焦點(Focus Point):平面波束經過特定偏折結構后會聚于空間上一個點,這個點稱為焦點。
多數情況下,焦點指的是光學焦點,某些專業場合也會指微波或者超生聚焦的會聚點。
光的會聚會引起能量集中,焦點處溫度升高,這是中文“焦點”一詞的來源。
薄凸透鏡
可以使平行光束會聚在一點,從不同方向入射的光線會聚的焦點組成一個平面,稱之為焦平面。其中平行主軸的光線會聚得到的焦點稱之為主焦點,凸透鏡可以從兩個方向入射,有兩個主焦點。絕大多數情況下,我們提到凸透鏡的“焦點”特指主焦點。
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,拋物面鏡的焦點只有一個。
薄凹透鏡、凸拋物面鏡
不能使平行光束匯聚成一點,但是其反射光線反向延長可以匯聚成一點,對于觀察者而言,反射光就像是從某一點光源發出的。為了描述這種現象和便于計算,我們將其稱之為虛焦點。
對于透鏡,由于不同顏色的光線折射率不同,焦點位置也不同,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格會聚于同一點,邊緣部分會聚點更近一些。
對于主軸上的點光源,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
。注意未合焦產生的彌散圓是不一樣的,點光源產生的彌散圓是亮度均勻的;而球差產生的光斑中間亮周圍暗。
對于主軸外的點光源,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其實是完全相同的。都是球面透鏡不同位置的會聚焦點位置偏差引起的。
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。也可以采用正負透鏡的組合來減小球差,這是一種相對低成本的方案。