光学透镜选用技巧：焦距、NA、材料与镀膜如何选择

选择光学透镜，不能只看“焦距是多少”或者“光强够不够”。

同样一枚焦距为 25 mm 的透镜，用于机器视觉成像、激光聚焦、LED 准直和光纤耦合时，判断标准可能完全不同。实际工程中，通常需要同时考虑工作波段、焦距、工作距离、视场、有效口径、NA/F/#、像差、材料、镀膜以及机械安装条件。

因此，比较可靠的光学透镜选用方法不是从某一种镜片开始挑，而是先把系统要求转换成光学参数，再确定适合的透镜结构。

一、先确定透镜到底要完成什么任务

不同应用对透镜性能的优先级不同。

例如机器视觉系统通常要求先确定工作距离 WD、视场 FOV 和所需分辨率，再选择镜头；仅知道一个焦距，并不能判断最终能看到多大范围。

二、焦距不是越短或越长越好

焦距决定透镜的光焦度，也会直接影响成像视场、放大倍率以及系统长度。

在传感器尺寸一定的情况下，通常：

• 焦距越短，视场角越大；

• 焦距越长，视场角越小；

• 相同视场下，使用较长焦距通常意味着需要更长的工作距离。

对于机器视觉系统，可以通过传感器尺寸、工作距离和目标视场对焦距进行初步估算。

例如角视场 AFOV 可近似表示为：

AFOV = 2 × arctan（FOV / 2WD）

再结合传感器尺寸估算需要的焦距。

但这里要特别注意：这种计算通常采用近轴近似，实际多片镜头还受到主平面位置、畸变和内部光学结构影响，因此计算结果适合作为初选依据，最终仍应核对镜头的实际规格或光学设计结果。

不要只通过焦距判断镜头视场

同一枚焦距相同的成像镜头，配合不同尺寸的传感器，得到的实际视场也不同。

因此机器视觉选型至少应该同时给出：

传感器尺寸 + 工作距离 + 要求视场 + 像素尺寸/分辨率

而不是只询问“需要多少毫米焦距的镜头”。

三、NA 和 F/# 决定的不只是“进光量”

对于聚焦、准直、显微、光纤耦合等系统，数值孔径 NA 往往比单独讨论焦距更加重要。

数值孔径定义为：

NA = n × sinθ

其中 n 为介质折射率，θ 为系统能够接收或输出光束的最大半角。

较大的 NA 意味着系统能够接收更大的光锥。在理想衍射限制条件下，提高 NA 也有利于获得更小的聚焦光斑和更高的横向分辨能力，但实际性能还受到球差、表面精度、光束质量和系统结构影响。

对于空气中的近轴系统，F/# 与 NA 可以近似建立对应关系，但在高 NA 系统中不能简单使用低 NA 的近轴公式代替实际光学设计。

因此，如果应用涉及：

• 激光聚焦；

• 光纤耦合；

• 荧光收集；

• 高分辨率成像；

建议不要只给出“直径 + 焦距”，还应明确 NA 或实际光束参数。

四、平凸、双凸、平凹和非球面透镜怎么选？

透镜外形不是简单的“正透镜选凸、负透镜选凹”，不同结构对像差的控制能力不同。

平凸透镜

平凸透镜具有正焦距，常用于准直和聚焦。

在典型的准直光聚焦应用中，为减小球差，一般让曲面朝向准直光束，平面朝向焦点附近；反过来用于点光源准直时，则通常让平面靠近光源。

它适合结构简单、成本敏感、单色或较窄波段的系统。

双凸透镜

双凸透镜同样是正透镜，在物像共轭关系较接近时通常比简单平凸结构更合适，例如一定倍率范围内的成像或光束转换。

但实际像差水平仍取决于曲率、折射率、工作距离和孔径，不能只根据外形判断性能。

平凹和双凹透镜

负透镜主要用于使光束发散、调整系统焦距、扩束或与正透镜组合进行光束整形。

例如激光扩束系统中，经常使用正负透镜组合，而不是单独依靠一枚正透镜。

非球面透镜

非球面透镜通过改变表面曲率分布，可以显著改善某些球面透镜难以控制的球差，并有机会使用更少的镜片实现较高 NA 或较紧凑的光学系统。

但需要注意：

非球面本身并不等于“自动消除色差”。

色差主要来源于材料折射率随波长变化，即材料色散。非球面可以改善几何像差，但宽光谱系统是否需要消色差，仍然要看材料组合和整体设计。

五、宽光谱系统为什么经常需要消色差透镜？

单片透镜的折射率会随波长变化，因此不同波长通常不会具有完全相同的焦距，这就是纵向色差产生的重要原因。

如果系统使用：

• 白光；

• 宽带 LED；

• 多波长照明；

• 可见光成像；

• 光谱检测；

单片球面透镜可能出现不同波长焦点位置不同的问题。

消色差双胶合透镜通常通过组合不同折射率和不同色散特性的玻璃，使两个设计波长具有相同或接近的焦点，同时显著降低一定波段内的剩余色差。

这也是为什么宽光谱成像中，不能简单认为“换成更高折射率玻璃”就能解决色差问题。消色差依赖的是材料色散与光焦度的组合设计。

六、透镜材料必须根据工作波长选择

“透明材料”并不意味着在所有波段都透明。

可见光系统常用各类光学玻璃和熔融石英，而进入紫外、SWIR、MWIR 或 LWIR 后，材料选择会明显不同。

例如硅、锗和硒化锌属于常见红外光学材料，但它们不能简单归类为普通“无色光学玻璃”。不同材料的折射率、色散、热膨胀系数和可用光谱范围差别很大。

选择材料时至少应确认：

1. 工作波长范围

2. 材料在该波段的内部透过率

3. 折射率与色散

4. 温度变化范围

5. 机械强度和环境耐受性

6. 是否需要进一步镀膜

尤其对于红外系统，不应该仅根据“红外材料名称”选择，还要结合实际中心波长和工作波段确认。

七、增透膜不能只写一个“AR”

透镜表面存在折射率突变，会产生菲涅耳反射。对于多片透镜系统，这些表面反射会累积，不仅降低透过率，还可能引入鬼像和杂散光。

因此透射型光学系统通常会根据应用波段设计增透膜。

但“有 AR 膜”并不是完整的光学指标。

选型时至少应该明确：

• 中心波长或工作波段；

• 入射角 AOI；

• 偏振状态是否敏感；

• 单面还是双面镀膜；

• 平均反射率或指定波长反射率；

• 激光系统是否有损伤阈值要求。

窄波段激光可以针对特定设计波长优化低反射率，而宽光谱成像通常需要宽带增透膜。AR 镀膜离开设计波段后，其反射性能可能明显变化，因此不能把某一个波段的 AR 镀膜直接用于完全不同的波长范围。

八、机器视觉透镜选型还要检查分辨率和畸变

得到焦距只是机器视觉镜头选型的第一步。

如果相机已经确定，可以先计算系统放大倍率：

PMAG = 传感器尺寸 / 物方视场

进一步可以估算物方像素尺寸：

物方采样尺寸 ≈ 像素尺寸 / PMAG

但传感器拥有足够多的像素，并不代表整个系统一定能够达到相同分辨率。最终成像还受到镜头 MTF、衍射、像差、离焦、装调误差以及照明条件影响。

尺寸测量应用还需要重点检查：

• 畸变；

• 边缘分辨率；

• 景深；

• 物距变化引起的倍率变化。

如果被测物存在明显高度变化，而且尺寸测量精度要求较高，则可能需要进一步考虑远心成像方案，而不是普通定焦镜头。

九、一个更实用的光学透镜选型顺序

工程项目中可以按照下面的顺序整理需求。

第一步：确定应用

成像、聚焦、准直、扩束、光纤耦合还是光束整形？

第二步：确定光谱

给出中心波长或完整工作波段，例如单波长激光和 400–700 nm 宽光谱系统的设计逻辑明显不同。

第三步：确定几何条件

包括：

• 工作距离；

• 视场；

• 光束直径；

• 目标焦斑；

• 传感器尺寸；

• 安装空间。

第四步：确定孔径要求

根据系统确认：

• 有效口径；

• NA；

• F/#；

• 光束发散角。

第五步：确定像质要求

根据应用给出：

• 分辨率；

• MTF；

• 畸变；

• 波前误差；

• 焦斑大小；

• 色差要求。

不需要把所有指标同时做到最高，应根据系统真正需要的性能确定优先级。

第六步：选择材料和镀膜

最后结合波长、功率、环境和成本确定：

基底材料 + 表面质量 + 面形精度 + 镀膜波段 + 尺寸公差。

如果标准平凸、平凹、双凸、双凹、柱面或其他透镜无法满足系统要求，则需要进一步进行定制光学设计或加工。

GIAI 激埃特光电可根据客户提供的尺寸、材料、工作波段、光学图纸以及镀膜指标，对透镜、棱镜及相关光学元件进行加工和镀膜需求评估。