両凸レンズと平凸レンズ、焦点性能で勝つのは？

両凸レンズと平凸レンズを、対称性、収差制御、焦点距離の選択について比較し、有限共役結像とレーザー集光のどちらに適した形状かを選びましょう。

公開チームXI LANGS Editorial

発行済み2026年10月17日

ページ更新2026年10月24日

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クイックアンサー

有限共役で狭いスペクトル範囲の結像を行い、2つの面が屈折の役割を分担させたい場合は、両凸レンズを選びましょう。レーザーやコリメート光源用の単一要素フォーカサーが必要で、特に平面が取り付けやコーティングを簡素化する場合は、平凸レンズを選びましょう。どちらの形状も万能ではありません。決定は、共役比、波長帯域、収差予算に従います。

実際に性能を変える形状の違い

両凸レンズは両方の面が外側に湾曲しているため、光学パワーは2つの屈折面に分割されます。この対称性により、両凸レンズは有限共役結像に一般的に指定されます。物体距離と像距離が同等の場合、各面が曲げの約半分を担うため、同じ焦点距離の単面設計よりも球面収差を低く抑えることができます。Escoは、G1 の市販グレードの溶融石英から両凸レンズを製造し、細かく研磨され面取りされたエッジを備えています。すべてのレンズはピッチ研磨され、さまざまな光源にわたって表面品質と低コストの結像性能を実現します。

平凸レンズはすべてのパワーを1つの湾曲面に集中させ、もう一方は平面のままにします。この形状は、点光源のコリメートやコリメートビームの集光に効率的です。平面をビーム側に向けることで球面収差を最小限に抑えられるからです。レーザーシステムでは、この単一の湾曲面は均一にコーティングするのも容易で、高出力時の熱損傷に耐える必要がある場合に重要です。

焦点距離の選択がレンズ形状とどう関わるか

焦点距離の選択は形状から独立しているわけではありません。特定の焦点距離に対して、両凸レンズは曲率を2つの面に分散させるため、各面は同等の平凸レンズの単一の曲面よりも長い半径を持ちます。半径が長いほど、一般的に曲げ角度が緩やかになり、同じ開口でも球面収差が少なくなります。そのため、有限共役で高速で大口径の結像経路が必要な場合、両凸設計の方が優れた性能を発揮します。

一方、平凸レンズは、直径に対して焦点距離が長い場合に最も適しています。平凸レンズを大きな有効径で非常に短い焦点距離にすると、単一の曲面がすべての曲げを担うことになり、球面収差が急速に増大します。これが、レンズ選択ガイドが焦点距離を常に共役比と組み合わせるべきであり、直径だけで判断すべきではないという実際的な理由です。

各形状が活躍する場面

両凸レンズの用途は、有限共役結像、リレーシステム、狭帯域照明など、対称的な性能とコンパクトな形状が求められる場面に集中しています。両面が湾曲しているため、平凸レンズに比べて向きの重要性が低く、試作中にレンズが反転する可能性がある場合でも組み立てが簡単です。

平凸レンズの用途は、レーザー集光、ビームコリメーション、平面をホルダーや窓にぴったりと取り付けられるあらゆるセットアップに集中しています。Escoの産業用レーザーレンズはその専門的な例です。これらは、1.06マイクロメートルで動作する産業用Nd:YAGレーザーの交換部品として作られた平凸レンズで、高均質な溶融シリカから製造され、熱損傷に耐える多層ARコーティングが施されています。カスタム焦点距離もご利用いただけます。これは、元の機器の焦点距離が在庫切れの場合に重要です。

収差制御：各形状が修正できることとできないこと

単一の両凸レンズまたは平凸レンズでは、色収差を除去できません。どちらも1種類のガラスの分散に依存しているためです。アプリケーションが広帯域にわたって回折限界の性能を必要とする場合、レンズ形状だけでは問題を解決できない段階にあり、アクロマート二重レンズを検討すべきです。Escoのアクロマートレンズは光学クラウンガラスとフリントガラスを使用し、コンピューター最適化により色収差と球面収差を同時に最小化します。これは、単レンズの色誤差が制限要因となっている場合の正しいアップグレード経路です。

単レンズが依然として勝る点は、コストとシンプルさです。G1 の溶融石英製両凸レンズは、良好な透過率と狭帯域イメージングのための低コストな経路を提供します。一方、平凸レーザーレンズは、特定の波長向けにコーティングされ、損傷に強い集光レンズを提供します。トレードオフとして、色収差または制限されたスペクトルウィンドウのいずれかを受け入れる代わりに、部品点数を大幅に削減できます。

トレードオフの概要

両凸: 対称性とスペクトル範囲の比較: 2つの面にパワーを分散することで、有限共役での球面収差が低減されますが、単一のガラス種類では依然として分散が発生するため、性能は狭いスペクトル範囲でのみ維持されます。 物体距離と像距離が同等で、光源が狭帯域の場合は、両凸レンズを選びましょう。
平凸レンズ：レーザー効率と開口径の限界： 曲面が1つの方が均一にコーティングしやすく、コリメーションや集光に効率的ですが、大きな開口径で短い焦点距離を実現しようとすると、球面収差が急速に大きくなります。 コリメート光や点光源の作業には、直径に対して中程度から長い焦点距離で平凸レンズを選びましょう。
単レンズとアクロマートレンズ：コストと色収差補正の比較： 単一の両凸または平凸レンズは安価でシンプルですが、色収差を補正できません。アクロマートダブレットは2種類目のガラスを追加してこれを修正します。 色誤差が制限要因となっているなら、単レンズの比較をやめてアクロマートに移行してください。