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了解光學透鏡幾何形狀

發布日期：2022-03-11

【關鍵詞】:

光學透鏡是光學設計中控制光線的最重要工具。當光學設計師談論光學透鏡時，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心成像鏡頭、無限遠校正物鏡、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（左側為單個元件）和遠心成像鏡頭（右側為元件組合）

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時偏離一定量的方式。該偏差是介質折射率和光相對于表面法線所成角度的函數。此屬性受斯涅爾折射定律（方程 1）控制，其中 n1 是入射介質的折射率，θ1 是入射光線的角度，n2 是折射介質的指數，θ2 是折射光線的角度 . 斯涅爾定律描述了光線在多種介質之間傳播時入射角和透射角之間的關系（圖 2）。

圖 2：斯涅爾折射定律

光學透鏡術語

所有光學透鏡都遵循斯涅爾折射定律。因此，光學透鏡幾何形狀（即表面輪廓）決定了光在通過光學元件傳播時的行為方式。要了解光學透鏡規格中使用的術語，請考慮 10 個常用術語（表 1）。

常用光學透鏡術語
縮寫	術語 - 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 – 一種光學測量值，表示為從光學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 – 一個假設的平面，其中入射光線可以被認為是由于折射而彎曲的。 EFL 是從主平面位置指定的。
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 – 準直光進入軸棱鏡的直徑。
dr	出射光束直徑 - 出射棱鏡的光環直徑。
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。

光學鏡片幾何形狀

使用表 1 中的常用術語，很容易理解每種類型的單透鏡元件的技術數據。表 2 顯示了 10 種最常用的光學鏡頭及其典型應用。隨著光學技術的進步，額外的單透鏡幾何形狀（例如可調焦透鏡）和組件（例如遠心透鏡）正成為光學設計的寶貴工具。

常見的光學透鏡幾何形狀

平凸 (PCX) 透鏡
		非常適合使用單色照明的準直和聚焦應用。注意：將 PCX 透鏡的曲面朝向光源以獲得**性能。



		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
		由一個平面和一個向內彎曲的表面組成。非常適合光束擴展、光投射和擴展光學系統的焦距。

雙凹 (DCV) 透鏡
		由兩個向內相同彎曲的表面組成。非常適合光束擴展、光投射和擴展光學系統的焦距。也稱為雙凹透鏡。

正消色差透鏡
		執行與 PCX 或 DCX 透鏡類似的功能，但可以提供更小的光斑尺寸和**的圖像質量。消色差透鏡可用于減少球差和色差。用于發散光的負版本可用。