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技術(shù)文章

了解光學透鏡幾何形狀

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了解光學透鏡幾何形狀

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(cè)為單個元件)和遠心成像鏡頭(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

光學透鏡術(shù)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(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(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 種常用的光學鏡頭及其典型應用。 隨著光學技術(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最佳性能。









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(nèi)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(tǒng)的焦距。


雙凹 (DCV) 透鏡


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


正消色差透鏡


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)散光的負版本可用。


球面透鏡


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。 也可提供負版。



平凸 (PCX) 軸錐透鏡


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


非常適合光纖耦合、內(nèi)窺鏡檢查和條形碼掃描應用。 也可提供半球透鏡版本。


柱狀透鏡


光纖耦合和內(nèi)窺鏡應用的理想選擇。 也可提供 45° 版本。

光學透鏡有多種形狀和尺寸——從平凸 (PCX) 到非球面。 在選擇光學器件時,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。 了解光學透鏡幾何形狀有助于從新手到專家的任何人在任何光學設計中選擇最佳光學透鏡。



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