了解球透镜
了解球透镜
球透镜是一种非常有用的光学元件，用于提高光纤、发射器及检测器之间的信号耦合。此外，它也适用于内镜、条码扫描、非球面透镜的预加工材料和传感器等应用。球透镜采用单一玻璃基片制造而成，可以聚焦或输出平行光，取决于输入源的几何形状。半球透镜也很常见，在应用的物理约束要求更紧凑型的设计的情况下，与（全）球透镜交换使用。
使用球透镜的基本方程式
共有五种需要了解和使用球透镜的主要参数（图1）：输入源的直径 (d)、球透镜的直径 (d)、球透镜的有效焦距 (efl)、球透镜的后焦距 (bfl) 和球透镜的折射率 (n)。
图 1：主要参数
efl 的计算方法非常简单（方程式1），这是因为它只有两种变量：球透镜的直径 (d) 和折射率 (n)。efl是从球透镜的中心开始测量的，在图1中标示为r。一旦计算出efl和d后，即可轻易地计算出bfl（方程式2）。数值孔径na（方程式3）则取决于efl和d。它通常被引用及经常用来代替d/d。
由于经常使用na，因此图2说明了随着输入光源直径（d)的提高na值将增大。
图 2：爱特蒙特光学®提供的球透镜玻璃类型的数值孔径与直径的对比。
应用范例
范例1：激光到光纤的耦合
将激光的光耦合到光纤时，球透镜的选择将取决于光纤的 na 和激光光束的直径或输入源。激光光束的直径用来确定球透镜的 na。球透镜的 na 必须低于或与光纤的 na 相同，以耦合所有的光。光纤与球透镜间的接触所图 3 所示。
图 3：激光到光纤的耦合
初始参数
输入激光光束的直径 = 2mm
球透镜的折射率 = 1.517
光纤的数值孔径 = 0.22
计算参数
球透镜的直径>6-8 毫米的 n-bk7 球透镜直径（折射率为 1.517）非常适合将 2 毫米的激光源耦合到 0.22na 的光纤。可以轻易尝试不同的折射率以查找激光到光纤耦合应用的球透镜。
范例 2：光纤到光纤的耦合
为了将其中一个光纤的光耦合到另一个具有相同 na 的光纤，必须使用两个相同的球透镜。将两个球透镜与光纤放在一起，如图 4 所示。如果光纤具有相同的 na，则可应用如范例 1 所示的相同逻辑。
图 4：光纤到光纤的耦合
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使用球透镜的基本方程式
共有五种需要了解和使用球透镜的主要参数（图1）：输入源的直径 (d)、球透镜的直径 (d)、球透镜的有效焦距 (efl)、球透镜的后焦距 (bfl) 和球透镜的折射率 (n)。
图 1：主要参数
efl 的计算方法非常简单（方程式1），这是因为它只有两种变量：球透镜的直径 (d) 和折射率 (n)。efl是从球透镜的中心开始测量的，在图1中标示为r。一旦计算出efl和d后，即可轻易地计算出bfl（方程式2）。数值孔径na（方程式3）则取决于efl和d。它通常被引用及经常用来代替d/d。
由于经常使用na，因此图2说明了随着输入光源直径（d)的提高na值将增大。
图 2：爱特蒙特光学®提供的球透镜玻璃类型的数值孔径与直径的对比。
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图 3：激光到光纤的耦合
初始参数
输入激光光束的直径 = 2mm
球透镜的折射率 = 1.517
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计算参数
球透镜的直径>6-8 毫米的 n-bk7 球透镜直径（折射率为 1.517）非常适合将 2 毫米的激光源耦合到 0.22na 的光纤。可以轻易尝试不同的折射率以查找激光到光纤耦合应用的球透镜。
范例 2：光纤到光纤的耦合
为了将其中一个光纤的光耦合到另一个具有相同 na 的光纤，必须使用两个相同的球透镜。将两个球透镜与光纤放在一起，如图 4 所示。如果光纤具有相同的 na，则可应用如范例 1 所示的相同逻辑。
图 4：光纤到光纤的耦合
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