透镜
什么是透镜？
透镜是由透明材料制成的、至少含一个曲面的光学元件。其主要功能是折射（重定向）透射光线，将光线汇聚到焦点或使其发散。透镜的应用范围广泛，涉及眼镜、相机、汽车前照灯、激光系统、虚拟现实眼镜和光纤网络等各种领域。
透镜是由玻璃（可见光）或 ZnSe（红外辐射）等多种透明材料制成的基础光学元件，其通过折射控制光线。光线穿过透镜时，这种交互会改变其传播方向，从而使光线汇聚或发散。
光线效果视透镜形状（凸面、凹面或更复杂的形状）而异。这通常意味着将光线聚集到一个点进行成像或光束集中，或将光线分散以降低强度或扩大视场。这种引导和聚焦光线的独特能力使透镜成为光学设备（从简单的放大镜到先进科学仪器中的复杂组件）中的重要元件。
透镜的基本工作原理
透镜采用折射原理，折射是光从一种材料进入另一种不同折射率的材料时发生的光学现象。材料的折射率就是以数值形式表示的、光在其中传播时“减速”的程度。具体来说，折射率就是指真空内光速与材料内光速的比率。
当光线以任何非垂直角度进入材料时，这种“减速”会导致光线改变方向（弯曲或折射）。光线的重定向程度取决于它撞击两种介质边界的角度以及它们各自的折射率。这种关系通过“斯涅尔定律”方程式量化表示，如下图所示。
光线从一种材料到另一种材料的折射（方向改变）由名为“斯涅尔定律”的简单方程式表示。在曲面上，与此表面垂直的假想线的方向随位置变化。因此，光线折射的角度也会随位置而变化，并且始终遵循“斯涅尔定律”。
“斯涅尔定律”不仅解释了光线的折射方式，还用于透镜的设计和功能。通过设计具有特定曲率的透镜，光学工程师可以控制光线穿过透镜的路径，根据各种应用需求聚焦或散射光线。这种光线控制能力是光学技术、各种科学以及日常应用的基础。
常见透镜类型
尽管透镜类型多种多样，但大体可分为以下几大类。最基本的差别在于其每个表面是凸面还是凹面。凸面向外弯曲或凸起，而凹面向内弯曲或凹陷。
三种表面形状（凸面、凹面或平面）一共可以用六种不同的方式组合，如图所示（假设包含至少一种曲面）。如果组合后的透镜中心比边缘厚，那么它就是正透镜。正透镜汇聚光线，使其光线聚焦。
如果透镜的边缘比中心厚，那么它就是负透镜。负透镜会发散或扩散光线。
此处介绍了六种基本的透镜形状。正透镜将光线汇聚到焦点。负透镜会使光线发散，从而使其扩散。
透镜形状
继凹凸表面之后，下一个区别是曲面的形状。具体而言，就是指每个表面是球面、非球面、圆柱面，亦或是自由曲面等更复杂的形状。下图说明了这一点。
透镜的每个表面可能是球面、非球面或圆柱面，也可能是平面。
为什么需要了解所有形状的透镜？ 其中有一个原因是，之前关于“球面透镜将所有光线引导至一个共同焦点”的说法并不完全正确。事实上，当平行光线遇到球面透镜时，那些进入透镜边缘的光线会聚焦至中心附近略近的点。因此，焦点并非完美点位。这个问题（名为“球面像差”）会降低成像系统的分辨率，并限制将激光聚焦到极小尺寸光斑的能力。
球面透镜不会将所有光线聚焦在完全相同的点位，这会限制性能。非球面透镜可以避免此问题。但是由于衍射，没有透镜能完美聚焦点位。此处未展示该效果。
有几种方法可以解决这个问题。第一种方法是使用没有球面的镜头，即非球面镜头。这些镜头没有球面像差。
另一种解决方案是将多个透镜组合在一起，而不是只使用单个元件。创建具有多个表面的透镜系统，可最大限度地减少球面像差和其他各种限制性能的像差。
将多个透镜组合在一起，可以解决任何单一透镜元件（球面或非球面）的问题。据此，镜头倾向于将离轴光聚焦到曲面而非平面上。由于多数的图像传感器采用平面设计，且很多材料处理应用也需要聚焦到平面，“场曲”也是一种常见问题。
可组合多个透镜元件以消除场曲问题，以及校正许多其他像差和性能问题。
柱面透镜的作用方式与前述的球面和非球面相同，只是在一个维度上不同。因此，正柱面透镜不会将光聚焦到一个点，而是将其聚焦到一条线上。
圆柱透镜只在一个维度上聚焦，通常用于形成线光束。
圆柱透镜的用途多种多样。例如，它们被用作激光线发生器——鲍威尔透镜是一种非球面柱面透镜，其形状专门用于产生均匀分布强度的激光线。柱面透镜还可用于将大多数二极管激光器的非对称输出转换为圆形光束。
柱面透镜元件也广泛用于变形镜头。它们用于电影拍摄，以在标准胶片框架或数字传感器上捕捉宽屏图像。变形镜头将宽视场挤压到较窄的记录介质上。然后在投影或数字后期处理期间将较宽的格式拉伸回其原始纵横比。
透镜材料
镜头由透光材料制成，目前有多种此类光学材料在使用。针对特定应用选择每种材料时，需基于其光学、机械、热学甚至化学特性的特定组合。
光学特性通常是最关键的因素，这通常是选择透镜材料的基础。值得一提的事，传输范围通常是关键因素。因为如果材料无法传输所需的波长，就无法用它制作透镜。
光学玻璃是可见光和近红外波段精密透镜（例如用于激光或仪器应用）领域中使用最广泛的材料。ZnSe 是 CO₂ 激光透镜以及其他多种红外应用的最常用材料。
塑料在消费级框架眼镜和隐形眼镜中已变得极为常见。这是因为它们重量轻、耐冲击、易于制成几乎任何形状，而且成本相对较低。但它们确实比玻璃镜片更容易刮伤。大多数眼镜都使用聚碳酸酯和一种名为“CR39”的聚合物，而“水凝胶”则是软性隐形眼镜的主要材料。
Coherent 生产多种类型的精密应用透镜，应用范围从单一组件到复杂的多元件系统，例如 f-theta 扫描镜头和红外热成像镜头。了解更多关于 Coherent optics。