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