什么是光学透镜?

发布时间:2023-02-10 03:02:13.000Z

什么是光学透镜?

光学透镜是一种透明的光学元件,用于汇聚或发散从周边物体发出的光线。透射光线然后形成物体的真实或虚拟图像。透射型光学元件的一个很好的例子是透镜,意思是通过或传输光线。其他透射型元件包括过滤器、窗口、平面、棱镜、分光镜和波板,而相反的类别--反射型(反射光而不是透射光)--包括光学镜和反向反射器。透镜是构成许多常见光学设备的基本构件的光学元件,包括相机、双筒望远镜显微镜和望远镜。透镜本质上是控制光线的元件,因此被利用来收集光线和形成图像。

透镜通常由透明的电介质材料组成,如熔融石英光学玻璃,其前后表面具有球面曲率。由于表面是弯曲的,每条平行于光轴的光线,如下图所示,与表面法线的θi值不同。然后,每条光线根据斯奈尔定律进行折射。对于正透镜来说,这导致光线向透镜右侧的焦点汇聚,而光线会从位于负透镜左侧的焦点处发散。这些操作的意义在于,透镜可以用来形成图像,也可以用来收集和准直光线,如下图所示。下图说明了透镜如何影响传入的平行光线(左),透镜的应用(右)包括创建一个物体的放大图像(上),准直来自点源的光线(中),以及聚焦准直光源(下)。用透镜进行光学成像有几个重要的方面,包括物体和图像的距离和由此产生的放大率之间的关系,以及由此产生的图像的质量。

镜头比镜子的优势

在光线收集和图像形成方面,弧形镜和透镜可以完成许多相同的事情。然而,透镜在图像形成方面往往更有优势,因为它们是透明的,这使得光线可以直接沿轴线传输到探测器,而镜子则需要一个离轴的几何形状。在光收集方面,镜子通常是首选,因为它们可以做得比透镜轻得多,因此可以实现更大的直径和光收集能力。本节讨论了支撑透镜运行的折射机制,影响其性能的问题,以及不同的透镜类型。

折射

除了光在两种介质之间的平面界面上反射外,它还可以在第二种介质中传输,然后折射,如上图所示。折射是指入射光线进入第二种介质时角度的变化。由于光在介质中的速度与它的折射率成反比,所以当它进入不同的介质时,它要么变慢,要么变快,从而导致光改变方向。在上图中,第二种介质的折射率(n2)大于第一种介质的折射率(n1),这导致光线向界面的法线弯曲。这种折射现象是由斯涅尔定律描述的。

其中θi和θr分别是入射角和折射角。只要知道入射光线方向和折射率,斯涅尔定律就能确定折射光线的方向。这个基本公式规定了镜头如何控制光的传输,以达到收集和成像的目的。

焦距、共轭比和镜头选择

镜头的焦点是光在光轴上汇聚的点。它的焦距是指从镜头到这个点的距离,如图像中所示。一个正的镜头有一个正的焦距,而一个负的镜头的焦距小于零。下面的图片说明了这两个参数。

共轭比被定义为从物体的光源到镜头的距离和从镜头到投影图像的距离之间的比率。这两个长度的端点被称为物体和图像点。这两点位于镜头的光轴上,其位置使从物体点发出的光线在像点上聚焦。一个物体放在镜头的焦点上,会产生无限的共轭比,而一个物体放在两倍的焦距上,会在两倍的焦距上形成影像,共轭比为1。

下面的图片说明了这些重要的光学点。

一个应用的共轭比很大程度上决定了球面镜的理想类型。下表显示了一个应用的共轭比的理想镜头形状。

光学畸变和透镜的类型

理想的透镜会形成完美的图像或被成像物体的精确复制品,并能将准直的光线聚焦到仅受衍射限制的光斑大小。然而,真实的镜头并不完美,会产生光学像差,导致形成高质量图像的能力下降,使光束准直,或使其紧密聚焦。单色像差,即没有波长依赖性,在镜子和透镜中都很常见,来自于球面在远离轴线时无法正确聚焦光线。这些像差包括球面像差、昏迷和散光。下图展示了当点光源在焦点上时,球面像差(左)和色差(右)对准星的影响。球面像差在镜头中的影响,角度较小的光线被有效地准直,而角度较大的光线反而会汇聚。与单色像差不同,色差只发生在镜头中。由于镜头材料折射率的分散,根据斯奈尔定律,不同的波长将以不同的角度折射。当使用宽带光时,这将导致图像质量或采光能力的下降。因此,选择正确的镜头类型和极性在很大程度上取决于预期的应用,如下文所述。选择一个理想的镜头形状--被称为应用的最佳形式--是最小化光学失真和像差的关键。

消色差

异色镜也被称为消色差镜头,用于减少一种特殊类型的图像失真,称为色差。这种畸变发生在镜头不能将所有颜色的波长聚焦到同一汇聚点,导致对比度模糊和色差。消色差至少使用两个独立的镜头元件:一个是高色散凹面,一个是低色散凸面,以实现其矫正效果。上图是一个消色差双镜。

菲涅尔透镜

菲涅尔透镜由薄而轻的塑料片组成,上面有一系列的同心槽。每个凹槽作为一个单独的折射面;一系列的凹槽将准直的光线弯曲到一个共同的焦点。菲涅尔透镜是效率和光学质量的折衷:由于透镜材料非常薄,在传输过程中损失的光非常少。标准双凸透镜和菲涅尔透镜之间的比较如上图所示。

梯度指数透镜

梯度指数(GRIN)透镜是简单的平面透镜,它在透镜内连续弯曲光线,直到它们最终汇聚到焦点上。这与传统透镜形成鲜明对比,后者主要是在光线离开透镜材料的背面时突然弯曲。因此,GRIN透镜具有成本效益,而且使用简单。此外,精确制造平面长度的能力使其具有巨大的灵活性以适应应用参数。

规格

光学镜头的重要规格包括波长和材料。

波长范围

在选择了适合他们应用的最佳镜头类型后,消费者应该分析应用的波长范围。当指定一个透镜时,制造商通常会提供一个透镜被设计用来传输的电磁辐射的范围。波长可以分为三大类:红外线、可见光和紫外线。一个镜头可能不局限于单一光谱,可能能够同时传输红外和可见光范围的波长,或可见光和紫外线范围的波长,等等。红外线透镜被设计为在750至2500纳米波长范围内工作。设计用于可见光谱的透镜可以传输380至750纳米范围内的波长。紫外线透镜可以传输波长在4到380纳米之间。

镜片材料

历史上,光学镜片是由透明玻璃制成的,但现在是由其他材料如丙烯酸、聚合物和矿物制成。透镜材料是由原材料的色散和波长特性决定的。例如,为要求低色散的应用而设计的镜头可能由皇冠玻璃制成。丙烯酸和聚合物透镜最适合在可见光谱内传输,而锗和蓝宝石等矿物则适合非常广泛的波长范围,但在红外光谱内尤其出色。

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