焦點(diǎn)(Focus Point):平面波束經(jīng)過特定偏折結(jié)構(gòu)后會聚于空間上一個點(diǎn),這個點(diǎn)稱為焦點(diǎn)。
多數(shù)情況下,焦點(diǎn)指的是光學(xué)焦點(diǎn),某些專業(yè)場合也會指微波或者超生聚焦的會聚點(diǎn)。
光的會聚會引起能量集中,焦點(diǎn)處溫度升高,這是中文“焦點(diǎn)”一詞的來源。
薄凸透鏡
可以使平行光束會聚在一點(diǎn),從不同方向入射的光線會聚的焦點(diǎn)組成一個平面,稱之為焦平面。其中平行主軸的光線會聚得到的焦點(diǎn)稱之為主焦點(diǎn),凸透鏡可以從兩個方向入射,有兩個主焦點(diǎn)。絕大多數(shù)情況下,我們提到凸透鏡的“焦點(diǎn)”特指主焦點(diǎn)。
拋物面鏡
(一般指拋物面形狀的凹面鏡)也能使平行于主軸的光線會聚于一點(diǎn),拋物面鏡的焦點(diǎn)只有一個。
薄凹透鏡、凸拋物面鏡
不能使平行光束匯聚成一點(diǎn),但是其反射光線反向延長可以匯聚成一點(diǎn),對于觀察者而言,反射光就像是從某一點(diǎn)光源發(fā)出的。為了描述這種現(xiàn)象和便于計(jì)算,我們將其稱之為虛焦點(diǎn)。
對于透鏡,由于不同顏色的光線折射率不同,焦點(diǎn)位置也不同,這稱之為色差(色像差)
。
對于球面透鏡,其邊緣部分和中央部分光線并不嚴(yán)格會聚于同一點(diǎn),邊緣部分會聚點(diǎn)更近一些。
對于主軸上的點(diǎn)光源,這種偏差會在屏/底片/光傳感器上形成一個中間亮邊緣暗的圓形光斑,這稱之為球差
。注意未合焦產(chǎn)生的彌散圓是不一樣的,點(diǎn)光源產(chǎn)生的彌散圓是亮度均勻的;而球差產(chǎn)生的光斑中間亮周圍暗。
對于主軸外的點(diǎn)光源,這種偏差會在屏/底片/光傳感器上偏移拉長成一個彗星狀光斑,稱之為彗差
。球差和彗差的物理本質(zhì)其實(shí)是完全相同的。都是球面透鏡不同位置的會聚焦點(diǎn)位置偏差引起的。
透鏡剖面改成笛卡爾卵形線可以消除球差/彗差,但是磨制難度比較高,成本往往是球面透鏡的幾倍。也可以采用正負(fù)透鏡的組合來減小球差,這是一種相對低成本的方案。