透镜篇

要想实现稳定的视觉系统,就需要从有关透镜特性的知识出发,选择最适合您应用的透镜。透镜类型众多,每一种都能产生不同的效果。透镜的形状和材料特性决定了它所属的类型。这本小册子介绍了透镜从最初起源到现时现世的发展历史。

凹透镜与凸透镜的发明

透镜的英文 (lens) 源于拉丁文 lentil,该词来自于地中海地区。在日语中这是又一个外来词,在二战时期曾称为“tokyo( 透明的镜子)”。其起源可追溯到在宗教仪式中用作生火工具或在古文明中作为饰品的水晶球或玻璃球。人们普遍认为,透镜的起源可以上溯到 2000 年前古罗马哲学家塞内加 (Seneca),他曾经叙述到“水晶球可以放大字”。

透镜运用了称为光“折射”的原理:即光发生弯曲并改变了行进方向。中间较厚并且呈球状的凸透镜可以聚合光线;外圈较厚并且呈沙漏状的凹透镜可以分散光线。

凹透镜与凸透镜的折射原理及其功能

凹透镜与凸透镜的使用

透镜一直在两个领域中不断演进:日常生活中佩戴的眼镜,以及将透镜用于显微镜、望远镜和照相机中的工具性应用。 第一副眼镜于 13 世纪投入实际使用,它实际上只是利用了凸透镜的简易放大镜。起初,它被称作“魔鬼的工具”。与此同时,带两片镜片的眼镜面世,利用凹透镜的近视镜也于 16 世纪被发明出来。

显微镜和望远镜中哪一个先被发明出来?

正确答案是显微镜,它于 16 世纪末问世。之后,英国人虎克 (Hooke) 发明出利用两个凸透镜(物镜和目镜)的复式显微镜;几乎同一时期,荷兰人发明出单透镜显微镜。 望远镜是由荷兰人李伯希 (Lippershey) 发明的,他将凸透镜作为物镜并将凹透镜作为目镜。伽利略 (Galileo) 随即改良了这项发明并将其运用到天文观测中,他正是用这种设备发现了土星环。此外,德国天文学家开普勒 (Kepler) 设计出了将凸透镜作为物镜和目镜的开普勒式望远镜。

近视和利用凹透镜的眼镜的机理
远视和利用凸透镜的眼镜的机理

透镜类型

凹透镜和凸透镜可进一步细分为许多不同的类型,其中包括:圆形表面的球面透镜、表面弯曲但非球面的非球面透镜、背部拱起的圆柱形透镜、形似一段甜甜圈的环形透镜以及搓板状表面的菲涅耳透镜。 在这些透镜上,光线会在透镜的表面发生折射。 不过还有一些其他类型的透镜,包括借助梯变折射率产生光学效果的自聚焦透镜( 梯变折射率是由透镜材料产生,而非通过透镜表面的折射形成) 和利用光波分散现象的衍射透镜。 自聚焦透镜通常用于内窥镜中,衍射透镜通常用于 CD 和 DVD 播放器中。

利用表面折射的透镜 球面透镜
非球面透镜
圆柱形透镜
环形透镜
菲涅耳透镜
未利用表面折射机理的透镜 自聚焦透镜(梯变折射率透镜)
衍射透镜

透镜的各种形状

以下所示的所有透镜均利用了透镜表面处的折射。

透镜材料的变化:从玻璃到塑料

早期的透镜和水晶都是不易拥有的奢侈品。 随着 12 世纪玻璃制造技术的改进,玻璃透镜的产量开始增加,之后高透过率的光学玻璃透镜于 19 世纪被发明了出来。 光学透镜在 20 世纪扮演了重要的角色,如今光学透镜的种类已超出 200 种。 光学透镜可大致分为两大类:低折射率、含碱石灰的冕玻璃类和高折射率、含铅的火石玻璃类。 光学塑料透镜于 20 世纪初问世,早期型号的透光率和折射率都很低。 自 20 世纪 40 年代研发出热固性塑料之后,光学塑料透镜开始迅速普及。 正因为有了这一新发展,热塑性透镜不仅具备了可与光学玻璃相媲美的透光率,还减轻了一半的重量。 因为塑料透镜易于成型、不容易破碎且成本低廉,所以它对于隐形眼镜和即时成像照相机的发展也是功不可没。 最近,塑料透镜还被运用到了眼镜和手机摄像头中。 其他的透镜材料包括石英、萤石、透光瓷、透红外岩盐、硅酮和锗。

光学透镜(冕玻璃、火石玻璃)

折射率 阿贝数(色散) 材料特性
冕玻璃 大(小) 硬且轻
火石玻璃 小(大) 软且重

照相机镜头的变化:从单点聚焦到变焦

由单个光学元件构成的镜头称为“单镜头”;由多个光学元件构成的镜头称为“复合镜头”。 自 1839 年首架使用达盖尔银版照相法的卤化银照相机发明以来,复合镜头的技术发生了翻天覆地的变化,这进一步促进了新型镜头的发展。 其中的一些镜头类型包括对称放置两片相连的弯月形透镜的戴维森镜头、缩短所需照像时间的匹兹瓦镜头、在匹兹瓦镜头基础之上发展出的带有三片可分离透镜的三片型镜头,以及此外的蔡司镜头和松纳镜头。 变焦镜头于 20 世纪问世。 变焦镜头可以改变单个镜头的焦距,它的出现标志着高性能镜头发展史中的一次重大突破。 通过使用标准焦距、广角焦距和摄远焦距,以及高放大倍率,这种镜头可以满足各种视野范围上的要求。 之后,随着放大倍率的进一步提高、重量的进一步减轻以及尺寸的进一步缩小,多种不同类型的衍生镜头纷纷问世。 镜头领域也进入了系统化的时期。

各种照相机镜头和变焦镜头的机理

最新的透镜技术

几乎所有电子设备都使用了透镜,例如:CD-ROM 驱动器中用于读取红色 LED 激光束的准直透镜、激光打印机中的扫描透镜以及条码读取器和内窥镜所使用的光纤视镜中的透镜。 另一个例子是能以微米尺寸处理半导体的先进步进机( 步进重复投影曝光系统) 中的投影透镜,这是一种由多层顶级玻璃状硅制成的精密透镜。 这便是所谓的“透镜之王”。

最后,有人可能会产生这样的疑问“:人类历史中最好的照相机镜头是什么呢?” 答案是“人眼( 晶状体)”,晶状体可以自由调整其厚度来达到最合适的焦距。 事实上,目前仍在开发中的最先进的透镜便采用了晶状体的原理。 它被称为液态透镜。 这种透镜由两种具有不同传导性、绝缘性和折射率的液体构成,它可以借由表面张力效应调整透镜的厚度和形状,进而自由地改变焦距。 由于它既不需要聚焦结构,也不需要驱动装置,所以人们对其在从家用电子设备、医疗设备到安全领域等各大行业中的一系列应用抱有很大的期望。

液态透镜技术的机理

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