了解光學(xué)透鏡幾何形狀
光學(xué)透鏡是光學(xué)設(shè)計中控制光線的最重要工具。 當(dāng)光學(xué)設(shè)計師談?wù)摴鈱W(xué)透鏡時，他們指的是單個透鏡元件或一組透鏡元件（圖 1）。 單片的例子有平凸 (PCX) 透鏡、雙凸 (DCX) 透鏡、非球面透鏡等； 元件組件的例子有遠(yuǎn)心成像鏡頭、無限遠(yuǎn)校正物鏡、光束擴展器等。每個組合都由一系列透鏡元件組成，每個元件都有特定的透鏡幾何形狀，以自己的方式控制光線。
圖 1：平凸透鏡（左側(cè)為單個元件）和遠(yuǎn)心成像鏡頭（右側(cè)為元件組合）
斯奈爾折射定律
在深入研究每種類型的透鏡幾何形狀之前，請考慮光學(xué)透鏡如何利用折射特性彎曲光線。 折射是光進入或離開介質(zhì)時偏離一定量的方式。 該偏差是介質(zhì)折射率和光相對于表面法線所成角度的函數(shù)。 此屬性受斯涅爾折射定律（方程 1）控制，其中 n1 是入射介質(zhì)的折射率，θ1 是入射光線的角度，n2 是折射介質(zhì)的指數(shù)，θ2 是折射光線的角度 . 斯涅爾定律描述了光線在多種介質(zhì)之間傳播時入射角和透射角之間的關(guān)系（圖 2）。
圖 2：斯涅爾折射定律
光學(xué)透鏡術(shù)語
所有光學(xué)透鏡都遵循斯涅爾折射定律。 因此，光學(xué)透鏡幾何形狀（即表面輪廓）決定了光在通過光學(xué)元件傳播時的行為方式。 要了解光學(xué)透鏡規(guī)格中使用的術(shù)語，請考慮 10 個常用術(shù)語（表 1）。
常用光學(xué)透鏡術(shù)語 | |
縮寫 | 術(shù)語 - 定義 |
D, Dia. | 直徑 – 鏡頭的物理尺寸。 |
R, R1, R2, etc. | 曲率半徑 - 從曲面頂點到曲率中心的定向距離。 |
EFL | 有效焦距 – 一種光學(xué)測量值，表示為從光學(xué)鏡頭的主平面到其成像平面的距離。 |
BFL | 后焦距 – 一種機械測量值，表示為光學(xué)鏡頭最后一個表面與其像平面之間的距離。 |
P, P" | 主平面 – 一個假設(shè)的平面，其中入射光線可以被認(rèn)為是由于折射而彎曲的。 EFL 是從主平面位置定的。 |
CT, CT1, CT2, etc. | 中心厚度 - 從主要主平面位置到元素末端的距離。 |
ET | 邊緣厚度 – 一個計算值，取決于透鏡的半徑、直徑和中心厚度。 |
db | 入射光束直徑 – 準(zhǔn)直光進入軸棱鏡的直徑。 |
dr | 出射光束直徑 - 出射棱鏡的光環(huán)直徑。 |
L | 長度 – 從圓柱元件（例如圓柱透鏡）的末端到末端的物理距離或從頂點到軸棱鏡工件的距離。 |
光學(xué)鏡片幾何形狀
使用表 1 中的常用術(shù)語，很容易理解每種類型的單透鏡元件的技術(shù)數(shù)據(jù)。 表 2 顯示了 10 種常用的光學(xué)鏡頭及其典型應(yīng)用。 隨著光學(xué)技術(shù)的進步，額外的單透鏡幾何形狀（例如可調(diào)焦透鏡）和組件（例如遠(yuǎn)心透鏡）正成為光學(xué)設(shè)計的寶貴工具。
常見的光學(xué)透鏡幾何形狀
平凸 (PCX) 透鏡 | ||
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| 非常適合使用單色照明的準(zhǔn)直和聚焦應(yīng)用。 注意：將 PCX 透鏡的曲面朝向光源以獲得最佳性能。 |
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| 非常適合圖像中繼，以及在緊密共軛處對物體進行成像。 注意：像差會隨著共軛比的增加而增加。 也稱為雙凸透鏡。 |
平凹 (PCV) 透鏡 | ||
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| 由一個平面和一個向內(nèi)彎曲的表面組成。 非常適合光束擴展、光投射和擴展光學(xué)系統(tǒng)的焦距。 |
雙凹 (DCV) 透鏡 | ||
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| 由兩個向內(nèi)相同彎曲的表面組成。 非常適合光束擴展、光投射和擴展光學(xué)系統(tǒng)的焦距。 也稱為雙凹透鏡。 |
正消色差透鏡 | ||
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| 執(zhí)行與 PCX 或 DCX 透鏡類似的功能，但可以提供更小的光斑尺寸和優(yōu)良的圖像質(zhì)量。 消色差透鏡可用于減少球差和色差。 用于發(fā)散光的負(fù)版本可用。 |
球面透鏡 | ||
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| 非常適合激光聚焦或更換系統(tǒng)中的多個球面透鏡元件。 用于消除球面像差和大大減少其他像差。 |
正柱面透鏡 | |
| 非常適合將入射光聚焦到一條線上或改變圖像的縱橫比。 也可提供負(fù)版。 |
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平凸 (PCX) 軸錐透鏡 | ||
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| 非常適合將激光聚焦成具有恒定厚度的環(huán)。 注意：較小的頂角產(chǎn)生較大的環(huán)。 |
（全）球透鏡 | ||
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| 非常適合光纖耦合、內(nèi)窺鏡檢查和條形碼掃描應(yīng)用。 也可提供半球透鏡版本。 |
柱狀透鏡 | ||
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| 光纖耦合和內(nèi)窺鏡應(yīng)用的理想選擇。 也可提供 45° 版本。 |
光學(xué)透鏡有多種形狀和尺寸——從平凸 (PCX) 到非球面。 在選擇光學(xué)器件時，了解每種透鏡類型的優(yōu)缺點至關(guān)重要，因為每種透鏡都有自己的用途。 了解光學(xué)透鏡幾何形狀有助于從新手到專家的任何人在任何光學(xué)設(shè)計中選擇最佳光學(xué)透鏡。
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