Thorlabs 透镜的选择
透镜教程
原创lensthorlabs索雷博2022-11-30 12:00发表于上海
球面透镜的种类
下面是六种单透镜。双凸或双凹透镜具有前后对称的球面，zui,佳 外形透镜具有不同曲率的两个球面，而弯月透镜也分正负：正弯月是凸透镜，两边薄中间厚；负弯月是凹透镜，两边厚中间薄。
平凸透镜 双凸透镜
平凹透镜 双凹透镜
弯月透镜 zui,佳 外形
下面是三种复合透镜。双胶合透镜由两个不同材料的单透镜粘在一起，而空气隙双合透镜通过安装件组合在一起。
双胶合 空气隙双合 三胶合
透镜的单色像差主要有五种。
球差的原因是边缘光线和中心光线的焦距不同，因此两种光线无法会聚在同一点。像散的原因是子午面和弧矢面的光线会聚点不同。彗差是指斜入射光线会聚时形成彗星拖尾状的光斑，而不是圆形的艾里斑。场曲是指理想像点在一个曲面而非平面上。畸变的原因是在视场范围内有不同的垂轴放大率。
透镜的色差由材料色散引起，这是由于不同波长在相同材料中的折射率不同，因此它们的焦距也会不同。
对于单色光源，球差通常是球面单透镜无法达到衍射 ji,限 性能的主要因素。对于宽带光源，色差通常是降低透镜成像质量的主要因素。球差和色差都可通过选择透镜的形状和组合去校正，下面详细讨论。
球差及其校正方法
在理想情况下，我们把透镜看作薄透镜，没有厚度只有焦距，因此所有平行光线都会聚在相同的焦点上。但在实际情况下，越往边缘的光线的会聚点离透镜越近，意味着透镜没有单一的焦点。这就是球差。
理想透镜 球差形成
球差校正：zui,佳 外形透镜
在设计 zui,佳 外形透镜时，变量包括前后两表面的不同曲率，而定量包括前后表面的距离、材料和波长，还可以有焦距和na等等。软件将据此优化而实现 zui,小 的会聚光斑。如下图所示，在红线和蓝线的交点上，zui,小 球差点和零彗差点几乎重合，此时就找到了两表面曲率的 zui,佳 配比，即 zui,佳 外形。
球差校正：非球面透镜
在球面上叠加一系列偶次的高阶曲面可将其优化为非球面。如左下图所示，当r接近于0时，非球面和普通球面偏离很小，但往两边的偏离变大，使边缘光线会聚点更靠近中心光线会聚点，从而实现衍射 ji,限 性能。
非球面透镜非常适合需要小焦距(f)和大数值孔径(na)的应用，比如激光二极管准直和光纤耦合。
球差校正：透镜组合
我们使用弯月透镜。正弯月增大系统na，负弯月减小系统na。由于na越大，球差可能越严重，因此我们希望在系统中使用负弯月透镜减小na并优化球差。
正弯月 正弯月
减小焦距增大na 增大焦距减小na
在下面的仿真结果中，对于相同的入射光，单个平凸透镜的会聚光斑尺寸为240 μm，两个平凸透镜的会聚光斑尺寸为81 μm，而一个平凸加一个弯月透镜则只有21 μm。
一般而言，在上述三种方法中，从 zui,佳 外形到非球面透镜再到透镜组合，可优化的设计变量越来越多，而球差校正性能也是越来越好的。
注意事项一：在使用透镜时，为了使球差达到 zui,小，比较曲的一面应朝向准直光束，而比较平的一面应朝向发散或会聚光束。
注意事项二：在透镜f数(焦距和光圈直径之比)低于f/10时需要优化球差，考虑使用非球面或消色差透镜。这是因为f数越小，焦距越小或光圈直径越大，这意味着na越大，因此边缘光线占比增加而导致球差变严重。
色差及其校正方法
由于不同波长在相同材料中的折射率不同，因此不同波长通过单透镜会有不同的焦距而引入色差。蓝光焦距较短，而红光焦距较长。
n-bk7透镜折射率 色差示意图
校正色差只能使用消色差透镜，通过不同色散的材料叠加抵消部分色差，从而在整个应用光谱范围内提供近似相等的焦距。评估消色差性能是看宽谱光的聚焦光斑大小。在下面的仿真结果中，单个平凸透镜的聚焦光斑大小是147 μm，而消色差双胶合透镜只有17 μm。
消色差透镜还能 gai,善 单色光成像和离轴性能。性能评估可以看离轴和轴向光线会聚点的距离。在下面的仿真结果中，单个平凸透镜对两种光线会聚点的纵向距离为4.3 mm，而消色差双胶合透镜只有700 μm，所以也能很好地 gai,善 球差。
注意事项：对于激光等单色光应用，此时没有色差问题，因此只需考虑球差校正，而非球面透镜可能是性价比 zui,高 的透镜。
下表总结了thorlabs各种透镜的特性和应用，其中共轭比为物距和像距之比。
透镜
类型
焦
距
共轭
比
色差
校正
应用
球面单透镜
平凸
正
5~∞
-
聚焦准直光束准直点光源
双凸
正
0.2~5
-
中继成像
(实物和实像)聚焦发散光束
平凹
负
5~∞
-
发散准直光束
准直发散光束
双凹
负
0.2~5
-
中继成像
(虚物和虚像)发散会聚光束
zui,佳 外形
正
∞
-
聚焦准直光束
准直点光源
消色差透镜
双胶合
正
∞
good
宽带聚焦和准直
提高单色性能
空气隙双合
正
∞
better
宽带聚焦和准直
优化轴向性能高功率应用
双胶合对
正
1~3.33
good
宽带中继成像
(实物和实像)提高单色性能
三胶合
正
1~∞
best
宽带聚焦、准直
中继成像
校正所有初级色差
非球面透镜
单非球面
正
∞
-
优化轴向性能
激光二极管准直光纤耦合
非球面对
正
1~3.66
-
优化轴向性能中继成像
(实物和实像)
聚光透镜
正
∞
-
收集光
准直非相干光
发散光准直和光纤耦合
为了计算光纤耦合透镜或准直透镜的焦距，我们有两种方法。
di,一 种是几何方法。比如，在准直激光二极管的发散光束时，如果已知发散角和准直光束直径，那么可用下式计算焦距并选择合适的透镜。
di,二 种是高斯光束理论。比如，为了将一束准直光耦合到光纤中，或者反过来将光纤输出的发散光变成准直光，如果已知准直光束直径d和光纤模场直径mfd，那么可用下式计算焦距并选择合适的透镜。
其它类型的透镜和应用
柱面透镜只从一个方向上使光束会聚或发散，因此可用于光束整形。比如，为了把椭圆光束变成圆形光束，可用两个柱面透镜搭成望远镜结构，使一个方向的光束直径增加，两透镜焦距f₂比f₁应等于增加后的直径比上之前的直径。
柱面透镜 光束整形
渐变折射率透镜是一个圆柱体，折射率从中心向外围呈二次曲线下降，使光以正弦曲线路径通过透镜。渐变折射率透镜一般用于光纤准直或在显微镜中用于传递图像。
锥透镜也叫旋转对称棱镜，由一个平面和一个锥面组成。如下图所示，上半边的光以角度β向下折射，而下半边的光以角度β向上折射，因此可用光屏在较远的地方接收到一个光环。如果后续用透镜聚焦这个光环就能生成贝塞尔光束。这种光束具有很大的焦深，保证能量比较集中地传输，非常适合激光打孔等很多应用。
锥透镜参数和光路示意图
使用锥透镜生成光环的装置
微透镜阵列中每个透镜的直径只有150或300微米(thorlabs熔融石英版本)。
微透镜阵列
当平面波入射在微透镜阵列上时，每个微透镜都将起到会聚作用。如果用相机在焦平面上接收，聚焦光点阵将整齐地排列。但对于畸变波前，每个透镜的聚焦点将出现偏移，就像下图中的绿点和红点，而相机可算出两点的中心距离δy和偏移角度α。
波前传感器原理图
由于波前是三维的，我们要把α分成αx和αy两个方向。如果在透镜之间建立节点，每个节点用αx和αy连接起来，就能恢复出一张网，它围成的包络就是入射光的波面，即等相位面。这种由微透镜和相机组成的设备，叫做波前传感器。
森泉为您的科研事业添砖加瓦：
激光控制：激光电流源、激光器温控器、激光器控制、伺服设备与系统等等
探测器：光电探测器、单光子计数器、单光子探测器、ccd、光谱分析系统等等
定位与加工：纳米定位系统、微纳运动系统、多维位移台、旋转台、微型操作器等等
光源：半导体激光器、固体激光器、单频激光器、单纵模激光器、窄线宽激光器、光通讯波段激光器、co2激光器、中红外激光器、染料激光器、飞秒超快激光器等等
光机械件：用于光路系统搭建的gao品质无应力光机械件，如光学调整架、镜架、支撑杆、固定底座等等
光学平台：主动隔振平台、气浮隔振台、实验桌、刚性工作台、面包板、隔振、隔磁、隔声综合解决方案等等
光学元件：各类晶体、光纤、偏转镜、反射镜、透射镜、半透半反镜、滤光片、衰减片、玻片等等
染料：激光染料、荧光染料、光致变色染料、光致发光染料、吸收染料等等
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变频水泵并联运行特征分析
标准六针防尘盖土网供应能力
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球面透镜的种类
下面是六种单透镜。双凸或双凹透镜具有前后对称的球面，zui,佳 外形透镜具有不同曲率的两个球面，而弯月透镜也分正负：正弯月是凸透镜，两边薄中间厚；负弯月是凹透镜，两边厚中间薄。
平凸透镜 双凸透镜
平凹透镜 双凹透镜
弯月透镜 zui,佳 外形
下面是三种复合透镜。双胶合透镜由两个不同材料的单透镜粘在一起，而空气隙双合透镜通过安装件组合在一起。
双胶合 空气隙双合 三胶合
透镜的单色像差主要有五种。
球差的原因是边缘光线和中心光线的焦距不同，因此两种光线无法会聚在同一点。像散的原因是子午面和弧矢面的光线会聚点不同。彗差是指斜入射光线会聚时形成彗星拖尾状的光斑，而不是圆形的艾里斑。场曲是指理想像点在一个曲面而非平面上。畸变的原因是在视场范围内有不同的垂轴放大率。
透镜的色差由材料色散引起，这是由于不同波长在相同材料中的折射率不同，因此它们的焦距也会不同。
对于单色光源，球差通常是球面单透镜无法达到衍射 ji,限 性能的主要因素。对于宽带光源，色差通常是降低透镜成像质量的主要因素。球差和色差都可通过选择透镜的形状和组合去校正，下面详细讨论。
球差及其校正方法
在理想情况下，我们把透镜看作薄透镜，没有厚度只有焦距，因此所有平行光线都会聚在相同的焦点上。但在实际情况下，越往边缘的光线的会聚点离透镜越近，意味着透镜没有单一的焦点。这就是球差。
理想透镜 球差形成
球差校正：zui,佳 外形透镜
在设计 zui,佳 外形透镜时，变量包括前后两表面的不同曲率，而定量包括前后表面的距离、材料和波长，还可以有焦距和na等等。软件将据此优化而实现 zui,小 的会聚光斑。如下图所示，在红线和蓝线的交点上，zui,小 球差点和零彗差点几乎重合，此时就找到了两表面曲率的 zui,佳 配比，即 zui,佳 外形。
球差校正：非球面透镜
在球面上叠加一系列偶次的高阶曲面可将其优化为非球面。如左下图所示，当r接近于0时，非球面和普通球面偏离很小，但往两边的偏离变大，使边缘光线会聚点更靠近中心光线会聚点，从而实现衍射 ji,限 性能。
非球面透镜非常适合需要小焦距(f)和大数值孔径(na)的应用，比如激光二极管准直和光纤耦合。
球差校正：透镜组合
我们使用弯月透镜。正弯月增大系统na，负弯月减小系统na。由于na越大，球差可能越严重，因此我们希望在系统中使用负弯月透镜减小na并优化球差。
正弯月 正弯月
减小焦距增大na 增大焦距减小na
在下面的仿真结果中，对于相同的入射光，单个平凸透镜的会聚光斑尺寸为240 μm，两个平凸透镜的会聚光斑尺寸为81 μm，而一个平凸加一个弯月透镜则只有21 μm。
一般而言，在上述三种方法中，从 zui,佳 外形到非球面透镜再到透镜组合，可优化的设计变量越来越多，而球差校正性能也是越来越好的。
注意事项一：在使用透镜时，为了使球差达到 zui,小，比较曲的一面应朝向准直光束，而比较平的一面应朝向发散或会聚光束。
注意事项二：在透镜f数(焦距和光圈直径之比)低于f/10时需要优化球差，考虑使用非球面或消色差透镜。这是因为f数越小，焦距越小或光圈直径越大，这意味着na越大，因此边缘光线占比增加而导致球差变严重。
色差及其校正方法
由于不同波长在相同材料中的折射率不同，因此不同波长通过单透镜会有不同的焦距而引入色差。蓝光焦距较短，而红光焦距较长。
n-bk7透镜折射率 色差示意图
校正色差只能使用消色差透镜，通过不同色散的材料叠加抵消部分色差，从而在整个应用光谱范围内提供近似相等的焦距。评估消色差性能是看宽谱光的聚焦光斑大小。在下面的仿真结果中，单个平凸透镜的聚焦光斑大小是147 μm，而消色差双胶合透镜只有17 μm。
消色差透镜还能 gai,善 单色光成像和离轴性能。性能评估可以看离轴和轴向光线会聚点的距离。在下面的仿真结果中，单个平凸透镜对两种光线会聚点的纵向距离为4.3 mm，而消色差双胶合透镜只有700 μm，所以也能很好地 gai,善 球差。
注意事项：对于激光等单色光应用，此时没有色差问题，因此只需考虑球差校正，而非球面透镜可能是性价比 zui,高 的透镜。
下表总结了thorlabs各种透镜的特性和应用，其中共轭比为物距和像距之比。
透镜
类型
焦
距
共轭
比
色差
校正
应用
球面单透镜
平凸
正
5~∞
-
聚焦准直光束准直点光源
双凸
正
0.2~5
-
中继成像
(实物和实像)聚焦发散光束
平凹
负
5~∞
-
发散准直光束
准直发散光束
双凹
负
0.2~5
-
中继成像
(虚物和虚像)发散会聚光束
zui,佳 外形
正
∞
-
聚焦准直光束
准直点光源
消色差透镜
双胶合
正
∞
good
宽带聚焦和准直
提高单色性能
空气隙双合
正
∞
better
宽带聚焦和准直
优化轴向性能高功率应用
双胶合对
正
1~3.33
good
宽带中继成像
(实物和实像)提高单色性能
三胶合
正
1~∞
best
宽带聚焦、准直
中继成像
校正所有初级色差
非球面透镜
单非球面
正
∞
-
优化轴向性能
激光二极管准直光纤耦合
非球面对
正
1~3.66
-
优化轴向性能中继成像
(实物和实像)
聚光透镜
正
∞
-
收集光
准直非相干光
发散光准直和光纤耦合
为了计算光纤耦合透镜或准直透镜的焦距，我们有两种方法。
di,一 种是几何方法。比如，在准直激光二极管的发散光束时，如果已知发散角和准直光束直径，那么可用下式计算焦距并选择合适的透镜。
di,二 种是高斯光束理论。比如，为了将一束准直光耦合到光纤中，或者反过来将光纤输出的发散光变成准直光，如果已知准直光束直径d和光纤模场直径mfd，那么可用下式计算焦距并选择合适的透镜。
其它类型的透镜和应用
柱面透镜只从一个方向上使光束会聚或发散，因此可用于光束整形。比如，为了把椭圆光束变成圆形光束，可用两个柱面透镜搭成望远镜结构，使一个方向的光束直径增加，两透镜焦距f₂比f₁应等于增加后的直径比上之前的直径。
柱面透镜 光束整形
渐变折射率透镜是一个圆柱体，折射率从中心向外围呈二次曲线下降，使光以正弦曲线路径通过透镜。渐变折射率透镜一般用于光纤准直或在显微镜中用于传递图像。
锥透镜也叫旋转对称棱镜，由一个平面和一个锥面组成。如下图所示，上半边的光以角度β向下折射，而下半边的光以角度β向上折射，因此可用光屏在较远的地方接收到一个光环。如果后续用透镜聚焦这个光环就能生成贝塞尔光束。这种光束具有很大的焦深，保证能量比较集中地传输，非常适合激光打孔等很多应用。
锥透镜参数和光路示意图
使用锥透镜生成光环的装置
微透镜阵列中每个透镜的直径只有150或300微米(thorlabs熔融石英版本)。
微透镜阵列
当平面波入射在微透镜阵列上时，每个微透镜都将起到会聚作用。如果用相机在焦平面上接收，聚焦光点阵将整齐地排列。但对于畸变波前，每个透镜的聚焦点将出现偏移，就像下图中的绿点和红点，而相机可算出两点的中心距离δy和偏移角度α。
波前传感器原理图
由于波前是三维的，我们要把α分成αx和αy两个方向。如果在透镜之间建立节点，每个节点用αx和αy连接起来，就能恢复出一张网，它围成的包络就是入射光的波面，即等相位面。这种由微透镜和相机组成的设备，叫做波前传感器。
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激光控制：激光电流源、激光器温控器、激光器控制、伺服设备与系统等等
探测器：光电探测器、单光子计数器、单光子探测器、ccd、光谱分析系统等等
定位与加工：纳米定位系统、微纳运动系统、多维位移台、旋转台、微型操作器等等
光源：半导体激光器、固体激光器、单频激光器、单纵模激光器、窄线宽激光器、光通讯波段激光器、co2激光器、中红外激光器、染料激光器、飞秒超快激光器等等
光机械件：用于光路系统搭建的gao品质无应力光机械件，如光学调整架、镜架、支撑杆、固定底座等等
光学平台：主动隔振平台、气浮隔振台、实验桌、刚性工作台、面包板、隔振、隔磁、隔声综合解决方案等等
光学元件：各类晶体、光纤、偏转镜、反射镜、透射镜、半透半反镜、滤光片、衰减片、玻片等等
染料：激光染料、荧光染料、光致变色染料、光致发光染料、吸收染料等等
关于催化燃烧设备安装的注意事项有哪些
RM 8785 滤膜空气颗粒物的实验室、方法和热光学分析
组织细胞用什么显微镜
实验室质量控制工作的关键环节
绝缘表面电阻测试仪在使用时可能遇到哪些问题？如何解决？
Thorlabs 透镜的选择
拖链的日常维护
BROOKS流量计种类全部规格优势及弱项
变频水泵并联运行特征分析
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格丹纳DS-72全自动石墨消解仪剖析
直筒电机转动扭力功率测试仪 动态直流电机转矩转速测量仪
物联网云平台远程控制喷淋灌溉阀门 手机远程无线控制
各类型禁航塑料浮标的使用方式
砂浆漏斗可工作时间
平行式呼吸阀工作原理
SPA PEG SPA，聚乙二醇二琥珀酰亚胺丙酸酯，端基取代率：>>95
立交桥声屏障的组成部分与隔音降噪效果分析
全自动车床的简介
硅质板包装机_硅质板热收缩机