作者：李zx 时间：2025-08-08
本文解释了色差的产生，通过介绍消色差透镜和消色差透镜的工艺发展，让您对消色差透镜有大概的了解。结合西格玛光机Optosigma的空气隙型消色差透镜系列，包括双胶合透镜DLB，紫外线消色差透镜UDL/NUDL，可见光消色差透镜ATL/NADL，YAG激光用聚光透镜NYTL/NYDL以及消色差双胶合透镜近红外用消色差双胶合透镜DL-PNIR来让您对原理有个参考的对象。
许多人都曾有过这样的体验：当阳光透过棱镜时，会形成彩虹。比起光线在棱镜中的折射现象，光被分解成七种颜色的现象可能更令人印象深刻。实际上，折射与色散是密不可分的表里关系——这一点在透镜中也毫不例外。
当白光通过透镜聚焦时，不同波长（颜色）的光线会聚焦在不同位置，这种现象就是色差（色像差）。其成因在于玻璃的折射率会随波长产生微妙变化。不过普通人观察透镜时很少能注意到色差——因为波长差异导致的焦点偏移并不会像棱镜彩虹那样呈现鲜艳的色彩分离，而只是让成像略显朦胧，效果与球面像差等其他像差几乎难以区分。只有当在白黑边界处观察到色彩渗线时，人们才能确认色差的存在。
图1 颜色像差对透镜成像性能的影响示意图
然而对天文学家而言，色差曾是个严峻难题。他们尝试过各种解决方案：延长透镜焦距、改用反射镜等。直到1758年，英国人多隆德（J. Dollond）发明了划时代的消色差透镜（复消色差透镜）。
所有透明材料都具有折射率和色散特性，但这些特性会随材质和成分配比而变化。虽然色散不会归零或出现负值，但不同材料的色散程度确有大小之分。通过将短焦距凸透镜与色散补偿凹透镜组合，并选用低色散材料制作凸透镜、高色散材料制作凹透镜，就能制造出色差小于同焦距单透镜的复合透镜。
图2 激光透镜的原理
受此启发，人们陆续开发出多种折射率和色散值各异的光学玻璃。如今光学玻璃已分为低色散的冕牌玻璃（如BK7）和高色散的燧石玻璃（如SF2）两大类。将这两种玻璃加工成特定曲率并胶合而成的透镜，就是广泛应用于相机镜头、望远镜到显微镜等所有成像光学设备的消色差透镜。
图3 光学玻璃的阿贝数表
消色差透镜的出现使得色差与赛德尔五像差被控制到极限，但另一方面，光学系统的设计复杂度已高到连设计者都难以完全理解像差消除机制的程度。
由于激光是单色光，理论上无需考虑色差问题。但有趣的是，消色差透镜仍被明确列入激光设备配件目录并实际使用。虽然具体缘由不甚明确，但确实存在多重优势：
首先，消色差透镜不仅能消除色差，还通过增加一个折射面和一种折射率材料，同步优化了球差、像散和彗差等三种赛德尔像差。相比单透镜在倾斜入射时像差剧增的缺陷，消色差透镜即使存在轻微安装倾斜也能保持稳定聚焦性能。
其次是成本因素。虽然存在其他像差校正方案，但需要为每个焦距定制透镜组合，制造成本高昂。而通用性强的消色差透镜，既能用于望远镜物镜、显微镜成像镜头，也可适配简易成像系统，规模化生产显著降低了成本。
此外，激光设备也存在特殊需求：虽然激光是单色光，但波长并非绝对稳定（如半导体激光器通常允许±5nm波长浮动）。使用多波长激光系统时，消色差透镜可免去逐一波长调校的麻烦，实现多波长同步聚焦。对于低功率激光应用而言，消色差透镜有百利而无一害。
Optosigma消色差双胶合透镜DLB采用冕牌玻璃凸透镜与燧石玻璃凹透镜胶合结构。两透镜接触面需达到极高曲率匹配精度——若存在间隙会导致粘接不良、聚焦性能下降等问题。此外，消色差双胶合透镜DLB粘接过程还要求严格的光轴对准，对研磨和装配工艺都是严峻考验。
图4 胶合消色差透镜的制造工艺
针对高能脉冲激光应用，西格玛光机产品线中特别开发了非胶合型消色差透镜，既空气隙型消色差透镜：紫外线消色差透镜UDL/NUDL、可见光消色差透镜ATL/NADL和YAG激光用聚光透镜NYTL/NYDL系列。这些透镜采用无胶结构设计，所有镜面均镀有抗高能激光损伤膜层，通过机械结构固定镜组，避免传统胶合层在强激光下的剥离、变色等问题。
需要说明的是，消色差透镜并非全波段适用。以可见光消色差透镜为例，其设计波长通常针对486.1nm（蓝）、546.1nm（绿）、656.3nm（红）三个特征波长优化，一旦超出该范围色差会急剧恶化。即便在设计波长范围内，大孔径短焦距的高数值孔径透镜仍可能因边缘残留色差影响成像。
YAG激光器虽工作于不可见的1064nm红外波段，但常需要同轴红色引导激光（如632.8nm）辅助定位。YAG激光用聚光透镜NYTL/NYDL通过特殊设计，使两种波长激光能准确共焦——操作者先用可见红光调焦，即可同步获得红外激光的精准聚焦。
下图由左至右分别为紫外线消色差透镜UDL/NUDL，可见光消色差透镜ATL/NADL和YAG激光用聚光透镜NYTL/NYDL。
近红外用消色差双胶合透镜DL-PNIR则针对700nm、880nm、1100nm三波段优化，适用于半导体激光器（780nm/830nm）、光纤放大器泵浦LD（900-1000nm）及YAG激光（1064nm）等近红外光源的聚焦应用。虽然这类透镜较少用于成像领域，但在特定激光工程中展现出独特价值。
如果您对文中西格玛光机Optosigma的消色差双胶合透镜DLB，近红外用消色差双胶合透镜DL-PNIR，紫外线消色差透镜UDL/NUDL，可见光消色差透镜ATL/NADL和YAG激光用聚光透镜NYTL/NYDL感兴趣的话，请联系我们。
