[激光原理与应用-57]：激光器 - 光学 - 常见光学镜片介绍

Posted 2022-12-19 文火冰糖的硅基工坊

目录

第1章 光学镜片和普通镜片

1.1 光学镜片和普通镜片的区别

1.2 什么是光学镜片

1.3 反射镜

1.4 透镜

1.5 镜片镀膜

第2章 光学镜片的类型

2.1 半透镜

2.2 半透半反反射镜 - 分束镜

2.3 凸透镜

2.4 凹透镜

2.5 准直镜

2.6 偏振镜片

2.7 分色镜与分色反射镜

2.8 光学隔离器

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第1章 光学镜片和普通镜片

1.1 光学镜片和普通镜片的区别

光学镜片和普通镜片的不同主要是在于：

（1）物理特性不同

光学镜片具有：

• 高度的透明性
• 物理及化学性质高度均匀性及
• 特定和十分精确的光学常数。

而这些对于普通镜片来说都是替代不了的。

（2）加工复杂性不同

而光学镜片的加工也十分的复杂，就包括：

• 光学冷加工以及
• 对玻璃镜片的抛光。

1.2 什么是光学镜片

最初用于制造镜头的玻璃，就是普通窗户玻璃或酒瓶上的疙瘩，形状类似“冠”，皇冠玻璃或冕牌玻璃的名称由此而来。那时候的玻璃极不均匀，多泡沫。除了冕牌玻璃外还有另一种含铅量较多的燧石玻璃。

光学玻璃是用高纯度硅、硼、钠、钾、锌、铅、镁、钙、钡等的氧化物按特定配方混合，在白金坩埚中高温融化，用超声波搅拌均匀,去气泡；

然后经长时间缓慢地降温，以免玻璃块产生内应力。

冷却后的玻璃块，必须经过光学仪器测量，检验纯度、透明度、均匀度、折射率和色散率是否合规格。合格的玻璃块经过加热锻压，成光学透镜毛胚。

1.3 反射镜

反射镜是一种利用反射定律工作的光学元件。

反射镜按形状可分为：

• 平面反射镜
• 球面反射镜
• 非球面反射镜

按反射程度可分成：

• 全反反射镜
• 半透半反反射镜(又名分束镜)。

1.4 透镜

透镜是用透明物质制成的表面为球面一部分的光学元件。

镜头是由几片透镜组成的，有塑胶透镜（plastic）和玻璃透镜（glass）两种，玻璃透镜比塑胶贵。

通常摄像头用的镜头构造有：1P、2P、1G1P、1G2P、2G2P、4G等，透镜越多，成本越高。

因此一个品质好的摄像头应该是采用玻璃镜头的，其成像效果要比塑胶镜头好，在天文、军事、交通、医学、艺术等领域发挥着重要作用。

透镜可广泛应用于安防、车载、数码相机、激光、光学仪器等各个领域，随着市场不断的发展，透镜技术也越来越应用广泛。（

lens）透镜是根据光的折射规律制成的。透镜是由透明物质（如玻璃、水晶等）制成的一种光学元件。

透镜是折射镜，其折射面是两个球面（球面一部分），或一个球面（球面一部分）一个平面的透明体。它所成的像有实像也有虚像。

1.5 镜片镀膜

无论树脂或玻璃镜片其本身的透光率都只有91%左右，会有部分光线被镜片的两个表面反射回来。

镜片的反射可使光线透过率减少并在视网膜形成干扰像而影响成像的质量，并影响配戴者的外观。

如镜片外观涡旋明显，照相反光，看不到配戴者的眼睛等等。

而镀膜镜片是利用光学薄膜及真空的新技术，镀上一定厚度的单层或多层光学薄膜，使镜片获得一些新的、原本不具备的优良性能，以改善镜片反射光线的能力，起到增强或减少光线透过的作用使镜片的透光率增加到98%。

所镀的膜层主要有硬膜、多层减反射膜、抗污膜等。

1）加硬膜：增加镜片表面的硬度，使其更加耐磨损。

2）减反射膜：增加镜片可见光的透过率和防紫外线、防辐射的性能。

3）抗污膜：因减反射膜的技术需要，该膜分子间空隙较大，镜片表面容易藏污纳垢，而抗污膜的物质分子颗粒小、分子之间空隙小，使镜片表面更加光洁，增加了防水、防雾、防尘等等防污染等功能。

第2章 光学镜片的类型

2.1 半透镜

半透镜顾名思义，半透镜在一定的条件下可以看透，没有符合一定条件看不透。跟二极管有点相似。

半透镜可以分为两种：有机半透镜和无机半透镜。

 半透镜广泛用于相机，手机，显示屏，装饰品，灯箱，广告，玩具，半透镜相机等不同的行业。

2.2 半透半反反射镜 - 分束镜

分束镜是一种镀膜玻璃。在光学玻璃表面镀上一层或多层薄膜，当一束光投射到镀膜玻璃上后，通过反射和折射，光束就被分为两束或更多束。

分束镜主要用于将入射光束分成具有一定光强比的透射与反射两束光。

有固定分束比分束镜和可变分束比分束镜两类。

可变分束比分束镜又有阶跃和连续暂变之分。

分束镜通常总是倾斜着使用，它能方便地把入射光分离成反射光和透射光两部分。

如果反射光和透射光有不同的光谱成分，或者说有不同的颜色，这种分束镜通常称作为二向色镜。

如果把一束光分成光谱成分相同的两束光，即在一定的波长区域内，如可见光区内，对各波长具有相同的透射率和反射率比，因而反射光和透射光呈中性，这种分束镜称为中性分束镜。透射和反射比为50/50的中性分束镜最为常用。

常用的中性分束镜有两种结构：

一种是把膜层镀在透明的平板上，得到平板分束镜。

另一种是把膜层镀在45°的直角棱镜斜面上，再胶合一个同样形状的棱镜，构成胶合立方体。

平板分束镜，由于不可避免的象散，通常应用在中、低级光学装置上。

对于性能要求较高的光学系统，可以采用棱镜分束镜。

胶合立方体分束镜(也称作分光棱镜)的优点是在仪器中装调方便，而且由于膜层不是暴露在空气中，不易损坏和腐蚀，因而对膜层材料的机械、化学稳定性要求较低。但是胶合立方体分束镜的偏正效应较大也是显而易见的。

在一定的波长区域内的反射率几乎不变的薄膜或薄膜组合，都可以起中性分束的作用。

常用的有金属分束镜和介质分束镜两类。

2.3 凸透镜

凸透镜是中央较厚，边缘较薄的透镜。

凸透镜有会聚光线的作用故又称会聚透镜，

凸透镜：中间厚，边缘薄，有双凸、平凸、凹凸三种；

凸透镜是根据光的折射原理制成的。

凸透镜分为双凸、平凸和凹凸（或正弯月形）等形式，较厚的凸透镜则有望远、会聚等作用，这与透镜的厚度有关。远视眼镜是凸透镜。

2.4 凹透镜

平行光线通过凹球面透镜发生偏折后，光线发散，成为发散光线，不可能形成实性焦点，

沿着散开光线的反向延长线，在投射光线的同一侧交于F点，形成的是一虚焦点（凹透镜有两个虚焦点）

凹透镜：中间薄，边缘厚，有双凹、平凹、凸凹三种。

凹透镜亦称为负球透镜，镜片的中间薄，边缘厚，呈凹形，所以又叫凹透镜。凹透镜对光有发散作用。近视眼镜是凹透镜。

凹透镜分为双凹，平凹，凸凹（注意：凸凹透镜是凹度大于凸度，凹凸透镜是凸度大于凹度的！）等形式。

2.5 准直镜

准直透镜是指能将来自孔径栏中每一点的光线变成一束平行的准直光柱的仪器。

准直镜是一种较为常用的光学产品，用于在光束传递系统中用于维持激光谐振腔和聚焦光学元件之间的光速的准直性，其主要原理是通过使用凸透镜等使发散的入射光在出射时变成平行光。

2.6 偏振镜片

1、在自然状态下，普通光源发出的光向各个方向振动的电场矢量分量都相等，这种光就是自然光，它是非偏振的。

2、如果光矢量始终沿着某一个方向振动，这样的光就被称为线偏振光（平面偏振光）

3、如果从自然光中将某个线偏振光对应的光矢量部分移去，使得两个独立的分量不相等，就可以获得部分偏振光。

4、如果两个独立的光矢量分量完全相等（指振幅相等，频率相同，相位也相同）我们就可以得到圆偏振光，迎着光的传播方向考察，光矢量端点轨迹是一个圆。

5、如果两个独立光矢量分量振幅相等、频率相同、但是相位不同，我们最终得到的光就是椭圆偏振光。迎着光的传播方向考察，光矢量端点轨迹是一个椭圆。

偏振镜，也叫偏光镜、偏振片、偏光片，简称PL镜，是一种滤色镜。

偏振镜的出色功用是能有选择地让某个方向振动的光线通过，在彩色和黑白摄影中常用来消除或减弱非金属表面的强反光，从而消除过减轻光斑；

偏振镜分为线偏振镜(PL镜)和圆偏振镜(CPL镜，环形偏振镜)。线偏振镜透光率41.5%，消光度99.8 %;圆偏振镜透光率30%，消光度99.9 %。

 

2.7 分色镜与分色反射镜

分色镜是一种非常精确的滤色片，用于选择性地透传小范围颜色的光，同时反射其他颜色。

相比之下，二向色镜和二向色反射镜往往以其反射的光的颜色为特征，而不是它们透过的颜色。

分色反射镜是将从光源灯发出的光分离成红、绿、蓝三原色的反射镜（滤光器）。

有两种类型的分色镜：

（1）三菱镜

透过三菱镜的7种颜色是：红、黄、蓝、绿、橙、青、紫。

一束白光透过三菱镜的位子有一个规律：凡是透过三棱镜的光，无论什么颜色，也无论投射在什么样的物质上，接受投射效果的物质上所呈现的颜色永远是按从上至下的形式排列，并且颜色越深越往上排，然后依次变浅，依次就往下排，这是一个通式。

三菱镜的光路图除了七条光线以外，还有红外线和紫外线，

这主要是因为它们的波长不同而造成折射角不同。

（2）滤光镜

它是在基础玻璃板上涂刷一层能够反射特定波长范围的薄膜后形成的。使得特定波长的光被反射，其他波长的光能够透传 。

2.8 光学隔离器

光学隔离器，又称光学二极管[注 1]，是一种可限制光线向特定方向行进的光学仪器。

它通常被用来防止多余的反馈光线进入光学振荡器中，例如激光腔。

其运作原理乃为法拉第效应（磁光效应所造成），而该效应被用在其主元件，亦即法拉第旋光器中。在旋光器中施加一个磁场。它的磁感应强度在光线传播方向上的分量大小为B。

这个磁场会使光线通过旋光器时偏振方向发生旋转。