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了解光学透镜几何形状

发布日期：2022-03-11

【关键词】:

光学透镜是光学设计中控制光线的最重要工具。当光学设计师谈论光学透镜时，他们指的是单个透镜元件或一组透镜元件（图 1）。单片的例子有平凸 (PCX) 透镜、双凸 (DCX) 透镜、非球面透镜等；元件组件的例子有远心成像镜头、无限远校正物镜、光束扩展器等。每个组合都由一系列透镜元件组成，每个元件都有特定的透镜几何形状，以自己的方式控制光线。

图 1：平凸透镜（左侧为单个元件）和远心成像镜头（右侧为元件组合）

斯奈尔折射定律

在深入研究每种类型的透镜几何形状之前，请考虑光学透镜如何利用折射特性弯曲光线。折射是光进入或离开介质时偏离一定量的方式。该偏差是介质折射率和光相对于表面法线所成角度的函数。此属性受斯涅尔折射定律（方程 1）控制，其中 n1 是入射介质的折射率，θ1 是入射光线的角度，n2 是折射介质的指数，θ2 是折射光线的角度 . 斯涅尔定律描述了光线在多种介质之间传播时入射角和透射角之间的关系（图 2）。

图 2：斯涅尔折射定律

光学透镜术语

所有光学透镜都遵循斯涅尔折射定律。因此，光学透镜几何形状（即表面轮廓）决定了光在通过光学元件传播时的行为方式。要了解光学透镜规格中使用的术语，请考虑 10 个常用术语（表 1）。

常用光学透镜术语
缩写	术语 - 定义
D, Dia.	直径 – 镜头的物理尺寸。
R, R1, R2, etc.	曲率半径 - 从曲面顶点到曲率中心的定向距离。
EFL	有效焦距 – 一种光学测量值，表示为从光学镜头的主平面到其成像平面的距离。
BFL	后焦距 – 一种机械测量值，表示为光学镜头最后一个表面与其像平面之间的距离。
P, P"	主平面 – 一个假设的平面，其中入射光线可以被认为是由于折射而弯曲的。 EFL 是从主平面位置指定的。
CT, CT1, CT2, etc.	中心厚度 - 从主要主平面位置到元素末端的距离。
ET	边缘厚度 – 一个计算值，取决于透镜的半径、直径和中心厚度。
db	入射光束直径 – 准直光进入轴棱镜的直径。
dr	出射光束直径 - 出射棱镜的光环直径。
L	长度 – 从圆柱元件（例如圆柱透镜）的末端到末端的物理距离或从顶点到轴棱镜工件的距离。

光学镜片几何形状

使用表 1 中的常用术语，很容易理解每种类型的单透镜元件的技术数据。表 2 显示了 10 种最常用的光学镜头及其典型应用。随着光学技术的进步，额外的单透镜几何形状（例如可调焦透镜）和组件（例如远心透镜）正成为光学设计的宝贵工具。

常见的光学透镜几何形状

平凸 (PCX) 透镜
		非常适合使用单色照明的准直和聚焦应用。注意：将 PCX 透镜的曲面朝向光源以获得**性能。



		非常适合图像中继，以及在紧密共轭处对物体进行成像。注意：像差会随着共轭比的增加而增加。也称为双凸透镜。

平凹 (PCV) 透镜
		由一个平面和一个向内弯曲的表面组成。非常适合光束扩展、光投射和扩展光学系统的焦距。

双凹 (DCV) 透镜
		由两个向内相同弯曲的表面组成。非常适合光束扩展、光投射和扩展光学系统的焦距。也称为双凹透镜。

正消色差透镜
		执行与 PCX 或 DCX 透镜类似的功能，但可以提供更小的光斑尺寸和**的图像质量。消色差透镜可用于减少球差和色差。用于发散光的负版本可用。