光学系统中的透镜（一）- 大数跨境

锐光凯奇raycage

2022-03-02

导读：无论多么复杂的光学系统，都是由基本单元透镜、反射镜等构成。这一期介绍光学系统的最小基本单元之一的透镜。

编辑话语：锐光凯奇（镇江）光电科技有限公司专注于发展高端科研仪器集成化，为客户提供优质高效的服务。在新的一年里，锐光已经按照许多读者朋友们的建议，希望多推送一些科研方面有关的基础知识，这一期推送介绍光学系统的最小单元，透镜。欢迎更多的专家学者、研究生和本科生和我们一起分享有关的基础知识内容，共同提高，为光学事业做出贡献！

透镜是基本的光学元件之一，它是由能够让特定光谱透过的材料制成的，一般可见光和近红外光谱（400-1400nm）的透镜使用光学玻璃制成，中红外光谱（2.5-25um）的透镜使用晶体材料制成。透镜的作用是收集物的光线并将其折射，然后形成物的可用成像（所述物可以是光源本身，也可以是被照明的物体）。透镜广泛应用于显微镜、天文、医疗、光学仪器、航天、激光等领域。下面给大家介绍关于常见的几种光学透镜及其应用的内容：

光学透镜是根据光的折射规律制成的。根据形状特征光学透镜一般分为凸透镜和凹透镜两个大类，因为凸透镜具有会聚光线的作用，凹透镜具有发散光的作用，所以又分别将这两类透镜称为正透镜和负透镜：

凸透镜（正透镜）：中间厚，边缘薄，主要有平凸、双凸、凹凸（月牙凸）三种；凹透镜（负透镜）：中间薄，边缘厚，主要有平凹、双凹、凸凹（月牙凹，中心薄于边缘）三种。

平凸透镜：一面为平面另一面为凸面，具有正焦距，常被用来准直发散的光束或者复杂光路的聚焦。

双凸透镜：两面都为凸面，曲率越高，焦距越短。当双凸透镜的两个凸面完全对称时，球差、慧差以及畸变均达到较小。其主要用于聚焦或者像放大。

月牙凸透镜：凹面的曲率略大于凸面，常跟别的透镜配合使用以产生组合系统更长或者更短的焦距。例如将月牙凸透镜放在一个平凸透镜后以缩短焦距而不降低光学系统性能。

图1 凸透镜

平凹透镜：一面为平面另一面为凹面，负焦距，产生虚像，可用作扩束或增大焦距。

双凹透镜：两面都为凹面，用来使光线发散和缩小像的尺寸，也被用作增加光学系统的焦距和准直会聚的光束。

月牙凹透镜：凹面的曲率略小于凸面，也叫凸凹透镜，用作减少或消除透镜间耦合时产生的球差或惠差。

图2 凹透镜

一、平凸透镜

平凸透镜一面为凸面另一面为平面，具有正焦距，通常用于准直发散的光束或者复杂光路的聚焦。

前面说过光学透镜是根据光的折射规律制成的，对于平凸透镜来说，两面的曲率存在差异，因此从两面入射的光折射率稍有差别，所以实际上物方焦距和像方焦距有所不同，使用时不能颠倒。

那么平凸透镜在使用时该如何放置呢？

首先来了解一些最基本的像差理论知识。像差一般分两大类：色像差和单色像差。色像差简称色差，是由于透镜对不同波长的色光有不同的折射率（色散现象），导致光谱上的每一种颜色无法聚焦在光轴上的同一点，由此而产生的像差。它可分为位置色差和放大率色差两种。单色像差是指单光谱的光线在经过透镜时也会产生的像差，按产生的效果不同，单色像差分成使像模糊和使像变形两类。前一类有球面像差、彗形像差和像散，后一类有像场弯曲和畸变。