了解光學系統中的聚焦透鏡

作者：Bryan Ng – 行銷經理

編輯：曲英麗 – 研發總監

1.什麼是聚焦鏡？

聚焦透鏡是一種光學元件，它透過曲面折射光線，使透射光會聚或發散。透鏡的光學特性在許多不同的應用中都至關重要。這些應用範圍很廣，從眼鏡鏡片到工業製造過程中使用的複雜雷射系統。聚焦透鏡的材質和形狀是決定光學系統性能的關鍵因素。不同的光學材料可用於可見光譜範圍。而熔融石英、氟化鈣、藍寶石等材料也可用於近紅外線到短波紅外線波段。

2. 調焦鏡頭的類型

聚焦鏡頭通常有 6 種類型，每種類型都有其特殊的性能和應用。下面將簡單介紹其中的四個。

2.1 凸透鏡

凸透鏡，也稱為會聚透鏡或正透鏡，是一種中心較厚、朝邊緣逐漸變細的透鏡，如下圖所示。這些透鏡因其會聚光線的能力而常用於光學領域。當平行光線通過凸透鏡時，它們會折射並聚集在一個焦點上。此焦點是光線或波折射後相遇的點。

2.2 凹透鏡

凹透鏡，也稱為發散透鏡或負透鏡，是將來自光源的直光束發散成縮小的直立虛像的透鏡。實像是由光線的實際交叉形成的，而虛像是由假想的光線交叉形成的。凹透鏡既可以形成實像，也可以形成虛像。從上圖可以看出，這些聚焦鏡片的中心較薄，邊緣較厚，並向內彎曲。

凹透鏡使穿過它們的平行光線發散，從透鏡另一側的公共點折射出去。凹透鏡的焦點是這些發散光線向後延伸時看似起源的點。凹透鏡在矯正視力障礙方面有多種應用，例如近視（影像聚焦在視網膜前面）。此外，凹透鏡也用於光學系統，其目標是擴散或發散入射光，例如擴束器。

2.3 平凸透鏡

平凸透鏡是一種具有一個平面和一個向外彎曲表面的透鏡，類似於放大鏡，如上圖所示。平坦的一面稱為“平面”，向外彎曲的一面稱為凸面。這種透鏡設計可以將穿過它的平行光線聚集到另一側的焦點。平凸透鏡廣泛應用於成像系統、投影機和放大鏡等領域，在這些應用中，凸面的會聚特性起著至關重要的作用。了解更多關於平凸透鏡的資訊。

表1： Wavelength Opto-Electronic 標準平凸透鏡

2.4 平凹透鏡

平凹透鏡是一種具有一個平面和一個向內彎曲的凹面的透鏡。平坦的一面稱為“平面”，而向內彎曲的一面稱為凹面。它的焦距為負值，可用於光線投射、光束擴展或增加光學系統的焦距。了解更多關於平凹透鏡的資訊。

表2： Wavelength Opto-Electronic 標準平凹透鏡

3. 調焦鏡頭的原理

3.1 折射

當光線從一種各向同性介質移動到另一種各向同性介質時，它會改變傳播方向和速度，如下圖所示。

斯涅爾定律指出，對於給定的一對介質，入射角 Theta 1 和折射角 Theta 2 的正弦之比等於這兩種介質的折射率之比，或等效於兩種介質（v1 和v2）中的相速度之比。這種現象稱為折射。凸透鏡具有向外的曲率，將平行光線聚集到另一側的焦點。另一方面，凹透鏡具有向內的曲率，導致平行光線發散。透鏡的形狀和光的折射特性之間的相互作用是聚焦的核心。

3.2 焦距

鏡頭的焦距是理解對焦原理的關鍵參數。它是從透鏡到平行光線會聚（對於凸透鏡）或發散（對於凹透鏡）的點的距離。焦距較短的聚焦鏡頭會更積極地會聚光線，而焦距較長的聚焦鏡頭則會產生較漸進的會聚。

3.3 光圈數（F 數）

F 數是光學系統速度和清晰度的量測。它是焦距與光圈大小的比值。快速系統具有較小的 F 值，例如 F/1、F/2 或 F/3。慢速系統具有較大的 F 值，例如 F/8、F/15，甚至 F/20。較快的 f 值表示較寬的入射光瞳，因此孔徑較大。較大的光圈允許更多的光線進入光學系統，從而使較低 f 數的聚焦鏡頭更適合低光源條件。

f 數也會影響景深，即影像中看起來清晰程度可接受的距離範圍。較高的 f 值（較小的光圈）會產生更大的景深，這意味著更多的場景將成為焦點，而較低的 f 值（較大的光圈）會產生較淺的景深。

4. 波長範圍和像差

如上所述，斯涅爾定律指出折射角受材料折射率的影響。波長的變化會造成折射率的變化，稱為色散。像差是影像形成的缺陷。各種類型的像差，例如色差和球差，都會使影像失真。出現色差是因為單一鏡頭無法將不同波長的光聚焦在同一點。先進的聚焦系統採用校正措施，包括非球面透鏡和多個透鏡元件，以減輕這些像差並優化影像品質。

5. 尋找可靠的聚焦鏡頭供應商？

憑藉我們最先進的設施和豐富的經驗， Wavelength Opto-Electronic 設計和製造質量 聚焦鏡 凹透鏡、平凹透鏡、凸透鏡、平凸透鏡、彎月透鏡和球透鏡等不同型式。雖然現成的解決方案很容易取得（如上面的產品表所示），但我們也能夠 定制 聚焦鏡頭從標準到高精度規格，並採用不同的光學材料，從玻璃、水晶、金屬到塑膠。