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技術(shù)文章

了解光學(xué)透鏡幾何形狀

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了解光學(xué)透鏡幾何形狀

光學(xué)透鏡是光學(xué)設(shè)計中控制光線的最重要工具。 當(dāng)光學(xué)設(shè)計師談?wù)摴鈱W(xué)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(xué)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(xué)透鏡術(shù)語

所有光學(xué)透鏡都遵循斯涅爾折射定律。 因此,光學(xué)透鏡幾何形狀(即表面輪廓)決定了光在通過光學(xué)元件傳播時的行為方式。 要了解光學(xué)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(xué)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(xué)測量值,表示為從光學(xué)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(xué)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(shè)的平面,其中入射光線可以被認(rèn)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(zhǔn)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(xué)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(xué)鏡頭及其典型應(yīng)用。 隨著光學(xué)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(xué)設(shè)計的寶貴工具。

常見的光學(xué)透鏡幾何形狀

平凸 (PCX) 透鏡


非常適合使用單色照明的準(zhǔn)直和聚焦應(yīng)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(xué)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(xué)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(yīng)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(yīng)用的理想選擇。 也可提供 45° 版本。

光學(xué)透鏡有多種形狀和尺寸——從平凸 (PCX) 到非球面。 在選擇光學(xué)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(xué)透鏡幾何形狀有助于從新手到專家的任何人在任何光學(xué)設(shè)計中選擇最佳光學(xué)透鏡。



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