从近视眼镜的清晰视野到手机镜头的细腻成像，从激光切割的精准聚焦到太空望远镜的深空探测，光学透镜作为光束走向的“指挥官”之一，早已渗透到我们生活、工业、科研的每一个角落。接下来，我们将为大家介绍不同类型的透镜，拆解每类透镜的适用场景，帮你快速了解光学透镜这个大家族。

1 球面单透镜

1.1 平凸透镜

平凸透镜一面凸面一面平面，具有正焦距，通常用于缩小光束、减小焦距或放大图像等相关应用。为减少球差，平凸透镜用于准直光束聚焦时，光束应入射到透镜曲面上；用于点光源准直时，光束入射在平面上。

 

图1 平凸透镜光路及实物示意图

1.2 平凹透镜

平凹透镜一面凹面一面为平面，具有负焦距。通常用于光束准直、增加（减小）焦距或扩大（缩小）图像。为了得到更小球差，当入射光束为准直光束时，准直光束应入射到平凹透镜的凹面。

 

图2 平凹透镜光路及实物示意图

 

图3 准直扩束应用光路示意图

1.3 双凸透镜

双凸透镜的前后表面都是凸球面，并且曲率半径相等，可用于将准直光束聚焦或者将点光源准直。由于透镜材料折射率随波长变化，双凸透镜有色差，不同波长的平行光线通过光学系统后不会聚在一个点上，焦距随波长变化；由于双凸透镜的对称性，双凸透镜的光线可以从任意一个面入射；一倍焦距之外能形成真实的图像，一倍焦距之内形成虚像。

 

图4 双凸透镜光路及实物示意图

1.4 双凹透镜

双面为凹面的透镜为双凹透镜，一束与光轴平行的平行光入射双凹透镜后出射光的反向延长线在光轴上汇聚成一个点，这个点为透镜的焦点，双凹透镜是对称性结构，双凹透镜焦距为负。且双凹透镜特点与双凸透镜相同，由于透射材料折射率随波长变化，双凹透镜也有色差，会导致不同波长的光线通过光学系统后不会聚在一个点上，焦距随波长变化。

 

图5 双凹透镜光路及实物示意图

图6 准直扩束应用光路示意图

1.5 最佳外形透镜

最佳外形透镜是单透镜下设计最小球差的球面镜，能够将球差降到最小。在准直和焦距光束时，最佳外形透镜在球面透镜中性能最佳。最佳外形透镜是单透镜球差最小且光斑最小时能达到衍射极限性能。

 

图7 最佳外形透镜光路及实物示意图

1.6 弯月透镜

正弯月透镜由两个曲率半径相近的曲面（凹面的曲率半径大于凸面的曲率半径）构成，具有正焦距。通常用于减小另一透镜的焦距，增大数值孔径等相关应用。

正弯月透镜用于最大程度地减少球差。与另一透镜结合使用时，正弯月透镜可以缩短焦距，从而在不引入明显球面像差的情况下，增大系统的数值孔径。用于会聚准直光时，透镜的凸面应面向光源，以最大程度地减少球差。

 

图8 正弯月透镜光路及实物示意图

负弯月透镜由两个曲率半径相近的曲面（凹面的曲率半径小于凸面的曲率半径）构成，具有负焦距。通常用于扩束或缩束、增大焦距和减小数值孔径等相关应用。

负弯月透镜设计用于最小化光学系统中的球差。与另一透镜结合使用时，负弯月透镜可以增加焦距，从而减小系统数值孔径。当用于会聚平行光时，透镜的凸面应朝向光源，以使球差最小化。

 

图9 负弯月透镜光路及实物示意图

2 消色差透镜

消色差双胶合透镜是一种把低色散的冕牌玻璃正透镜和高色散的火石玻璃负透镜胶合而成的透镜，能够最大限度减小色差和矫正球差，其光学性能远超单透镜，可满足高精度成像与复杂光束控制需求。常用于复色光的光学系统中。消色差胶合透镜由正焦距透镜和负焦距透镜胶合的透镜，可以最大限度减少球差和慧差，在工作波长范围内，使用消色差胶合透镜的色差明显优于单透镜。由于胶合而成，消色差的工作温度介20 ℃-80 ℃之间，且使用不同的胶合材料有不同的损伤阈值。

 

图10 消色差双胶合透镜光路及实物示意图

空气隙消色差双胶合透镜由两片独立透镜（材料可相同或不同）间隔空气隙构成，可通过调整间距优化高阶像差，常应用于激光加工系统、高分辨率遥感卫星镜头等场景中。图9为消色差双胶合透镜光路示意图，R1、R2、R3、R4为透镜4个面的半径（mm）； tc1、tc2为透镜的中心厚度（mm）；H"为像方主平面；f为焦距（mm）；L为镜筒长度（mm）；WD为工作距离（mm）。

 

图11 空气隙消色差双胶合透镜光路及实物示意图

3 非球面透镜

相比于普通球面透镜，非球面聚光透镜具有更大的数值孔径和更低的f 数。适用于准直宽光谱光源、LED等光源或者一些需要高效照明场景。为保证最佳性能，用于点光源准直时，光束入射在透镜较平坦的一面上；非球面聚光透镜用于准直光束聚焦时，光束入射在曲率更大的面上。

非球面透镜的表面设计通过对圆锥常数、非球面系数的调整，可以在球面的基础上进一步优化，最大程度的矫正像差。

 

图12 非球面聚光透镜光路及实物示意图

除上述常用光学透镜外，LBTEK还提供多种特殊透镜：渐变折射率透镜、柱面透镜、锥透镜。

4 渐变折射率透镜

渐变折射率透镜是一种折射率分布沿径向渐变的柱状光学透镜，具有聚焦和成像功能。光线在空气中传播遇到不同介质时，介质的折射率不同会导致其传播方向改变。渐变折射率透镜材料折射率沿着径向逐渐减小，从而达到聚焦、准直或成像目的。

 

图13 渐变折射率透镜光路及实物示意图

5 锥透镜

锥透镜由一个圆锥面和一个平面组成。可以将准直光束变为环形光束，此时锥透镜平面应面向准直光源。锥透镜常用来生成贝塞尔强度分布的光束或环形光束，高斯光束从平面入射，通过锥透镜就可以生成与贝塞尔分布非常相似的光束。环形光束的直径随距离增加而增加，但光线没有发散，因此环的厚度保持不变，环的厚度是入射激光束直径的一半。这种类型的光束可用于激光钻孔应用。

 

图14 锥透镜光路及实物示意图

6 柱面透镜

一面是凸面，一面是平面的柱面透镜，一束平行光（图中垂直方向）平行于光轴通过屈光力子午线（图中垂直方向）汇聚在一点上，这一点为平凸柱面透镜的焦点，平凸柱面透镜焦距为正。

 

图15 平凸柱面透镜光路示意图

一面是凹面，一面是平面的柱面透镜，一束平行光（图中垂直方向）平行于光轴通过屈光力子午线（图中垂直方向）的反向延长线汇聚在一点上，这一点为平凹柱面透镜的焦点，平凹柱面透镜焦距为负。

 

图16 平凹柱面透镜光路示意图

LBTEK提供多种光学透镜，可以几乎满足任意科研场景的应用。但是，针对特定的系统我们需要选择合适的透镜，才能够满足系统的需求一般而言，表中概括了LBTEK提供的常用透镜类型光路原理图应用场景。

透镜光路与选型汇总