引言：
光学透镜种类繁多，无论是用户还是工程师，都需要评估各类透镜的优劣，以便优化光学系统。首先，什么是透镜？光学透镜是一种透明光学元件，能够会聚或发散来自物体的光线，使透射光形成物体的实像或虚像。光学透镜主要分为两大类：凸透镜和凹透镜。凸透镜具有正焦距，能会聚光线；而凹透镜具有负焦距，能使准直光束发散。进一步细分，透镜还包括平凸透镜、平凹透镜、双凸透镜、双凹透镜、弯月透镜、球形/半球形透镜、消色差双胶合透镜、柱面平凸/平凹透镜、棒状透镜、非球面透镜等。本文将列举各种透镜类型，探讨其特性及适用场景。
焦距与共轭比
焦距是指从光学中心到平行光束在光轴上会聚点的距离。凸透镜的焦距为正值，而凹透镜的焦距为负值，且能将光线汇聚于虚焦点。共轭比定义为物距（物体与透镜在光轴上的距离）与像距（像与透镜在光轴上的距离）之比。从物体到像的光路是可逆的。当物体置于透镜焦点处时，共轭比为无穷大；而当物体置于两倍焦距处时，像也形成于两倍焦距处，此时共轭比为 1:1。
注：您可能希望进一步了解与镜头选择相关的基本概念，例如视场角（FOV）、图像畸变、球差和彗差等——请参阅我们的“镜头选择教程”。此外，如果您需要关于基底材料选择的参考信息，请参阅我们的“光学基底材料选择指南”。
表1.透镜类型和共轭比
平凸透镜：
平凸透镜（PCX）是一种具有一个平面和一个凸面、正焦距的光学透镜，用于收集、聚焦准直光、准直点光源的光或缩短透镜组的焦距。与双凸透镜相比，平凸透镜具有两个不同的侧面，因此最适合无限绝对共轭比（物距：像距）。然而，当绝对共轭比大于5:1时，平凸透镜仍然将球差降低到相当低的程度。对于低于 5:1 的共轭比，请考虑使用成对的平凸透镜或双凸透镜。平凸透镜主要用于单色光，如激光；平凸透镜常用于会聚平行光或将点光源转换为平行光。使用透镜聚焦准直光时，应将准直光投射到透镜的曲面上。
平凹透镜：
平凹透镜是一种一面为平面、另一面为凹面的透镜。平凹透镜具有负焦距，能使光束发散。因此，它可用于光束扩展、光线投射以及增加光学系统的焦距。平凹透镜常用于伽利略式扩束器中，也可用作光学仪器的组件，以增加焦距或平衡球差，从而改善成像质量。当共轭比（即物距与像距的绝对值之比）大于 5:1 时，平凹透镜是减少球差、彗差和畸变的最理想负透镜类型。在用于发散准直光束时，透镜的曲面应朝向光源（换言之，平面应指向待调节的焦平面），这样光线会发生渐进式偏折，从而将球差降至最低。
双凸透镜：
双凸透镜（Biconvex Lens）是一种具有两个曲率半径相同的球面表面的光学透镜。双凸透镜的主要用途包括激光束调制、光线聚焦和成像。双凸透镜具有正焦距，能将准直光束会聚于一点。当绝对共轭比等于或接近 1:1 时，建议使用双凸透镜；特别是在物距与像距的绝对值相等的情况下，对于 1:5 到 5:1 之间的共轭比，双凸透镜是最佳选择。若非此类情况，则更适合使用平凸透镜，因为其非对称形状有助于减少球差。双凸透镜的焦距可通过公式 f = (R1*R2) / ((n-1)*(R2-R1)) 计算得出。由于其两侧曲率相等，常用于汇聚点光源的光线或将图像传输至其他光学系统。由于物距与像距相等或近似相等，因此可以将畸变降至最低。
双凹透镜：
双凹透镜（Biconcave Lens）是一种具有两个向内弯曲且曲率半径相同的球面表面的光学透镜。双凹透镜具有负焦距，能使准直光束发散并指向虚焦点（即发散光路的反向延长线在透镜物侧的交点），同时能增加透镜组的焦距。双凹透镜用途广泛，包括发散准直光束或会聚光束以及调节光束直径（例如在伽利略式扩束镜中）；此外，由于其负焦距特性，双凹透镜也可用于校正光学系统的球差。得益于其对称结构，当共轭比（物距与像距之比）接近或等于 1:1 时，双凹透镜的性能最佳；在此条件下，透镜的对称性有助于抵消畸变、球差、色差及彗差。然而，若预期的放大倍率小于 1/5 或大于 5，则选用平凹透镜会更为适宜。
弯月透镜：
弯月透镜（Meniscus Lens，又称凸凹透镜）是一种包含一个凹面和一个凸面的光学透镜。由于两个表面的曲率半径不同，弯月透镜可分为两类：正弯月透镜和负弯月透镜。正弯月透镜的凸面曲率大于凹面曲率，其边缘厚度大于中心厚度，从而产生正焦距。相比之下，负弯月透镜的凹面曲率大于凸面曲率，其中心厚度大于边缘厚度，从而产生负焦距。正弯月透镜具有会聚光线的作用；与其他透镜配合使用时，它能在不引入显著球差的情况下缩短系统焦距并提高现有光学模块的数值孔径（NA）。这些特性对于提高成像设备的分辨率，以及在入射光束较宽时通过聚焦激光来缩小光斑直径（从而实现衍射极限性能和更高的激光加工精度）都非常有益。负弯月透镜则具有发散光线的作用，其功能与正弯月透镜截然相反，可用于增加焦距、降低光学组件的数值孔径以及扩束。弯月透镜常被用作校正透镜，也可作为照明系统中的聚光元件。此外，厚度适宜的弯月透镜还能消除色差
消色差双胶合透镜：
消色差双胶合透镜是一种块状光学元件，通常由两片光学玻璃材料（具有互补色散特性）制成的凹透镜和凸透镜胶合而成。该透镜的一个显著特点是能将光学系统中的色差降至最低（色差是指当入射光包含多种波长的光线时，因折射率随波长变化而产生的偏差，这会导致焦平面上的光斑模糊）。此外，利用消色差双胶合透镜还可以校正球差和轴上彗差。
平凸/平凹柱面透镜：
平凸/平凹柱面透镜本质上是一个具有向外凸起或向内凹陷结构的柱体（或长方体），因此具有正（或负）的有效焦距。平凸柱面透镜的主要功能是对激光束阵列进行会聚或发散，并调节图像的纵横比。作为平凸/平凹透镜的柱面变体，平凸/平凹柱面透镜在无限共轭比（此处指绝对值；当比值低于 5:1 时，性能会下降）下表现更佳。平板平凸/平凹透镜与柱面平凸/平凹透镜的区别在于：前者在两个维度上发散光线，而后者仅在一个维度上扩展光束。
平凸/平凹柱面透镜能够将二维光束转换为线性激光线，这一特性使其广泛应用于多种场景，例如激光二极管狭缝输入耦合、图像纵横比调整、激光扫描仪、染料激光器、光谱分析以及线性探测器中的能量接收等。平凸/平凹透镜既可用于调节图像纵横比，也可将点光源光束转换为线状图像。此外，平凸柱面透镜也常用于会聚准直光束，以生成细长的光线。
平凸/平凹柱面透镜的另一个关键应用是光束的变形整形（anamorphic beam shaping），即把激光二极管产生的光斑呈椭圆形的激光束校正为圆形光束。椭圆形光束是由矩形菲涅尔孔径造成的，这种形状通常是不理想的，因为它意味着光束面积较大（导致更多功率损耗）、均匀性较差以及高斯光束分布特性不佳。利用一对平凸/平凹柱面透镜可以将椭圆形光束整形为圆形光束。在测试中，将这对平凸/平凹柱面透镜按图示方式正交放置。测试结果表明，利用一对平凸/平凹柱面透镜对椭圆形光束进行圆形化整形，是一种具有高透射率、能实现光斑形状平衡并能有效抑制像散的方案。
球透镜与半球透镜：
球透镜是一种特殊的双凸透镜，具有球体几何形状（即拥有完全球形的表面），由单一材料制成，且该材料在目标波长范围内具有良好的光学透过率。球透镜的主要功能是实现光纤的光束准直或耦合（例如激光至光纤的耦合、光纤至光纤的耦合），同时也广泛应用于微型光学系统（如条形码扫描、传感器或作为物镜等）。球透镜也可被视为非球面透镜的预制件。球透镜的一个优势在于其后焦距（BFL）较短，这一特性缩短了光学元件与光纤之间的距离，在安装空间受限的情况下尤为实用；同时，其紧凑的尺寸也有助于降低生产成本。此外，球透镜具有旋转对称性，这使得对准和定位操作更加简便。
半球透镜是球透镜的变体，由球透镜沿中心切分而成。由于其具备一个平坦表面，便于安装固定，因此半球透镜非常适合需要紧凑设计的应用场景。
棒状透镜：
棒状透镜是一种圆形棒状光学透镜，可将准直光束聚焦到同一维度。光线沿透镜圆周传播，因此棒状透镜的圆周需要进行精密抛光，而两个平面端面与光学加工无关，但也可以进行研磨。棒状透镜的用途包括准直发散光、线性聚焦，以及在硬性内窥镜（一种用于观察人体内部的医疗器械）的物镜和目镜之间用作图像反转透镜。棒状透镜也可作为光导管（一种利用全反射在平面端面之间传输光线的光学元件）。
非球面透镜：
非球面透镜是一种具有非球面光学表面的透镜（即曲率半径随距光轴的距离变化而变化）。非球面透镜的独特之处在于能最大限度地减小球差。球差是球面透镜固有的特性：由于光程差的存在，靠近光轴入射的光线其焦点位置往往比透镜边缘入射光线的焦点位置更靠前，从而导致图像模糊并增大光斑尺寸。与球面透镜相比，非球面透镜能显著降低球差，从而提高图像分辨率，并将光斑直径缩小几个数量级。非球面透镜允许采用更大的数值孔径（即较小的F数），从而增加光通量并实现更高的功率效率。此外，在透镜模组中采用非球面透镜还可以减少元件数量，因为无需额外的光学元件来校正球差，从而实现更紧凑、更简化的设计。
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