans la direction non puissante d'une lentille cylindrique

Centrage

L'axe optique de la surface incurvée est parallèle aux bords de la lentille dans une lentille cylindrique idéale (Figure 3). À l’instar du décentrage d'une surface avec puissance optique dans une optique sphérique, l'erreur de centrage d'une lentille cylindrique est une déviation angulaire de l'axe optique par rapport aux bords de la lentille. Cet angle de centrage (α) fait que les axes optique et mécanique de la lentille ne sont plus colinéaires, ce qui entraîne une déviation du faisceau. Si les bords de la lentille sont utilisés comme référence de montage, cette erreur peut rendre l'alignement optique très difficile. Toutefois, si les bords de la lentille ne sont pas utilisés comme référence de montage, il est possible d'éliminer cette erreur en décentrant la lentille dans la bonne direction. Plus le diamètre d'une lentille cylindrique est grand, plus la différence d'épaisseur des bords est importante pour un angle de centrage donné.

Figure 3 : Exemple d'erreur de centrage causée par une différence d'épaisseur de bord dans la direction de puissance d'une lentille cylindrique.

Torsion axiale

La torsion axiale est un écart angulaire entre l'axe du cylindre et les bords d'une lentille. La torsion axiale représente une rotation de la surface alimentée de la lentille cylindrique par rapport aux dimensions extérieures, ce qui entraîne une rotation de l'image autour du plan optique. Cela est particulièrement préjudiciable à une application où des éléments rectangulaires sont fixés par leurs dimensions extérieures (Figure 4). La rotation d'une lentille cylindrique pour réaligner l'axe du cylindre peut contrer la torsion axiale.

Figure 4 : Exemple de torsion axiale dans une lentille cylindrique

Applications

Les lentilles cylindriques sont le plus souvent utilisées dans le modelage de faisceaux laser pour corriger un faisceau asymétrique, créer une ligne ou générer une nappe de lumière. Les méthodes scientifiques modernes telles que la vélocimétrie par image de particules (PIV) et la fluorescence induite par laser (LIF) nécessitent souvent une ligne laser fine ou une nappe de lumière laser uniforme. La lumière laser structurée est également un outil important pour les applications de balayage, de mesure et d'alignement. Les diodes laser à faible coût étant désormais facilement disponibles, une autre application courante consiste simplement à circulariser la sortie elliptique d'une diode pour créer un faisceau collimaté et symétrique.

Formation d'une nappe de lumière

Une nappe de lumière est un faisceau qui diverge à la fois dans l'axe X et dans l'axe Y. Les nappes de lumière comprennent un champ rectangulaire orthogonal à l'axe optique, qui s'étend à mesure que la distance de propagation augmente. Une ligne laser générée à l'aide d'une lentille cylindrique peut également être considérée comme une nappe de lumière, bien que la nappe ait une forme triangulaire et s'étende le long de l'axe optique.

Pour créer une véritable nappe de lumière laser avec deux axes divergents, il faut une paire de lentilles cylindriques convexes ou concaves orthogonales l'une par rapport à l'autre (Figure 5). Chaque lentille agit sur un axe différent et la combinaison des deux lentilles produit une nappe de lumière divergente.

Figure 5 : Exemple de lentilles cylindriques orthogonales utilisées pour générer une nappe de lumière rectangulaire

Circularisation d'un faisceau

Une diode laser sans optique de collimation divergera de façon asymétrique. Un composant optique sphérique ne peut pas être utilisé pour produire un faisceau collimaté circulaire étant donné que la lentille agit sur les deux axes en même temps, ce qui maintient l’asymétrie initiale. Une paire de lentilles cylindriques placée orthogonalement permet de traiter chaque axe séparément.

Pour obtenir un faisceau de sortie symétrique, le ratio des distances focales des deux lentilles cylindriques doit correspondre au ratio des divergences des faisceaux X et Y. Comme pour la collimation standard, la diode est placée au point focal commun des deux lentilles et la séparation entre les lentilles est donc égale à la différence de leurs distances focales (Figure 6).

Figure 6 : Exemple de circularisation d'un faisceau elliptique à l'aide de lentilles cylindriques

Les diodes laser peuvent avoir une très grande divergence, ce qui peut constituer un défi lors de la collimation, car la divergence a un effet direct sur la longueur admissible du système, ainsi que sur la taille requise des lentilles. Les positions relatives de chaque composant étant relativement fixes en raison de leur distance focale, il est possible de calculer la largeur maximale du faisceau (d) au niveau de chaque lentille en utilisant la distance focale de la lentille (f) et l'angle de divergence (θ) de l'axe qu'elle collimate. L’ouverture utile de chaque lentille doit alors être supérieure à la largeur maximum du faisceau correspondant.

Plus de ressources

• Lentilles Cylindriques
• What Are Cylinder Lenses? Note d'application
• Why Choose an Achromatic Cylinder Lens?
• Série Vidéo de Labo Optique Laser