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镜头选择教程：
光学镜头种类繁多，无论是用户还是工程师，都需要评估各种镜头的优缺点，以便优化光学系统。首先，什么是镜头？光学镜头是一种透明的光学元件，它可以汇聚或发散从周边物体发出的光线。透射的光线随后形成物体的实像或虚像。光学镜头主要分为三大类：凸透镜和凹透镜。凸透镜具有正焦距，可以聚焦光线；凹透镜具有负焦距，可以扩束准直光束。进一步细分，透镜可分为平凸透镜、平凹透镜、双凸透镜、双凹透镜、弯月透镜、球/半球透镜、消色差双合透镜、柱面平凸/平凹透镜、棒透镜、非球面透镜等。本文列举了不同的透镜分类，探讨了它们的特点以及在适当的使用环境中的应用。
焦距与共轭比
焦距是从光心到平行光束在光轴上会聚点的长度。凸透镜具有正焦距，凹透镜具有负焦距，并将光线聚焦到虚焦点。共轭比定义为物距（光轴上物体与透镜之间的距离）与像距（光轴上图像与透镜之间的距离）之比。从物体到图像的光路是可逆的。将物体放置在透镜的焦点处，可获得无穷大的共轭比；将物体放置在焦距两倍处，可获得两倍焦距处的像，共轭比为 1:1。
注意：您可能想了解更多与镜头选择相关的基本概念，例如视场 (FOV)、图像畸变、球面像差和彗差：球面像差等，请参阅我们的镜头选择教程。或者，如果您正在寻找有关选择基板材料的参考，请参阅我们的光学基板材料选择指南。
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且焦距为正的光学透镜，用于收集、聚焦准直光、准直点光源光或缩短透镜组的焦距。与双凸透镜相比，平凸透镜的两个侧面不同，因此在绝对共轭比（物距：像距）无限大时效果最佳。然而，当绝对共轭比大于 5:1 时，平凸透镜仍能将球面像差降低到相当低的程度。对于低于 5:1 的共轭比，可以考虑成对使用平凸透镜或使用双凸透镜。平凸透镜主要用于单色光，例如激光；平凸透镜常用于会聚平行光或将点光源转换为平行光。使用透镜聚焦平行光时，平行光应投射到透镜的曲面上。
平凹透镜：
平凹透镜是一种一侧为平面、另一侧为凹面的透镜。平凹透镜具有负焦距，可以使光束发散。因此，它可以用来扩束、投射光线并延长光学系统的焦距。平凹透镜通常用于伽利略扩束镜中，也用作增加光学仪器焦距或补偿球面像差以改善成像质量的元件。当绝对共轭比大于5:1（即物距与像距的绝对值）时，平凹透镜是减少球面像差、彗差和畸变的最佳负透镜类型。当用于发散准直光束时，其曲面应朝向光源（或者说，平面应指向您想要调制的焦平面），以使光线逐渐弯曲，从而最大限度地减少球面像差。
双凸透镜：
双凸透镜，又称双凸透镜，是一种具有两个具有相同曲率半径的球面的光学透镜。双凸透镜的主要用途包括激光光束调制、光聚焦和成像。双凸透镜具有正焦距，可将准直光会聚到一点。当绝对有限共轭比等于或接近1:1时，建议使用双凸透镜。当物距和像距的绝对值相等时，共轭比在1:5到5:1之间时，双凸透镜是最佳选择。如果不是，则平凸透镜是更好的选择，因为它们的非对称形状有助于减少球面像差。双凸透镜的焦距可以使用以下公式计算：f= (R1*R2)/((n-1)*(R2-R1))。它们两侧的曲率相等，常用于聚集点光源的光线或将图像传输到其他光学系统。由于物距与像距相等或近似相等，因此可以最大限度地减少畸变。
双凹透镜：
双凹透镜或双凹透镜是一种光学透镜，其两个球面向内弯曲，且曲率半径相同。双凹透镜具有负焦距，可将准直光束发散至虚焦点（即发散光路延长线在凹透镜物侧的交点），并增加透镜组的焦距。双凹透镜的用途广泛，包括准直光束或聚焦光束的发散，以及光束直径的调制（例如伽利略扩束镜）。由于其负焦距，双凹透镜也可用于校正光学组件的球面像差。由于其对称结构，当共轭比（物距：像距）接近或等于1:1时，双凹透镜的效果最佳。在这种情况下，畸变、球面像差/色差以及彗差可以通过透镜的平衡来抵消。然而，当预期放大倍数小于1/5或大于5时，平凹透镜将是更好的选择。
弯月透镜：
弯月透镜或凸凹透镜是一种光学透镜，由一个凹面和一个凸面组成，两个凸面的曲率半径不同，根据曲率半径的不同，弯月透镜可分为正弯月透镜和负弯月透镜。正弯月透镜凸面的曲率大于凹面，其边缘厚度大于中心厚度，因此焦距为正。相反，负弯月透镜凹面的曲率大于凸面，其中心厚度大于边缘厚度，因此焦距为负。正弯月透镜可以汇聚光线，与其他透镜配合使用可以缩短焦距，并增加现有光学模块的数值孔径 (NA)，而不会引入明显的球面像差。这些功能对于影像仪器提高分辨率非常有用，对于聚焦激光器在入射光束宽度较大时缩小光斑直径也非常有用，从而为激光加工提供衍射极限性能和更高的精度。负弯月透镜使光线发散，其作用与正弯月透镜正好相反，可以增加焦距、降低光学组件的数值孔径并扩束。弯月透镜通常用作矫正透镜，也可以用作照明系统的聚光镜。此外，适当厚度的弯月透镜还可以消除色差。
消色差双合透镜：
消色差双合透镜是一种块状光学元件，通常由两片胶合的凹凸单透镜组成，这些单透镜由色散特性相互补偿的不同光学玻璃材料制成。消色差双合透镜的独特之处在于能够最大程度地减少光学模块中的色差（色差是指当入射光源由多色辐射组成时，由于波长不同而导致的折射率偏移，其结果是焦平面上的光斑模糊）。消色差双合透镜还可以校正球面像差和轴上彗差。
平凸/凹柱面透镜：
平凸/凹柱面透镜本质上是一个长方体，其结构向外延伸/向内弯曲，因此有效长度为正。平凸柱面透镜的基本功能是汇聚/发散激光束矩阵，并调节图像的长宽比。作为平凸/凹透镜的平板版本，平凸/凹柱面透镜在共轭比无限大时性能更佳（此处我们指的是绝对值，当共轭比低于5:1时，共轭比会变得不利）。平板PCX/PCV和柱面PCX/PCV的区别在于，前者在二维方向上发散光线，而后者在一维方向上扩展光束。
平凸/凹柱面透镜的固有特性是将二维光束转化为线性激光线，可用于各种应用，例如耦合激光二极管的狭缝输入、改变图像的纵横比、激光扫描仪、染料激光器、光谱仪以及线性探测器中的能量接收器。平凸/凹柱面透镜既可以调节图像的纵横比，也可以将点光源创建成线图像。PCX柱面透镜也常用于收集准直光束以生成细线。
平凸/凹柱面透镜的另一个重要应用是变形光束整形，即将激光二极管产生的椭圆形激光光束矫正为圆形。椭圆形激光光束是矩形菲涅尔光圈的结果，这是不理想的，因为这意味着更大的光束面积，从而浪费更多功率，均匀性更差，并且高斯光束轮廓很差。一对平凸/凹柱面透镜可用于将椭圆光束圆形化。在测试过程中，一对平凸/凹柱面透镜被放置成透镜相互正交，如图所示。从结果可以看出，使用一对平凸/凹柱面透镜将椭圆光束圆形化是一种高透射率、形状平衡、衰减像散的方法。
球透镜和半球透镜：
球透镜是一种特殊形式的双凸透镜，它继承了球体的几何形状（即完全球形的表面），由单一材料制成，光传输位于目标波长范围内。球透镜的主要功能是光纤的光准直/耦合（例如，激光器与光纤的耦合、光纤与光纤的耦合），并且还具有其他多种用途，可以集成到微型光学元件中（例如，条形码扫描、传感器或物镜等）。球透镜也可以被视为预成型的非球面透镜。球透镜的优点之一是其较短的后焦距 (BFL)，这一特性可以缩短从光学元件到光纤的距离，在安装空间较为狭窄的情况下非常有用，而紧凑的尺寸可以同时降低生产成本。此外，球透镜具有旋转对称性，这使得对准和定位更加容易。
半球透镜是球透镜的变种，通过将球透镜简单地切成两半而获得。由于一个平面使得安装更加方便，半球透镜非常适合需要更紧凑设计的应用。
棒状透镜：
棒状透镜 是一种圆棒状的光学透镜，可将准直光束聚焦到一维空间。光线沿透镜的圆周方向传播，因此棒状透镜的圆周经过精密抛光，而其两个平端与光学加工无关，但也可以进行研磨。棒状透镜的用途包括准直发散光、线性聚焦以及在硬式内窥镜（一种用于观察人体内部的医疗器械）中用作物镜和目镜之间的图像反转透镜。棒状透镜也可用作光导管（一种利用全反射在平端之间传输光线的光学元件）。
非球面透镜：
非球面透镜是一种光学透镜，其光学前端为非球面（即曲率半径随距光轴距离的变化而变化）。非球面透镜的独特之处在于其极小的球面像差。球面透镜固有的球面像差是由于光路差异造成的，靠近光轴的光线的焦点往往比入射到球面透镜边缘的光线的焦点更靠前，导致图像模糊并增大光斑宽度。与球面透镜相比，非球面透镜的球面像差显著降低，从而提高了图像分辨率，其光斑直径比球面透镜的光斑直径小几个数量级。非球面透镜允许更大的数值孔径（低f值），从而提高光通量，实现更高的功率效率。将非球面透镜纳入镜头模块也有助于减少元件数量，无需过多的光学元件来校正球面像差，从而实现紧凑和简化的设计。
轴棱镜：
轴棱镜或称圆锥透镜，是一种具有锥面和平面的光学透镜，其形状由底角（称为物理角）和顶角定义。轴棱镜的工作原理是利用干涉效应沿光轴产生焦线。轴棱镜可用于产生近似无衍射贝塞尔光束，该光束是由一系列功率相等的同心环组成的光束，其光束由近场准直高斯光束变换而成。虽然贝塞尔光束在现实生活中并不存在，因为产生它需要无限的能量，但轴棱镜提供了一种很好的模拟方法，它能够在比类似的高斯光束更长的距离上保持无衍射贝塞尔光束的特性。平凸轴棱锥也可用于通过在远场投影将激光转换为环形，并且环的厚度将是入射激光束直径的 1/2。