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

光學透鏡適用于各種應用，包括：

• 放大
• 光學像差校正
• 用作點火器（燃燒眼鏡）
• 圖像對焦
• 影像投影

形狀和類型

透鏡有多種形狀，包括雙凸面、雙凹面、平凸面、平凹面、正彎月面和負彎月面。

透鏡形狀

透鏡可分為兩大類：正（或會聚）透鏡和負（或發(fā)散）透鏡。

正透鏡導致準直光束（假設光束平行于透鏡軸傳播并穿過透鏡）會聚或聚焦在透鏡后面的一個點上。參考上圖時，雙凸透鏡和平凸透鏡被認為是正透鏡。

光通過會聚透鏡折射

負透鏡導致準直光束在透鏡后面發(fā)散和傳播。兩種類型的凹透鏡——雙凹和平凹——是負的。

通過發(fā)散透鏡折射

彎月透鏡——第三種廣泛類型，也稱為凸凹——可以是正的或負的，這取決于透鏡兩側(cè)的曲率。凹面較陡的彎月透鏡為負，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會聚光，也不會發(fā)散光。

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

焦距、共軛比和鏡頭選擇

鏡頭的焦點是光軸上光線會聚的點。它的焦距是從鏡頭到該點的距離，如圖所示。正透鏡的焦距為正，而負透鏡的焦距小于零。下圖說明了這兩個參數(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。這兩個長度的端點稱為對象點和圖像點。這兩個點位于鏡頭的光軸上，并且它們的位置使得從物點發(fā)出的光將聚焦在像點上。放置在透鏡焦點處的物體會產(chǎn)生無窮大的共軛比，而放置在兩倍焦距處的物體會在兩倍焦距處形成圖像，共軛比為 1。

下圖說明了重要的光學點。

透鏡折射

應用的共軛比在很大程度上決定了理想的球面透鏡類型。下表顯示了應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

將鏡頭分為以下幾種類型。這些類別并不相互排斥；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）具有會聚或發(fā)散光線的曲面。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而不是單個點。柱面透鏡通常用于改變圖像的縱橫比或塑造激光束。

由兩個柱面透鏡形成的光束

消色差透鏡

消色差透鏡（也稱為消色差透鏡）用于最大限度地減少稱為色差的特殊類型的圖像失真。當鏡頭未能將所有顏色波長聚焦到相同的會聚點時，就會發(fā)生這種失真，從而導致對比度和色邊模糊。消色差至少使用兩個單獨的透鏡元件——一個高色散凹面和一個低色散凸面——來實現(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，上面標有一系列同心凹槽。每個凹槽都作為一個單獨的折射面；一系列凹槽將準直光彎曲到一個共同的焦點。菲涅耳透鏡是效率和光學質(zhì)量之間的折衷：由于透鏡材料非常薄，因此在傳輸過程中損失了非常少量的光。

標準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) 透鏡是簡單的平面透鏡，它在透鏡內(nèi)不斷彎曲光線，直到它們最終會聚在焦點上。這與傳統(tǒng)透鏡形成對比，傳統(tǒng)透鏡主要是在光線離開透鏡材料背面時突然彎曲。因此，GRIN 透鏡具有成本效益且易于使用。此外，精確制造平面長度的能力為適應應用參數(shù)帶來了巨大的靈活性。

運行中的 GRIN 鏡頭。注意透鏡平面內(nèi)發(fā)生的逐漸彎曲

規(guī)格

光學鏡頭的重要規(guī)格包括波長和材料。

波長范圍

在選擇適合其應用的最佳鏡頭類型后，買家應分析應用的波長范圍。在指定鏡頭時，制造商通常會提供鏡頭設計用于傳輸?shù)碾姶泡椛浞秶２ㄩL可分為三大類：紅外線、可見光和紫外線。鏡頭可能不限于單一光譜，并且可能能夠傳輸紅外和可見光范圍或可見光和紫外范圍等的波長。

• 紅外透鏡設計用于在 750 至 2500 nm 波長范圍內(nèi)工作。
• 設計用于可見光譜的透鏡可以傳輸 380 至 750 nm 范圍內(nèi)的波長。
• 紫外線透鏡可以傳輸 4 到 380 nm 的波長。

透鏡材質(zhì)

歷史上，光學透鏡是由透明玻璃制成的，但現(xiàn)在也由其他材料制成——丙烯酸樹脂、聚合物和礦物質(zhì)。（了解LED光學透鏡中PMMA與PC材質(zhì)對比）透鏡材料由原材料的色散和波長特性決定。例如，為要求低色散的應用而設計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光譜內(nèi)傳輸，而鍺和藍寶石等礦物質(zhì)適用于非常廣泛的波長范圍，但在紅外光譜內(nèi)尤其出色。