光學(xué)透鏡是一種透明的光學(xué)元件，用于會(huì)聚或發(fā)散從外圍物體發(fā)出的光。透射的光線(xiàn)然后形成物體的實(shí)像或虛像。透鏡是透射光學(xué)元件的一個(gè)很好的例子，這意味著它們可以通過(guò)或傳輸光。其他透射組件包括濾光片、窗口、平面、棱鏡、分束器和波片，而相反的類(lèi)別——反射器（反射光而不是透射光）——包括光學(xué)鏡和后向反射器。

光學(xué)透鏡適用于各種應(yīng)用，包括：

• 放大
• 光學(xué)像差校正
• 用作點(diǎn)火器（燃燒眼鏡）
• 圖像對(duì)焦
• 影像投影

形狀和類(lèi)型

透鏡有多種形狀，包括雙凸面、雙凹面、平凸面、平凹面、正彎月面和負(fù)彎月面。

透鏡形狀

透鏡可分為兩大類(lèi)：正（或會(huì)聚）透鏡和負(fù)（或發(fā)散）透鏡。

正透鏡導(dǎo)致準(zhǔn)直光束（假設(shè)光束平行于透鏡軸傳播并穿過(guò)透鏡）會(huì)聚或聚焦在透鏡后面的一個(gè)點(diǎn)上。參考上圖時(shí)，雙凸透鏡和平凸透鏡被認(rèn)為是正透鏡。

光通過(guò)會(huì)聚透鏡折射

負(fù)透鏡導(dǎo)致準(zhǔn)直光束在透鏡后面發(fā)散和傳播。兩種類(lèi)型的凹透鏡——雙凹和平凹——是負(fù)的。

通過(guò)發(fā)散透鏡折射

彎月透鏡——第三種廣泛類(lèi)型，也稱(chēng)為凸凹——可以是正的或負(fù)的，這取決于透鏡兩側(cè)的曲率。凹面較陡的彎月透鏡為負(fù)，而凸面較陡的透鏡為正。兩側(cè)曲率相等的彎月透鏡既不會(huì)會(huì)聚光，也不會(huì)發(fā)散光。

選擇正確的鏡頭類(lèi)型和極性在很大程度上取決于預(yù)期的應(yīng)用，如下所述。選擇理想的透鏡形狀——被稱(chēng)為應(yīng)用程序的“最佳形式”——是最大限度減少光學(xué)畸變和像差的關(guān)鍵。

焦距、共軛比和鏡頭選擇

鏡頭的焦點(diǎn)是光軸上光線(xiàn)會(huì)聚的點(diǎn)。它的焦距是從鏡頭到該點(diǎn)的距離，如圖所示。正透鏡的焦距為正，而負(fù)透鏡的焦距小于零。下圖說(shuō)明了這兩個(gè)參數(shù)。

透鏡折射

共軛比定義為物體（光源）到鏡頭的距離與鏡頭到投影圖像的距離之比。這兩個(gè)長(zhǎng)度的端點(diǎn)稱(chēng)為對(duì)象點(diǎn)和圖像點(diǎn)。這兩個(gè)點(diǎn)位于鏡頭的光軸上，并且它們的位置使得從物點(diǎn)發(fā)出的光將聚焦在像點(diǎn)上。放置在透鏡焦點(diǎn)處的物體會(huì)產(chǎn)生無(wú)窮大的共軛比，而放置在兩倍焦距處的物體會(huì)在兩倍焦距處形成圖像，共軛比為 1。

下圖說(shuō)明了重要的光學(xué)點(diǎn)。

透鏡折射

應(yīng)用的共軛比在很大程度上決定了理想的球面透鏡類(lèi)型。下表顯示了應(yīng)用共軛比的理想透鏡形狀。

透鏡鏡形狀	理想的共軛比
雙凸面	<5：1
平凸	全部
凹面	無(wú)限，更大的有限 (> 5:1)
雙凹	<5：1
半月板	因人而異；取決于曲率和極性

鏡頭分類(lèi)

將鏡頭分為以下幾種類(lèi)型。這些類(lèi)別并不相互排斥；例如，球面透鏡也可以是消色差的。

球面透鏡

球面透鏡（或單透鏡）具有會(huì)聚或發(fā)散光線(xiàn)的曲面。所有的透鏡截面都是球面透鏡。

柱面透鏡

與球面透鏡不同，柱面透鏡具有曲面，可以將其視為圓柱形狀的一部分。這使它們將透射光聚焦到一條線(xiàn)而不是單個(gè)點(diǎn)。柱面透鏡通常用于改變圖像的縱橫比或塑造激光束。

由兩個(gè)柱面透鏡形成的光束

消色差透鏡

消色差透鏡（也稱(chēng)為消色差透鏡）用于最大限度地減少稱(chēng)為色差的特殊類(lèi)型的圖像失真。當(dāng)鏡頭未能將所有顏色波長(zhǎng)聚焦到相同的會(huì)聚點(diǎn)時(shí)，就會(huì)發(fā)生這種失真，從而導(dǎo)致對(duì)比度和色邊模糊。消色差至少使用兩個(gè)單獨(dú)的透鏡元件——一個(gè)高色散凹面和一個(gè)低色散凸面——來(lái)實(shí)現(xiàn)它們的校正效果。

消色差雙合

菲涅爾透鏡

菲涅爾透鏡由薄而輕的塑料片組成，上面標(biāo)有一系列同心凹槽。每個(gè)凹槽都作為一個(gè)單獨(dú)的折射面；一系列凹槽將準(zhǔn)直光彎曲到一個(gè)共同的焦點(diǎn)。菲涅耳透鏡是效率和光學(xué)質(zhì)量之間的折衷：由于透鏡材料非常薄，因此在傳輸過(guò)程中損失了非常少量的光。

標(biāo)準(zhǔn)雙凸透鏡和菲涅耳透鏡之間的比較

漸變指數(shù)透鏡

梯度指數(shù) (GRIN) 透鏡是簡(jiǎn)單的平面透鏡，它在透鏡內(nèi)不斷彎曲光線(xiàn)，直到它們最終會(huì)聚在焦點(diǎn)上。這與傳統(tǒng)透鏡形成對(duì)比，傳統(tǒng)透鏡主要是在光線(xiàn)離開(kāi)透鏡材料背面時(shí)突然彎曲。因此，GRIN 透鏡具有成本效益且易于使用。此外，精確制造平面長(zhǎng)度的能力為適應(yīng)應(yīng)用參數(shù)帶來(lái)了巨大的靈活性。

運(yùn)行中的 GRIN 鏡頭。注意透鏡平面內(nèi)發(fā)生的逐漸彎曲

規(guī)格

光學(xué)鏡頭的重要規(guī)格包括波長(zhǎng)和材料。

波長(zhǎng)范圍

在選擇適合其應(yīng)用的最佳鏡頭類(lèi)型后，買(mǎi)家應(yīng)分析應(yīng)用的波長(zhǎng)范圍。在指定鏡頭時(shí)，制造商通常會(huì)提供鏡頭設(shè)計(jì)用于傳輸?shù)碾姶泡椛浞秶２ㄩL(zhǎng)可分為三大類(lèi)：紅外線(xiàn)、可見(jiàn)光和紫外線(xiàn)。鏡頭可能不限于單一光譜，并且可能能夠傳輸紅外和可見(jiàn)光范圍或可見(jiàn)光和紫外范圍等的波長(zhǎng)。

• 紅外透鏡設(shè)計(jì)用于在 750 至 2500 nm 波長(zhǎng)范圍內(nèi)工作。
• 設(shè)計(jì)用于可見(jiàn)光譜的透鏡可以傳輸 380 至 750 nm 范圍內(nèi)的波長(zhǎng)。
• 紫外線(xiàn)透鏡可以傳輸 4 到 380 nm 的波長(zhǎng)。

透鏡材質(zhì)

歷史上，光學(xué)透鏡是由透明玻璃制成的，但現(xiàn)在也由其他材料制成——丙烯酸樹(shù)脂、聚合物和礦物質(zhì)。（了解LED光學(xué)透鏡中PMMA與PC材質(zhì)對(duì)比）透鏡材料由原材料的色散和波長(zhǎng)特性決定。例如，為要求低色散的應(yīng)用而設(shè)計(jì)的透鏡可能由皇冠玻璃制成。亞克力和聚合物透鏡最適合在可見(jiàn)光譜內(nèi)傳輸，而鍺和藍(lán)寶石等礦物質(zhì)適用于非常廣泛的波長(zhǎng)范圍，但在紅外光譜內(nèi)尤其出色。