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[激光原理与应用-135]：光学器件 - 透镜的本质是利用材料对光的折射特性，通过特定形状的表面设计，实现对光线的会聚、发散或成像控制的光学元件

ai 2025/8/6 18:09:51

1. 折射定律：透镜工作的物理基础

透镜的核心原理基于斯涅尔定律（折射定律）：当光线从一种介质进入另一种介质时，其传播方向会发生偏折，偏折角度与两种介质的折射率及入射角有关。透镜通常由玻璃或塑料等透明材料制成，其折射率（如普通光学玻璃约1.5-1.8）高于空气（折射率≈1），因此光线在透镜表面会发生显著折射。

2. 形状设计：控制光线的关键

透镜的形状决定了其对光线的控制方式：

凸透镜（会聚透镜）：
- 中间厚、边缘薄，如双凸、平凸或凹凸透镜。
- 平行光线入射后，经折射会聚于透镜另一侧的焦点（Focal Point），形成实像或虚像。
- 应用：放大镜、显微镜物镜、相机镜头等。
凹透镜（发散透镜）：
- 中间薄、边缘厚，如双凹、平凹或凸凹透镜。
- 平行光线入射后，经折射发散，其反向延长线交于透镜同侧的虚焦点。
- 应用：近视眼镜、激光扩束镜等。

3. 成像本质：光线路径的重新分配

透镜通过折射改变光线路径，实现以下成像功能：

实像与虚像：
- 实像：由实际光线会聚形成，可投射到屏幕上（如相机底片）。
- 虚像：由光线反向延长线交点形成，无法投射（如放大镜观察的像）。
成像公式：
透镜成像遵循高斯公式：

f1=u1+v1

其中，f为焦距，u为物距，v为像距。凸透镜焦距为正，凹透镜为负。

4. 像差：理想成像的挑战

实际透镜因形状、材料或设计限制，无法完全满足理想成像条件，产生以下像差：

球差：轴上光线因透镜表面球形形状导致聚焦点不一致。
彗差：轴外光线因折射角度差异形成彗星状光斑。
像散（X轴、Y轴）：子午与弧矢方向光线无法会聚于同一点。
场曲：像面弯曲导致边缘清晰度下降。
畸变：像的形状变形（如桶形畸变、枕形畸变）。
色差：不同波长光线折射率不同导致聚焦点分离。

校正方法：

采用非球面透镜、复合透镜组（如消色差双胶合透镜）、对称结构设计等。

5. 材料与工艺：透镜性能的保障

材料选择：
- 光学玻璃（如K9、BK7）：高透光率、低色散、化学稳定性好。
- 塑料（如PMMA、PC）：轻便、成本低，但耐温性差。
- 晶体材料（如氟化钙、石英）：用于紫外或红外波段。
制造工艺：
- 研磨与抛光：传统方法，精度可达亚微米级。
- 模压成型：适合大批量生产塑料透镜。
- 镀膜技术：增透膜（减少反射）、反射膜（如激光镜面）等。